Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất mems kiểu điện dung độ nhạy cao phù hợp với công nghệ ăn mòn khô (LV00992)

Vấn đề cải tiến nâng cao chất lượng và các tính năng ưu việt của cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS là chủ đề vẫn luôn thu hút được sự quan tâm Việc chế tạo các cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

ĐỖ ANH TOẢN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

HÀ NỘI, 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

ĐỖ ANH TOẢN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ

Chuyên ngành: Vật lí chất rắn

Mã số: 60 44 01 04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Văn Dũng

HÀ NỘI, 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ rằng đề tài này

do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu dưới sự hướng dẫn, góp ý và chỉ bảo tận tình

của thầy hướng dẫn PGS.TS Đinh Văn Dũng Kết quả của đề tài là trung

thực và không trùng hợp với bất cứ kết quả của đề tài nào khác Nếu sai tôi

xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Đỗ Anh Toản

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS

Đinh Văn Dũng về những định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, phòng Sau đại học,

các thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường THPT Yên Lạc 2 đã

tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian và công việc cho tôi trong quá trình

học tập

Xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè đã ủng hộ động viên, chính nhờ

sự tận tâm và nhiệt thành của mọi người mà tôi đã hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

Đỗ Anh Toản

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

MỤC LỤC

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VI CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG 10

1.1 áp suất và cảm biến áp suất 10

1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu 12

1.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 13

CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC CẢM BIẾN XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS 23

2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến 23

2.2 Xây dựng chương trình mô phỏng 24

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Phân bố độ lệch 35

3.2 Phân bố ứng suất 39

3.3 Đặc trưng biến đổi điện dung 47

3.4 Độ nhạy cảm biến 50

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 54

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất 11

2 Bảng 2.1 Dữ liệu sử dụng mô phỏng 33

3 Bảng 3.1 Mối quan hệ áp suất - điện dung 48

4 Bảng 3.2 Sự thay đổi áp suất - điện dung 50

Hình 1.1 Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ

Hình 1.2 Một số vi cảm biến cấu trúc màng kiểu tụ tiêu biểu

Hình 1.3 Đường cong ứng suất - biến dạng

Hình 1.4 Tải đơn trục và biến dạng

Hình 1.5 Đường cong biến dạng đàn hồi: Sự chuyển nhanh

sang miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của silic

Hình 1.6 sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ thống

Hình 1.7 Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối

Hình 2.2 Sơ đồ giải bài toán khoa học kỹ thuật

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán bằng phương pháp FEM

Hình 2.4 Tổng quan cấu trúc cơ bản của một bài tính trong

ANSYS

Hình 3.1 Đồ hoạ phân bố độ lệch theo phương Oz, Đồ hoạ 3

chiều về độ lệch dưới tải áp suất 2atm: Hình.3.1a,b màng dày

đều; Hình.3.1c,d màng bốn góc mỏng

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của độ lệch cực đại theo trục oz trên

màng cảm biến vào áp suất tác dụng

Hình 3.3 Đồ hoạ ứng suất của cảm biến áp suất, màng có

dạng phẳng đều, dưới tải áp suất 2atm: Hình 3.3a Thành

Hình 3.4 Đồ hoạ ứng suất của cảm biến áp suất, màng có

dạng 4 góc mỏng, dưới tải áp suất 2atm: Hình 3.4a Thành

số đó, cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS giành được thị phần đáng kể và thể hiện được những ưu điểm nổi trội với khả năng đặc biệt của công nghệ cũng như giá thành sản phẩm

Một số nhóm nghiên cứu trong nước hiện nay về phát triển công nghệ

và linh kiện MEMS như ĐHBK Hà Nội, ĐH công nghệ Hà Nội, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam cũng đang quan tâm tới cảm biến áp suất

Vấn đề cải tiến nâng cao chất lượng và các tính năng ưu việt của cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS là chủ đề vẫn luôn thu hút được sự quan tâm

Việc chế tạo các cảm biến kích thước thu nhỏ nhưng vẫn đảm bảo chức năng hoạt động như cảm biến có kích thước lớn(thậm chí được cải thiện) có ý nghĩa rất lớn trong khoa học và thực tiễn: nó thúc đẩy việc liên tục cải tiến công nghệ; vật liệu chế tạo được sử dụng ít hơn, giúp phần hạ giá thành sản phẩm; không gian dành cho thành phẩm đóng gói được thu nhỏ hơn; năng lượng duy trì hoạt động của linh kiện tiêu tốn ít hơn, kéo dài thời gian sử dụng nguồn nuôi.v.v…Vì thế, việc thực hiện đề tài chế tạo cảm biến đo áp suất kích thước nhỏ dựa trên công nghệ MEMS khối mang ý nghĩa thời sự, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mở ra khả năng phát triển công nghệ MEMS để chế tạo cảm biến đo áp suất kích thước nhỏ, khả năng phát triển ứng dụng cảm biến

Cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung là một trong các linh kiện tích hợp cơ - điện Cấu trúc cảm biến gồm một màng mỏng gọi là phần tử nhạy được phủ một lớp kim loại mỏng làm bản cực thứ nhất của tụ điện và một lớp kim loại khác được phủ lên đế cố định làm bản cực thứ hai, rồi gắn phần tử nhạy với một đế thích hợp sao cho hai bản nằm đối diện nhau đã tạo ra một tụ điện có điện dung thay đổi được Khi áp suất tác động vào phần tử nhạy, sự uốn cong của phần tử nhạy sẽ làm cho khoảng cách giữa hai bản tụ điện thay đổi do đó điện dung của tụ cũng thay đổi theo Đó là nguyên lí chuyển đổi tín hiệu cơ sang tín hiệu điện kiểu điện dung

Để cải thiện phân bố độ lệch và vùng làm việc tuyến tính của cảm biến, đồng thời nâng cao độ nhạy cho các cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung, chúng tôi đề xuất một thiết kế cảm biến mới trong đó sử dụng cấu trúc màng vuông 4 góc mỏng thay cho màng phẳng đều Trên cơ sở cấu trúc cảm biến áp suất màng phẳng truyền thống, tại khu vực 4 góc màng nơi xuất hiện các ứng suất cơ học nhỏ hơn khu vực tâm màng và khu vực khác, bề dày màng đó được thiết kế nhỏ hơn các phần khác Đáp ứng tín hiệu của cảm biến dưới tải

áp suất nhờ vậy sẽ được cải thiện tốt hơn

Màng có tâm cứng: kích thước màng 3x3 mm, tâm cứng 2x2mm, độ dày màng 20mm, độ dày 4 góc mỏng màng 10 mm, độ dày tâm cứng 380 mm Màng có 3 độ dày khác nhau, Việc chế tạo màng có độ dày khác nhau rất khó thực hiện bằng công nghệ ăn mòn ướt hay nói cách khác là không điều khiển chính xác bằng ăn mòn ướt Cấu trúc màng như vậy chỉ thực hiện được bằng công nghệ ăn mòn khô và thông số cấu trúc trên là phự hợp với công nghệ ăn mòn khô tại viện ITIM

Vì vậy đề tài “ Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu

điện dung độ nhạy cao phù hợp với công nghệ ăn mòn khô ’’được đặt ra

cho luận văn này

Dựa trên phần mềm ANSYS , các mô phỏng về cấu trúc cảm biến, về các đặc trưng hoạt động cơ bản của cảm biến như mô phỏng độ lệch, ứng suất, độ nhạy của cảm biến được thực hiện Từ đó rút ra kết luận về cấu trúc cảm biến mới

2 Mục đích nghiên cứu

Mô phỏng và thiết kế mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung

độ nhạy cao, phù hợp với công nghệ ăn mòn khô

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Phân tích, đề xuất cấu trúc cảm biến đo áp suất MEMS mới có độ nhạy cao dựa trên việc làm mỏng 4 góc mỏng

Mô phỏng hoạt động của cảm biến

Thiết kế cảm biến có các thông số kích thước phù hợp với điều kiện ăn mòn khô

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung

Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng linh kiện

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lí thuyết, có sử dụng các tham số công nghệ trong phòng thí nghiệm để lựa chọn tham số đầu vào cho bài toán mô phỏng

6 Dự kiến đúng góp mới

Đưa ra mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung có độ nhạy cao dựa trên việc làm mỏng 4 góc màng cảm biến, các thông số kích thước phù hợp với điều kiện ăn mòn khô

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS

là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được xác định theo công thức sau:

p F

S

= (1.1) Trong đó:

- F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N)

- S là diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị là mét vuông (m2)

- Trong hệ SI áp suất có đơn vị là N/m2

Đơn vị dẫn xuất của áp suất là Pascal (Pa), 1 Pascal tương đương với áp suất đồng dạng do lực 1 N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1 m2

Áp suất 1 Pa là tương đối nhỏ(1Pa= 1N/m2) Ngoài ra còn dùng nhiều đơn vị đo áp suất khác nhau tùy vào mỗi ứng dụng (xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất

Cảm biến áp suất là một loại linh kiện chuyển đổi áp suất đầu vào và cho tín hiệu điện ở đầu ra nhằm đo áp suất, lực đầu vào Nhờ tính tiện dụng, kích thước nhỏ cảm biến áp suất được chế tạo bằng công nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực:

- Dân dụng: tủ lạnh, điều hòa không khí, máy hút bụi, máy giặt, nồi áp suất…

- Hệ thống tự động: hệ thống phanh, giảm sóc, túi khí, hệ thống nước,

áp suất chất lỏng, thể tích chất lỏng trong bồn…

- Y học: đo áp suất máu, điều hòa nhịp tim…

- Công nghiệp: xử lí nước thải, lò nhiệt, áp suất nước, nồi hơi, đo lưu lượng nước chảy qua ống, đo độ cao so với mặt nước biển…

Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất

đã ra đời Phổ biến nhất là sử dụng màng Màng (diaphragm) là một tấm mỏng (thường bằng chất bán dẫn) có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên Khi áp suất bên ngoài tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào Bằng nhiều cách khác nhau người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng thành tín hiệu điện thông qua

sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, dùng phương pháp transistor áp điện v.v Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đó là nâng cao độ nhạy cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung

1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu

1.2.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng vuông

Cấu trúc cảm biến gồm một màng vuông gọi là phần tử nhạy được phủ một lớp kim loại mỏng làm một bản cực của tụ điện, và một lớp kim loại khác được phủ lên đế cố định làm bản cực thứ hai, rồi gắn phần tử nhạy với đế một cách thích hợp sao cho hai bản cực nằm đối diện nhau, ta đã tạo ra một tụ có

điện dung thay đổi được (hình 1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ

Nguyên lí hoạt động của cảm biến có thể trình bày như sau:

Bản cực tĩnh Bản cực động

Khi có áp suất tác động vào phần tử nhạy, sự uốn cong của phần tử nhạy sẽ làm cho khoảng cách giữa hai bản tụ thay đổi, do đó điện dung của tụ cũng thay đổi theo Đó chính là nguyên lí chuyển đổi tín hiệu cơ sang điện kiểu điện dung Hoàn toàn ta có thể thu và xử lí dễ dàng các tín hiệu này nhờ các mạch được tích hợp trên cùng một đế silic

Ưu điểm: dễ tạo màng, khi có áp suất tác dụng, độ lệch màng lớn hơn

so với màng cấu trúc khác, ứng suất trượt tại 4 góc màng là nhỏ không ảnh hưởng khi ta khoét mỏng 4 góc màng

1.2.2 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng tròn

Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng tròn về nguyên tắc cũng giống với màng vuông, màng tròn là đối xứng tâm, phân bố đều, tuyến tính hơn so vói màng vuông nhưng để tạo ra màng tròn khó hơn so với màng vuông

nên thực tế người ta ít chế tạo (Hình 1.2a)

1.2.3 Một số cấu trúc khác

(a) (b) (c) (d) (e)

Hình 1.2 Một số vi cảm biến cấu trúc màng kiểu tụ tiêu biểu: (a)- Màng tròn

; (b,c)- Màng có tâm cứng ; (d,e)- Các màng hình dạng phức tạp

Cảm biến áp suât kiểu tụ điện sử dụng màng hình chữ nhật(Hình 1.2b,c)

Cảm biến áp suất kiểu tụ điện sử dụng các màng hình dạng phức tạp

(Hình 1.2d,c)

1.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS

1.3.1 Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS

Phần tử nhạy trong các cảm biến cơ hoạt động liên tục dưới tác dụng của tải cơ học đầu vào, chuyển đổi chúng qua biến dạng vật liệu thành một tín hiệu điện lối ra Để làm tối ưu các chức năng chuyển đổi tín hiệu này của cảm biến, việc phân tích các đặc trưng cơ học của cấu trúc là hết sức quan trọng Vật liệu silic đã được sử dụng như một vật liệu cơ bản trong công nghệ vi điện tử Kết hợp với khả năng có thể ăn mòn dị hướng tạo các cấu trúc 3 chiều

có độ chính xác cao, cấu trúc nhạy cơ và các phần xử lí electron có thể tổ hợp

dễ dàng trên cùng một đế silic, vật liệu silic cũng được biết đến như một vật liệu cơ bản trong công nghệ MEMS Trong phần này, chúng ta sẽ lần lượt phân tích các tính chất cơ, tính chất điện, đặc điểm mạng tinh thể của vật liệu silic nhằm làm nổi bật vai trò của silic trong các vi cảm biến kiểu điện dung

1.3.1.1 Tính chất cơ của vật liệu Silic

a) Đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu

Ứng suất giới hạn đàn hồi (yield strength), độ bền kéo (tensile strength), độ cứng (hardness) và độ dão mỏi (creep) của vật liệu liên quan mật thiết đến đường cong đàn hồi, tức là đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu như thể hiện trên hình 1.3 [1], [2,tr.23-27], [4], [5], trong đó trục thẳng đứng mô tả ứng suất s, trục nằm ngang mô tả biến dạng e

- Đối với biến dạng nhỏ,

định luật Hook áp dụng cho ứng

suất và biến dạng là tỷ lệ nhau và

đường biểu diễn mối quan hệ ứng

suất-biến dạng là tuyến tính Biến

dạng của vật liệu trong phạm vi này

là biến dạng đàn hồi Khi tải trọng

đặt vào nhỏ (s < sE), độ biến dạng

tỷ lệ bậc nhất với ứng suất, khi bỏ

Hình 1.4 Tải đơn trục và biến

dạng

tải trọng biến dạng mất đi, vật trở lại kích thước ban đầu

- Khi tải trọng đặt vào lớn (s > sE), độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn lại một phần Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo (biến dạng dư) Tức là biến dạng gồm biến dạng đàn hồi (eE) và biến dạng dẻo (eP

- Hiện tượng dão (creep) là hiện tượng biến dạng không thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian khi giữ ứng suất không đổi Đây là đại lượng xác định

độ biến dạng dư của vật liệu khi tải không đổi đầu vào đã thôi tác dụng

e(t) = eđh + edư + edão = etức thời + edư

(t) (1.3)

b) Tính chất cơ của Silic

Xét vật liệu đàn hồi đẳng hướng (Silic đa tinh thể hoặc vô định hình)

Đối với phần tử chịu tác dụng của tải đơn trục P (hình 1.4)

- Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng chịu trạng thái ứng suất theo ba trục:

Xét 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:

tỷ số Poisson n= -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

Hình 1.5 Đường cong biến dạng đàn hồi: Sự chuyển nhanh sang miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của silic [1]

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

- E, G, và n 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 đặc tính đàn hồi đẳng hướng [1]

Đối với vật liệu Silic, không có sự biến dạng dư và không có sự dão mỏi nào ở nhiệt độ dưới 8000C Các sensor Silic có thể hoạt động với tần số lên đến hàng trăm triệu chu kỳ mà không kèm theo bất cứ sự trễ cơ học nào [1] Bởi vậy cấu trúc nhạy cơ sử dụng

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 1.5) [1], [8,tr.423-429]

Ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có môđun đàn hồi lớn như Si, SiO2,

Si3N4 thường thể hiện tính đàn hồi rất tốt khi có biến dạng nhỏ và chuyển nhanh đến đứt gãy khi có biến dạng lớn hơn Biến dạng dư trong kim loại xuất hiện 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] 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], [8,tr.423-429]

1.3.2 Vài nét về công nghệ MEMS

MEMS là viết tắt của cụm từ Micro Electro-Mechanical System có

nghĩa là “ hệ thống vi cơ điện tử ’’ Khái niệm về MEMS được đưa ra từ những năm 50 của thế kỷ XX là thuật ngữ chỉ công nghệ của các hệ thống bao gồm các bộ phận điện tử, cơ học, quang học… rất nhỏ (cỡ nanomet hay micromet) được kết hợp cùng với nhau Công nghệ MEMS dựa trên cơ sở các

kỹ thuật của công nghệ vi điện tử và các ứng dụng tính chất của vật liệu để tạo ra các cấu trúc cơ học, quang học, hóa học…có khả năng hoạt động như một hệ thống hoàn chỉnh Khả năng thu nhỏ, tích hợp các linh kiện của công

nghệ MEMS là một trong những lí do khiến cho nó trở thành một công nghệ đầy hứa hẹn của hiện tại cũng như tương lai

Công nghệ MEMS cũng bao gồm các phương pháp chế tạo đặc trưng

và cấu trúc mới của thiết bị

Sơ đồ khối cơ bản của một cấu trúc MEMS được biểu diễn ở hình vẽ dưới đây:

Hình 1.6: sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ thống

Cấu trúc cơ bản nhất của vi hệ thống bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện

tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip Các vi hệ thống này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước mm và thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh Các vi hệ thống này được chế tạo bằng vật liệu Silic là chủ yếu do Silic

có những ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác

MEMS bao gồm các cấu trúc vi cảm biến cơ - điện hoạt động một cách hòa hợp, thống nhất Mỗi bộ phận của một linh kiện MEMS thường cấu tạo bởi các vật liệu khác nhau Ví dụ như: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm

từ bán dẫn pha tạp, tụ điện có bản tụ kim loại và lớp điện môi…Tính chất vật liệu của mỗi bộ phận có thể ảnh hưởng đến đặc tính của linh kiện Vì thế, việc tạo nên một linh kiện MEMS đòi hỏi một kiến thức vững vàng về các vật liệu

để có thể kết hợp chúng một cách tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình chế tạo hợp lý

Trên thực tế, công nghệ MEMS là tổ hợp chung các kỹ thuật chế tạo khác nhau Vì vậy, các vật liệu được sử dụng trong công nghệ MEMS cũng rất rộng rãi: silicon, thủy tinh, gốm, polymer, các hợp chất bán dẫn của nguyên tố nhóm III ,V và cả một số kim loại như nhôm, titan, volfram…Tuy vậy, silicon vẫn là vật liệu được sử dụng chủ yếu do các ưu điểm nổi trội về tính chất vật liệu, công nghệ chế tạo, mức độ sử dụng rộng rãi trong điện tuer

và cả tính kinh tế của nó

- Vật liệu Silic là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiến Silic được thực hiện trong quy mô công nghiệp

- Vật liệu Silic cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện

- Vật liệu Silic có những tính chất cơ rất tốt:

- Độ bền kéo của vật liệu này là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép là 4,2.109 N/m2

- Khối lượng riêng của Silic và 2,3g/cm3 trong khi khối lượng riêng của thép là 7,9g/cm3

Trong cấu trúc vi hệ thống, phần điện tử được chế tạo bằng công nghệ

vi điện tử và phần vi cấu trúc được chế tạo bằng công nghệ vi cơ Có rất nhiều công nghệ để tạo vi cấu trúc như công nghệ vi cơ khối (bulk micromachining), công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining) và công

nghệ LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung).Trong đó, công nghệ

vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt sử dụng phương pháp ăn mòn tạo vi cấu

trúc đối với vật liệu Silic đơn tinh thể là chủ yếu Công nghệ LIGA bằng cách

sử dụng kĩ thuật vi đúc (Micromolding) và tia laser cho phép tạo cấu trúc vi

cơ đối với vật liệu gốm, chất dẻo hay kim loại

1.3.2.1 Công nghệ vi cơ khối dạng ướt

Công nghệ vi cơ khối ăn mòn ướt: Vi cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn trong dung dịch hóa học Tuỳ thuộc vào dung dịch hoá học mà khối vật liệu có thể bị ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng

- Phương pháp ăn mòn đẳng hướng là phương pháp mà tốc độ ăn mòn theo tất cả các hướng là giống nhau Đối với vật liệu Silic thì các dung dịch ăn mòn đẳng hướng thường được sử dụng là HNA, HF hoặc CH3COOH Tuy nhiên khi cấu trúc ăn mòn có dạng khe hẹp và sâu thì tốc độ ăn mòn sẽ giảm hoặc bằng không, đây chính là điểm hạn chế của phương pháp này

- Phương pháp ăn mòn dị hướng là phương pháp mà tốc độ ăn mòn theo các hướng là khác nhau Đối với vật liệu Silic đơn tinh thể thì dung dịch ăn mòn

dị hướng là các dung dịch kiềm có độ pH lớn hơn 12, ví dụ như KOH, NaOH, CsOH, NH4OH, (CH3)4NOH (TMAH - Tetra Methyl Ammonium Hydroxide) Phương pháp này cho phép tạo ra cấu trúc 3 chiều với độ chính xác cao.

Hình1.7 : Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối ướt

1.3.2.2 Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô

Trong công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô, thay vì ăn mòn phiến Si trong dung dịch KOH, người ta sử dụng kỹ thuật ăn mòn khô Phiến Si được ăn mòn trong môi trường plasma bằng chùm ion và tạo ra các cấu trúc mong muốn Cơ chế ăn mòn có thể bao gồm cả cơ chế hóa học và vật lí

Hình1.8 : Một số cấu trúc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô

Ăn mòn khô có tính dị hướng tốt hơn nhiều so với ăn mòn ướt do sử dụng chùm ion định hướng với cơ chế ăn mòn gồm cả cơ chế vật lí và cơ chế hóa học Vì thế nên các cấu trúc với độ chính xác cao mà không phụ thuộc vào các mặt của tinh thể [6], bề mặt nhẵn và các vách ăn mòn có dạng thẳng đứng

do đó nên thu nhỏ được kích thước linh kiện hơn so với công nghệ vi cơ khối

sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt

CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC CẢM BIẾN - XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG HOẠT

ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS

2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến

Theo trình bày ở trên, muốn cho vi cảm biến có độ nhạy cao, vi cảm biến phải được thiết kế sao cho điện dung thu được khi áp suất tác dụng vào phần tử nhạy là lớn nhất có thể Theo công thức (3.1) giá trị điện dung phụ thuộc vào S, e, k và khoảng cách d giữa hai bản tụ điện, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài thì giá trị S,e, k là không đổi vì vậy điện dung C phụ thuộc vào d; khi khoảng cách d càng nhỏ giá trị điện dung C càng lớn

Trong các vi cảm biến áp suất silic kiểu điện dung dạng truyền thống, chúng ta thường thấy người ta chọn màng silic dạng màng vuông, độ dày đồng đều Phân tích về phân bố ứng suất trên màng cảm biến dưới tác dụng của áp suất cũng cho thấy, tại khu vực 4 góc màng phân bố ứng suất có giá trị rất nhỏ Như vậy, nếu ta giảm độ dày tại khu vực 4 góc màng thì khả năng chịu tải áp suất của màng ảnh hưởng không nhiều nhưng độ lệch theo trục oz của màng sẽ tăng lên Trên cơ sở các phân tích trên, chúng tôi phát triển và đề suất một cấu trúc cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung mới có dạng như sau: Trên cảm biến áp suất dạng màng vuông, thay cho việc sử dụng màng phẳng đều, chúng tôi sử dụng màng có 4 góc mỏng Sơ đồ cấu trúc màng cảm biến được trình bày trên hình 2.1

a b

2.2 Xây dựng chương trình mô phỏng

2.2.1 Vài nét về phần mềm mô phỏng ANSYS

ANSYS là một trong những phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán Vật lý - Cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng

số, bằng việc sử dụng phương pháp rời rạc hoá và gần đúng để giải ANSYS

là chương trình phân tích tính toán dựa trên phần tử hữu hạn (FEA - Finte Element Analysis) hàng đầu trong 35 năm qua Phiên bản sử dụng cho bài toán mô phỏng ở đây là ANSYS 10.0 Multiphysis nó cho phép giải các bài toán kỹ thuật phục vụ công nghiệp và các bài toán trong lĩnh vực MEMS ANSYS không những giải các bài toán kỹ thuật đơn trường mà còn cho phép giải các bài toán đa trường tương tác như là: phân tích nhiệt - ứng suất, phân tích điện - cơ, phân tích chất lỏng - cơ, phân tích nhiệt - điện Ngoài ra, chương trình còn cho phép sử dụng cả giao diện đồ hoạ và câu lệnh trong môi trường Windows và Linux [3], [4], [6]

2.2.2 Cấu trúc chương trình mô phỏng dựa trên ANSYS

2.2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Lời giải cho bài toán khoa học-kỹ thuật

Mục tiêu của hầu hết bài toán khoa học-kỹ thuật là xác định các đại lượng vật lý chưa biết nào đó gọi là các biến sơ cấp, nó thoả mãn một (hay hệ) phương trình vi phân cho trước trong một miền xác định với các điều kiện biên cho trước trên biên của miền Ta có thể mô tả bài toán bằng sơ đồ sau (hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ giải bài toán khoa học kỹ thuật

Việc tìm lời giải từ phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã cho bằng phép tính tích phân trực tiếp (dạng mạnh) trở nên khó khăn Để khắc phục vấn đề này, một công thức biến phân xuất hiện (dạng yếu) với nhiều phương pháp biến phân ra đời (phép xấp xỉ gần đúng hay phương pháp số) Phương pháp phần tử hữu hạn mà ta tìm hiểu dưới đây là một mẫu ứng dụng của nguyên lý biến phân

Ý tưởng chính của công thức biến phân với các phương pháp biến phân

là xây dựng một phiếm hàm năng lượng hay phiếm hàm toàn phương J(u) gọi

là thế năng toàn phần trong các bài toán cơ học vật rắn, sau đó tìm cực tiểu hoá phiếm hàm này theo các biến sơ cấp, sẽ thu được nghiệm yếu (thực) của phương trình vi phân với các điều kiện ràng buộc đã cho

Bài toán khoa học-kỹ thuật

PT Vi phân + Điều kiện biên

Tích phân trực tiếp Xấp xỉ gần đúng

Có nhiều phương pháp biến phân của phép xấp xỉ như: phương pháp thặng dư có trọng số, phương pháp Galerkin, phương pháp bình phương tối thiểu, phương pháp tụ tập điểm, phương pháp Rayleigh-Ritz v.v Tất cả các phương pháp này đi tìm nghiệm xấp xỉ dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các hàm xấp xỉ Các tham số trong tổ hợp tuyến tính đó được xác định sao cho nghiệm xấp xỉ thoả mãn dạng yếu hay cực tiểu hoá phiếm hàm toàn phương (phiếm hàm năng lượng) Sự khác nhau giữa các phương pháp trên là do sự lựa chọn các hàm xấp xỉ Các phương pháp biến phân cổ điển tính trên miền

W (miền xấp xỉ của W ) bài toán Phương pháp phần tử hữu hạn cũng sử dụng các phương pháp biến phân nhưng để tính trên các phương trình rời rạc cho các miền con (phần tử hữu hạn We

) [3],[4],[6]

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Như đã trình bày ở trên, các bài toán vật lý trong lĩnh vực cơ học vật rắn và đàn hồi thường được mô tả bằng các phương trình vi phân đạo hàm riêng Một trong các lời giải điển hình cho bài toán loại này là cực tiểu hoá một hàm nào đó, liên quan đến các tích phân, thông qua một lớp các hàm được xác định bởi bài toán [1] Hàm này được xây dựng nhờ phép phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) phương pháp này được gọi

là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Mothod, FEM) Tư tưởng của FEM là rời rạc hoá cấu trúc Hệ vật lý được mô hình hoá bằng các phần tử rời rạc (elements) Mỗi phần tử có các phương trình chính xác mô tả ứng xử của nó với một tải xác định “Tổng” ứng xử của tất cả phần tử trong mô hình

sẽ cho ta ứng xử chung của hệ vật lý Các phần tử có số lượng ẩn hữu hạn, do

đó chúng là các phần tử hữu hạn (finite elements)

Để dễ hình dung hơn, ta giả sử W là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt dộ, v.v ) Phương

pháp xấp xỉ không phải trên toàn bộ miền W mà chia miền W thành hữu hạn các miền con (các phần tử) We

xỉ được biểu diễn qua các giá trị chính xác (cả các giá trị đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử Các giá trị tại các nút được gọi là các bậc tự do (chính

là các ẩn số) của phần tử [3], [4], [6]

Đối với bài toán cơ, khi có ngoại lực tác dụng vào vật thể thì vật thể sẽ

bị biến dạng và sinh ra nội lực chống lại tác dụng của ngoại lực, khi đã ở trạng thái cân bằng thì nội lực cân bằng với ngoại lực Các ẩn số của bài toán được hình thành từ đây Các bài toán trong cơ học thường có dạng phương trình vi phân và phải thoả mãn 3 điều kiện ràng buộc [4]:

- Điều kiện vật liệu (định luật Hook, ) (1)

- Tính tương thích (2)

- Cân bằng lực (3)

Thực tế việc giải trực tiếp bằng giải tích phương trình vi phân thoả mãn các điều kiện trên rất khó khăn Vì thế chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng Tuy nhiên khó có phương pháp nào thoả mãn đồng thời cả 3 điều kiện trên và trong cơ học vật rắn biến dạng người ta giải bài toán theo 3 phương pháp [4]:

- Phương pháp chuyển vị (phương pháp động học): các chuyển vị là các đại lượng (ẩn) cần xác định đầu tiên Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng trường chuyển vị, dùng nguyên lý công di chuyển khả dĩ (phương pháp này thường hay dùng nhất)

- Phương pháp ứng suất (phương pháp tĩnh học): các ứng suất (lực, mômen) là các ẩn số Hàm xấp xỉ biểu diễn gần đúng trường ứng suất, dùng nguyên lý công bù khả dĩ

- Phương pháp hỗn hợp: một số đại lượng chuyển vị và một số đại lượng ứng suất là ẩn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) lấy chuyển vị làm gốc đáp ứng chính xác điều kiện (1), (2) và thoả tương đối ràng buộc (3) Phương pháp PTHH lấy ứng suất làm gốc thì đáp ứng chính xác điều kiện (1), (3) và thoả mãn tương đối ràng buộc (2) [4]

Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn (hình 2.3)

- Bước 1: Rời rạc hoá miền khảo sát

Đơn giản dễ tính toán đối với máy tính: dùng dạng đa thức

Biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp các giá trị (các đạo hàm) của nó tại các nút của phần tử

- Bước 3: Xây dựng phương trình phần tử (Xác định ma trận độ cứng [K]e của phần tử), véctơ tải {F}e dựa vào các nguyên lý năng lượng dừng (công khả dĩ, công bù khả dĩ)

[K]e {q}e = {F}e

- Bước 4: Lắp ghép các phần tử: