3.3.1. Giới thiệu chung
Công nghệ máy in phun DOD là một trong những các ứng dụng thành công nhất thực hiện với các thiết bị MEMS. Công nghệ này có liên quan đến nhiều lĩnh vực công nghiệp ngoài in ấn tài liệu, chẳng hạn như sản xuất thiết bị điện tử linh hoạt, phân phát các mẫu y sinh học [19]. Nhiều ứng dụng đòi hỏi sự chính xác và kích thước giọt tái tạo [20]. Một cách tiềm năng để cải thiện độ chính xác và khả năng tái kích thước giọt để thay thế hệ thống phun vòng mở hiện tại với một vòng kiểm soát khép kín. Để làm điều này, một thiết bị giám sát tại chỗ của chất lỏng bên trong các kênh phun trong lúc hoạt động cần được tích hợp vào đầu in. Các cảm biến có thể được thiết kế để phát hiện các chuyển động thể lỏng [21] hoặc để th o dõi sự thay đổi áp suất bên trong đầu in. Một cảm biến MEMS dựa trên áp điện trở được thiết kế và chế tạo để th o dõi sự thay đổi áp suất ở lỗ vòi phun cho máy in phun. Đây là kết quả của nhóm nghiên cứu, luận văn trình bày lại như nguồn tham khảo để làm rõ hơn việc thiết kế chế tạo và giám sát chất lỏng của hai loại cảm biến với hai nguyên tắc được ứng dụng hiệu quả nhất hiện nay trong lĩnh vực MEMS: Cảm biến kiểu áp điện trở và cảm biến kiểu tụ điện.
3.3.2. Thiết kế cảm biến áp điện trở cho vòi phun
Phác họa cảm biến đề xuất như sau:
Hình 3.5 - Sơ đồ phác họa nguyên tắc cảm biến của thiết bị đề xu t:
a) Mặt cắt ngang của cảm biến; b) Các bộ cảm biến được đặt ở cuối của một kênh phun để phát hiện áp su t tại các vòi phun.[11]
Hình 3.5 cho thấy các nguyên tắc làm việc và cấu trúc của cảm biến đề xuất. Trong sự hình thành giọt, một xung áp lực được tạo ra bởi các thiết bị chấp hành áp điện gắn trên các sườn của kênh phun và đi về phía vòi phun. Các cảm biến được đặt ở phần vòi phun bao gồm một màng mỏng với một lỗ trong đó. Cảm biến áp điện trở
được đặt trên bề mặt của màng mỏng (Hình 3.5a), cho phép phát hiện các biến dạng màng gây ra bởi sự thay đổi áp suất chất lỏng tại vòi phun (Hình 3.5b).
Bằng cách phát hiện biên độ và pha của áp suất tại vòi phun và so sánh chúng với các tín hiệu chấp hành, thông tin cần thiết về trạng thái thể lỏng trong kênh chứa mực có thể được trích xuất. Những thông tin này có thể được sử dụng để phát hiện bất kỳ tắc nghẽn, bóng khí và hỏng hóc cơ khí bên trong đầu in.
Để xác định vị trí của các yếu tố áp điện trở hoạt động như một cảm biến cơ để phát hiện biến dạng màng mỏng của vòi phun, sự phân bố của ứng suất trên bề mặt của vòi phun được nghiên cứu với các phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Khi áp suất chất lỏng tác dụng lên mặt dưới của màng mỏng vòi phun, có hai vùng chính xuất hiện ứng suất mạnh, như trong hình 3.6. Ở màng vòi phun, một ứng suất nén cao có thể được phát hiện thấy. Điều này cũng tương tự như trường hợp của một cảm biến áp suất áp điện trở thông thường dựa trên biến dạng màng. Khu vực thứ hai với ứng suất cao dọc theo lỗ vòi phun, nơi một ứng suất kéo có thể thu được. Điều này là do sự kéo dài của chu vi lỗ do sự biến dạng của màng th o hướng ngoài mặt phẳng.
Hình 3.6 - C u trúc cảm biến mô phỏng cho th y sự phân bố của ứng su t cơ học theo hướng x theo stải áp su t trên bề mặt dưới của màng mỏng vòi phun[11]
Về mặt lý thuyết, cả hai khu vực ứng suất có thể được sử dụng cho cảm biến áp điện trở. Tuy nhiên, các ứng suất nén nằm ở rìa của màng mỏng và vị trí này là phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác vị trí của khoang phía sau. Nhiều hiệu ứng trong suốt quá trình ăn mòn, chẳng hạn như hiệu ứng ăn mòn phía dưới lớp oxit và sự lạc nhịp giữa các định hướng tinh thể, có thể tạo ra sự thay đổi bất ngờ của vị trí và kích thước màng mỏng lên đến 10 ~ 20 μm. Điều này gây khó khăn đối với sự liên kết của áp điện trở với mép của màng mỏng, đặc biệt là khi kích thước của màng xuống mức 100 μm. Mặt khác, các ứng suất kéo nằm ở cạnh của lỗ ít bị ảnh hưởng bởi vị trí của màng vòi phun.
Độ nhạy của màng có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh kích thước của nó. Hình 3.7 cho thấy mối quan hệ giữa tập trung ứng suất trên bề mặt màng và kích thước cần thiết với độ dày màng khác nhau (1 và 2μm) dưới tải áp suất 1 kPa. Sự tập trung ứng suất tương tự có thể được thực hiện với sự kết hợp khác nhau của của kích thước màng (d2) và độ dày (t). Để phát hiện sự thay đổi áp suất với độ nhạy nhất định, một thiết kế với một màng nhỏ hơn yêu cầu độ dày màng mỏng hơn. Đây là sự đánh đổi giữa kích thước thiết bị và giới hạn chế tạo. Trong các hệ thống máy in thương mại, một số lượng lớn các đầu phun thường được bố trí th o mảng 1D hoặc 2D cho giá trị cao hơn các điểm ảnh mỗi inch vuông. Vì vậy, một màng với kích thước và độ dày nhỏ hơn sẽ phù hợp hơn.
Trong thử nghiệm này, độ dày đạt được tối thiểu là khoảng 1 μm. Áp suất chất lỏng tối đa được tạo ra trong kênh máy in phun kiểu D D thông thường khoảng 1 đến
5
10
2 Pa. Đường kích của lỗ vòi phun (d1) được chọn là 20 μm. Để phát hiện một dải áp suất với độ dầy màng là 1 μm, kích thước màng vòi phun nên chọn khoảng 150 μm.
Hình 3.7 - Kết quả mô phỏng FEA minh họa mối quan hệ giữa tập trung ứng su t trên bề mặt màng và yêu cầu kích thước màng vòi phun. Những màng lớn hơn và mỏng hơn
có sự tập trung ứng su t trên các áp điện trở lớn hơn.[11]
Hình 3.8 minh họa vị trí các áp điện trở và các kết nối điện của chúng. Các áp điện trở được đặt dọc th o định hướng [110] của tinh thể silicon. Để tránh bị ảnh hưởng nhiều bởi các kết nối điện tới những ảnh hưởng cơ của màng, các kết nối aluminum được giữ xa vòi phun. Điều này có nghĩa rằng các áp điện trở cần phải được kết nối với dây aluminum thông qua kết nối chìm được định hình th o vùng silicon pha tạp.
Để giảm hiệu ứng áp điện trở của lớp kết nối này, có thể làm suy giảm độ nhậy của áp trở bởi việc đưa vào sự thay đổi trở kháng đối kháng, những kết nối này được
đặt chủ yếu th o định hướng [100] của tinh thể silicon, trong đó hệ số áp trở bằng không.
Hình 3.8 - Bản vẽ sơ đồ vị trí của áp điện trở cùng với các kết nối của chúng [11]
Một lớp kiểu p pha tạp nhiều (lên tới ~1020 nguyên tử/cm3) được sử dụng. Điều này tiếp tục làm giảm hiệu ứng áp điện trở của lớp kết nối, như hệ số áp điện giảm theo nồng độ pha tạp. Nồng độ pha tạp cao làm giảm sự đóng góp của các lớp kết nối với tổng trở kháng đo được, hạn chế sự ảnh hưởng tiêu cực của nó đến độ nhậy. Như vậy sự thay đổi trở kháng được phát hiện có thể coi như một tín hiệu “sạch” được tạo ra chỉ bởi áp điện trở đặt dọc theo cạnh lỗ vòi phun.
3.3.3. Chế tạo
Một quá trình tương thích mạch tích hợp được sử dụng để chế tạo thiết bị đề xuất. Vật liệu bắt đầu là một tấm SOI với lớp oxit chôn dày 400 nm và một lớp thiết bị phẳng (100) với độ dày ban đầu 340 nm. Một lớp epitaxy (As+, 1E16 nguyên tử/cm3) kiểu n dày 600 nm hình thành trên tấm S I và áp điện trở được tạo ra bằng cách sử dụng lớp epitaxy thứ hai (B+, 1E18 nguyên tử/cm3) dày 300 nm, như chỉ ra trong hình 3.9a. Một phản ứng ăn mòn ion (RIE) sau đó được sử dụng để định kích thước của các điện trở áp điện. Các điện trở được đặt dọc th o các cạnh của lỗ vòi phun, chủ yếu là định hướng dọc th o hướng [110]. Các điện trở tham chiếu được chế tạo với định hướng và kích thước tương tự và được đặt gần các điện trở cảm biến.Tất cả các điện trở được cô lập với mỗi cái khác bởi việc đảo ngược không đối xứng lớp epitaxy kiểu n và vòng cô lập kiểu p được tạo bởi việc cấy ion (hình 3.9b).
Các lớp kết nối loại p pha tạp nhiều được chế tạo trong bước cấy ion được sử dụng cho sự cô lập. Sau khi mạ kim loại và làm sạch, tấm được ăn mòn 25% trong giải phápTMAH ở nhiệt độ 85 °C để tạo ra khoang phía sau. Sau đó, lớp oxít chìm được loại bỏ trong giải pháp BHF với mặt trước của lát được bảo vệ bởi lớp cản quang. Cuối cùng, một lớp oxit mỏng được được tạo thành ở mặt dưới màng vòi phun tạo ra lớp điện môi cách ly (Hình 3.9c).
Hình 3.9 - Các bước chính chế tạo cảm biến áp điện trở [11]
3.4. Kết quả
Hình 3.10 cho thấy thiết bị được chế tạo có độ dầy màng vòi phun là 1 μm và rộng 160 μm. Một lỗ vòi phun đường kính 20 μm nằm ở giữa màng mỏng. Bốn áp điện trở (dài 8 μm, rộng 1 μm và dày 300 nm) được đặt đối xứng dọc theo cạnh của lỗ.
Hình 3.10 - Hình ảnh thiết bị chế tạo. Hình ảnh thêm và cho th y độ dày của màng cảm biến [11].
Để xác nhận nguyên lý, kiểm tra sơ bộ được thực hiện với việc đẩy nước qua vòi phun ở các lưu lượng khác nhau, trong khi đó sự thay đổi điện trở tương ứng của áp điện trở được đo lại. Thiết lập sơ đồ đo được thể hiện trong hình 3.11. Thiết bị chế tạo được dán và kết nối dây dẫn trên một tấm gốm tiêu chuẩn với một lỗ khoan ở trung tâm của tấm gốm. Một hệ thống động cơ bước (KDS Mod l 200 S ri s) được sử dụng để cung cấp một tốc độ dòng chảy liên tục bằng cách đẩy với một xi lanh qua một ống
nhựa, được kết nối với mặt sau của vòi phun. Một dòng nước phun từ lỗ vòi phun được quan sát trong quá trình thử nghiệm, tốc độ dòng chảy trên một giá trị ngưỡng (~ 100 μl/phút).
Hình 3.11 – Hình ảnh các thiết lập ch cảm biến cho quá trình đ [11]
Các giá trị trở kháng của áp điện trở được đo bằng bộ phân tích thông số bán dẫn chính xác - Agilent 4156C. Hình 3.12 cho thấy sự biến đổi kháng đo được với lưu lượng nước qua vòi phun. Điện trở danh nghĩa là 9,97 kΩ. Với một tốc độ dòng chảy tối đa là 200 μl/phút, sự thay đổi trở kháng 8,7% được đo lường.
Hình 3.12 - Sự biến đổi trở kháng đ được vơi lưu lượng nước qua vòi phun [11]
Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy và áp lực chất lỏng tác dụng trên màng vòi phun thu được với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Hình 3.13). Bằng cách sử dụng mối quan hệ này, sự biến đổi trở kháng như một hàm của áp suất tác dụng lên màng vòi phun được trích xuất ra như trong hình 3.14. Kết quả cho thấy phát hiện gần như tuyến tính với áp suất chất lỏng, đặc biệt là ở các khu vực có áp suất cao. Điều này phù hợp với các hành vi tuyến tính mong muốn của hệ thống cơ khí. Các lỗi trong đo lường chủ yếu là do sự rung động hệ thống gây ra bởi bộ điều khiển lượng nước phun ra bở động cơ bước.
Hình 3.13 - Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy và áp su t ch t lỏng tác dụng lên màng vòi phun [11]
Khi kết nối hai điện trở cảm biến và hai điện trở tham chiếu để tạo thành một mạch cầu Wheatstone với điện áp cung cấp là 1V, sự thay đổi trở kháng đo được dưới tạc dụng của áp suất có độ nhạy 3,9 × 10-7 V/Pa. Sự thay đổi áp suất có thể được phát hiện tối thiệu bởi nhiễu điện tử. Bằng việc tính đến nhiễu 1/f và nhiễu nhiệt ở nhiệt độ phòng với một băng thông đo 50 kHz, áp suất phát hiện tối thiểu được ước tính là khoảng 40 Pa.
Hình 3.14 - Sự biến đổi trở kháng s với áp su t ch t lỏng tác động lên màng [11]
Các thông tin chi tiết về thiết kế, cấu trúc, hoạt động của vi cảm biến dòng chất lỏng dựa trên nguyên lý áp điện trở do nhóm đề xuất được trình bày trong bài báo [11].
3.5. Kết luận
Thiết bị được trình bày phù hợp để phát hiện sự thay đổi áp suất ở vòi phun cho các ứng dụng máy in phun. Dữ liệu có thể được sử dụng để giám sát các hành vi thể
lỏng của đầu in trong khi tạo giọt, chẳng hạn như phát hiện những giọt mất đi và ước tính kích thước của giọt được tạo ra. Thiết bị này được chế tạo thành công trên tấm SOI với một quá trình tương thích IC. Một biến đổi trở kháng 8,7% đo được với áp suất sử dụng là 1,04 × 105 Pa. Độ nhạy là 3,9×10-7 V/Pa trong cấu hình cầu Wheatstone với điện áp cung cấp là 1V.
Cấu trúc này cho hoạt động tốt và tín hiệu đầu ra rất nhạy đối với các thay đổi của dòng chảy như các kết quả nêu trên. Tuy nhiên, công đoạn chế tạo linh kiện này khá phức tạp. Nó đòi hỏi phải có một hệ thống trang thiết bị tiêu chuẩn cao trong chế tạo CM S. Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu đề xuất phương án chế tạo vi cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý kiểu tụ điện như trình bày trong chương sau.
4. Chương 4 - HỆ THỐNG CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ KIỂU TỤ
4.1. Mô hình điện của cảm biến điện dung thiết kế
Để thực hiện thiết kế, chế tạo cảm biến, cần phải đưa ra một mô hình điện tử: Với tín hiệu vào, tín hiệu ra phù hợp với các yêu cầu cảm biến trong thực tế. Trong nghiên cứu này, mục đích thiết kế một cảm biến có khả năng xác định vị trí mặt khum, tốc độ phun, sự tồn tại của bọt khí hay vật thể lạ và một số đặc tính của chất lỏng.
Hình 4.1a chỉ ra mô hình điện tương đương của vòi phun cần chế tạo, cho thấy các thành phần điện chính và các yếu tố ký sinh cho một vòi phun một phần chất lỏng. Hai điện cực được định nghĩa là điện cực đầu vào và đầu ra tương ứng. Các điện cực được liên kết bằng điện dung qua hai phần: trong không khí và trong chất lỏng. Trở kháng của phần chất lỏng là nhỏ hơn nhiều so với trở kháng của phần không khí, do đó việc kết nối thông qua chất lỏng chi phối hành vi của cảm biến [13].
Hình 4.1 - Mô hình điện tương đương của vòi phun: a) Mặt cắt qua của một vòi phun một nửa đầy; b) Mặt trên của vòi phun với ba điện cực; c) Mô hình chuyển đổi tương
đương từ (b) [13]
Trở kháng của chất lỏng có thể được mô hình hóa bởi một trở kháng Rliq và điện dung Cliq. Đối với chất lỏng không dẫn điện, Cliq là nhỏ hơn so với Cd - đó là điện dung của lớp điện môi trên các điện cực, nó trở thành phần đóng góp chính cho việc ghép đôi giữa hai điện cực. Hằng số điện môi của chất lỏng sau đó xác định độ lớn của việc ghép đôi. Đối với các chất lỏng dẫn điện, trở kháng của chất lỏng là nhỏ hơn nhiều hơn so với trở kháng của Cd, do Rliq thấp. Sau đó, mô hình có thể được đơn giản hóa đến
hai tụ điện ở lớp điện môi trên bề mặt của hai điện cực được ghép đôi nối tiếp. Trong trường hợp của các ứng dụng phun mực, như hầu hết các loại mực nước, chúng phản ứng giống như chất lỏng dẫn điện [13].
Khi cảm biến phát hiện sự biến đổi của lớp trung gian, thay vì khoảng cách giữa