TP CHÍ PHÁT TRIN KH&CN, TP 13, SK2 - 2010
V MT CU TRÚC MI CA CM BIN GIA TC ÁP ĐIN TR BA BC T
DO NHM NÂNG CAO ĐỘ NHY
Trn Đức Tân
Trường Đại hc Công Ngh, ĐHQGHN
(Bài nhn ngày 25 tháng 01 năm 2010, hoàn chnh sa cha ngày 17 tháng 05 năm 2010)
TÓM TT: Hin nay công ngh Vi cơ đin t Vi h thng (MEMS) đã nhng bước phát
trin vượt bc. Cm biến gia tc mt trong nhng loi cm biến MEMS thông dng nht bi được s
dng trong rt nhiu các ng dng khác nhau. Để chế to thành công mt linh kin MEMS thì quy trình
thiết kế phng rt quan trng. Bài báo này trình bày v mt thiết kế mi ca cm biến gia tc ba
bc t do kiu áp tr nhm nâng cao độ nhy, độ phân gii - mt yêu cu luôn bc thiết ca thc tế.
Phn mm ANSYS đã được s dng để thiết kế, phng đánh giá được nhng ưu đim ca cu trúc
mi này so vi các cm biến được chế to trước đó.
T khóa: công ngh Vi cơ đin t,Vi h thng, cm biến MEMS, Phn mm ANSYS
1. GII THIU
2. NGUYÊN TC HOT ĐỘNG
Các cm biến gia tc được chế to da trên
công nghvi cơ đin tvà vi hthng đã và
đang thâm nhp mt cách mnh mtrong hu
hết các lĩnh vc như y sinh [1, 2], công nghip
ôtô, đin tdân dng, khoa hc không
gian…Hin nay, vcơ bn có ba loi cm biến
gia tc, đó là cm biến gia tc kiu t[3, 4], áp
đin và áp đin tr. Nhìn chung, cba loi cm
biến này đều có các ưu và nhược đim riêng
nhưng cm biến gia tc kiu áp trlà thông
dng nht bi các ưu đim vượt tri như độ
nhy cao, giá thành r, mch xlý tín hiu đơn
gin [5] … Vi các ng dng ngày càng tr
nên tinh tế như định vvà dn đường cho các
vt thbay thì yêu cu vcm biến gia tc độ
nhy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra.
Hin tượng thay đổi đin trca vt liu
tinh thdưới tác dng ca ng sut cơ được gi
là hiu ng áp đin tr[6, 7]. Nguyên nhân đó
đặc tính dhướng ca độ phân gii mc năng
lượng trong không gian tinh th. Trong silíc ch
tn ti ba hsáp đin trkhông phthuc
vào nhau là 11 (liên hdc), 12 (liên h
ngang) và 44 (cho liên htrượt). Đối vi silíc
đơn tinh thcó mt độ tp dn thp thì có th
coi nhng hsáp đin tr11 , 12
44 là các hng s. Người ta ng dng vt liu
biến dng cơ là màng mng hay cu trúc thanh
dm. Để đạt được độ dãn ngang (chiu dài và
chiu rng) ln thì cn chiu dày nhvà do vy
Hin nay, vic thiết kế chế to các cm
biến gia tc nhiu bc tdo đã đạt được nhng
thành công nht định [5, 6]. Tuy nhiên, mt
yêu cu thc tin luôn đòi hi đó là phi luôn
có thbqua ng sut dc. Lúc này, phn t
áp đin trở được cy trên vt biến dng cơ
mch đin xlý bên ngoài được thiết kế mt
cách thích ng.
tìm tòi ra các nguyên lí mi, cu trúc mi có
thnâng cao phm cht ca các cm biến gia
tc này. Mt yêu cu na vi các cm biến gia
tc đó là kích thước phi nhđo được gia
tc theo nhiu chiu. Bài báo này trình bày v
mt cu trúc cm biến mi đáp ng được các
tiêu chí nói trên. Vic chế to cm biến được
đang được tiến hành và các kết quả đo chun s
khng định rõ ràng hơn ưu đim ca các thiết
kế này [10]. Cm biến có kích thước nhc
1.0×1.0×0.45 mm3, chế to da trên cơ scông
nghvi cơ khi sdng phiến SOI, hướng ti
các ng dng đo gia tc ca các khi dn
đường quán tính.
Trong các cm biến gia tc áp đin trthì
độ dch chuyn ca khi gia trng slàm thanh
dm biến dng. Đin trở được cy trên các
thanh dm sbiến đổi tlthun vi gia tc
tác dng lên khi gia trng. Các cm biến loi
này thường được chế to theo công nghvi cơ
khi 2 mt. Cu trúc thanh dm và khi gia
trng sẽ được to hình bng ăn mòn nhiu bước.
Vic cy tp cht nng độ cao sto ra áp đin
trtrên cu trúc thanh dm treo vt nng.
Yêu cu kht khe đối vi các cm biến gia
tc ba bc tdo là độ tuyến tính ln và nh
hưởng gia các mode hot động (hay còn gi là
độ nhy pháp tuyến) phi nh. Mt khác, cm
Trang 57
Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010
biến phi đáp ng được yêu cu về độ nhy cao
kích thước là 0.9×0.9×0.5 mm3 (Hình 1) bao
theo các hướng cn đo. Để thomãn các tiêu
gm mt khi gia trng được treo bi hthng
chí trên, trong công trình này mt cu trúc có
dm đặc bit đã được đề xut.
Hình 1. Cu hình cm biến gia tc 3 chiu
Ví dkhi cm biến chu tác dng ca gia
tc tnh tiến theo phương Z thì khi gia trng
3. THIT K PHNG
schuyn động lên hoc xung. Độ lch ca
thanh dm khi chu tác dng ca gia tc sgây
nên ng sut tuyến tính.
Các thông shình hc ca cm biến gia tc
squyết định ti hai thông squan trng là độ
nhy cơ hc và tn sdao động tnhiên. Hin
Các áp đin trtrong thiết kế là các áp đin
trloi p được cy trên bmt ca các thanh
dm, có đin trthay đổi khi sc căng xut
hin do gia tc tnh tiến hoc gia tc quay. S
thay đổi đin trsẽ được biến đổi thành tín
hiu đin nhsdng mch đin xlý bên
ti, có hai phương pháp chính để thiết kế và mô
phng các cm biến vi cơ đin tlà phương
pháp phn tnút (SUGAR) và phương pháp
phn thu hn (ANSYS). Trong bài báo này,
chúng tôi thc hin mô phng bng chương
trình ANSYS [8] thông qua hình thc lp trình.
ngoài là các mch cu Wheaston. Trong thiết
kế này, 8 áp đin trloi p được cy trên 4
thanh dm theo các hướng tinh th<110> và
Để xây dng được mt cu trúc cm biến,
người thiết kế có thsdng tn dng các
phn mm htrv3 chiu (3D CAD) ri đưa
_
<110> ca silíc (100) nhquá trình khuếch tán.
vào ANSYS để phân tích. Tuy nhiên, để có th
hoàn toàn làm chủ được bài toán thì phương án
Bng 1. Thông shình hc ca cm biến
tt nht là xây dng cu trúc cm biến ngay t
trong ANSYS. Để đảm bo độ chính xác ca
Thông s
Khe hkhông khí
Kích thước
5 µm
mô phng thì vic xây dng cu trúc cũng là
mt quy trình rt tinh tế. Dnhn thy là cu
trúc cm biến là đối xng nên chúng ta có th
Dm bên trong
Dm bên ngoài
Brng khung ngoài
455×40×3 µm3
25×3 µm2 (W×T)
150 µm
xây dng toàn bcu trúc t¼ thành phn
(Hình 2). Vic chia nhnhư Hình 2 là công
vic cn thiết cho quy trình chia lưới sau này.
Mô hình phn thu hn (FEM) ca cm biến
Kích thước chip
0.9×0.9×0.5 mm3
được chia lưới dày đặc (Hình 3) trên các thanh
Trang 58
1
9
8
70
3
1312
60 61
742
8
49
57
54
10443
4544
TP CHÍ PHÁT TRIN KH&CN, TP 13, SK2 - 2010
dm nhm xác định chính xác phân bố ứng sut
cũng rt quan trng na là vtrí cy các áp đin
trên các thanh dm. Điu này có ý nghĩa rt ln
trphi đảm bo cho các gia tc pháp tuyến là
vì squyết định ti vtrí cy các áp đin tr
nhnht.
sao cho tín hiu đưa ra là ln nht. Mt lưu ý
Z
Y
71 30 219 16 1510
X
779
72
731
18 17 1411
28 97 9491
81 8082 2 200
26 2270 21
77 7675
201
56 555
2243 22
59458
50
53
4647107 51 52
404110412
Hình 2. Xây dng cu trúc t¼ thành phn
1
ELEMENTS
AUG 3 2007
12:21:27
YZ
X
novel
Hình 3. Chia lưới 3 chiu kiu phn tvuông
Có nhiu phương pháp để xác định các
Bng 2. Các mode hot động ca cm biến
mode dao động và trong thiết kế này, người
thiết kế sdng thut toán Block_Lanczos. Các
tn scng hưởng ca 3 mode dao động theo
Mode
1 (trc X)
Tn s(Hz)
1205
các trc X, Y và Z được lit kê trong Bng 2.
2 (trc Y)
1203
3 (trc Z)
1705
Trang 59