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

Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu Trong công nghệ MEMS có hai phơng pháp đang đợc sử dụng rộng rãi đó là cảm biến kiểu áp trở và cảm biến kiểu tụ đợc trình bàydới đây.. Cảm biến đ

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩrằng đề tài này do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu dới sự hớng dẫn,góp ý và chỉ bảo tận tình của thầy hớng dẫn PGS.TS Đinh VănDũng Kết quả của đề tài là trung thực và không trùng hợp vớibất cứ kết quả của đề tài nào khác Nếu sai tôi xin chịu hoàntoàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Trần Đức Tiến

1

-Lời cảm ơn

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

PGS.TS Đinh Văn Dũng về những định hớng, hớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trờng, phòng Sau đại học, các thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trờng Đại học

S phạm Hà Nội 2 đã tạo mọi

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

2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến 26 2.2 Xây dựng chơng trình mô phỏng 27 Chơng 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 a 1 của góc làm

mỏng 36 3.3 Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a 1 của góc làm

mỏng 37 3.4 Kí

ch thớc tối u 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 Kh

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

Kết

luận 45 Tài

liệu tham khảo 46 Phụ lục 48

3

-Mở ĐầU

Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)hứa hẹn cách mạng hoá các loại sản phẩm bằng cách tích hợpcác yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Silic cơ bản theocông nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên chíphoàn chỉnh (systems on a chip) MEMS đợc dùng để tạo ra cấutrúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, là mộtcông nghệ có khả năng cho phép phát triển các sản phẩmthông 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 nhậnbiết và điều khiển Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năngthiết kế và ứng dụng Nghiên cứu mô phỏng đặc trng hoạt

động của linh kiện MEMS là một hớng nghiên cứu ứng dụngcác thành tựu trong công nghệ tin học vào việc xác lập bằng líthuyết các đặc trng hoạt động của linh kiện trớc khi tiến hànhcác thực nghiệm Đây là công việc hết sức quan trọng hỗ trợ

đắc lực cho công nghệ nhằm tìm ra thiết kế tối u của linhkiện phù hợp với điều kiện công nghệ và

điều kiện làm việc của linh kiện, nhờ đó tiết kiệm đợc thờigian 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 đợc đặt ra cho luận vănnày

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 trúccảm biến áp suất mới Dựa trên phần mềm ANSYS , các môphỏng về cấu trúc cảm biến, về các đặc trng hoạt

động cơ bản của cảm biến nh mô phỏng độ lệch, ứng suất,

độ nhạy của cảm biến đợc thực hiện Từ đó rút ra kết luận

để chế tạo chúng Từ đó chọn ra cấu trúc phù hợp để pháttriển.

Chơng 2 Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chơng trình mô phỏng cấu trúc và các đặc trng hoạt động của cảm biến dựa trên phần mềm ANSYS Cảm biến áp suất màng vuông dày đều kiểu áptrở đợc lựa chọn để phát triển cấu trúc Từ đó viết chơngtrình cho bài toán mô phỏng ANSYS

Chơng 3 Kết quả mô phỏng và thảo luận Trong chơng này

tìm ra thông số cạnh làm mỏng tối u, các kết quả mô phỏng

độ nhạy, độ lệch, ứng suất của ba cấu trúc cảm biến màngdày đều, màng có 4 góc mỏng và màng 4 góc mỏng tối u đợc

so sánh và rút ra kết luận

Chơng 1 Tổng quan về cảm biến ĐO áp suất

MEMS KIểU áP TRở

1.1 áp suất và cảm biến áp suất

1.1.1.áp suất

Một chất lỏng hay chất khí đợc chứa trong bình chứa,

do chuyển động nhiệt hỗn loạn, các phần tử của chất lỏnghay chất khí sẽ va chạm vào thành bình chứa gây ra áp lựclên thành bình chứa áp lực vuông góc này trên một đơn vịdiện tích thành bình chứa chính là áp suất Ta có công thứcsau:

p 

F S

(1.1)

Trong đó F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N), S làdiện 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

Một số đơn vị dẫn xuất thờng 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 đợc quan tâm nghiên cứu bởinhiều trung tâm trên thế giới Đã có rất nhiều các loại thànhphẩm cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên các công nghệ

khác nhau đợc thơng mại hóa trên thị trờng Trong số đó, cảmbiến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS giành đ-

ợc thị phần

đáng kể và thể hiện đợc những u điểm nổi trội vì khả năng

đặc biệt của công nghệ cũng nh giá thành sản phẩm

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

đã ra đời Phổ biến nhất là sử dụng màng Màng (diaphragm)

là một tấm mỏng (thờng bằng chất bán dẫn) có khả năng bịbiến dạng khi có áp suất đặt lên Khi

áp suất bên ngoài tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênhlệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bịbiến dạng, độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn ápsuất tác dụng vào Bằng nhiều cách khác nhau ngời ta có thểbiến đổi độ biến dạng của màng thành tín hiệu điện thôngqua sự biến thiên

độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện,dao động cơ điện, dùng phơng pháp transistor áp điện v.v

1.2 Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu

Trong công nghệ MEMS có hai phơng pháp đang đợc sử dụng rộng rãi

đó là cảm biến kiểu áp trở và cảm biến kiểu tụ đợc trình bàydới đây

1.2.1 Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở

Cấu trúc cảm biến sử dụng thờng là các màng vuông trên

đó có cấy các

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

Cầu điện trở Wheatstone:

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

V inCầu gồm bốn điện trở có giá trị tĩnh nh nhau đợc đặt ởcác vị trí có hiệu ứng áp trở cực đại trên một màng silic.Trong phơng pháp lấy thế hiệu lối ra, nguồn nuôi cầu điệntrở khoảng vài vôn đợc cấp cho cầu qua các điểm 1 và 3, thếhiệu lối ra đợc lấy trên các điểm 2 và 4 Các điện trở R1, R2,

R3, R4 đợc

tạo ra bằng phơng pháp cấy tạp chất trên phần tử nhạy Vì giá trị tĩnh của các

điện trở là nh nhau, nên khi phần tử nhạy cha biến dạng, cầu

điện trở là cân bằng và thế hiệu lối ra bằng 0 Khi phần tửnhạy bị uốn cong, các áp điện trở thay đổi giá trị làm cầumất cân bằng Do cách bố trí các điện trở, sự biến đổi củahai điện trở R1 và R3 là ngợc chiều với hai điện trở còn lại R2

Nguyên lý làm việc dựa trên sự biến dạng của màng haycấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy) đợc chuyểnthành tín hiệu điện tơng ứng nhờ các áp điện trở cấy trênphần tử nhạy cơ Khi phần tử nhạy cơ của cảm biến bị uốncong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độ nhạy cũng nhvùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiềuvào kích thớc cấu trúc cơ, dạng và kích thớc 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 bốtrên 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

đ-ợc phủ một lớp kim loại mỏng làm một bản cực của tụ điện, vàmột lớp kim loại khác đợc phủ lên đế cố định làm bản cực thứhai, rồi gắn phần tử nhạy với đế một cách thích hợp sao chohai bản cực nằm đối diện nhau, ta đã tạo ra một tụ có điệndung thay đổi đợc

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

Khi có áp suất tác động vào phần tử nhạy, sự uốn congcủa 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 điệndung Hoàn toàn ta có thể thu và xử lí dễ dàng các tín hiệunày nhờ các mạch

đợc 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 mộtcách hòa hợp, thống nhất Mỗi bộ phận của một linh kiệnMEMS thờng cấu tạo bởi các vật liệu khác nhau ví dụ: dâydẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha tạp… Tínhchất vật liệu của mỗi bộ phận có thể ảnh hởng đến đặctính của cả linh kiện Vì thế, việc tạo nên một linh kiệnMEMS 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 vàxây dựng quy trình chế tạo hợp lý

Trên thực tế, công nghệ MEMS là một tập hợp chung các kỹthuật chế tạo khác nhau Vì vậy, các vật liệu đợc sử dụngtrong công nghệ MEMS cũng rất rộng rãi : silic, thủy tinh,gốm, polymer… Tuy nhiên vật liệu chủ yếu đợc sử dụng đểchế tạo các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS hiện nay làsilic Vật liệu silic đã đợc biết đến là vật liệu cơ bản trongcông nghệ vi điện tử, đợc sử dụng để chế tạo các điện trở,

tụ điện, transitor, các chíp vi mạch tổ hợp v.v Các linh kiệnMEMS đợc phát triển trớc 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 cấutrúc 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 liệusilic

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 dớitác dụng của tải cơ học đầu vào, chuyển đổi chúng quabiến dạng vật liệu thành một tín hiệu

điện lối ra Để làm tối u các chức năng chuyển đổi tín hiệunày của cảm biến, việc phân tích các đặc trng cơ học củacấu trúc là hết sức quan trọng Cũng cần nói thêm rằng, vậtliệu silic đã đợc sử dụng nh một vật liệu cơ bản trong côngnghệ vi điện tử Kết hợp với khả năng có thể ăn mòn dị hớng tạocác cấu trúc 3 chiều có độ chính xác cao, cấu trúc nhạy cơ vàcác phần xử lí electron có thể tổ hợp dễ dàng trên cùng một

đế silic, vật liệu silic cũng đợc biết đến nh một vật liệu cơbản trong công nghệ MEMS Trong phần này, chúng ta sẽ lần lợtphân tích các tính chất cơ, đặc điểm của mạng tinh thể vàtính chất áp trở hết sức quí báu của silic nhằm làm nổi bậtvai trò của silic trong các vi cảm biến áp trở cũng nh các dạngcấu 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 liênquan mật thiết đến

đờng cong đàn hồi, tức là đờng cong ứng suất-biến dạng củavật liệu nh thể hiện trên hình 1.3 [1], [2], [6], [7], trong đó

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 thớc ban đầu

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 tợng dão (creep) là hiện tợng biến dạng không thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian khi giữ ứng suất không

đổi Đây là đại lợng xác định

độ biến dạng d của vật liệu khi tải không đổi đầu vào đã thôitác dụng

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

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

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

- Biến dạng kéo:

P

P

hồi độc lập, mô đun trợt G liên hệ

với mô đun Young và tỷ số Poisson

bởi:

Xét vật liệu đàn hồi dị hớng (Silic

đơn tinh thể).

Hình 1.4 Tải đơn trục và biến dạng.

- Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập

Định luật Hook trong trờng hợp tổng quát đợc diễn tả bởi 2công thức:

ij=Eijkl kl và ij=Sijkl kl (1.10)

- Với ij và kl là các tensor ứng suất hạng 2 [N/m ], kl

và ij là các tensor biến dạng hạng 2, không thứ nguyên Eijk là

2

2 2

tensor hệ số độ cứng hạng 4 [N/m ], Sijkl là tensor hệ số

t-ơng thích (compliance coefficient tensor) hạng 4 [m /N]

- Số hằng số độc lập tăng khi tính đối xứng giảm Ví

và S44), mô đun Young E= 1/S11,

tỷ số Poisson = -S12/S11 và mô đun trợt 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 hơntrong trờng hợp này và phụ thuộc nhiều vào sự định hớngkhông gian ứng với trục tinh thể

- Với tinh thể Silic mạng lập phơng (bcc, fcc) với véctơ ứng suất định

hớng theo các trục [100] thì E11= E22=

2; E = E = E

=64x109 N/m2; E

đàn hồi đẳng hớng [1]

Đối với vật liệu Silic, không có sự biến dạng d và không có

sự dão mỏi nào ở nhiệt độ dới 8000C Các sensor Silic có thểhoạt động với tần số lên đến hàng trăm triệu chu kỳ mà khôngkèm theo bất cứ sự trễ cơ học nào [1] Bởi vậy cấu trúc nhạycơ sử dụng Silic làm phần tử tích cực đặc biệt hiệu quảtrong trờng hợp tải tuần hoàn Về phơng diện này vật liệuSilic đợc xem nh một “siêu vật liệu” Ngời ta giải thích khảnăng đặc biệt này của Silic là do không có sự hấp thụ năng l-

ợng hoặc sự sinh nhiệt nào trong Silic ở nhiệt độ phòng Tuynhiên đơn thể Silic là rất giòn, nên khi có ứng suất vợt quá giớihạn đàn hồi đặt vào, nó sẽ nhanh chóng chuyển sang miềnbiến dạng d và đứt gãy Nh thế về mặt biến dạng, thép cókhả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thớc(hình 1.5) [1], [19].

Ở nhiệt độ phòng, các vật

liệu có môđun đàn hồi lớn nh Si,

SiO2, Si3N4 thờng 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 d trong kim

loại xuất hiện do phát sinh các

lệch mạng gây bởi ứng suất

trong các biên hạt và sự chuyển

Hình 1.5 Đờng cong biến dạng

đàn hồi: Sự chuyển nhanh sang miền ứng suất tới hạn và

đứt gãy của silic [1].

vậy biến dạng d 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 lợng các khuyết tật nh vậy là rất thấp, nên vật liệu này

đợc xem nh 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 đợc tính trễ cơ học của vật liệu

b) Tính chất của mạng silic

Đơn tinh thể silic có

cấu trúc dạng lập phơng

kim cơng Đó là cấu trúc có

sự sắp xếp các nguyên tửgiống nhau nh các-bon ở dạng

kim cơng Silic với liên kết

hoá trị 4, phối vị kiểu tứ

diện, và những tứ diện này

tạo thành cấu trúc lập

ph-ơng kim cph-ơng Cấu trúc

này

Hình 1.4 Sơ đồ mạng silic đơn tinh thể.

cũng có thể đợc xem nh gồm 2 mạng lập phơng tâm mặt giao nhau, một đặt

ở vị trí ( 1 , 1 , 1 ) 3 a so với mạng kia, nh trong hình 1.4 Đó là cấu trúc lập

4 4 4

phơng tâm mặt (fcc), nhng có 2 nguyên tử trong một ô cơ

sở Đối với mạng lập phơng tâm mặt nh vậy, hớng [hkl] làvuông góc với mặt phẳng cùng có 3 chỉ số này (hkl) Chẳnghạn hớng [100] trong tinh thể sẽ vuông góc với mặt

tinh thể (100) Hằng số mạng của silic là

cơng của silic là mạng mở với mật độ xếp chặt chỉ có 34 %,thấp hơn nhiều so với một mạng lập phơng tâm mặt thông th-ờng (74%) Họ mặt phẳng {111} có mật độ xếp chặt caonhất, các nguyên tử đợc định hớng sao cho 3 liên kết ở dớimặt phẳng đó Để biểu thị một mặt tinh thể, ta sử dụng kíhiệu Miller (hkl)

Để mô tả một họ mặt có vai trò tơng đơng, chúng ta sẽdùng các kí hiệu

{hkl} Các hớng trong tinh thể đợc mô tả bằng kí hiệu [hkl],

và một họ các hớng có vai trò tơng đơng sẽ đợc 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 vàovật liệu đó Nói chung, các vật liệu đều thể hiện hiệu ứngnày, nhng ở mức độ rất khác nhau Có thể hình dung sự thay

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

 44 (10 -12

cm 2 dyne -1

các kết quả của Smith

-11 -1[1,2,23] Hệ số áp điện trở lớn nhất là

-Pa 1

-đối với Si loại p

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

Vật liệu 

(  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 )

 44 (10 -12

Các hệ số l, t phụ thuộc vào định hớng tinh thể.Bằng cách cực đại hoá biểu thức (1.16) theo ứng suất (gây

ra sự thay đổi điện trở), có thể tối u độ nhạy của sensorSilic kiểu áp điện trở

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

Sự định hớng của màng hay dầm đợc xác định bởi đặc

điểm chế tạo dị hớng Bề mặt phiến Silic thờng dùng là mặt(100) Các đờng biên của cấu trúc ăn mòn là giao tuyến của 2mặt (100) và (111) và vì thế nó là hớng <110> Áp điện trởloại p đợc sử dụng phổ biến nhất vì hớng có áp điện trở lớnnhất (<110>) trùng khớp với hớng cạnh của màng đợc ăn mòn

và vì hệ số dọc (longitudinal) bằng hệ số ngang về độ lớnnhng ngợc dấu Với các giá trị ở bảng 1.1, ta có thể tính đợc

số áp điện trở dọc và ngang theo các hớng khác nhau Với hớng

<110>, hệ số

¸p trë däc vµ ngang lÇn lît lµ:

R

 44 ( 

Công thức (1.19) chỉ có giá trị đối với các trờng ứng suất

đều hoặc kích thớc điện trở nhỏ so với kích thớc của mànghoặc của thanh dầm [1,16] Khi các ứng suất thay đổi trêncác điện trở thì chúng phải đợc tích phân, điều này

đợc thực hiện dễ dàng bằng chơng trình mô phỏng máy tính

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

đợc định nghĩa nh sự thay đổi tơng đối của điện trở trênmột đơn vị biến dạng

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 :

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]

Với Silic loại n, sự thay đổi của độ dẫn theo các hớngkhác nhau thì khác biệt cả về giá trị tuyệt đối cũng nh dấu.

Do đó, đối hớng <100> ta thấy hệ số áp trở 11 là lớn nhất nhtrình bày ở trên [1], [5]

Với Silic loại p, hiệu ứng áp trở đợc giải thích trên cơ sở sựthay đổi của

2 nhánh lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ trong phổ năng lợngcủa vùng hóa trị Khi không có biến dạng, lỗ trống nặng và lỗtrống nhẹ có cực đại trùng nhau tại tâm vùng Brillouin Khi cóbiến dạng không đẳng hớng, sự đối xứng của trờng tinhthể bị phá vỡ làm cho sự suy biến của mức năng lợng cực đại ởtâm vùng Brillouin bị mất đi Vì biến dạng không đẳng hớng,

đỉnh của vùng hóa trị của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ dịchchuyển theo hai chiều ngợc nhau Vì độ linh động của lỗtrống nặng và lỗ trống nhẹ khác nhau nên sự thay đổi vềnồng

độ này dẫn đến thay đổi độ dẫn Vậy hiệu ứng áp điện trởmạnh trong Silic loại p liên quan đến sự khác nhau về khối l-ợng và do đó về độ linh động của lỗ trống nặng và lỗ trốngnhẹ [1], [5]

1.3.2 Vài nét về công nghệ MEMS

Công nghệ vi hệ thống cơ điện tử - MEMS (MicroElectro Mechanical System) là công nghệ tạo ra các linh kiệntích hợp thành phần cơ và thành phần

cơ ra đời từ những năm 1960 với các linh kiện ban đầu đợcứng dụng làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế chocác đầu đo cơ truyền thống Cùng với sự phát triển của côngnghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong cácloại cảm biến cơ mà còn đợc ứng dụng trong rất nhiều các

lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảmbiến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh học Không chỉdừng lại ở lĩnh vực cảm biến, các linh kiện MEMS còn đợc ứngdụng rộng rãi trong các hệ chấp hành, các hệ điều khiển tự

động v.v

Cấu trúc cơ bản nhất của vi hệ thống bao gồm vi cấutrúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến và vi chấp hành đợc tíchhợp trên cùng một chip Các vi hệ thống này cho phép cảm

thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lạimôi trờng xung quanh Các vi hệ thống này đợc chế tạo bằngvật liệu Silic là chủ yếu do Silic có những u điểm về tínhchất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.

- Vật liệu Silic là vật liệu đã đợc sử dụng phổ biến trong công nghệ vi

điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệukhác do việc chế tạo các phiến Silic đợc thực hiện trong quymô 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 thớc 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 lợng riêng của Silic và 2,3g/cm3 trong khi khối lợng riêng của thép là 7,9g/cm3

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

điện tử và phần vi cấu trúc đợc chế tạo bằng công nghệ vicơ Có rất nhiều công nghệ để tạo vi cấu trúc nh 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 phơng pháp ăn mòn tạo vicấu trúc đối với vật liệu Silic đơn tinh thể là chủ yếu Côngnghệ 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: tạomask, quang khắc

1.3.2.1 Công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining)

Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằngcách gia công khối vật liệu Phơng pháp để tạo vi cấu trúcdùng trong công nghệ vi cơ khối là phơng pháp ăn mòn ớt(ăn mòn đẳng hớng, ăn mòn dị hớng) hoặc phơng pháp ănmòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma)

Ăn mòn: ớt (đẳng hớng,

dị hớng), khô (ion hoạt hoá, plasma)

Hình 1.8 Quy trình của công nghệ vi cơ khối.

Công nghệ vi cơ khối ăn mòn ớt: vi cấu trúc đợc tạo ra bằng cách ăn

mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn trongdung dịch hóa học Tuỳ thuộc vào dung dịch hoá học mà khốivật liệu có thể bị ăn mòn đẳng hớng hoặc dị hớng

- Phơng pháp ăn mòn đẳng hớng là phơng pháp mà tốc

độ ăn mòn theo tất cả các hớng là giống nhau Đối với vật liệu Silic thì các dung dịch ăn

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 phơng pháp này

- Phơng pháp ăn mòn dị hớng là phơng pháp mà tốc độ

ăn mòn theo các hớng là khác nhau Đối với vật liệu Silic đơn tinh thể thì dung dịch ăn mòn

dị hớng là các dung dịch kiềm có độ pH lớn hơn 12, ví dụ nhKOH, NaOH, CsOH, NH4OH, (CH3)4NOH (TMAH - Tetra MethylAmmonium Hydroxide) Phơng pháp này cho phép tạo ra cấutrúc 3 chiều với độ chính xác cao.

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

ăn mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn bằngcác phản ứng hóa học ở thể khí và hơi tại nhiệt độ cao Ngoài

ra phơng pháp ăn mòn sử dụng chùm ion năng lợng 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 tinhthể [8]

1.3.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)

Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo nên các lớpvật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế Có hailoại lớp vật liệu khác nhau đợc sử dụng để phủ lên bề mặt

đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật liệu tạocấu trúc Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu đợc phủ lên bề theohình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trongqúa trình tạo cấu trúc; thông thờng thì lớp này là vật liệu OxitSilic Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ đợc phủ lên trên lớp vật liệu "hisinh" 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 trúctrên bề mặt đế ban đầu [1] [10] [11]

1.3.2.3 Công nghệ LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) đợc hiểu

là quy trình công nghệ vi đúc (Micromolding) Thuật ngữtiếng Đức này có nghĩa là quang khắc (lithography), mạ điện(electroplating), và đúc (molding).Công nghệ này sử dụng cáckhuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ chính xác cao làm

công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc Quy trình này cóthể đợc sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc 3D, có tỷ sốcạnh cao (high-aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau

nh kim loại, polymers, gốm (ceramics) và thuỷ tinh (glasses)

Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải cómột nguồn chuẩn trực sóng ngắn X-ray giống nh mộtsynchrotron.

Việc sử dụng các quy trình vi đúc có thể thu đợc các vicấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao, có nhiều ứng dụng nh 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 dàycủa các cấu trúc có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứngtrục giao với đế càng lớn, cũng nh làm tăng lực/ mômen xoắntrong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện Các cấu trúc mạ Nikel(Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất mộttrong các kim loại này là những cấu trúc kim loại đợc dùng

nh 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 dợc chỉ ra trong hình 1.9 a.Cảm biến dợc chế tạo trên một đế Silic loại n có định hớng

bề mặt là (100), bằng phơng pháp ăn mòn điện hoá, mộtmàng silicon với kích thớc và bề dày xác định đợc tạo ra, màngnày rất nhạy với tín hiệu áp suất Sau đó 4 điện trở đợc

đặt lên màng silicon tại trung điểm của các cạnh của hìnhvuông bằng phơng pháp khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặcbằng phơng pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone Các

điện trở đợc cấy chính xác cụ thể là hai điện trở đợc đặtsong song với cạnh màng, hai điện trở còn lại đợc đặtvuông góc với cạnh màng Các cạnh của màng có định hớng là[110]