Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất mems kiểu áp trở độ nhạy cao

MEMS được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, là một công nghệ có khả năng cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng tính toán của

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

Trần Đức Tiến

Lời cảm ơn

Đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy

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 những người thân trong gia đình, bạn bè đã giúp

đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn

Tác giả luận văn

Trần Đức Tiến

Mục lục

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Mở đầu 3

Chương 1 Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ 5

1.1 áp suất và cảm biến áp suất 5

1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu 6

1.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS 8

1.4 Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở 23

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 26

2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến 26

2.2 Xây dựng chương trình mô phỏng 27

Chương 3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 36

3.1 Độ nhạy cảm biến 36

3.2 Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 của góc làm mỏng 36

3.3.Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 của góc làm mỏng 37

3.4 Kích thước tối ưu của góc làm mỏng 38

3.5 Sự cải thiện về độ lệch màng 38

3.6 Sự cải thiện về ứng suất 40

3.7 Sự phụ thuộc của điện áp ra vào tải áp suất 43

3.8 Khảo sát sự phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi 44

Kết luận 45

Tài liệu tham khảo 46

Phụ lục 48

Mở ĐầU

Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) hứa hẹn cách mạng hoá các loại sản phẩm bằng cách tích hợp các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Silic cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên chíp hoàn chỉnh (systems on a chip) MEMS được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, là một công nghệ có khả năng cho phép 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 còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng Nghiên cứu mô phỏng đặc trưng hoạt động của linh kiện MEMS là một hướng nghiên cứu ứng dụng các thành tựu trong công nghệ tin học vào việc xác lập bằng lí thuyết các đặc trưng hoạt động của linh kiện trước khi tiến hành các thực nghiệm Đây là công việc hết sức quan trọng hỗ trợ đắc lực cho công nghệ nhằm tìm ra thiết kế tối ưu của linh kiện phù hợp với điều kiện công nghệ và

điều kiện làm việc của linh kiện, nhờ đó tiết kiệm được thời gian và chi phí cho

nghiên cứu công nghệ và các khảo sát thực nghiệm tốn kém Đề tài “ Nghiên

cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao’’ đã được đặt

ra cho luận văn này

Trên cở sở nghiên cứu cấu trúc, vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS truyền thống, đề tài sẽ phát triển một cấu trúc cảm biến áp suất mới 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 Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương

Chương 1 Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ

Chương này tìm hiểu các loại cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, vật liệu và công nghệ để chế tạo chúng Từ đó chọn ra cấu trúc phù hợp để phát triển

Chương 2 Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chương trình mô

phỏng cấu trúc và các đặc trưng hoạt động của cảm biến dựa trên phần mềm ANSYS Cảm biến áp suất màng vuông dày đều kiểu áp trở được lựa chọn để

phát triển cấu trúc Từ đó viết chương trình cho bài toán mô phỏng ANSYS

Chương 3 Kết quả mô phỏng và thảo luận Trong chương này tìm ra

thông số cạnh làm mỏng tối ưu, các kết quả mô phỏng độ nhạy, độ lệch, ứng suất của ba cấu trúc cảm biến màng dày đều, màng có 4 góc mỏng và màng 4 góc mỏng tối ưu được so sánh và rút ra kết luận

vị diện tích thành bình chứa chính là áp suất Ta có 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) (1Pa = 1N/1m2)

Một số đơnvị dẫn xuất thường dùng của áp suất:

1 dyn/cm2 = 0.1 N/m2 = 10-5N/cm2 = 10-7N/mm2

1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 1,0197 kG/cm2 = 0.9869 atm

1 atm = 1.01325 bar = 760 mmHg (0oC) = 0.101325 N/mm2 = 1,033 kf/cm2

1.1.2 Cảm biến đo áp suất

Cảm biến đo áp suất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều trung tâm trên thế giới Đã có rất nhiều các loại thành phẩm cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên các công nghệ khác nhau được thương mại hóa trên thị trường Trong 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 vì khả năng đặc biệt của công nghệ cũng như giá thành sản phẩm

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

1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu

Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp đang được sử dụng rộng rãi

đó là cảm biến kiểu áp trở và cảm biến kiểu tụ được trình bày dưới đây

1.2.1 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở

Cấu trúc cảm biến sử dụng thường là các màng vuông trên đó có cấy các

áp điện trở kiểu cầu Wheatstone hoặc kiểu điện trở 4 điện cực

Cầu điện trở Wheatstone:

Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp điện trở trong việc chuyển đổi tín hiệu cơ - điện sử dụng một cầu điện trở Wheatstone như mô tả trên hình

Cầu gồm bốn điện trở có giá trị tĩnh như nhau được đặt ở các vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại trên một màng silic Trong phương pháp lấy thế hiệu lối ra, nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài vôn được cấp cho cầu qua các điểm 1 và 3, thế hiệu lối ra được lấy trên các điểm 2 và 4 Các điện trở R1, R2, R3, R4 được tạo ra bằng phương pháp cấy tạp chất trên phần tử nhạy Vì giá trị tĩnh của các

điện trở là như nhau, nên khi phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở là cân bằng và thế hiệu lối ra bằng 0 Khi phần tử nhạy bị uốn cong, các áp điện trở thay đổi giá trị làm cầu mất cân bằng Do cách bố trí các điện trở, sự biến đổi của hai điện trở R1 và R3 là ngược chiều với hai điện trở còn lại R2 và R4 Nếu

R1 và R3 tăng giá trị thì R2 và R4 giảm giá trị và ngược lại Điện thế của điểm 2

sẽ tăng trong khi điện thế của điểm 4 lại giảm đi Sự chênh lệch vi sai gữa 2 nhánh sẽ tăng gấp đôi so với mỗi nhánh Đây là phương pháp vi sai đo chênh lệch điện thế giữa 2 nhánh của cầu điện trở Theo hiệu ứng áp điện trở, sự thay

đổi giá trị của các điện trở phụ thuộc một cách định lượng vào sự biến dạng vật liệu, tức là phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học, nên thế hiệu lối

ra cũng phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học Đo thế hiệu lối ra, hoàn toàn có thể xác định được tác dụng cơ học đặt lên phần tử nhạy

Nguyên lý làm việc dựa trên sự biến dạng của màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy) được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng nhờ các áp điện trở cấy trên phần tử nhạy cơ Khi phần tử nhạy cơ của cảm biến bị uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độ nhạy cũng như vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào kích thước cấu trúc cơ, dạng

và kích thước của áp điện trở, vị trí của áp điện trở trên phần tử nhạy cơ Khi có

áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay

đổi Do hiệu ứng áp trở, các giá trị của các điện trở thay đổi và từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện lối ra

1.2.2 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu tụ

Cấu trúc cảm biến gồm một màng 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

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

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

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

MEMS bao gồm các cấu trúc vi 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: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha tạp… Tính chất vật liệu của mỗi bộ phận có thể ảnh hưởng đến đặc tính của cả linh kiện Vì thế, việc tạo nên một linh kiện MEMS đòi hỏi một kiến thức vững vàng về các loại 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 một tập 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 : silic, thủy tinh, gốm, polymer… Tuy nhiên vật liệu chủ yếu được sử dụng để chế tạo các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS hiện nay là silic Vật liệu silic đã được biết đến là vật liệu cơ bản trong công nghệ vi điện tử, được sử dụng để chế tạo các điện trở, tụ điện, transitor, các chíp vi mạch tổ hợp v.v Các linh kiện MEMS được phát triển trước hết dựa trên công nghệ vi điện tử để tạo các mạch điện tử tổ hợp và sử dụng kỹ thuật ăn mòn để tạo cấu trúc cơ, dựa trên đặc điểm đặc biệt trong cấu trúc mạng tinh thể để ăn mòn cấu trúc Với các phẩm chất nổi trội của vật liệu silic về tính chất cơ, tính chất điện, vật liệu silic

đã trở thành vật liệu chủ yếu trong công nghệ MEMS

1.3.1.1 Vật liệu Silic

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 Cũng cần nói thêm rằng, 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, đặc điểm của mạng tinh thể và tính chất áp trở hết sức quí báu của silic nhằm làm nổi bật vai trò của silic trong các vi cảm biến áp trở cũng như các dạng cấu trúc có thể phát triển trên nguyên lí này

a) Tính chất cơ của vật liệu silic

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], [6], [7], trong đó trục thẳng đứng mô tả ứng suất , trục nằm ngang mô tả biến dạng 

- 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 ( < E), độ biến dạng tỷ lệ bậc nhất với ứng suất, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi, vật trở lại kích thước ban đầu

F E

P

- Khi tải trọng đặt vào lớn

( > E), 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 (E)

và biến dạng dẻo (P) :

 = E + P (1.2)

- Nếu tiếp tục tăng tải

trọng đến giá trị cao nhất (điểm

P) lúc đó xảy ra biến dạng cục bộ hình thành cổ thắt, tải trọng tác dụng giảm đi

mà biến dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá huỷ tại F

- 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

(t) = đh + dư + dão = tức thời + dư(t) (1.3)

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)

Hình 1.4 Tải đơn trục và biến dạng

- Tỷ số Poisson:

 = - l / a với l= (D2 -D1)/D1 (1.6)

- Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng

chịu trạng thái ứng suất theo ba trục:

x = [x -  (y +z )]/ E (1.7)

- Mối quan hệ giữa ứng suất trượt ,

biến dạng trượt  và mô đun đàn hồi trượt G:

 = G  (1.8)

- 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

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

- 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 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], [19]

Hình 1.5 Đường cong biến dạng

đàn hồi: Sự chuyển nhanh sang miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của silic [1]

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

b) Tính chất của mạng silic

Đơn tinh thể silic có cấu trúc

dạng lập phương kim cương Đó là

cấu trúc có sự sắp xếp các nguyên tử

giống nhau như các-bon ở dạng kim

cương Silic với liên kết hoá trị 4,

phối vị kiểu tứ diện, và những tứ

diện này tạo thành cấu trúc lập

phương kim cương Cấu trúc này

Hình 1.4 Sơ đồ mạng silic đơn tinh thể

cũng có thể được xem như gồm 2 mạng lập phương tâm mặt giao nhau, một đặt

ở vị trí (

4

1 , 4

1

,

4

1 ) 3a so với mạng kia, như trong hình 1.4 Đó là cấu trúc lập

phương tâm mặt (fcc), nhưng có 2 nguyên tử trong một ô cơ sở Đối với mạng lập phương tâm mặt như vậy, hướng [hkl] là vuông góc với mặt phẳng cùng có 3 chỉ số này (hkl) Chẳng hạn hướng [100] trong tinh thể sẽ vuông góc với mặt

tinh thể (100) Hằng số mạng của silic là a = 5,4309 0

A và mạng lập phương kim cương của silic là mạng mở với mật độ xếp chặt chỉ có 34 %, thấp hơn nhiều so với một mạng lập phương tâm mặt thông thường (74%) Họ mặt phẳng {111} có mật độ xếp chặt cao nhất, các nguyên tử được định hướng sao cho 3 liên kết ở dưới mặt phẳng đó Để biểu thị một mặt tinh thể, ta sử dụng kí hiệu Miller (hkl)

Để mô tả một họ mặt có vai trò tương đương, chúng ta sẽ dùng các kí hiệu {hkl} Các hướng trong tinh thể được mô tả bằng kí hiệu [hkl], và một họ các

hướng có vai trò tương đương sẽ được thể hiện bằng kí hiệu <hkl>

1.3.1.2 Hiệu ứng áp điện trở

Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistive ) là sự thay đổi điện trở khối của vật liệu khi có ứng suất cơ học đặt vào vật liệu đó Nói chung, các vật liệu đều thể hiện hiệu ứng này, nhưng ở mức độ rất khác nhau Có thể hình dung sự thay đổi

điện trở của một vật dẫn có chiều dài l, tiết diện S, điện trở suất  qua công thức tính điện trở:

R= 

S

l

(1.13) Ứng suất cơ học đặt vào có thể làm thay đổi , l và S

Đối với tinh thể dị hướng 3 chiều, định luật Ohm liên hệ với vectơ điện trường E liên hệ với vectơ cường độ dòng điện i bởi tensor điện trở suất 3x3 như sau:

3 4 5

4 2 6

5 6 1

3 2

1

.E

EE

i i i

Smith là người đầu tiên đo các hệ số điện trở suất (resistivity coefficients)

11, 12, 44 của Si ở nhiệt độ phòng Bảng 1.1 liệt kê các kết quả của Smith [1,2,23] Hệ số áp điện trở lớn nhất là 11= -102.10-11Pa-1 đối với Si loại n, và là

44= 138.10-11Pa-1 đối với Si loại p

(.cm)

11

(10 -12 cm 2 dyne -1 hay 10 -11 Pa -1 )

12

(10 -12 cm 2 dyne -1 hay 10 -11 Pa -1 )

Bảng 1.1 Điện trở suất và các hệ số áp trở ở nhiệt độ phòng [1], [19]

Sự thay đổi điện trở có thể được tính như một hàm của ứng suất màng hoặc

thanh dầm Sự phân bố thay đổi điện trở từ các ứng suất dọc l (song song) và ứng suất ngang t (vuông góc) so với hướng dòng điện được cho bởi công thức:

(longitudinal): thành phần ứng suất song

song với hướng dòng điện

12

(10 -12 cm 2 dyne -1 hay 10 -11 Pa -1 )

Các hệ số l, t phụ thuộc vào định hướng tinh thể Bằng cách cực đại hoá biểu thức (1.16) theo ứng suất (gây ra sự thay đổi điện trở), có thể tối ưu độ nhạy của sensor Silic kiểu áp điện trở

Bảng 1.2 Các hệ số áp trở dọc (song song) và ngang (vuông góc) theo các hướng [1], [19]

Sự định hướng của màng hay dầm được xác định bởi đặc điểm chế tạo dị hướng Bề mặt phiến Silic thường dùng là mặt (100) Các đường biên của cấu trúc ăn mòn là giao tuyến của 2 mặt (100) và (111) và vì thế nó là hướng <110> Áp điện trở loại p được sử dụng phổ biến nhất vì hướng có áp điện trở lớn nhất (<110>) trùng khớp với hướng cạnh của màng được ăn mòn và vì hệ số dọc (longitudinal) bằng hệ số ngang về độ lớn nhưng ngược dấu Với các giá trị ở bảng 1.1, ta có thể tính được l, t theo bất kỳ hướng nào Bảng 1.2 cho biết hệ

số áp điện trở dọc và ngang theo các hướng khác nhau Với hướng <110>, hệ số

44

t l

được thực hiện dễ dàng bằng chương trình mô phỏng máy tính

Hiệu ứng áp trở còn được mô tả qua hệ số đầu đo GF (Gauge Factor),

được định nghĩa như sự thay đổi tương đối của điện trở trên một đơn vị biến dạng

dR

GF 1 (12 )1 (1.20) GF90 đối với Silic đơn tinh thể, GF30 đối với Silic đa tinh thể, GF2 đối với kim loại [1]

Cơ chế vật lý dẫn tới hiệu ứng áp điện trở: Chúng ta biết rằng tensor điện

trở suất có thể biểu diễn qua nồng độ hạt dẫn n và độ linh động :

-1 = en =  (1.21)

Chính vì thế sự thay đổi điện trở suất là do sự thay đổi nồng độ hạt dẫn và sự thay đổi độ linh động của hạt dẫn [7]

Hình 1.7 Cạnh màng-hướng tinh thể trên phiến Si (100)[1]

Với Silic loại n, sự thay đổi của độ dẫn theo các hướng khác nhau thì khác biệt cả về giá trị tuyệt đối cũng như dấu Do đó, đối hướng <100> ta thấy

hệ số áp trở 11 là lớn nhất như trình bày ở trên [1], [5]

Với Silic loại p, hiệu ứng áp trở được giải thích trên cơ sở sự thay đổi của

2 nhánh lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ trong phổ năng lượng của vùng hóa trị Khi không có biến dạng, lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ có cực đại trùng nhau tại tâm vùng Brillouin Khi có biến dạng không đẳng hướng, sự đối xứng của trường tinh thể bị phá vỡ làm cho sự suy biến của mức năng lượng cực đại ở tâm vùng Brillouin bị mất đi Vì biến dạng không đẳng hướng, đỉnh của vùng hóa trị của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ dịch chuyển theo hai chiều ngược nhau Vì độ linh động của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ khác nhau nên sự thay đổi về nồng

độ này dẫn đến thay đổi độ dẫn Vậy hiệu ứng áp điện trở mạnh trong Silic loại

p liên quan đến sự khác nhau về khối lượng và do đó về độ linh động của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ [1], [5]

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 m 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

- 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

Tạo lớp vật liệu: tạo lớp SiO 2 , Al,

Si 3 N 4 v.v; phủ chất cảm quang

Định dạng cấu trúc: tạo mask, quang khắc

Ăn mòn: ướt (đẳng hướng, dị hướng), khô (ion hoạt hoá,

plasma)

Hình 1.8 Quy trình của công nghệ vi cơ khối

1.3.2.1 Công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining)

Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công khối vật liệu Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ vi cơ khối

là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dị hướng) hoặc phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma)

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

Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô: Cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn

khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn bằng các phản ứng hóa học ở thể khí và hơi tại nhiệt độ cao Ngoài ra phương pháp ăn mòn sử dụng chùm ion năng lượng cao (RIE -reaction ion etching) để ăn mòn cho phép tạo ra cấu trúc với độ chính xác cao mà không phụ thuộc vào các mặt của tinh thể [8]

1.3.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)

Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật liệu tạo cấu trúc Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc; thông thường thì lớp này là vật liệu Oxit Silic Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên trên lớp vật liệu "hi sinh" và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn

sử dụng để tạo cấu trúc; vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride Sau quá trình ăn mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu [1] [10] [11]

1.3.2.3 Công nghệ LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)

LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công nghệ vi đúc (Micromolding) Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang khắc (lithography), mạ điện (electroplating), và đúc (molding).Công nghệ này

sử dụng các khuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc Quy trình này có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc 3D, có tỷ số cạnh cao (high-aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm (ceramics) và thuỷ tinh (glasses)

Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn trực sóng ngắn X-ray giống như một synchrotron

Việc sử dụng các quy trình vi đúc có thể thu được các vi cấu trúc kim loại

tỷ số cạnh cao, có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ Ngoài

ra, độ dày của các cấu trúc có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng như làm tăng lực/ mômen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện Các cấu trúc mạ Nikel (Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu trúc kim loại được dùng phổ biến; Cr, SiO2, polyimide, photoresist và Ti thường được dùng như là vật liệu hy sinh (sacrificial material)[1], [15], [19]

1.4 Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở

1.4.1 Cấu trúc cảm biến

Cấu trúc cảm biến áp suất dược chỉ ra trong hình 1.9 a Cảm biến dược chế tạo trên một đế Silic loại n có định hướng bề mặt là (100), bằng phương pháp ăn mòn điện hoá, một màng silicon với kích thước và bề dày xác định được tạo ra, màng này rất nhạy với tín hiệu áp suất Sau đó 4 điện trở được đặt lên màng silicon tại trung điểm của các cạnh của hình vuông bằng phương pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặc bằng phương pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone Các điện trở được cấy chính xác cụ thể là hai điện trở được đặt song song với cạnh màng, hai điện trở còn lại được đặt vuông góc với cạnh màng Các cạnh của màng có định hướng là [110]

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến:

Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng,

điện thế lối ra lúc này là bằng 0 Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay đổi Do hiệu ứng áp điện trở, các giá trị của các điện trở trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các điện trở song song với cạnh có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tăng giá trị và ngược lại (hình 1.9 b) Kết quả là cầu sẽ mất cân bằng và điện áp lối ra là khác 0 Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào sự biến dạng của màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất Bằng cách đo điện thế lối ra ta có thể đo được độ lớn tương ứng của

áp suất tác dụng lên màng

1.4.3 Đặt vấn đề nghiên cứu

Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông là loại cảm biến được sử dụng tương

đối thông dụng hiện nay Tuy nhiên, mô hình cảm biến này vẫn có những điểm chưa được tối ưu, cụ thể như sau:

- Dưới tải áp suất tác dụng đều trên màng, các vị trí khác nhau trên màng uốn cong khác nhau, phân bố ứng suất khác nhau, các áp điện trở thay đổi giá trị khác nhau Do các áp điện trở có kích thước, được phân bố trên vùng có hiệu

(a) (b)

Hình 1.9 (a) Sơ đồ vi cảm biến kiểu áp trở; (b) Cầu điện trở Wheatstone

ứng áp trở không giống nhau, nên sự thay đổi tín hiệu điện lối ra là không tuyến tính Nếu cải thiện được độ đồng đều trong phân bố ứng suất trên vùng đặt các

áp điện trở, ta sẽ cải thiện được tính tuyến tính trong vùng làm việc của cảm biến

- Độ nhạy của cảm biến áp suất dạng màng phẳng đều và màng 4 góc mỏng vẫn chưa cao, vẫn có thể phát triển cấu trúc cảm biến để nâng cao độ nhạy cảm biến

Như vậy, từ những điểm chưa được tối ưu khi nghiên cứu về mô hình cảm biến

mà chúng tôi vừa chỉ ra và dựa vào kết quả nghiên cứu từ trước, ở luận văn này

chúng tôi sẽ tập trung vào “Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS

kiểu áp trở độ nhạy cao”

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

Phân tích về phân bố ứng suất trên màng cảm biến dưới tác dụng của áp suất cho thấy, các vị trí gần trung điểm bốn cạnh màng và gần tâm màng có phân bố ứng suất lớn nhất, trong khi đó tại khu vực 4 góc màng phân bố ứng suất có giá trị nhỏ hơn rất nhiều Như vậy, nếu ta giảm độ dày tại khu vực 4 góc màng thì khả năng chịu tải áp suất của màng có thể chỉ giảm chút ít, nhưng các tính năng khác của màng cảm biến như độ đồng đều về phân bố ứng suất tại khu vực trung điểm các cạnh màng, giá trị ứng suất cực đại trên màng, độ nhạy cảm biến v.v… sẽ được tăng lên đáng kể

Trước đây, đã có đề tài nghiên cứu làm mỏng 4 góc màng với kích thước làm mỏng cố định Vì sao lại chọn như vậy và đã tối ưu hay chưa thì ở luận văn này chúng tôi sẽ đi phân tích và tìm ra kích thước góc làm mỏng tối ưu nhất

Từ các phân tích trên, chúng tôi phát triển và đề suất một cấu trúc cảm biến mới như sau: Trên cảm biến đo áp suất dạng màng vuông, thay cho việc sử dụng màng phẳng đều và màng 4 góc mỏng, chúng tôi sử dụng màng có 4 góc mỏng tối ưu Các áp điện trở vẫn được đặt tại các vị trí trung điểm các cạnh màng Bốn áp điện trở được mắc theo kiểu cầu Wheatstone để lấy tín hiệu điện lối ra Sơ đồ cấu trúc màng cảm biến được trình bày trên hình 2.1 Màng cảm biến được lựa chọn với kích thước 1 x 1 mm2