HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO ***** NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Chuyên ngành
Trang 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
*****
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
*****
NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS)
Chuyên ngành : Vật Liệu và Linh Kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Vũ Ngọc Hùng
Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này đã được đệ trình lên Trưởng Khoa Khoa Học Vật Liệu, Trường Đai Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, cũng như đơn vị liên kết đào tạo là Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Công việc được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Vũ Ngọc Hùng tại Viện Đào Tạo Quốc Tế Về Khoa Học Vật Liệu, Số 01, Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam từ tháng 6 năm 2007 Ngoại trừ các thông số chỉ tiêu kỹ thuật của linh kiện được đưa ra ban đầu, còn lại tất cả các kết quả có được trong luận văn này do chính sự nổ lực làm việc của tôi, không có sự hợp tác của bất cứ cá nhân nào
Công việc thực hiện trong luận văn này vẫn chưa được đệ trình để thực hiện đầy đủ ở bất kỳ cấp độ nào hay Trường, Viện nào
Thực hiện Nguyễn Hữu Khánh Nhân
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Trước tiên xin cảm ơn Thầy Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Vũ Ngọc Hùng và tất cả các thành viên trong nhóm MEMS tại viện ITIMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã tin tưởng và tạo mọi điều kiện cho tôi được tiếp xúc, làm việc rất thú vị trong khảo sát thực nghiệm cũng như xử lí các kết quả mô phỏng
Tôi chân thành cảm ơn tới Thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng đã hướng dẫn tận tình và chia sẽ trong thời gian thực hiện luận văn Sự cởi mở và gần gũi của Thầy giúp tôi thêm tự tin hơn trong trao đổi, giải quyết những vấn đề khó khăn Trong quá trình làm luận văn, tôi có cơ hội được tiếp xúc với các học viên cao học ở ITIMS cũng như các thành viên trong nhóm nghiên cứu của Thầy, đặc biệt là bạn Trịnh Quang Thông, Lê Văn Minh, Chu Mạnh Hoàng đã sẵn sàng trao đổi và chia
sẽ những khó khăn trong chương trình mô phỏng và thực nghiệm, có những đóng góp tích cực trong những trở ngại mà tôi gặp phải
Tôi cũng xin chân thành các bạn học viên trong lớp cao học nano khóa đầu tiên được tổ chức đào tạo tại Thành Phố Hồ Chí Minh đã sẵn sàng chia sẽ tài liệu tham khảo, các thông tin liên quan cũng như đóng góp tích cực
Xin cảm ơn Quí Thầy Cô Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia
Hà Nội, Ban Giám Đốc và các thành viên phòng thí nghiệm công nghệ Nano đã vượt qua những khó khăn ban đầu đã tạo điều kiện tốt nhất để hoàn tất khóa đào tạo đầu tiên ở Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng và trong khu vực phía Nam nói chung
Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè thân thiết đã khuyến khích, giúp đỡ
và hỗ trợ hết mình để biến giấc mơ của tôi thành sự thật
Thành Phố HCM, 15-2-2008 Nguyễn Hữu Khánh Nhân
Trang 4DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1 CAD Computer Aid Design Thiết kế với sự hỗ
trợ máy tính
2 CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bốc bay
hoá học
liệu
6 DRC Design Rule Check Kiễm tra luật thiết
kế
7 D - RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòm phản ứng
ion sâu
8 DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ
liệu
9 FEM Finite Element Method Phương pháp phần
tử hữu hạn
11 ICP - RIE Inductively Coupled Plasma
Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng
ion ghép plasma
13 LPCVD Low Pressure Chemical Vapor
hoá học áp suất thấp
14 MEMS Micro Electro Mechanical
16 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng
ion
17 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia
điện tử
18 SOI Silicon On Insulator Silic trên chất cách
li
Trang 5DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
1 Hình 1.1 Vi cơ khối silicon (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn
mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp
dừng ăn mòn ẩn phía dưới, (d) màng điện môi ăn mòn khối
mặt sau
17
2 Hình 1.2 Các bước cụ thể xử lí vi cơ bề mặt 19
5 Hình 1.5 Mô tả về các thành phần ứng suất thẳng góc và
ứng suất trượt
25
6 Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và
vuông góc
27
7 Hình 1.7 Các góc Euler trong phép biến đổi các trục toạ độ
Đề-các
27
8 Hình 1.8 Hệ số áp trở đối với nồng độ pha tạp lớp khuyếch
tán bề mặt
30
9 Hình 1.9 Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và
vuông góc vào định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100):
(a) – silic loại p; (b) – silic loại n
31
10 Hình 1.10 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ
pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại p
32
11 Hình 1.11 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ
pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại n
32
12 Hình 1.12 Màng silicon bị ăn mòn bất đẳng 33
13 Hình 1.13 Mặt cắt ngang và cách bố trí của sensor áp suất 35
Trang 6cụ thể được vi cơ khối
14 Hình 1.14 Vị trí điện trở trên màng Boss 36
15 Hình 1.15 Cảm biến áp suất áp trở được liên kết hợp nhất 38
16 Hình 1.16 Cảm biến áp suất vi cơ bề mặt với a) màng
Nitride; b) màng polisilicon
39
17 Hình 1.17 Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b)
màng có bậc
39
18 Hình 1.18 Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc 40
19 Hình 1.19 Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân
Yokogawa
43
20 Hình 2.1 Quy trình thiết kế linh kiện vi cơ điện tử 46
21 Hình 2.2 a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu
Wheatstone
46
22 Hình 2.3 Quá trình mô phỏng MEMS cảm biến cụ thể 48
23 Hình 2.4 Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp
điện trở dùng công cụ thiết kế của CADENCE
49
24 Hình 2.5 Tự động kiểm tra luật thiết kế 50
25 Hình 2.6 Cảm biến áp suất được kết nối dùng 4 điện trở
cầu Wheatstone
50
27 Hình 2.8 Mô hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp
điện trở
60
28 Hình 2.9 Điều kiện biên và đặt tải của cảm biến áp suất áp
điện trở
61
29 Hình 2.10 Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa
62
30 Hình 2.11 Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 63
Trang 7áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng
suất lớn nhất σx và σy theo mặt trên của màng cảm biến
31 Hình 2.12 Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng
suất tương đương theo Von Mises
64
32 Hình 2.13 Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa Sự
thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến Chú
ý áp điện trở được đặt tại vị trí có σs = 0
64
33 Hình 2.14 Vị trí các áp điện trở ở trên màng, tại đó ứng
suất được phân bố lớn nhất
65
34 Hình 2.15 Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với
mật độ chia lưới khác nhau
66
35 Hình 2.16 Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với
độ dày áp điện trở khác nhau
67
36 Hình 2.17 Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi độ dày của
màng cảm biến
68
37 Hình 2.18 Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi kích thước
của màng cảm biến
68
38 Hình 2.19 Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của
cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
69
39 Hình 2.20 Sơ đồ mặt nạ của cảm biến áp suất có kích
thước 2 mm x 2 mm
71
40 Hình 3.1 (a) Sắp xếp các áp điện trở và dây kết nối bên
trong của cảm biến áp suất, (b) mạch nữa cầu, (c) cầu
Wheatstone, và (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu
74
Trang 8Wheatstone
41 Hình 3.2 Toàn bộ hệ thống đo lường: 1) bộ chuẩn áp suất
pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo
Keithley 2000, 3) máy tính
75
42 Hình 3.3 Chức năng thông tin EIA232, và lọai đầu nối cho
máy tính cá nhân và modem
76
44 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) và DCE
(modem hay thiết bị nối tiếp khác)
77
45 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và
DCE (modem) 9 chân
78
46 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và
DCE (modem) 25 chân
78
47 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và
DCE (modem) 25 chân
79
49 Hình 3.10 Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp
nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy
tính và thiết bị MC100 và Keithley
81
51 Hình 3.12 Bảng hiển thị kết quả trong chương trình
LABVIEW
83
52 Hình 3.13 Màn hình làm việc ban đầu của LabView 83
53 Hình 3.14 Cửa sổ làm việc cho lập trình 84
54 Hình 3.15 Thiết lập các thông số cho cổng nối tiếp 85
55 Hình 3.16 Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp 86
Trang 956 Hình 3.17 Đọc và định dạng dữ liệu 86
58 Hình 3.19 Hiển thị kết quả cuối cùng kiểu 1 87
60 Hình 4.1 Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi
được khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc
89
61 Hình 4.2 Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mòn
khô 20 phút
90
62 Hình 4.3 Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mòn được đo
bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2
và (b) 2x2 µm2
90
63 Hình 4.4 Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với
1x1 và 2x2 mm2
91
64 Hình 4.5 Ảnh SEM 3D của linh kiện cảm biến được chế
tạo
91
65 Hình 4.6 Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim
loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi
thêu kết
92
66 Hình 4.7 Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim
loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu
kết ở 4500
C trong Nitơ (N2)
92
67 Hình 4.8 (a) nối dây cho linh kiện; (b) đóng gói 93
68 Hình 4.9 Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm
biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA
94
69 Hình 4.10 Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp
suất sau cầu cân bằng
95
70 Hình 4.11 Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất 96
Trang 10phụ thuộc vào nhiệt độ
71 Hình 4.12 Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất ở
nhiệt độ 550
C
97
72 Hình 4.13 Mối quan hệ giữa điện áp offset và nhiệt độ 98
73 Hình 4.14 Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ ra đối với nhiệt độ 98
74 Hình 4.15 Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của
cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
99
75 Hình 4.16 Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ ra và tải áp suất
với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác nhau
99
DANH MỤC CÁC BẢNG
1 Bảng 1.1 Các hệ số áp trở song song và vuông góc theo các
hướng khác nhau
29
2 Bảng 1.2 Hệ số áp điện trở cụ thể cho vật liệu silic 30
Trang 11TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở hiệu ứng
áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Hà Nội
[2] Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu
áp trở kích thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội
[3] PGS.TS Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS
và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn, Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật
[4] GS.TS Nguyễn Văn Phái, GVC.TS Trương Tích Thiện, Ths Nguyễn
Tường Long, Ths Nguyễn Định Giang (2003), Giải bài toán cơ kỹ thuật
bằng chương trình ANSYS, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật
[5] Phan Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật
[6] Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Đức Hải (2002), Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà
xuất bản Lao Động Xã Hội
Tiếng Anh
[7] Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis
and Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor,
Department of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua university, Hsin Chu, Taiwan
[8] Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices
theory and applications, Department for Micro and Nano Technology,
DTU
[9] Fatikow, S and Rembold, U (1997), Microsystem technology and
microrobotics, Springer, New York
[10] Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of
silicon, Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551
[11] Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for
sensitivity and linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of
Microelectromechanical Systems, Vol.8, No.4, December 1999
[12] MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design
Hanhbook”, Design Introduction, SensorNor Asia, All rights reserved [13] MEMS Industry Group, Piezo-resister Pressure Sensor Cluster ENEE605
Final Project Report, Fall 2002, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Maryland
Trang 12[14] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), MEMS
Mechanical Sensors, Artech House Inc, Boston, London
[15] Stephen D.Senturia (2002), Microsystem Design, pp.485-486,
Massachusetts Institute of Technology, Kluwer Academic Publishers, New York
[16] Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS),
Pennsylvania State University, USA
[17] Shimbo, M., K Furukawa, K Fukuda, and K Tanzawa, Silicon-to-silicon
direct bonding method Journal of Applied Physics, 1986 60(8): p
2987-2989
[18] Y Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance
coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol ED-29, pp 64-70
[19] S K Clark and K D Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched
thin-diaphragm pressure sensors, IEEE Trans Electron Devices, vol
ED-26, pp 1887–1896, 1979
[20] Roark, Roarks formulas for stress and strain, p 464, Table 26 case 8
McGraw Hill, 1 edition