Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở

Lời cảm ơn Để hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất ứng dụng ” ngoài công sức

Lời cảm ơn

Để hoàn thành bài khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất ứng dụng ” ngoài công sức của bản thân tôi còn được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy huớng dẫn là Ts Trịnh Quang Thông

và Ts Đinh Văn Dũng, cùng sự chỉ bảo và giúp đỡ của quí thầy cô trong Khoa vật lý

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts Trịnh Quang Thông và

Ts Đinh Văn Dũng cùng qúi thầy cô trong khoa vật lý đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu và trình bày khóa luận này

Do năng lực nghiên cứu có hạn khóa luận chắc chắn không tránh

được những thiếu sót Rất mong sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô giáo

và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2009 Tác giả khóa luận

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong khãa luËn lµ trung thùc Khãa luËn nµy ch­a tõng

®­îc c«ng bè trong bÊt cø c«ng tr×nh nµo NÕu nh÷ng lêi cam ®oan trªn

lµ sai t«i xin hoµn toµn chÞu tr¸ch nhiÖm

Hµ Néi, ngµy th¸ng 5 n¨m 2009

T¸c gi¶ khãa luËn

§ç H÷u B×nh

Lời cảm ơn .1

Lời cam đoan .2

Mục lục .3

Mở đầu .4

1 Lí do chọn đề tài .4

2 Mục đích chọn đề tài 4

3 Nhiệm vụ nghiên cứu .4

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

5 Phương pháp nghiên cứu 5

Chương 1 Giới thiệu chung về cảm biến đo gia tốc .6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc 7

1.3 Giới thiệu các loại cảm biến đo gia tốc thông dụng 9

Chương 2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gia tốc silic kiểu áp trở 15

2.1 Vật liệu silic để chế tạo cảm biến 15

2.2 Cấu trúc 19

2.3 Nguyên lý hoạt động 22

Chương 3 Tìm hiểu công nghệ chế tạo và đề suất ứng dụng cảm biến 25

3.1 Các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ MEMS 25

3.2 Tìm hiểu về qui trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc 28

3.3 Đề suất ứng dụng 35

Kết luận 37

Tài liệu tham khảo 38

Mở đầu

1 lí do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, ngành công nghệ vi điện tử đã đạt được đỉnh cao Công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ

và linh kiện điện phát triển mạnh, được gọi là công nghệ chế tạo vi cơ điện tử

- MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems) MEMS là một công nghệ có khả năng cho phép sự phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt

có khả năng nhận biết và điều khiển Ngoài ra, MEMS cũng mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng Nó đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện kích thước cỡ micô, được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, điện tử dân dụng, quân sự v.v

Trước sự phát triển của công nghệ MEMS, là một sinh viên khoa Vật lí, nhận thấy tiềm năng rất lớn của công nghệ MEMS và muốn đi sâu vào tìm hiểu với hi vọng có thể hiểu và một ngày nào đó chế tạo được cảm biến gia tốc MEMS Được sự hướng dẫn và chỉ bảo của TS Trịnh Quang Thông và

TS Đinh Văn Dũng, cũng như các thầy cô giáo trong khoa Vật lí, nên em đã

quyết định lựa chọn và nghiên cứu đề tài: “Cảm biến đo gia tốc mems kiểu

áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất ứng dụng” để có thể giúp bản thân và những ai đam mê về công nghệ MEMS nói chung và cảm biến nói riêng có thể hiểu rõ thêm về cảm biến gia tốc

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu và hệ thống hoá kiến thức về cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu

áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo và đề suất một vài ứng dụng của cảm biến trên phương diện lí thuyết

Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gia tốc kiểu

áp trở, việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc, giới thiệu các loại cảm biến đo gia tốc thông dụng, công nghệ và qui trình chế tạo cảm biến Đưa ra một vài đề suất ứng dụng của cảm biến gia tốc

5 Phương pháp nghiên cứu :

Thu thập tài liệu, tìm hiểu và hệ thống hoá kiến thức về cảm biến gia tốc kiểu áp trở

Chương 1 Giới thiệu chung về cảm biến đo gia tốc 1.1 Giới thiệu chung

Gia tốc là đại lượng vật lí đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để mô tả chuyển

động Gia tốc là mối liên hệ giữa lực và khối lượng Mọi cảm biến gia tốc

đều dựa trên một hiện tượng vật lí nào đó và sử dụng mối quan hệ lực – khối lượng để nhận được đại lượng điện hoặc thông tin về gia tốc cần đo

Các cảm biến gia tốc thông dụng hiện nay đều hoạt động dựa trên nguyên lí thay đổi cơ học của cấu trúc khi đặt hệ trong trạng thái chuyển

động có gia tốc Cấu trúc cơ bản của cảm biến gia tốc gồm một khối gia trọng gắn trên một thanh dầm Khi đặt cảm biến vào một hệ chuyển động có gia tốc dưới tác dụng của lực quán tính đặt lên khối gia trọng thanh dầm sẽ

bị uốn cong Một cấu trúc điện thích hợp sẽ được tích hợp lên cấu trúc, cho phép xác định chuyển vị của khối gia trọng hoặc sự uốn cong của thanh dầm,

sẽ gián tiếp thông tin về gia tốc của hệ Các cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh, công nghiệp ôtô, điện dân dụng, khoa học không gian, các hệ thống cảm nhận rung lắc và thiết bị chống rung trong các hệ thống vũ khí v.v…

Công nghệ MEMS là một trong các công nghệ tiên tiến đang được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây do tính ưu việt của công nghệ, cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện Việc phát triển công nghệ MEMS để chế tạo cảm biến đo gia tốc được quan tâm nghiên cứu từ rất nhiều các trung tâm khoa học công nghệ lớn trên thế giới Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện và áp điện trở, cảm biến gia tốc nhiệt v.v… Nhìn chung cả các loại cảm biến này đều có các ưu và nhược

điểm riêng nhưng cảm biến gia tốc kiểu áp trở là thông dụng nhất bởi các ưu

v.v… Với các ứng dụng ngày càng trở lên tinh tế về cảm biến gia tốc độ nhạy cao, kích thước nhỏ đang được đặt ra

1.2 Việc đo gia tốc trong kỹ thuật và cảm biến đo gia tốc

Để đo gia tốc (là một trong các tín hiệu cơ học dạng động), ta có thể sử dụng cấu trúc có khối gia trọng gắn trên các thanh dầm Khi hệ chuyển động

có gia tốc, khối gia trọng gắn trên thanh dầm sẽ chịu tác dụng của lực quán tính tỉ lệ với gia tốc của hệ Kết quả là thanh dầm sẽ bị uốn cong với độ lệch

tỉ lệ với tín hiệu cần đo Thông thường, thanh dầm, giá đỡ và khối trọng được chế tạo từ một vật liệu khối ban đầu Bằng cách gia công tách bỏ các phần thích hợp trong khối vật liệu, phần còn lại sẽ tạo thành hệ các thanh dầm và khối gia trọng Một cấu trúc điện thích hợp được tích hợp trên phần tử nhạy

để cảm nhận sự uốn cong đó và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện lối ra [1] Như vậy, bằng cách đó, ta có thể đo được một cách định lượng tín hiệu gia tốc bằng cách đo các tín hiệu điện lối ra của thiết bị cảm biến Tuỳ theo mức gia tốc và dải tần mà người ta phân biệt các điều kiện thực nghiệm khác nhau:

1.2.1 Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó (Máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuỷ v.v…) trong đó chuyển động của trọng tâm luôn giữ ở tần

số tương đối thấp (từ 0 nhỏ vài trục Hz) thường liên quan đến các gia tốc nhỏ

Các cảm biến thích hợp dựa trên các hiện tượng cho phép đo chính xác một đại lượng có tần số “bằng không” tương ứng với một giá trị liên tục trong khi đo, gọi là cảm biến gia tốc khiên chế Đây là cảm biến gia tốc đo dịch chuyển (cảm ứng, tụ điện, điện kế quang) và cảm biến gia tốc đo biến dạng Cấp chính xác của chúng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo và thay đổi trong khoảng từ 10-4 đến 1 [4]

1.2.2 Đo gia tốc rung của cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn cần phải sử dụng cảm biến có dải tần đạt tới hàng trăm Hz đồng thời phải cho phép đo gia tốc không đổi hoặc gần như không đổi với bộ giảm rung thích hợp [4]

Cảm biến gia tốc thường sử dụng là loại từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại hoặc áp điện trở Cấp chính xác cỡ 10-2 nhưng lĩnh vực ứng dụng rất rộng rãi vì chúng cho phép đo đồng thời ở cả hai chế độ tĩnh và

động [4]

1.2.3 Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~ 10kHz) thường được tiến hành khi vật có khối lượng nhỏ nên đòi hỏi cảm biến gia tốc phải có độ chính xác cao, sử dụng loại áp trở hoặc áp điện, cấp chính xác 10-2 [4]

1.2.4 Khi đo va đập có gia tốc dạng xung ở mức độ cao đòi hỏi cảm biến gia tốc phải có dải thông rộng cả về hai phía tần số thấp và tần số cao [4]

Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc

Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ

Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS

Cảm biến được gắn trên vật chủ cần đo vận tốc góc, tín hiệu lấy ra từ cảm biến được đưa qua bộ khuếch đại biên độ rồi cho qua bộ lọc, lọc tín hiệu cần thiết rồi được đưa qua một máy tính xử lý tín hiệu cho kết quả đầu ra Hệ thống đo như sơ đồ (hình 1)

Hình 1 Sơ đồ một hệ đo gia tốc

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có

độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện

tử trước đây Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử

1.3 Giới thiệu các loại cảm biến đo gia tốc thông dụng

Dựa theo phương pháp đo, cảm biến gia tốc được chia làm hai loại chính

là phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất và phương pháp đo dựa trên cơ sở chuyển vị Cả hai phương pháp đo này đều dựa trên mối quan hệ tín hiệu lối

ra và gia tốc ở lối vào Phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất thường sử dụng các hiệu ứng áp điện trở, piezojunction hay cộng hưởng, trong khi đó phương pháp đo dựa trên cơ sở chuyển vị thường sử dụng hiệu ứng điện dung, cảm ứng, quang học, nhiệt hay hiệu ứng tunnel để thực hiện việc chuyển đổi tín hiệu

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có nhiều loại cảm biến đo gia tốc: kiểu tụ, áp điện và áp trở, cảm biến gia tốc quang v.v Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện hay áp

điện trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ chế tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít phụ thuộc vào nhiệt độ ít bị nhiễu và mất

mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Trong thực tế hiện nay có các loại cảm biến tiêu biểu sau:

- Cảm biến gia tốc áp điện trở: Là một trong những cảm biến gia tốc chất

rắn được chế tạo đầu tiên và là hệ thống bao gồm cấu trúc cơ học và các phần

tử áp điện trở được gắn lên trên nó Đối với loại này, các phần tử áp điện trở

được đặt trên hệ thanh dầm Khi cảm biến gia tốc áp điện trở chịu tác động của một gia tốc, khối gia trọng sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống, do vậy gây ra một phân bố ứng suất trên hệ thanh dầm khiến các phần tử áp điện trở thay

đổi điện trở Do vậy có được mối liên hệ giữa điện trở và gia tốc Hình 2 mô tả minh họa vị trí của các phần tử áp điện trở Trong hình này, phần tử áp

điện trở gần bờ sẽ tăng điện trở và phần tử áp điện trở gần khối gia trọng sẽ giảm điện trở, và ngược lại, phụ thuộc vào hướng chuyển động của khối gia trọng [2]

Hình 2 Thanh dầm được cấy các phần tử áp điện trở trong cảm biến gia tốc

áp điện trở

- Cảm biến gia tốc áp điện: Cảm biến gia tốc dựa trên hiệu ứng áp điện cũng

giống như cảm biến gia tốc hiệu ứng áp trở Trên các cảm biến gia tốc áp

điện, các phần tử áp điện được cấy hoặc phủ lên hệ thanh dầm, dưới sự thay

đổi của ứng suất trên hệ thanh dầm do tác động của gia tốc làm khối trọng chuyển động sẽ làm thay đổi điện áp trên phần tử áp điện (hình 3) [2]

Hình 3 Cấu trúc cảm biến gia tốc áp điện (a) Cấu trúc cảm biến áp điện màng dày (b) ảnh SEM

- Cảm biến gia tốc cộng hưởng: Dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng của

vi cầu (micro brigde) dưới tác động của ứng suất kéo hay nén Bằng cách đặt các vi cầu cộng hưởng lên hệ thanh dầm, tần số cộng hưởng thay đổi so với dịch chuyển của khối trọng và do vậy thay đổi so với gia tốc

- Cảm biến gia tốc nhiệt: Theo nguyên lý nhiệt, vị trí của khối trọng ảnh

hưởng tới thông lượng dòng nhiệt do cuộn dây sinh ra truyền vào lớp khí giữa khối gian trọng và đế Khi có sự thay đổi về dòng nhiệt, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần gia nhiệt và phần tử nằm trong môi trường được gia nhiệt đó Sự chênh lệch nhiệt độ phụ thuộc vào vị trí của khối gia trọng, do

đó sự chênh lệch nhiệt độ có mối quan hệ với gia tốc Sự chênh lệch nhiệt độ

được xác định bằng pin nhiệt điện Hình 4 mô tả một cấu trúc cảm biến gia tốc nhiệt điển hình [2]

Hình 4 Cảm biến gia tốc nhiệt

- Cảm biến gia tốc kiểu tụ: Cảm biến gia tốc kiểu tụ hoạt động dựa phương

pháp chuyển vị Cấu trúc cảm biến bao gồm điện cực trên khối trọng và bản

điện cực trên đé cố định Hai bản điện cực được thiết kế cách nhau một khe hẹp tạo thành một tụ điện Tụ điện này có một bản di động và một bản cố

định Khi chịu tác dụng của gia tốc bên ngoài, khối trọng dịch chuyển làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ, do đó làm thay đổi điện dung của tụ

điện Chuyển vị của của khối trọng tỷ lệ với gia tốc, nên ta có mối quan hệ giữa điện dung và gia tốc Hình 5 mô phỏng cảm biến gia tốc kiểu tụ

Hình 5 Cảm biến gia tốc ADXL202

- Cảm biến gia tốc điện từ: Cảm biến bao gồm hai cuộn dây phẳng, một nằm

trên khối gia trọng và một nằm trên đế cố định (hình6) Một trong hai cuộn

được sử dụng phát từ trường xoay chiều Do đó, một hiệu điện thế cảm ứng

cuộn dây Theo cách đó, khối gia trọng dịch chuyển và do đó gia tốc được xác định [2]

Hình 6 Cấu trúc cảm biến gia tốc điện từ

- Cảm biến gia tốc quang học: Các cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý

quang học, đó là sự thay đổi về cường độ ánh sáng nhờ sự dịch chuyển của khối gia trọng đóng vai trò như một cửa chớp hoặc do sự thay đổi bước sóng phản xạ bằng việc sử dụng một cách tử Bragg đối với sóng phẳng Hình 7 mô tả cảm biến gia tốc quang học

Hình 7 Cảm biến gia tốc quang học

Chuyển động của khối gia trọng là nằm trên một mặt phẳng vì vậy

thường sử dụng loại phiến (110) thay vì loại phiến (100) hay được chế tạo mạch điện và các cảm biến gia tốc vi cơ khối khác Các sườn của cấu trúc luôn dựng đứng, đặc điểm này cho phép cường độ ánh sáng phụ thuộc vào gia tốc sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng đi từ trên xuống dưới đáy, nơi có gắn một photodiot detector Chuyển động của khối gia trọng phụ thuộc vào gia tốc làm thay đổi cường độ ánh sáng chiếu tới detector [2]

- Cảm biến gia tốc tunnel: Dòng tunnel từ mũi nhọn tunnel (hình 8) tới một

điện cực là một hàm mũ theo khoảng cách giữa mũi nhọn và bản cực và vì vậy có thể được dùng để đo vị trí của khối gia trọng Dòng tunnel được xác

định bởi công thức:

I = I 0 exp(-  z )

Hình 8 Cảm biến gia tốc tunnel

Trong đó I 0 là dòng xác lập thang đo phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng

của mũi nhọn (giá trị đặc trưng là 1,4x10-6 A),  là hệ số chuyển đổi với giá

trị đặc trưng là 10,25eV -1/2 / nm,  là năng lượng chiều cao rào thế tunnel có

giá trị đặc trưng 0,5eV, và z là khoảng cách giữa mũi nhọn và điện cực

Khoảng cách giữa mũi nhọn có hiệu ứng tunnel và bản cực phải được xác

định với chính xác rất cao, do hiệu ứng tunnel chỉ xuất hiện trong một khoảng cách nhỏ Vì vậy cảm biến tunnel phải sử dụng hoạt động theo kiểu mạch kín (closed loop operation) Lực phản hồi tĩnh điện được giữ vai trò chính trong loại linh kiện này và nó giữ khoảng cách giữa mũi nhọn và bản cực luôn xấp xỉ một hằng số Từ đó có mối liên hệ giữa gia tốc và điện áp cần thiết để sinh ra lực tĩnh điện đó Dịch chuyển của bản cực trên khối gia trọng được sử dụng để kéo khối gia trọng bằng lực tĩnh điện đến một khoảng cách nhất định mà tại đó xuất hiện dòng tunnel Sự dịch chuyển của điện cực trên thanh chấp hành được sử dụng để điều khiển hồi tiếp làm duy trì khoảng cách giữa mũi nhọn và thanh chấp hành là hằng số [2]

Hình 9 Tải đơn trục

và biến dạng

Chương 2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm

biến đo gia tốc silic kiểu áp trở 2.1 Vật liệu silic để chế tạo cảm biến:

Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở là cảm biến gia tốc kiểu áp trở được chế tạo bằng công nghệ MEMS Cấu trúc bao gồm cấu cơ học và các phần tử

áp điện trở được gắn trên nó

 Cấu trúc cơ học là hệ thống gồm khối gia trọng được gắn trên một hệ thống thanh dầm Thanh dầm được làm bằng vật liệu đa tinh thể và đơn tinh thể

Vật liệu đàn hồi đẳng hướng (Silic đa tinh thể

- Mô đun đàn hồi (Môđun Young) E (N/m2)

a = E a ; E=161 GPa đối với Silic đa tinh thể

- Tỷ số Poisson  = - l / a với l= (D2 -D1)/D1

 Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng chịu trạng thái

ứng suất theo ba trục

x = [x -  (y +z )]/ E

 Mối quan hệ giữa ứng suất trượt , biến dạng trượt  và mô đun đàn hồi trượt G:  = G 

 Vật liệu đẳng hướng được đặc trưng chỉ bởi 2 hằng số đàn hồi độc lập, mô

đun trượt G liên hệ với mô đun Young và tỷ số Poisson bởi

Vật liệu đàn hồi dị hướng (Silic đơn tinh thể)

Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập Định luật Hook trong trường hợp tổng quát được diễn tả bởi 2 công thức:

ij=Eijkl kl và ij=Sijkl kl Với ij và kl là các tensor ứng suất hạng 2 [N/m2], kl và ij là các tensor biến dạng hạng 2, không thứ nguyên Eijk là tensor hệ số độ cứng hạng 4 [N/m2], Sijkl là tensor hệ số tương thích (compliance coefficient tensor) hạng

4 [m2/N]

- Số hằng số độc lập tăng khi tính đối xứng giảm Ví dụ tinh thể lập phương có 3 hằng số đàn hồi độc lập (S11, S12 và S44), mô đun Young E= 1/S11, tỷ số Poisson = -S12/S11 và mô đun trượt G=1/S44

- Với vật liệu bất đối xứng đòi hỏi 21 hằng số độc lập Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trở nên phức tạp hơn trong trường hợp này và phụ thuộc nhiều vào sự định hướng không gian ứng với trục tinh thể

- Với tinh thể Silic mạng lập phương (bcc, fcc) với véctơ ứng suất định hướng theo các trục [100] thì E11= E22= E33= 166x109 N/m2; E12= E13=

E23=64x109 N/m2; E44=E55= E66= 80x109 N/m2

- Hệ số dị hướng = 2E44/ (E11- E12)

Hình 10 Đường cong biến dạng

đàn hồi: sự chuyển nhanh qua miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của Silic

- Với Silic đơn tinh thể: = 1.57

- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định hướng tinh thể

- E, G, và  là hằng số đối với bất kỳ hướng nào nằm trong mặt phẳng (111) Mặt khác có thể xem một tấm nằm trong mặt phẳng này có các

Silic làm phần tử tích cực đặc biệt hiệu

quả trong trường hợp tải tuần hoàn Về

phương diện này vật liệu Silic được xem

như một “siêu vật liệu” Người ta giải

thích khả năng đặc biệt này của Silic là

do không có sự hấp thụ năng lượng hoặc

sự sinh nhiệt nào trong Silic ở nhiệt độ

phòng Tuy nhiên đơn thể Silic là rất

giòn, nên khi có ứng suất vượt quá giới

hạn đàn hồi đặt vào, nó sẽ nhanh chóng

chuyển sang miền biến dạng dư và đứt gãy Như thế về mặt biến dạng, thép

có khả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thước (hình 10) [1,2,3]

Ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có môđun đàn hồi lớn như Si, SiO2,Si3N4thường thể hiện tính đàn hồi rất tốt khi có biến dạng nhỏ và chuyển nhanh

do phát sinh các lệch mạng gây bởi ứng suất trong các biên hạt và sự chuyển của các lệch mạng đó, dẫn tới sự dịch chuyển các nội hạt bên trong vật liệu

và tạo ra độ lệch vĩ mô trong vật liệu Nhưng không có bất kỳ biên hạt nào tồn tại trong đơn tinh thể Silic [1,3] Vì vậy biến dạng dư trong Silic chỉ có thể xuất hiện do sự di chuyển của các khuyết tật có mặt trong mạng tinh thể, hoặc các khuyết tật xuất hiện trên bề mặt Trong đơn tinh thể Silic, số lượng các khuyết tật như vậy là rất thấp, nên vật liệu này được xem như hoàn toàn

đàn hồi trong phạm vi nhiệt độ phòng Tính chất đàn hồi hoàn hảo đó kéo theo sự tỷ lệ thuận giữa ứng suất và biến dạng, giữa tải và độ lệch, và loại bỏ

được tính trễ cơ học của vật liệu ở nhiệt độ lớn hơn 8000C, độ linh động của các khuyết tật tăng lên đáng kể, khi đó vật liệu silic thể hiện tính chất dẻo [1,2,3,9]

Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến cơ tính của Silic

Hầu hết các tính chất của Silic, như mô đun Young, đồng nhất với việc Silic được pha tạp nhiều hay ít Tuy nhiên ứng suất dư sẽ xuất hiện giữa đế Silic và miền Silic được pha tạp (hình 11)

ứng suất dư kéo (nén) trên các miền pha tạp được biểu diễn như sau:

Hình 11 ảnh hưởng của nồng độ pha tạp đến cơ tính Silic

(a)ứng suất dư kéo, (b) ứng suất dư nén

Nguyên tử pha tạp được thay thế cho Silic trong cấu trúc tinh thể dưới dạng A-Si