Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ mems trong việc chế tạo linh kiện cảm biến áp suất ứng dụng xây dựng các module đo mực nước

4 TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu của dự án bao gồm việc hoàn thiện công nghệ chế tạo cảm biến áp suất dạng áp trở và ứng dụng cảm biến áp suất trong hệ thống quan trắc

BÁO CÁO NGHIỆM THU DỰ ÁN SẢN XUẤT THỬ NGHIỆM

2

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng

PGS.TS Lê Hoài Quốc

3

4

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của dự án bao gồm việc hoàn thiện công nghệ chế tạo cảm biến áp suất dạng áp trở và ứng dụng cảm biến áp suất trong hệ thống quan trắc tình trạng ngập lụt tại Tp Hồ Chí Minh Các cấu trúc cảm biến áp suất dải đo 0-50 kPa được thiết kế và tối ưu hóa nhằm đạt được độ nhạy cao, độ tuyến tính tốt và hoạt động ổn định Sau khi tối ưu hóa các điều kiện công nghệ chế tạo, 100 cảm biến với dải đo 0-50 kPa; nhiệt độ hoạt động từ 10-50 ᴼC; diaphragm 15 μm, kích thước chip 2.6 mm × 2.6 mm đã được chế tạo và đóng gói thành công Các cảm biến này được đo đạc các đặc tuyến phụ thuộc điện áp ra theo áp suất

và khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của các đặc tuyến này

Sau khi được chế tạo và khảo sát, các cảm biến áp suất này lắp ráp thiết bị cảnh báo ngập WLM-0717 Bên cạnh đó, chúng tôi đã khảo sát địa hình các vị trí lắp đặt trạm cảnh báo ngập tại các quận trên địa bàn TpHCM và dẫn cao độ quốc gia về các vị trí lắp đặt Các trạm cảnh báo ngập tại 15 điểm đã được triển khai thi công lắp đặt Sau đó, chúng tôi đã xây dựng phần mềm trung tâm chạy trên nền web và phát triển tính năng ứng dụng trên môi trường iOS và Android

5

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

The content of this project includes completing fabrication process of piezoresistive pressure sensors and ultlizing the pressure sensors in flood monitoring system in Ho Chi Minh City The structure of pressure sensors (range 0-50 kPa) was designed and optimized

in order to achieve high sensitivity, good linearity and stable working After selection of standard fabrication process, 100 pressure sensors having range 0-50 kPa, working temperature 10-50 ᴼC, thickness of diaphragm ~15 μm, dice size ~ 2.6 mm × 2.6 mm were successfully fabricated and packaged Characterization and temperature dependence of those pressure sensors were measured

After fabrication and characterization, the pressure sensors were applied in flood monitoring system WLM-0717 We also studied the location of flood warning nodes in different districts of Ho Chi Minh City and compared their altitudes to the standard elevation of Vietnam Flood warning stations at 15 sites have been installed Then we built web-based software and developed application features on iOS and Android

6

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 21

I.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 21

I.1.1 Công nghệ MEMS 21

I.1.2 Cảm biến áp suất dạng áp trở chế tạo bằng công nghệ MEMS 22

I.1.3 Tình hình nghiên cứu chế tạo cảm biến áp suất dạng áp trở tại Việt Nam 25

I.1.4 Các giải pháp công nghệ dự án cảnh báo ngập tại TpHCM đang triển khai 26

I.2 Những vấn đề công nghệ mà dự án cần giải quyết 28

I.3 Tính cần thiết của việc thực hiện dự án 30

I.4 Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng thực tiễn 31

CHƯƠNG II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN 33

II.1 Nội dung 1: Xây dựng thuyết minh dự án 33

II.2 Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ mask dùng để chế tạo cảm biến áp suất 33

II.3 Nội dung 3: Khảo sát và chuẩn hóa các quy trình công nghệ 37

II.3.1 Nội dung 3.1: Khảo sát quy trình quang khắc sử dụng trong chế tạo cảm biến áp suất 37 II.3.2 Nội dung 3.2: Khảo sát quy trình oxy hóa nhiệt tạo màng SiO2 và ăn mòn SiO2 41

II.3.3 Nội dung 3.3: Khảo sát quy trình khuếch tán Boron chế tạo áp trở trong cảm biến áp suất 44

II.3.4 Nội dung 3.4: Khảo sát các quy trình bốc bay Al:Si và ăn mòn Al:Si 53

II.3.5 Nội dung 3.5: Khảo sát quy trình ăn mòn Si từ mặt sau để tạo cấu trúc màng diaphragm và công nghệ bảo vệ mặt trước trong quá trình ăn mòn 64

II.3.6 Nội dung 3.6: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ wafer bonding giữa phiến pyrex và Si và khảo sát quy trình cắt phiến sau khi bonding 79

II.4 Nội dung 4: Chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất 80

II.4.1 Lựa chọn thông số cho các quy trình công nghệ 80

II.4.2 Các bước chế tạo cảm biến áp suất 82

II.4.3 Kết quả chế tạo cảm biến áp suất 85

II.5 Nội dung 5: Đo lường và kiểm định chất lượng các cảm biến áp suất 86

II.5.1 Nội dung 5.1: Chế tạo buồng nhiệt độ 86

II.5.2 Nội dung 5.2: Chế tạo nguồn áp suất chuẩn dùng để đo lường hàng loạt cảm biến áp suất 99

II.5.3 Nội dung 5.3: Đo đặc tuyến của cảm biến áp suất phụ thuộc điện áp ra vào áp suất; phụ thuộc nhiệt độ 104

II.5.4 Nội dung 5.4: Chế tạo buồng thay đổi áp suất để đo độ bền cảm biến áp suất 107

II.5.5 Nội dung 5.5: Nghiên cứu đo độ bền của cảm biến áp suất sau các chu kỳ thay đổi áp suất 107

II.6 Nội dung 6: Khảo sát địa hình các vị trí lắp đặt trạm cảnh báo ngập tại các quận trên địa bàn TpHCM 107

II.6.1 Nội dung 6.1: Khống chế cao độ thủy chuẩn kỹ thuật địa hình cấp IV 108

II.6.2 Nội dung 6.2: Đo vẽ mặt cắt dọc tuyến, địa hình cấp IV 108

II.6.3 Nội dung 6.3: Đo vẽ mắt cắt ngang tuyến, địa hình cấp IV 108

II.7 Nội dung 7: Dẫn cao độ quốc gia về các vị trí lắp đặt 108

II.7.1 Nội dung 7.1: Báo cáo các vị trí chọn mốc hạng IV 108

II.7.2 Nội dung 7.2: Báo cáo kết quả đo ngắm GPS 108

II.7.3 Nội dung 7.3: Báo cáo phục vụ KTNT đo GPS 108

7

II.8 Nội dung 8: Thiết kế và lắp ráp thiết bị cảnh báo ngập WLM-0717 sử dụng chip PS50 109

II.8.1 Nội dung 8.1: Xây dựng sơ đồ khối và tính năng cho thiết bị cảnh báo ngập WLM-0717 sử dụng chip PS50 109

II.8.2 Nội dung 8.2: Thiết kế PCB cho bản mạch điện tử WLM-0717 113

II.8.3 Nội dung 8.3: Viết firmware mô tả protocol truyền dữ liệu 122

II.8.4 Nội dung 8.4: Xây dựng tính năng cập nhật firmware thông qua website 124

II.8.5 Nội dung 8.5: Xây dựng tính năng cấu hình/thay đổi chức năng thiết bị bằng SMS 124

II.8.6 Nội dung 8.6: Xây dựng tính năng logfile và cảnh báo theo yêu cầu 126

II.8.7 Nội dung 8.7: Thiết kế vỏ hộp chứa mạch điện tử WLM-0717 127

II.9 Nội dung 9: Xây dựng phần mềm trung tâm chạy trên nền web 128

II.9.1 Nội dung 9.1: Xây dựng bản đồ nền dựa trên dữ liệu của STNMT cung cấp 130

II.9.2 Nội dung 9.2: Cập nhật cơ sở dữ liệu bản đồ từ dữ liệu Sở TNMT TpHCM cung cấp cho toàn TpHCM 130

II.9.3 Nội dung 9.3: Xây dựng mô hình CSDL Gis cho phần mềm trung tâm và ứng dụng 131

II.9.4 Nội dung 9.4: Xây dựng ứng dụng dữ liệu của bản đồ 134

II.9.5 Nội dung 9.5: Xây dựng ứng dụng khai thác của bản đồ (dịch vụ web truy vấn thông tin) 134

II.9.6 Nội dung 9.6: Xây dựng tính năng phân quyền quản trị và sử dụng 134

II.9.7 Nội dung 9.7: Xây dựng tính năng phân quyền quản trị và sử dụng 134

II.9.8 Nội dung 9.8: Xây dựng chức năng nhận dữ liệu và phân tích, vẽ biểu đồ theo thời gian thực 135

II.9.9 Nội dung 9.9: Xây dựng chức năng thông báo qua email, bản đồ GIS 135

II.9.10 Nội dung 9.10: Xây dựng chức năng báo cáo thông kê xuất file excel, pdf 135

II.9.11 Nội dung 9.11: Xây dựng chức năng cập nhật GPS theo thời gian thực 136

II.10 Nội dung 10: Phát triển tính năng ứng dụng trên môi trường iOS và Android 136

II.10.1 Nội dung 10.1: Dữ liệu trích xuất từ máy chủ thông qua subdomain http://canhbaongap.shtplabs.org 136

II.10.2 Nội dung 10.2: Xây dựng chức năng đăng nhập 138

II.10.3 Nội dung 10.3: Xây dựng giao diện tương tác cho người dùng 141

II.10.4 Nội dung 10.4: Xây dựng tính năng báo cáo thông tin trên bản đồ GIS 146

II.10.5 Nội dung 10.5: Xây dựng tính năng định vị và thông báo các vị trị xung quanh với bán kính tùy chọn 152

II.10.6 Nội dung 10.6: Xây dựng tính năng thông báo điểm ngập từ điểm đi đến điểm cần đến 153

II.11 Nội dung 11: Triển khai thi công lắp đặt trạm cảnh báo ngập tại 15 điểm 159

II.11.1 Nội dung 11.1: Thiết kế bản vẽ trụ (kích thước, đường kính, chất liệu…) 160

II.11.2 Nội dung 11.2: Bản vẽ thi công chi tiết của từng trạm 161

II.11.3 Nội dung 11.3: Xây dựng quy trình thi công 161

II.12 Nội dung 12: Báo cáo tổng kết 161

Tài liệu tham khảo 162

CHƯƠNG III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 163

8

MỞ ĐẦU

I THÔNG TIN CHUNG VỀ DỰ ÁN

1 Tên dự án: Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ MEMS trong việc chế tạo linh kiện cảm biến áp

suất ứng dụng xây dựng các module đo mực nước

2 Thời gian thực hiện: 10 tháng

(Từ tháng 11/2017 đến tháng 09/2018)

3 Cấp quản lý: Thành phố Cơ sở

4 Thuộc Chương trình (ghi rõ tên chương trình)

Thuộc dự án KH&CN “Thí điểm hỗ trợ thương mại hoá các sản phẩm từ công nghệ cao trong hoạt động nghiên cứu triển khai tại Khu Công Nghệ Cao TP HCM giai đoạn 2017-2018”

5 Tổng vốn thực hiện đề tài: 3.767.206.894 đồng, trong đó:

Từ ngân sách sự nghiệp khoa học của thành phố 1.100.645.000

- Chức danh khoa học: Năm được phong chức danh:

- Tên cơ quan đang công tác: Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao

- Chức vụ: Phó trưởng phòng Ứng dụng công nghệ thông tin

- Địa chỉ cơ quan: Lô I3, đường N2, Khu Công nghệ cao, Quận 9, TP HCM

- Điện thoại cơ quan: 08 3736 0889 Fax: 08 3736 0890

- Địa chỉ nhà riêng: Căn hộ A 06.08, tầng 6 Block A, Chung cư Hoang Anh Riverview, 37

Nguyễn Văn Hưởng, Phường Thảo Điền, Quận 2, Tp HCM

- Điện thoại nhà riêng:

- Điện thoại di động: 0988352299

- E-mail: thang.trinhxuan@shtplabs.org

7 Thư ký dự án:

- Họ và tên: Nguyễn Tuấn Khoa

- Ngày tháng năm sinh: 15/10/1979 Giới tính: Nam

- Học hàm, Học vị: Kỹ sư Chuyên ngành: Điện tử - Viễn thông

9

- Năm đạt học vị: 2006

- Chức danh khoa học: Năm được phong chức danh:

- Tên cơ quan đang công tác: Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu công nghệ cao

(SHTPLABS)

- Chức vụ: Chuyên viên

- Địa chỉ cơ quan: Lô I3, đường N2, Khu Công nghệ cao, Quận 9, TP HCM

- Điện thoại: 08 3736 0889 Fax: 08 3736 0890

- Địa chỉ nhà riêng: 30 Bàn Cờ, Phường 3, Quận 3, TpHCM

- Điện thoại nhà riêng:

- Điện thoại: 08 3736 0889 Fax: 08 3736 0890

- E-mail: contact@shtplabs.org Website: http://shtplabs.org

- Địa chỉ: Lô I3, đường N2, Khu Công nghệ cao, Quận 9, TP HCM

- Họ và tên thủ trưởng tổ chức: NGÔ VÕ KẾ THÀNH

Nội dung công việc tham gia

Thời gian làm việc cho dự án

78

10

TT Họ và tên, học hàm học vị công tác Tổ chức Chức danh Nội dung công việc tham gia

Thời gian làm việc cho dự án

(ngày

công)

3 TS Phan Anh Tuấn SHTPLABS Thành viên chính

Xây dựng thuyết minh

6 ThS Hoàng Công Đức SHTPLABS Thành viên chính - Công việc 2.1; 2.2; 2.5; 2.6; 8.6 91

7 ThS Hưng Nguyễn Việt SHTPLABS Thành viên chính

8 CN Huỳnh Trọng Phát SHTPLABS Thành viên chính Nội dung 1; Công việc 2.3; 2.4; 8.2 75

9 KS Trần Duy Hoài SHTPLABS Thành viên

- Nội dung: 1; 3.1;

- Công việc 2.3; 4.1; 135

11

TT Họ và tên, học hàm học vị công tác Tổ chức Chức danh Nội dung công việc tham gia

Thời gian làm việc cho dự án

áp suất

-

Tư vấn và đưa ra giải pháp về kiểm định chất lượng cảm biến áp suất sau khi chế tạo

-

3 TS Maxim SHTPLABS Chuyên gia Tư vấn và đưa ra giải pháp về phát triển ứng

dụng cho chip cảm biến

-

10 Tóm tắt Các nội dung theo đăng ký ban đầu của đề tài:

1) Các nội dung đăng ký ban đầu theo Thuyết minh và hợp đồng

TT Các nội dung, công việc

chủ yếu cần được thực hiện

Kết quả cần đạt

1 Xây dựng thuyết minh dự án Bản thuyết minh

2 Nghiên cứu thiết kế bộ mask dùng để chế tạo cảm biến áp suất Bộ layout mask gồm 4 mask

3 Khảo sát và chuẩn hóa các quy trình công nghệ Các thông số kỹ thuật của từng quá trình

3.1 Khảo sát quy trình quang khắc sử dụng trong

chế tạo cảm biến áp suất

Các thông số kỹ thuật của quá trình quay phủ photoresist, chiếu sáng và hiện hình

mở cửa số khuếch tán cho áp trở

3.3 Khảo sát quy trình khuếch tán Boron chế tạo áp trở trong cảm biến áp suất

Điều kiện về quy trình quay phủ, tẩy rửa màng Poly boron thin film, điều kiện về nhiệt độ, thời gian của các quá trình tiền khuếch tán pre-deposition và drive-in để chế tạo các

áp trở 3.4 Khảo sát các quy trình bốc bay Al:Si và ăn

mòn Al:Si

Quy trình bốc bây tạo màng Al:Si và điều kiện, tốc độ ăn mòn Al:Si

3.5

Khảo sát quy trình ăn mòn Si từ mặt sau để tạo

cấu trúc màng diaphragm và công nghệ bảo vệ

mặt trước trong quá trình ăn mòn

Điều kiện, tốc độ ăn mòn Si Đưa ra quy trình công nghệ bảo vệ các linh kiện ở mặt trước khi thực hiện ăn mòn Si từ mặt sau

3.6

Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ wafer

bonding giữa phiến pyrex và Si và khảo sát quy

trình cắt phiến sau khi bonding

Quy trình wafer bonding và cắt phiến

4 Chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất

100 cảm biến với dải đo 0-50 kPa; nhiệt độ hoạt động từ 10-50 ᴼC; diaphragm 15 μm, kích thước chip 2.6 mm × 2.6 mm, áp trở ~ 1000 Ω

5 Đo lường và kiểm định chất lượng các cảm biến áp suất

Đo phụ thuộc điện áp ra theo độ chênh lệch áp suất giữa trên và dưới màng diaphragm cho các cảm biến Khảo sát độ phụ thuộc nhiệt độ và độ bền cho một số cảm biến

5.1 Chế tạo buồng nhiệt độ

Nhiệt độ thay đổi được trong 10-50

ᴼC và duy trì được nhiệt độ trong quá trình đo kiểm cảm biến áp suất 5.2 Chế tạo nguồn áp suất chuẩn dùng để đo lường hàng loạt cảm biến áp suất Áp suất thay đổi từ 0-200 kPa; độ chính xác 0.2 kPa

5.3

Đo đặc tuyến của cảm biến áp suất: phụ thuộc

điện áp ra vào áp suất; phụ thuộc nhiệt độ

Các giá trị Voffset, full span voltage,

độ tuyến tính tại 25 ᴼC và các giá trị nhiệt độ 10-50 ᴼC

5.4 Chế tạo buồng thay đổi áp suất để đo độ bền cảm biến áp suất Thay đổi áp suất trong dải 0-50 kPa Tần số thay đổi > 1 lần/phút

5.5

Nghiên cứu đo độ bền của cảm biến áp suất sau

các chu kỳ thay đổi áp suất

Đo sự thay đổi offset voltage và sự thay đổi của output span voltage sau

ít nhất 10,000 lần thay đổi áp suất

6.1 Khống chế cao độ thủy chuẩn kỹ thuật địa hình cấp IV Cao độ thủy chuẩn

6.2 Đo vẽ mặt cắt dọc tuyến, địa hình cấp IV Đo vẽ mặt cắt

6.3

Đo vẽ mắt cắt ngang tuyến, địa hình cấp IV Xác định độ cao tim đường, cao độ

vỉa hè và cao độ các hầm ga tại vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc ngập

7

Dẫn cao độ quốc gia về các vị trí lắp đặt Lấy mốc VMEC-2015, độ cao

H=1,909m tại cầu bê tông trên đường

BP làm cơ sở

8.1 Xây dựng sơ đồ khối và tính năng cho thiết bị cảnh báo ngập WLM-0717 sử dụng chip PS50 Sơ đồ khối và tính năng cho thiết bị

8.2 Thiết kế PCB cho bản mạch điện tử

WLM-0717

File thiết kế

8.3 Viết firmware mô tả protocol truyền dữ liệu Xây dựng các trường dữ liệu

8.4 Xây dựng tính năng cập nhật firmware thông qua website Source code firmware

8.5 Xây dựng tính năng cấu hình/thay đổi chức năng thiết bị bằng SMS Source code

8.6 Xây dựng tính năng logfile và cảnh báo theo yêu cầu Source code

- Hiển thị logo SHTPLABS

9 Xây dựng phần mềm trung tâm chạy trên nền web

9.1 Xây dựng bản đồ nền dựa trên dữ liệu của STNMT cung cấp Source code

9.4 Xây dựng ứng dụng dữ liệu của bản đồ Source code

9.5 Xây dựng ứng dụng khai thác của bản đồ (dịch

vụ web truy vấn thông tin)

Source code

9.6 Xây dựng ứng dụng hiển thị của bản đồ (vị trí, thuộc tính, biểu đồ, bảng biểu…) Source code

9.7 Xây dựng tính năng phân quyền quản trị và sử

dụng

Source code

9.8 Xây dựng chức năng nhận dữ liệu và phân tích, vẽ biểu đồ theo thời gian thực Source code

9.9 Xây dựng chức năng thông báo qua email, bản đồ GIS Source code

9.10 Xây dựng chức năng báo cáo thông kê xuất file excel, pdf Source code

9.11 Xây dựng chức năng cập nhật GPS theo thời gian thực Source code

10 Phát triển tính năng ứng dụng trên môi trường iOS và Android Các tính năng giám sát trực tuyến dành cho nhà quản lý và người dân

10.1 Dữ liệu trích xuất từ máy chủ thông qua subdomain http://canhbaongap.shtplabs.org Cở sở dữ liệu từ máy chủ

10.2 Xây dựng chức năng đăng nhập - Có đăng nhập dành cho nhà quản lý - Không đăng nhập dành cho người

dân

10.3

Xây dựng giao diện tương tác cho người dùng - Giao diện chính bản đồ

- Logo

- Menu thông tin

- Thông tin chia theo trạm/quận

- Menu thống kê bao gồm:

+ Thống kê số lần ngập + Các phiên ngập + Lịch sử ngập

Xây dựng tính năng định vị và thông báo các vị

trị xung quanh với bán kính tùy chọn

Khi mở ứng dụng nếu có bật định vị,

sẽ hiển thị bản đồ khu vực đang đứng (phạm vi bản đồ define phù hợp với nơi đó)

15

10.6

Xây dựng tính năng thông báo điểm ngập từ

điểm đi đến điểm cần đến

Nhập điểm hiện tại và điểm cần đến

Sẽ hiển thị thông tin các điểm ngập trên đoạn đường/vị trí đó

11 Triển khai thi công lắp đặt trạm cảnh báo

11.2 Bản vẽ thi công chi tiết của từng trạm Bản vẽ

2) Sản phẩm đề tài (ghi rõ các thông số kỹ thuật, chỉ tiêu chất lượng, giá dự kiến theo đăng ký

ban đầu, có bảng đánh giá kết quả thử nghiệm sản phẩm và so sánh với một số sản phẩm khác đã có)

Mẫu (model, maket); Sản phẩm (là hàng hoá, có thể được tiêu thụ trên thị trường); Vật liệu; Thiết

bị, máy móc; Dây chuyền công nghệ; Giống cây trồng; Giống vật nuôi và các loại khác

ra

1 Chip cảm biến áp suất

PS50 dải đo 0-50 kPa

Chíp Vin = 3 V

ΔVout= 30±10 mV Offset voltage ±20 mV Dải đo áp suất: gồm 2 loại 0÷50 kPa

Áp suất tối đa: 2 lần dải đo (100 kPa)

Độ tuyến tính: ±1%

Kích thước chip: 2.6 mm × 2.6

mm Nhiệt độ hoạt động: 10-50 oC

Độ nhạy: 0.6±0.2mV/kPa

100

Độ chính xác: ± 1°C Kích thước: 160x160x100 mm3

1

3 Bộ mask chế tạo cảm

biến áp suất

Bộ gồm 4 mask

3 mask 1,2,3: line width Accuracy: ± 0.5 μm / TP accuracy: ± 2.0 μm

Mask 4: Line width accuracy: ± 1.0 μm / TP accuracy: ± 2 0 um

1

1 Bản vẽ thiết kế cảm biến áp suất Cấu trúc cảm biến áp suất dạng áp

trở với đải đo 0÷50 kPa có các thông số theo yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm 1 dạng I ở trên

2 Số liệu khảo sát 15 vị trí lắp đặt (08 quận) TCVN 9398:2012 về công tác trắc

địa trong xây dựng công trình QCVN 11:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xây dựng lưới cao độ

+ Vị trí điểm 0 so với nắp cống (cm)

+ Độ cao tim đường so với nắp cống (cm)

+ Tên trạm; Tọa độ + Địa chỉ máy chủ

- Hỗ trợ nâng cấp dung lượng pin

- Hỗ trợ mở rộng kết nối với các cảm biến

- Cập nhật firmware thông qua GPRS/3G

- Tự động gửi thông tin (logfile) khi hệ thống bị lỗi

- Hỗ trợ cảnh báo mở tủ

Vỏ làm hợp kim Al:Si chống nhiễu, tản nhiệt tốt

- Đèn báo trạng thái hoạt động của Bộ kit

20

17

Quy phạm đo vẽ bản đồ địa hình tỷ lệ: 1/500; 1/1000; 1/2000; 1/5000 theo 96TCN43-90

TCVN 8478-2010 công trình thủy lợi

TCVN 8478:2010 công trình thủy lợi

Quy phạm đo thủy chuẩn hạng I,

II, III

3 Phần mềm trung tâm chạy trên nền Web Cảnh báo ngập trên bản đồ GIS của

SHTPLABS Phân quyền quản lý Báo cáo theo ngày, tháng, năm (file

SHTPLABS

5 Bản vẽ thiết kế trạm cảnh báo ngập Bản vẽ vị trí lắp đặt trụ

Bản vẽ trụ quan trắc Bản vẽ bố trị thiết bị WLM-0717gắn trên trụ kết nối với cảm biến

UDC

II Nội dung và tiến độ

1 Xây dựng thuyết minh dự án Hoàn thiện cuốn thuyết minh 100%

2

Nghiên cứu thiết kế bộ mask dùng

để chế tạo cảm biến áp suất Hoàn thiện thiết kế bộ layout mask gồm 4 mask và chế tạo bộ

mask theo thiết kế (chế tạo tại Nhật Bản)

100%

3

Khảo sát và chuẩn hóa các quy

trình công nghệ:

- Khảo sát quy trình quang khắc sử

dụng trong chế tạo cảm biến áp suất

- Khảo sát quy trình oxy hóa nhiệt tạo

màng SiO2 và ăn mòn SiO2

- Khảo sát quy trình khuếch tán Boron

chế tạo áp trở trong cảm biến áp suất

- Khảo sát các quy trình bốc bay Al:Si

Đã chuẩn hóa các thông số kỹ thuật của từng quá trình và đưa

ra quy trình chế tạo chuẩn

Không thực hiện nội dung nghiên cứu hoàn thiện công nghệ wafer bonding giữa phiến pyrex và Si và khảo sát quy trình cắt phiến sau khi bonding

do số lượng cảm biến chế tạo

100%

18

và ăn mòn Al:Si

- Khảo sát quy trình ăn mòn Si từ mặt

sau để tạo cấu trúc màng diaphragm

và công nghệ bảo vệ mặt trước trong

quá trình ăn mòn

- Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ

wafer bonding giữa phiến pyrex và Si

và khảo sát quy trình cắt phiến sau khi

bonding

chỉ là 100 cảm biến (mỗi wafer

có hơn 1700 cảm biến nên việc thực hiện nội dung này trong dự

án này là không hiệu quả)

4 Chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất

Đã chế tạo 100 cảm biến với dải

đo 0-50 kPa; nhiệt độ hoạt động

từ 10-50 ᴼC; diaphragm 15 μm, kích thước chip 2.6 mm × 2.6

- Chế tạo buồng nhiệt độ

- Chế tạo nguồn áp suất chuẩn dùng để

đo lường hàng loạt cảm biến áp suất

- Đo đặc tuyến của cảm biến áp suất:

phụ thuộc điện áp ra vào áp suất; phụ

thuộc nhiệt độ

- Chế tạo buồng thay đổi áp suất để đo

độ bền cảm biến áp suất

- Nghiên cứu đo độ bền của cảm biến

áp suất sau các chu kỳ thay đổi áp suất

Đã chế tạo buồng nhiệt độ

Đã đo phụ thuộc điện áp ra theo

độ chênh lệch áp suất giữa trên

và dưới màng diaphragm cho các cảm biến Khảo sát độ phụ thuộc nhiệt độ

Đã khảo sát độ bền cho một số cảm biến (sau 100,000 lần thay đổi áp suất 0- 50 kPa)

100%

6 Khảo sát địa hình các vị trí lắp đặt trạm cảnh báo ngập tại các quận

trên địa bàn TpHCM

Xác định chính xác chênh cao địa hình để tính toán các thông

số liên hệ giữa mực nước tại các trạm cảnh báo ngập và hiện trạng ngập tại các khu vực xung quanh

sử dụng cộng nghệ IoTs

100%

9 Xây dựng phần mềm trung tâm chạy trên nền web Phần mềm quản lý, thống kê trên nền Web 100%

19

10 Phát triển tính năng ứng dụng trên môi trường iOS và Android Các tính năng giám sát trực tuyến dành cho nhà quản lý và

người dân trên IOS

100%

11 Triển khai thi công lắp đặt trạm cảnh báo ngập tại 15 điểm Lắp đặt 15 trạm 100%

III Tự nhận xét và đánh giá kết quả đạt được trong kỳ đến báo cáo so với với hợp đồng và thuyết minh ban đầu

b Kinh phí đã quyết toán từ đầu đến kỳ báo cáo (đạt ….% tổng kinh phí đã cấp):

2 Kinh phí đã chi từ nguồn khác:

Công ty TNHH Một thành viên thoát nước đô thị

20

21

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

I.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

I.1.1 Công nghệ MEMS

Hình 1.1 Doanh thu của các sản phẩm MEMS từ năm 20011 đến 2017

Kể từ năm 1939 nhà bác học W Schottky đã phát minh ra bán dẫn mối nối P-N đầu tiên, điều này đã mở ra một chân trời mới cho một ngành công nghiệp vi mạch đầy non trẻ nhưng hứa hẹn rất tiềm năng Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, đến nay ngành công nghiệp vi mạch đã có những buớc phát triển vượt bậc và có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển khoa học và công nghệ trên thế giới Có thể kể qua một vài cột mốc phát triển trong lĩnh vực này như: chế tạo transitor đầu tiên (1948), chế tạo IC đầu tiên (1958) Đến năm 1958, sản phẩm công nghệ vi cơ điện đầu tiên được chế tạo là các thiết bị đo làm bằng Silic (Silicon strain gauges), mở đầu cho ngành công nghiệp MEMS phát triển mạnh mẽ Năm 1967, nhà khoa học Nathanson đã phát minh ra phương pháp chế tạo vi cơ bề mặt (Surface micromachining) Năm 1970, công nghệ khắc khối Silic đã được sử dụng

để chế tạo thành công cảm biến áp suất Gần đây, việc chế tạo ra sợi quang học đã giúp làm tăng độ nhạy và thời gian đáp ứng đối với các sản phẩm vi cơ điện MEMS Số liệu từ Viện nghiên cứu Yole Dévelopment cho thấy, doanh thu từ các sản phẩm MEMS như cảm biến gia tốc (Accelerometer sensor), cảm biến áp suất (Pressure sensor), đầu phun mực in (Inkjet head)… đạt hơn 10 tỉ đô la

22

năm 2011 và dự kiến tăng lên 21 tỉ đô la năm 2017 Tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm của thị trường các sản phẩm MEMS đạt ~ 13%/năm Trong số các sản phẩm MEMS, các chủng loại cảm biến quán tính vi cơ điện tử MEMS như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển… chiếm đến gần ¼ thị trường cảm biến MEMS

Đặc biệt trong thời đại công nghệ thông tin và điện tử phát triển như bùng nổ như hiện nay thì các thiết bị thông minh đang ngày càng xuất hiện nhiều hơn Điều này có được chính là nhờ sự phát triển mạnh mẽ của các loại cảm biến MEMS với giá thành ngày càng rẻ, kích thước nhỏ gọn và tính năng được cập nhật liên tục, từ đó dẫn đến việc tích hợp cảm biến vào các sản phẩm đời sống càng trở nên dễ dàng và cần thiết như sự tích hợp cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất đo huyết áp, nhịp tim tích hợp vào thiết bị cầm tay hay sự ra đời của các sản phẩm theo dõi sức khỏe mà Google, Samsung hay Aple đang chuẩn bị cho ra đời là minh chứng rõ ràng nhất của việc bùng nổ sản phẩm MEMS trong thời gian tới

I.1.2 Cảm biến áp suất dạng áp trở chế tạo bằng công nghệ MEMS

Hình 1.2 Cấu trúc của cảm biến áp suất dạng cầu Wheatstone

Cảm biến áp suất dạng áp trở chế tạo bằng vật liệu Si thường được chế tạo gồm bốn điện trở bố trí theo mạch cầu Wheatstone trên một màng (diaphragm) Dưới tác dụng của áp suất, các màng này (chiều dày cỡ μm) dễ dàng bị biến dạng và xuất hiện ứng suất trên màng Sự thay đổi ứng suất trên màng sẽ gây ra sự thay đổi giá trị các áp trở và dẫn tới sự thay đổi tín hiệu điện áp ra Sự thay đổi điện trở của Si lớn hơn 100-200 lần so với sự thay đổi điện trở của kim loại khi chịu tác dụng của ứng suất ngoài Nguyên nhân là sự thay đổi điện trở trong kim loại theo ứng suất là do sự thay đổi hình dạng của điện trở Trong khi đó, sự thay đổi điện trở đối với bán dẫn như Si khi chịu ứng suất

là do sự thay đổi hình dạng điện trở và nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải Nguyên nhân sự thay đổi nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải có thể được giải thích liên quan đến sự thay đổi khoảng

23

cách các nguyên tử trong mạng tinh thể, bề rộng vùng cấm của Si khi chịu ứng suất Chính sự thay đổi nồng độ hạt tải và độ linh động hạt tải là nguyên nhân chính trong sự thay đổi điện trở của chất bán dẫn khi chịu sự tác dụng của ứng suất Hiệu ứng này trong Si lần đầu được phát hiện năm 1954 bởi Smith1

Cảm biến áp suất dạng áp trở được phát minh vào những năm 1960 và đã trải qua nhiều quá trình phát triển2,3 Trong giai đoạn đầu, cảm biến áp suất gồm các đầu đo ứng suất gắn trên các màng kim loại như hình 3(a) (các màng này đóng vai trò là bộ khuêch đại ứng suất) Với sự phát triển của công nghệ chế tạo Si, các màng kim loại này được thay thể bằng màng Si (hình 3(b)) trong những năm 1970 Trong cấu trúc ở hình 3(b), màng Si được tạo thành bằng phương pháp gia công

cơ khí Trong nửa cuối những năm 1970, các màng Si này được gia công bằng phương pháp ăn mòn ướt Si nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo vi cơ điện tử Các cấu trúc tạo thành có kích thước nhỏ hơn với độ chính xác cao hơn so với khi gia công bằng phương pháp cơ khí (hình 3(c)) Trong giai đoạn tiếp theo, kích thước các cảm biến tiếp tục có thể thu nhỏ nhờ sự phát triển của công nghệ MEMS4 Gần đây, cảm biến áp suất được nghiên cứu theo hướng sử dụng các cấu trúc khác nhau của màng diaphragm5–7 và dây nano Si8

Hình 1.3 Sự phát triển của cảm biến áp suất dạng áp trở qua các giai đoạn4

24

Gần đây, cảm biến áp suất đã được sử dụng trong hệ thống quan trắc mực nước tại các sông ngòi Thông thường có hai phương pháp đo mực nước: (i) đo trực tiếp bằng cách dùng các transducer cảm biến áp suất và đặt dưới mực chất lỏng; (ii) đo gián tiếp dựa vào sự thay đổi áp suất của cột không khí khi thể tích của khối khí này bị thay đổi do chiều cao mực chất lỏng trong ống khí thay đổi Giá thành của transducer cảm biến áp suất khoảng 5 triệu đồng Thực tế ứng dụng đo mực nước của transducer cảm biến áp suất tại hệ thống công thoát nước ở Việt Nam không khả thi

do các cống rãnh thoát nước tại nước ta có chứa lượng rác thải lớn Do đó, hệ thống đo mực nước gián tiếp tại Việt Nam phù hợp hơn Trong hệ thống này, hai loại cảm biến áp suất và cảm biến siêu

âm thường được sử dụng để đo mực nước nhằm đảm bảo số liệu chính xác trong quá trình đo đạc Tại Việt Nam nói chung và Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, điều kiện thời tiết nóng, độ ẩm cao nên thường gây ra tình trạng đọng nước trên các đường ống và dẫn tới sự nhiễu loạn về giá trị đo đạc của cảm biến siêu âm Dựa trên kinh nghiệm thực tế của chúng tôi, hệ quan trắc mực nước ở thành phố Hồ Chí Minh chỉ nên dùng duy nhất cảm biến áp suất Hệ thống quan trắc mực nước dự tính được lắp đặt tại các cống thoát nước và khu vực ngập lụt của Thành phố Hồ Chí Minh nhằm thu thập thông tin ngập lụt và truyền tải trực tuyến về các trạm xử lý số liệu Các số liệu này sẽ được dùng để cảnh báo ngập lụt cho người dân và lập bản đồ ngập lụt trong tại các khu vực trọng điểm nhằm đề xuất các giải pháp khoa học nhằm giải quyết triệt để vấn đề ngập lụt của thành phố Hiện nay, công ty TNHH MTV cấp thoát nước đô thị Thành phồ Hồ Chí Minh (UDC) đang sử dụng cảm biến áp suất của hãng Honeywell (giá thành 28$ nếu mua với số lượng lớn, chưa tính phí vận chuyển về Việt Nam) trong hệ thống đo mực nước Với nhu cầu đo mực nước tại các khu vực ngập lụt, các cảm biến với dải đo 0-50 kPa (tương ứng áp lực của cột nước cao 5m gây ra) và 0-100 kPa (tương ứng áp lực do cột nước cao 10 m gây ra) sẽ được nghiên cứu chế tạo trong dự án này Các cảm biến này cần phát hiện được sự thay đổi lên xuống của mực nước 1 cm trong quá trình quan trắc Hệ thống quan trắc này thường được cấp nhật khoảng 5 phút/lần khi xảy ra ngập lụt và thời gian này lớn hơn nhiều so với thời gian đáp ứng của cảm biến áp suất dạng áp trở (cỡ ms)

Hình 1.4 Cấu trúc của trạm quan trắc mực nước tự động

25

I.1.3 Tình hình nghiên cứu chế tạo cảm biến áp suất dạng áp trở tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về công nghệ vi cơ điện tử tại các Trường đại học, Viện và Trung tâm nghiên cứu chủ yếu dừng lại ở việc nghiên cứu hiệu ứng, nguyên lý, bản chất vật lý và tập trung vào việc công bố các nghiên cứu khoa học Việc hoàn chỉnh linh kiện và tiến tới thương mại hóa các sản phẩm vi cơ điện tử chưa được quan tâm đúng mức và cho đến nay, chưa có sản phẩm thương mại MEMS nào “made in Vietnam” Đặc biệt, việc ứng dụng các sản phẩm của quá trình nghiên cứu, chế tạo linh kiện MEMS trong nước vào các ứng dụng đặc thù ở Việt Nam còn rất hạn chế

Trong khi đó, công ty nước ngoài đầu tư vào Việt Nam thường chỉ tập trung vào khâu lắp ráp

là khâu yêu cầu số lượng nhân công lớn nhưng lại mang lại nguồn giá trị thặng dư thấp Còn các công đoạn tạo ra nhiều giá trị gia tăng trong ngành công nghiệp vi cơ điện tử chính là khâu nghiên cứu triển khai, thiết kế, sản xuất bộ phận, linh kiện, chiến lược thương hiệu và khai thác thị trường chưa được phát triển Trong đó, nguyên nhân thiếu hụt nguồn nhân lực trình độ cao trong các khâu này là một nguyên nhân chính

Tại Việt Nam, viện nghiên cứu và chế tạo cảm biến áp suất đã được Viện Đào tạo quốc tề về khoa học vật liệu (ITIMS)- Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện từ cuối những năm 1990 và đầu

2000 nhưng chỉ với số lượng rất nhỏ, tương tự như khóa đào tạo về MEMS tại SHTP Labs vừa qua Các cảm biến này sau khi được chế tạo chưa được đem vào sử dụng trong các ứng dụng thực tiễn

Do số lượng chế tạo ít, các vấn đề công nghệ mà đề tài này cần giải quyết liên quan đến việc chế tạo

3000 cảm biến áp suất (số lượng lớn) cũng chưa được đặt ra và giải quyết trong nghiên cứu về cảm biến áp suất tại ITIMS Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài chế tạo 3000 cảm biến đặt ra bài toán công nghệ hoàn toàn mới ở Việt Nam và phù hợp với định hướng phát triển ứng dụng cho linh kiện cảm biến áp suất trong tương lai

Gần đây, Trung tâm Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) cũng thực hiện đề tài nghiên cứu về cảm biến áp suất và các cảm biến này được thực hiện chế tạo tại phòng sạch của Trung tâm nghiên cứu triển khai Cảm biến áp suất trong đề tài của ICDREC là loại cảm biến kiểu điện dung và khác hẳn so với loại cảm biến áp suất dạng áp trở của đề tài mới này Dải đo của cảm biến áp suất kiểu điện dung trong đề tài do ICDREC thực hiện là 0-6 bar (tưng ứng 0-600 kPa) trong khi cảm biến kiểu áp trở trong đề tài này có dải đo 0-50 kPa và 0-100 kPa Về kích thước: cảm biến trong đề tài ICDREC có kích thước dice là ~7mm*7mm, lớn hơn nhiều cảm biến áp suất dạng áp trở trong đề tài này Các cảm biến kiểu điện dung cũng được chế tạo tại Phòng sạch của Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao Sau khi chế tạo, cảm biến áp suất kiểu điện dung có độ nhạy cao nhưng độ tuyến tính kém và giá trị offset thường dễ bị trôi (giá trị offset không

cố định trong các lần đo) Do đó, việc xử lý tín hiệu của các cảm biến này rất khó khi đem ứng dụng thực tế

Để phát triển nguồn nhân lực cao hoạt động trong lĩnh vực MEMS, Trung tâm nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao Tp HCM (SHTP Labs) đã được UBND thành phố Hồ Chí Minh cho thực hiện khóa đào tạo về MEMS với giảng viên là các chuyên gia hàng đầu thế giới về MEMS

Sau khi thực hiện khóa đào tạo “Đào tạo thiết kế, chế tạo vi cơ điện tử (MEMS) và ứng dụng”

26

(Đơn vị chủ trì: Ban Quản Lý Khu Công nghệ cao Thành phố HCM; đơn vị thực hiện:SHTP Labs; giảng viên chính: GS Susumu Sugiyama, một trong những nhà khoa học hàng đầu Nhật Bản về công nghệ vi cơ điện tử MEMS), 05 cấu trúc cảm biến áp suất dạng áp trở đã được thiết kế, chế tạo, đóng gói thành công và bước đầu được ứng dụng để đo độ cao của cột nước Các cảm biến này có đặc tuyến thuận nghịch tốt (theo chiều tăng-giảm của áp suất), độ tuyến tính cao và nhiễu thấp Sau khóa đào tạo, GS Susumu Sugiyama và ThS.Kazuhiko Nakamura đã ký hợp đồng làm giám đốc khoa học và chuyên gia của SHTP Labs, tạo điều kiện hoàn thiện, thương mại hóa cảm biến áp suất

I.1.4 Các giải pháp công nghệ dự án cảnh báo ngập tại TpHCM đang triển khai

 Dự án của Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán (ICST)

Dự án Smart Saigon (http://smartsaigon.info) là dự án hợp tác của Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán (ICST) và SMART Infrastructure Facility Dự án được xây dựng dựa trên ý tưởng khai thác thông tin từ cộng đồng (information crowsourcing) kết hợp Hệ thống thông tin địa lý để

xử lý và hiển thị thông tin xã hội theo thời gian thực và được phát triển trên nền tảng hệ thống nguồn mở CogniCity của Trung tâm SMART Infrastructure Facility thuộc trường Đại học Wollogong, Úc

Mục tiêu của dự án là xây dựng một công cụ cảnh báo ngập trực tuyến bằng việc khai thác, xử

lý thông tin và vị trí địa lý từ thông tin trên mạng xã hội của người tham gia giao thông, của người dân trong khu vực ngập úng, và của các cơ quan quản lý (như Sở Giao thông Vận tải, Phòng Cảnh sát Giao thông), để tăng cường khả năng ứng phó của hệ thống giao thông đường bộ trong các tình huống ngập đường

Tuy nhiên để dự án có những thông tin chính xác và khách quan thì:

- Số lượng người tham gia phải lớn (cộng tác viên)

- Phân bố rộng khắp

- Thông tin phải khách quan và chính xác để hình thành nguồn cơ sở dữ liệu có giá trị

- Cập nhật mọi thời điểm

Những yếu tố nêu trên là những trở ngại chính khi dự án triển khai vào thực tế

 Dự án của Công ty TNHH MTV thoát nước đô thị Tp.HCM (UDC)

Công ty TNHH MTV thoát nước đô thị Tp.HCM (UDC) cũng đang nghiên cứu và lắp đặt thử nghiệm hệ thống quan trắc mực nước của riêng mình Điều này xuất phát từ nhu cầu thực tế của UDC trong việc thu thập số liệu ngập lụt để xây dựng phương án chống ngập cho thành phố Hồ Chí Minh Trong hệ thống này, UDC sử dụng cảm biến áp suất của Honeywell và còn nhiều hạn chế về

độ ổn định, tính bảo mật thông tin Hiện nay, UDC đã lắp đặt thử nghiệm được 10 trạm quan trắc tự động trên địa bàn thành phố nhằm minh chứng cho nhu cầu cũng như hiện thực hóa mô hình kỹ thuật trước khi đề tài này được thực hiện Hình 8 được chụp tại một trong 5 trạm quan trắc của

UDC

27

Hình 1.5 Cấu trúc của hệ thống thử nghiệm đo mực nước tự động do UDC phát triển

Tháng 5/2017, Công ty TNHH MTV Thoát nước đô thị (Urban Drainage Company Limited - UDC) đã cung cấp ứng dụng UDI Maps cập nhật thông tin về triều cường và ngập úng tại TPHCM Người dân có thể dùng điện thoại thông minh (smartphone) để cài đặt ứng dụng này và truy cập thông tin về các điểm ngập nước; biết được tình hình mưa, triều cường

Ứng dụng UDI Map và phần mềm quản lý dữ liệu tập trung do UDC phát triển đang sử dụng bản đồ nền của Google nên sẽ gặp những khó khăn sau khi triển khai ứng dụng thực tế:

- Dữ liệu thu thập được là dữ liệu của nhà nước nên không thể lưu trữ trên các máy chủ ngoài lãnh thổ Việt Nam;

- Google sẽ tiến hành thu phí sử dụng khi số lượng lượt download xem > 100.000 lượt là 900.000 VNĐ/ngày tương đương 27.000.000 VNĐ/tháng Số tiền này còn tăng cao khi số lượt download tăng;

- Google chỉ hỗ trợ miễn phí có giới hạn để phát triển ứng dụng trên hệ điều hành Android còn đối với iOS và window phone thì Google sẽ thu phí/lượt xem

-

Hình 1.6 Giao diện phần mềm ứng dụng trên SmartPhone hỗ trợ HĐH Android

-

28

Như vậy với mục đích phục vụ cho việc quản lý và cho người dân thì phần mềm do UDC phát triển chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế trong tương lai Vì vậy, việc UDC hợp tác với SHTPLabs

để khắc phục những vướng mắc nêu trên là điều cần thiết trong dự án này

I.2 Những vấn đề công nghệ mà dự án cần giải quyết

 Tối ưu hóa cấu trúc cảm biến áp suất

Khi chế tạo số lượng lớn cảm biến thì các cảm biến này cần phải đạt được độ đồng nhất về kỹ thuật Do đó, cần phải lựa chọn cấu trúc tốt nhất trong 5 loại cấu trúc đã thiết kế và tối ưu thiết kế

đó Việc thiết kế lại cấu trúc các cảm biến áp suất nêu trên cũng đặt ra yêu cầu thiết kế lại bộ mask (gồm 4 mask) sử dụng trong quá trình chế tạo cảm biến

Hình 1.7 Cấu trúc cảm biến áp suất dự kiến được thiết kế trong dự án

 Tăng kích thước đường kính wafer từ 4 inches lên 6 inches

Trong quá trình đào tạo, các cảm biến áp suất được chế tạo trên wafer SOI (là wafer gồm 3 lớp: Si device layer – lớp SiO2 – Si handle layer) đường kính 4 inches với cấu trúc gồm lớp device layer 15 μm, SiO2 0.4 μm và lớp handle 300 μm Trong cấu trúc này, lớp SiO2 đóng vai trò là lớp dừng ăn mòn (etching stop layer) vì khả năng chống ăn mòn khi ăn mòn Si bằng KOH Với sự có mặt của lớp SiO2, chiều dày của màng diaphragm sau khi ăn mòn được đảm bảo chính xác bằng chiều dày lớp device layer

Trong quá trình đào tạo năm 2016, phiến Si 4 inches được sử dụng vì phiến 4 inches có chiều dày mỏng hơn và dễ ăn mòn để tạo cấu trúc diaphragm hơn Tuy nhiên, các trang thiết bị quang khắc, oxy hóa nhiệt tại SHTP Labs được trang bị cho wafer 6 inches nên nếu dùng wafer 6 inches thì sẽ cải thiện được độ đồng đều và chất lượng của các wafer Ngoài ra, khi chế tạo 3000 cảm biến

và tiến tới sản xuất thử nghiệm các linh kiện MEMS nói chung, wafer đường kính 6 inches hoặc lớn hơn thường được sử dụng để tăng số lượng chip/wafer và qua đó, tiết kiệm chi phí sản suất của chip Với wafer 6 inches, chiều dày lớp handle phải lớn hơn 300 μm (cỡ 400 μm) để có thể tránh nứt vỡ trong quá trình thao tác Khi chiều dày lớp handle lớn hơn sẽ dẫn tới thời gian ăn mòn lớp này để tạo màng diaphragm cho cảm biến lớn hơn Điều đó dẫn tới hàng loạt vấn đề công nghệ như phải phát triển công nghệ bảo vệ các chi tiết áp trở ở mặt trên phiến Si trong quá trình ăn mòn lớp

29

handle này Do đó, chúng ta cần tạo lớp màng SiO2 dày hơn để bảo vệ cho các chi tiết ở mặt dưới trong quá trình ăn mòn (với wafer 4 inches, lớp SiO2 là 1.6 μm, oxy hóa trong 250 phút tại 1100 ᴼC; phiến 6 inches, lớp SiO2 là 2.1 μm, oxy hóa trong 420 phút tại 1100 ᴼC, chưa tính thời gian nâng và giảm nhiệt độ) Lớp màng SiO2 dày hơn sẽ khiến quá trình quang khắc cho các chi tiết ở mặt trên khó khăn hơn (khi oxy hóa , màng SiO2 được tạo ra cả mặt trên và mặt dưới) Lớp màng SiO2 dày hơn cũng khiến việc bốc bay tạo điện cực Al:Si (dày 500 nm) là bất khả thi (màng Al sẽ bị gãy và không bám theo các vi cấu trúc được)

 Tính mới và điểm khác biệt của hệ thống cảnh báo ngập WLM

Một trong những ứng dụng của cảm biến áp suất là đo mực nước9 Trong ứng dụng này, sự thay đổi mực nước cần đo sẽ gây ra sự thay đổi áp suất và dựa trên áp suất đo được bằng cảm biến

áp suất, giá trị mực nước có thể được tính toán Module đo mực nước này có thể tích hợp với công nghệ IoT để tạo thành hệ thống cảnh báo tự động mực nước tại các sông, hồ hoặc khu vực thường xuyên xảy ra ngập lụt Hệ thống cản báo mực nước được lắp đặt tại các cống thoát nước và khu vực ngập lụt của Thành phố Hồ Chí Minh nhằm thu thập thông tin ngập lụt và truyền tải dữ liệu trực tuyến về các trạm xử lý số liệu thông qua bộ truyền tín hiệu Các số liệu này sẽ được dùng để cảnh báo ngập lụt cho người dân và lập bản đồ ngập lụt trong tại các khu vực trọng điểm đề đề xuất các giải pháp khoa học nhằm giải quyết triệt để vấn đề ngập lụt của thành phố

Hình 1.1 Cấu trúc của trạm cảnh báo ngập tự động

Tại Việt Nam nói chung và Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, điều kiện thời tiết nóng, độ ẩm cao nên thường gây ra tình trạng đọng nước trên các đường ống và dẫn tới sự nhiễu loạn về giá trị

đo đạc của cảm biến siêu âm Dựa trên kinh nghiệm thực tế, hệ thống cảnh báo ngập ở thành phố

Hồ Chí Minh chỉ nên dùng loại cảm biến áp suất

30

Hình 1.2 Board mạch truyền thông (mẫu) sử dụng chip cảm biến áp suất SHTPLABS

Trong dự án này sau khi hoàn thiện bản thiết kế và đóng gói 100 cảm biến áp suất PS50 chúng tôi sẽ chế tạo thiết bị truyền thông WLM-0717 có sử dụng PS50 để lắp đặt tại 15 điểm (danh sách đính kèm Thuyết minh) trên địa bàn 8 quận tại Thành phố Hồ Chí Minh Hệ thống cảnh báo ngập

15 điểm này sẽ sử dụng phần mềm có bản đồ nền do Sở Tài nguyên và Môi trường cung cấp chứ không phải sử dụng bản đồ của Google như hiện nay nhằm chứng minh được việc lựa chọn sử dụng chip cảm biến áp suất PS50 là phù hợp với giải pháp cảnh báo ngập trên địa bàn TpHCM

I.3 Tính cần thiết của việc thực hiện dự án

 Việc thực hiện dự án góp phần nâng cao trình độ công nghệ MEMS nhằm mục đích thực hiện chương trình MEMS của Thành phố

+ Quyết định số 1780/QĐ-UBND ngày 17 tháng 04 năm 2015 của UBND TP Hồ Chí Minh

về “Bổ sung các chương trình, dự án nhánh và một số nội dung của Chương trình Phát triển Công nghiệp vi mạch Thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2013-2020” đã bổ sung nội dung đề án phát triển MEMS cho thành phố Việc thực hiện đề tài nằm trong các giải pháp để hiện thực hóa quyết định trên của UBND

+ Đề tài cho phép thực hiện toàn bộ quá trình từ thiết kế, chế tạo, đóng gói và ứng dụng các sản phẩm nghiên cứu MEMS vào thực tế Quá trình đó sẽ góp phần nâng cao trình độ công nghệ và đồng thời định hình các thị trường đặc thù trong nước cho các linh kiện MEMS chế tạo tại Việt Nam trong tương lai Việc phát triển công nghệ và nguồn nhân lực về MEMS trong quá trình thực hiện đề tài sẽ góp phần thu hút đầu tư của các tập đoàn quốc tế về lĩnh vực này tại Thành phố Dựa trên những nội dung đã nêu ở trên thì: Ủy Ban Nhân dân TpHCM đã có Quyết định số 2431/QĐ-UBND về việc phê duyệt Dự án Khoa học và công nghệ thí điểm hỗ trợ thương mại hóa các sản phẩm từ công nghệ cao trong hoạt động nghiên cứu triển khai tại Khu Công nghệ cao thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2017 – 2018 trong đó đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ MEMS

31

trong việc chế tạo linh kiện cảm biến áp suất ứng dụng xây dựng các module đo mực nước” thuộc

dự án trên, do Phó chủ tịch thường trực Ủy Ban nhân dân TpHCM ký ngày 17 tháng 05 năm 2017

 Việc thực hiện dự án góp phần thực hiện chương trình chống ngập của Thành phố

Hiện nay, tình trạng ngập lụt đang là vấn đề lớn của Thành phố Hồ Chí Minh Số lượng người dân chịu ảnh hưởng của tình trạng ngập lụt có thể lên tới hơn 60% tổng dân số của Thành phố Thiệt hại do tình trạng ngập lụt gây ra ước tính khoảng hơn 12 triệu/năm/hộ gia đình liên quan đến các vấn đề sửa chữa nhà cửa, đồ đạc và chi phí chữa bệnh, chăm sóc sức khỏe liên quan đến vấn đề ngập lụt Ngoài ra, ngập lụt cũng gây ra các vấn đề về kẹt xe, trễ giờ làm hoặc thậm chí không đi làm được của người lao động và do đó, gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế của Thành phố

Dự án sẽ góp phần xây dựng hệ thống quan trắc ngập lụt tại Thành phố và qua đó, giảm thiểu những tác hại do ngập lụt gây ra cho người dân sinh sống tại Thành phố

I.4 Ý nghĩa khoa học và khả năng áp dụng thực tiễn

 Lợi ích kinh tế, khả năng thị trường và cạnh tranh của sản phẩm dự án

 Làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo chip cảm biến áp suất;

 Hoàn thiện các quy trình công nghệ từ thiết kế đến chế tạo, đóng gói và đo lường các loại linh kiện vi cơ điện tử;

 Mở rộng, phát triển và nâng cao trình độ nguồn nhân lực cho ngành công nghiệp Vi mạch Tp HCM;

 Sử dụng chip cảm biến áp suất đóng gói trong nước trong thiết kế phần cứng của hệ quan trắc mực nước sẽ làm tăng tỷ lệ nội địa hóa sản phẩm ứng dụng IoT trong công tác quản lý nhà nước;

 Kết quả hoàn thiện cảm biến áp suất có khả năng ứng dụng lâu dài và đem lại nguồn thu cho

Tp HCM thông qua chuyển giao công nghệ

 Tác động của kết quả dự án đến kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng

- Sử dụng chip cảm biến áp suất chế tạo trong nước sẽ tiến tới khả năng tự chủ về các loại linh kiện đặc thù trong các vấn đề an ninh quốc phòng

- Góp phần phát triển nền công nghiệp Vi mạch Tp HCM, thu hút đầu tư, tạo thêm công ăn việc làm

- Hỗ trợ đơn vị quản lý nhà nước chủ động trong công tác phòng, chống và giảm ngập cho thành phố;

- Giảm rủi ro cho người dân do hiện tượng ngập do mưa, triều;

 Khả năng ứng dụng, chuyển giao, nhân rộng kết quả của dự án

Trong dự án này, chúng tôi có khảo sát lại địa hình các khu vực lắp đặt để xây dựng một chuẩn chung về cao độ của các khu vực lắp đặt, vị trí chính xác trên bản đồ, vẽ mặt cắt dọc và mặt cắt ngang tuyến, địa hình để có thể cung cấp tình hình ngập lụt tại khu vực lắp trạm quan trắc theo mực nước tại trạm…

33

CHƯƠNG II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC HIỆN

II.1 Nội dung 1: Xây dựng thuyết minh dự án

Trung tâm nghiên cứu triển khai Khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh đã phối hợp với Công ty TNHH Một thành viên Thoát nước Đô thị Tp.HCM (UDC) và Công ty Cổ phần phát triển

Cơ điện tử MEMSTECH để xây dựng cuốn thuyết minh dự án Nội dung thuyết minh dự án đã được hội đồng thông qua

II.2 Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế bộ mask dùng để chế tạo cảm biến áp suất

a Nội dung và phương pháp tiến hành

 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp suất dạng áp trở chế tạo bằng vật liệu Si gồm các điện trở bố trí trên một màng (diaphragm) Dưới tác dụng của áp suất, các màng này (chiều dày cỡ μm) bị biến dạng và xuất hiện ứng suất trên màng Sự thay đổi ứng suất trên màng sẽ gây ra sự thay đổi giá trị các áp trở và dẫn tới sự thay đổi tín hiệu điện áp ra Do hiệu số áp điện của Si bán dẫn loại p lớn nên các điện trở này thường là điện trở loại p và các màng này là bán dẫn loại n Mục đích là để tạo ra lớp chuyển tiếp p-

n gần bề mặt để ngăn cản dòng điện không chạy sâu xuống cấu trúc bên dưới mà chỉ chạy qua các điện trở áp trở Trong bán dẫn loại p, hệ số áp điện đạt giá trị lớn nhất theo hướng tinh thể <110> nên các áp trở thường được bố trí dọc theo hướng tinh thể này Ngoài ra, giá trị hệ số áp điện theo phương dọc ℓ,110 và phương vuông góc τ,110 có giá trị tuyệt đối gần tương đương nhau trong mặt phẳng (100) Do đó, sự thay đổi giá trị hệ số áp trở hiệu dụng (ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy của cảm biến và đặc tuyến làm việc của cảm biến) sẽ ít bởi ảnh hưởng khi áp trở bị lệch khỏi phương

<110> trong quá trình chế tạo8 Ngoại trừ cảm biến áp suất dạng Xducer (có duy nhất 1 áp trở) ra, các cảm biến áp suất dạng áp trở thường gồm 4 áp trở được mắc theo mạch cầu Wheatstone nhằm giảm sự ảnh hưởng của nhiệt độ8

Hình 2.1 Bố trí các áp trở trên cảm biến áp suất

34

Thông thường, các áp trở loại p được pha tạp với nồng độ ~1018 cm-3 để hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tuyến cảm biến Bốn áp trở có giá trị bằng nhau khi màng diaphragm không chịu ứng suất và do đó, tương ứng tín hiệu điện áp ra bằng không Khi màng diaphragm chịu ứng suất thì các giá trị điện trở R1 R3 chịu ứng suất giống nhau và các điện trở R2 R3 (vuông góc với điện trở R1 R3) chịu ứng suất khác Xét đến sự phân bố nồng đồ pha tạp trên các áp trở theo phân bố Gausian (và do đó hệ số áp điện sẽ khác so với vật liệu khối khi sự pha tạp là đồng đều), sự thay đổi điện trở có thể tính theo công thức10

Tuy nhiên, công thức trên là gần đúng theo tính toán lý thuyết và có sử dụng một số thông số

về hệ số áp điện của Si từ thực nghiệm với nồng độ pha tạp có thể khác với nồng độ pha tạp thực tế của áp trở trong dự án này Ngoài ra, công thức trên cũng chưa tính đến độ giảm áp do điện trở của contact hole và điện trở ký sinh trên cảm biến trong quá trình hoạt động Do đó, công thức này chủ yếu cho chúng ta biết mối quan hệ về độ nhạy của cảm biến với kích thước diaphragm và được sử dụng để ước lượng giá trị chiều dày màng diaphragm

Giá trị thực nghiệm khi tiến hành chế tạo cảm biến áp suât tại Trung tâm nghiên cứu triển khai (kết quả của khóa đào tạo MEMS năm 2016) với các thông số kích thước diaphragm như trên cho kết quả là

(" )~ 0.6 × P

 Nguyên lý thiết kế cảm biến áp suât

Việc xây dựng thiết kế bộ mask cảm biến áp suất cần tuân thủ các nguyên tắc sau

Áp trở

ρs = 100 Ω/□(target)

R = 1000 Ω(target)

Diaphragm Size = 1200 um, thickness: 15 um

Inclination angle = 54.7 degrees

36

Hình 2.2 Tính toán kích thước cấu trúc cảm biến áp suất

b Kết quả thực hiện

Đã thiết kế thành công cấu trúc cảm biến áp suất gồm 4 mask như Hình 2.3 và 2.4 Trong cấu trúc

này, các áp trở có kích thươc 10μm × 100μm, kích thước dice là 2.6mm × 2.6mm

Mask 1: Pha tạp áp trở loại p Mask 2: Mở contact hole

37

Mask 3: Ăn mòn Al để tạo điện cực Mask 4: Mở cửa sổ để ăn mòn backside

Hình 2.3 Cấu trúc của từng mask

Hình 2.4 Cấu trúc cảm biến áp suất có thể dễ dàng hình dung khi chồng 4 mask lên nhau

Sau đó, cấu trúc này đã được sử dụng để thiết kế bộ mask (gồm 4 mask) để thực hiện chế tạo cảm biến trên wafer 6 inches

II.3 Nội dung 3: Khảo sát và chuẩn hóa các quy trình công nghệ

II.3.1 Nội dung 3.1: Khảo sát quy trình quang khắc sử dụng trong chế tạo cảm biến áp suất

Quá trình quang khắc là một trong những quy trình quan trọng nhất trong công nghệ gia công vi cơ điện tử Trong quy trình này, lớp cảm quang sẽ đươc phủ lên trên tấm Si bằng phương

38

pháp quay phủ Sau đó, phiến Si và lớp cảm quang sẽ được nung nóng trong thời gian ngắn để làm bay hơi dung môi và làm lớp cảm quang dính chắc vào phiến Si Tiếp theo đó, ánh sáng đơn sắc UV (G-line 436nm) sẽ được chiếu qua bộ mask và đi tới lớp cảm quang trên phiến Si Phiến Pyrex sau khi chiếu UV được ngâm trong dung dịch developer Trong dự án này, chúng tôi sử dụng chất cảm quang dương nên phần cảm quang nào được chiếu UV trong quá trình quang khắc sẽ bị tẩy đi và phần che chắn được giữ lại sau khi ngâm trong dung dịch developer Kết thúc quá trình này, chất cảm quang sẽ tạo hình ảnh cấu trúc trên phiến Si

 Quy trình thực hiện quá trình quang khắc như sau

Bước 1: Rửa phiến Si

Quy trình rửa phiến Si được tiến hành bằng cách sử dụng các dung dịch Piranha, RCA1, RCA2 Sau đó phiến được rửa lại bằng nước DI rồi làm khô bằng hệ Spin Dryer Các thông số cụ thể như sau

Piranha: DIW:H2O2(30%):H2SO4 = 3:3:1, thời gian 10 phút

RCA1: DIW:NH4OH(27%):H2O2(30%) = 6:1:1, thời gian 10 phút

RCA2: DIW:HCl(27%):H2O2(30%) = 5:1:1, thời gian 10 phút

Sử dụng hệ Dump Rinser để rửa lại phiến Si bằng nước trong 5 lần Sau đó phiến Si được làm khô bằng hệ Spin Dryer theo các thông số như hình dưới

Hình 2.5 Các thông số của quá trình rửa phiến Si Bước 2: Phủ cảm quang (photoresist) lên phiến Si

Quá trình phủ lớp cảm quang sử dụng thiết bị Spin coater model Delta 6 RC của hãng Suss MicroTec- CHLB Đức

Phủ lớp tăng cường độ bám dính (primer) : Nhỏ đều chất primer lên phiến Si, quay vận tốc

1000 vòng/phút trong 5 giây đầu, và nâng lên vận tốc 2000 vòng/phút trong 5 giây tiếp theo, cuối cùng quay trong 30 giây với vận tốc 3000 vòng/phút

39

Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ quay, thời gian quay phủ và chiều dày lớp cảm quang

Phủ lớp cảm quang: Nhỏ đều chất cảm quang lên phiến SI, quay vận tốc 1000 vòng/phút trong 5 giây đầu và nâng lên vận tốc 2000 vòng/phút trong 5 giây tiếp theo, cuối cùng quay trong

30 giây với vận tốc 3000 vòng/phút

Chiều dày lớp phủ được xác định

k = hằng số của thiết bị quay, thường lấy = 80-100

p = hàm lượng % chất rắn trong resist

w = tốc độ quay của mâm quay (v/p)/1000

Chiều dày phủ thường lấy =1-2 μm đối với Si thương mại

Nung mềm cảm quang: phiến Si sau khi phủ cảm quang được nung ở nhiệt độ 1200C trong

60 giây nhằm làm bay hơi dung môi có trong photoresist và làm chắc lớp phủ

Bước 3: Chiếu sáng

Quá trình quang khắc được thực hiện trên máy quang khắc model MJB4 Mask Aligner của hãng Suss Microtec – CHLB Đức

Lắp phiến Si vào chuck và điều chỉnh chuck để phiến Si nằm chính giữa Mask

Lắp Mask vào trong máy MJB4 Mask Aligner

Quá trình so Mask sử dụng kính hiển vi phía trên (top side) của Mask

Chiếu chùm UV (G-line 436nm) và khảo sát trong các trường hợp chiếu sáng với thời gian khác nhau là 12 giây, 3 giây và 2.5 giây

Bước 4: Mở cửa sổ lớp cảm quang để hiện hình cấu trúc

Phiến Si sau khi chiếu UV được ngâm trong dung dịch developer Do đây là chất cảm quang dương nên phần cảm quang nào được chiếu UV trong quá trình quang khắc sẽ bị tẩy đi và phần

40

được che chắn sẽ được giữ lại Kết thúc quá trình này, chất cảm quang sẽ tạo hình ảnh cấu trúc trên mặt Si

Thời gian ngâm trong dung dịch developer là 30 giây

Sau khi cấu trúc hiện rõ thì phiến Si được lấy ra, rửa lại bằng nước DI và làm khô phiến Si bằng khí Nitơ

Nung cứng cảm quang: phiến Si sau khi hiện hình được nung ở nhiệt độ 1200C trong 120 giây

 Kết quả khảo sát quá trình quang khắc theo thời gian chiếu sáng

Kết quả cho thấy, khi thời gian chiếu sáng dài thì các cấu trúc bị nhòe do liên quan đến hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng qua khe hẹp Khi đó, các vi cấu trúc sau khi hiện hình bị nhòe và không thể hiện rõ nét như Hình 2.7

Hình 2.7 Các vi cấu trúc được hiện hình sau quá trình quang khắc với thời gian chiếu sáng là 12s

Khi thời gian chiếu sáng quá ngắn thì lớp cảm quang chưa kiph bị ánh sáng UV tác động và dẫn tới khó tẩy rửa và không hiện hình chi tiết được Với thời gian chiếu sáng 2.5-3s, các vi chi tiết được hiện hình rõ nét như Hình 2.8

Hình 2.8 Các vi cấu trúc được hiện hình sau quá trình quang khắc với thời gian chiếu sáng là 3s