Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc điện trở ba bậc tự do trên cơ sở công nghệ vi cơ khối khô

Tóm tắt luận văn: Trên cơ sở hiệu ứng áp trở đối với vật liệu silíc, cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở đã được nghiên cứu chế tạo bằng công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên ở Việt Nam.. Như

Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu

Khoá ITIMS-2006

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Ngọc Hùng

Hà Nội - 2008

1.2 Thực tại và xu thế phát triển MEMS trên thế giới và tại

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc 12

1.3.2 Giải thích theo lý thuyết vùng năng lượng 24

1.3.3 ứng dụng hiệu ứng áp trở trong chuyển đổi tín hiệu

2.3 Khảo sỏt sự ảnh hưởng của cỏc thụng số cụng nghệ tới

2.3.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của SF 6 tới chất lượng ăn mòn

Title of MSc thesis: A study on design and fabrication of a three degree

of freedom piezo-resistive accelerometer based on bulk micromachining using dry etching technique

Author: Nguyen Van Minh

Supervisors: Asso Prof Dr Vu Ngoc Hung

Referees: -

- Abstract:

Based on piezoresistive effect of silicon material, piezoresistive acceleration sensor has been designed and fabricated by bulk micromachining using dry etching technique This device consists of a proof mass, elastic thin beams and three wheatstone resistor bridge made by diffusion process using SOD technique In the scope of this thesis, the technology process has been established for fabricating acceleration sensor, which suites with conditions and equipments at ITIMS The acceleration sensor with miniatured dimension has been simulated by ANSYS software and it has been fabricated by bulk micromachining technology using dry etching technique The fabricated acceleration microsensors are packaged and characterised based on the measurement system which is connected with computer The investigated results show that OX sensitivity is 30.5 μV/g and OZ sensitivity is 22.9 μV/g The dynamic range of the sensor is 100 Hz The obtained results show the ability of fabricating piezoresistive acceleration microsensor in VietNam

Khoá itims-2006 Tên luận văn:

Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc áp điện trở ba bậc tự do trên cơ sở công nghệ vi cơ khối khô

Tác giả: Nguyễn Văn Minh

Người hướng dẫn: PGS TS Vũ Ngọc Hùng

Người nhận xét:

Tóm tắt luận văn:

Trên cơ sở hiệu ứng áp trở đối với vật liệu silíc, cảm biến gia tốc kiểu

áp điện trở đã được nghiên cứu chế tạo bằng công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên ở Việt Nam Đây là linh kiện có vai trò như một bộ biến đổi cơ điện, bao gồm một khối gia trọng, các thanh dầm đàn hồi và ba cầu điện trở kiểu Wheatstone đo gia tốc theo ba phương đã được chế tạo bằng phương pháp khuếch tán Trong khuôn khổ của luận án, đã thiết lập được một quy trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc phù hợp với điều kiện và các trang thiết bị sẵn có ở viện ITIMS Chế độ ăn mòn khô bước đầu đã được khảo sát tối ưu hoá Vi cảm biến gia tốc có kích thước thu nhỏ đã được thiết kế mô phỏng bằng phần mềm ANSYS và đã được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ khối sử dụng kỹ thuật ăn mòn khô Các vi cảm biến gia tốc sau khi chế tạo đã khảo sát

đo đạc độ nhạy và đặc trưng động Kết quả khảo sát cho thấy vi cảm biến có

độ nhạy là 30,5 μV/g đối với gia tốc theo phương z và 22,9 μV/g đối với gia tốc theo phương x Kết quả khảo sát đặc trưng dộng của cảm biến cho thấy giải thông của cảm biến đạt khoảng 100 Hz Việc bước đầu làm chủ công nghệ ăn mòn khô mở rộng khả năng chế tạo nhiều chủng loại vi cảm biến

Chương I Tổng quan lý thuyết

1.1 Giới thiệu về MEMS

MEMS hiện đang được coi là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất của thế kỷ 21 và có tiềm năng cách mạng hoá các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng bằng cách kết hợp lĩnh vực vi điện tử trên cơ sở vật liệu silic với công nghệ vi cơ

MEMS là từ viết tắt của Micro ElectroMechanical Systems có xuất xứ từ

Mỹ, nghĩa tiếng Việt là hệ thống vi cơ điện tử, nhấn mạnh đến tính hệ thống ở châu Âu các nhà khoa học gọi lĩnh vực này là MST ( MicroSystems Technology), nhấn mạnh đến công nghệ chế tạo Còn ở Nhật, lĩnh vực này được đặt tên ngắn gọn là Micromachines Lĩnh vực MEMS bao hàm sự kết hợp giữa các cấu trúc cơ

có kích thước micro và các mạch điện tử tích hợp trên cùng một chip Cụm từ MEMS cũng bao gồm cả phương pháp chế tạo đặc trưng, và cấu trúc mới của thiết bị và sản phẩm

Energy Physical Mechanical Optical Chemical Biological

Energy Physical Mechanical Optical Chemical Biological

Silicon chip

Năng lượng Vật lý Cơ học Quang học Hoá học Sinh học

…

Năng lượng Vật lý Cơ học Quang học Hoá học Sinh học

Hình 1.1 Sơ đồ khối các thành phần cấu thành MEMS (a), Sơ đồ cấú tạo

một thiết bị MEMS hoàn chỉnh (b)

Tín hiệu vào và ra của một hệ thống vi cơ điện tử hết sức đa dạng như năng lượng, vật lý, cơ học, quang học, hoá học hay sinh học, trong khi đó công nghệ LSI truyền thống chỉ xử lý một loại tín hiệu vào và ra [1.1] Cấu trúc cụ thể của một hệ thống vi cơ điện tử bao gồm : vi cảm biến, vi mạch điện tử, vi chấp hành

và vi cấu trúc cơ ( hình 1.1 )

* Vi điện tử (Microelectronics)

Vi điện tử đúng vai trò như bộ não của hệ thống Bộ phận này nhận dữ

liệu, xử lý và đưa ra những quyết định theo các chương trình được lập sẵn Dữ liệu được đưa đến từ vi cảm biến

* Vi Cảm Biến (Microsensors) :

Vi cảm biến hoạt động giống như các cơ quan cảm giác trên cơ thể con người như da, mắt, mũi Chúng thu thập những dữ liệu ở môi trường xung quanh như tín hiệu quang, nhiệt, từ, sinh học hoặc cơ học từ môi trường xung quanh sau đó chuyển cho vi điện tử để biến đổi và xử lý Các cấu trúc cảm biến này được chế tạo bằng công nghệ vi cơ ( gồm công nghệ vi cơ khối, công nghệ vi cơ bề mặt và công nghệ LIGA)

* Vi chấp hành (Micro actuators) :

Một vi chấp hành có chức năng giống như chân, tay … trên cơ thể con người Khi vi điện tử xử lý tín hiệu nhận được từ vi sensor nó đưa ra những quyết định dựa vào những thông tin này và truyền đến bộ vi chấp hành để thực hiện một tác động với cường độ xác định

* Vi cấu trúc (Micro structure) :

Nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo, bao gồm công nghệ vi điện tử, công nghệ bán dẫn và công nghệ vi chế tạo (gồm công nghệ vi cơ khối, công nghệ vi cơ bề mặt và công nghệ LIGA) , những cấu trúc cơ với kích thước àm được tạo ra trên một chip

Với cấu trúc như vậy, các vi hệ thống này cho phép cảm nhận sự dịch chuyển cơ học ở phạm vi kích thước àm nhờ các vi cảm biến, và thông qua hệ thống vi điện tử, bộ phận vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh theo ý muốn của con người Các vi hệ thống này, gồm cả phần cơ và phần điện,

được chế tạo bằng vật liệu Silic

Nguyên tử DNA

Vi-rút

Tế bào

Đường kính sợi tóc Giọt nước

Con người

MEMS

Nước Màng mỏng

Vi dầm, vi màng Giới hạn quang khắc

Vi mạch Công nghệ nano

Hóa học, sinh học phân tử Cơ khí chính xác

Hình 1.2 Hình minh hoạ kích thước các vi cấu trúc trong MEMS

Một bộ thiết bị quan trọng trong MEMS là vi cảm biến Đặc điểm của vi cảm cảm biến là một hoặc nhiều cấu trúc của nó có kích thước micro-met và vùng kích thước được quy ước nằm trong khoảng 10 nano-met đến 1mili-met như

minh hoạ trên hình 2.2, và ngày càng được thu nhỏ hơn Như vậy, các cấu trúc

này có thể so sánh với kích thước của virus, các tế bào, kích cỡ của một sợi tóc hay của một con bọ…

Một đặc điểm nữa của MEMS là có thể chế tạo các vi cảm biến theo từng

mẻ (batch) , nghĩa là trên một phiến Si đơn tinh thể đường kính 2 inch, 3 inch hoặc 4 inch ( loại n hoặc p với các định hướng bề mặt khác nhau) có thể chế tạo cùng lúc một loạt các cấu trúc giống nhau (hình 1.3) Và chỉ đến khi đóng gói (

packaging) thì mới phải thao tác trên từng mẫu sau khi đã cắt rời chúng Nhờ kích thước nhỏ và việc sản xuất hàng loạt này mà MEMS có giá thành thấp hơn

và tạo ra tính đồng nhất so với các sản phẩm truyền thống và do đó đã nhanh chóng chiếm lĩnh mọi thị trường mặc dù giá thành của các phiến Silic vẫn còn khá cao

Phiến silic

Các chip nhỏ

Hình 1.3 Quy trình chế tạo các cấu trúc MEMS duới dạng mẻ

Ngày nay, xu hướng tích hợp nhiều cấu trúc MEMS trên một chip đang ngày càng được mở rộng Với cấu trúc như vậy có thể tạo một phòng thí nghiệm nhỏ hoàn chỉnh trên một chip, được gọi là lab-on-a-chip (LOC) hay micro-total-analysis-systems (àTAS) Một phòng thí nghiệm như vậy có thể thực hiện một quy trình phân tích hoàn chỉnh LOC được tích hợp các chức năng của một phòng

thí nghiệm trên một chip có kích thước chỉ vài mili-mét đến vài centi-met, có khả năng xử lý các khối chất lỏng vô cùng nhỏ, cỡ vài pico-lít Một ví dụ về phòng thí nghiệm tí hon này là chip phân tích máu người, trong đó việc thu thập, vận chuyển máu, rồi phân tích và xử lý toàn bộ các thông tin cần biết đều được tiến hành trên một con chip bé nhỏ Nhờ chip này mà công việc đòi hỏi nhiều người làm trong thời gian dài thì nay chỉ cần một chip nhỏ xíu làm việc trong vài giờ,

do đó giảm được nhiều chi phí và thời gian

1.1 Vài nét về lịch sử phát triển MEMS

Việc tìm hiểu về lịch sử MEMS sẽ giúp ta có cái nhìn đầy đủ hơn về lĩnh vực này, qua đó sẽ thấy được xu hướng phát triển của nó

Công nghệ vi điện tử là điểm khởi đầu trong sự phát triển của MEMS Công nghệ IC đã phát triển với tốc độ mãnh liệt, ít thấy ở các lĩnh vực khác Mật

độ transistor tăng gấp hai lần sau mỗi 12 đến 18 tháng theo qui luật Moore được tìm ra bởi Gordon Moore, một đồng sáng lập viên của công ty Intel,- gần đây quy luật này đã thay đổi một chút do sự thu nhỏ kích thước đang tiến dần tới những giới hạn vật lý

Công nghệ MEMS phát triển dựa trên nền tảng công nghệ vi điện tử với các kỹ thuật chế tạo hai chiều,- nghĩa là liên quan tới các màng mỏng Kỹ thuật

ăn mòn sâu (bao gồm ăn mòn ướt và ăn mòn khô),- có khả năng tạo ra các cấu trúc ba chiều,- là sự khác biệt cơ bản giữa công nghệ MEMS và công nghệ vi

điện tử Sự phát sinh của lĩnh vực MEMS kéo dài trong khoảng 2 thập kỷ ( khoảng những năm 1960 đến những năm 1980), khi mà nhiều hoạt động nghiên cứu diễn ra rải rác khắp nơi Ví dụ, trong giai đoạn này, công nghệ ăn mòn dị hướng đã được sử dụng để tạo các cấu trúc ba chiều trên đế Silic Một số nhà

nghiên cứu tiên phong trong các phòng thí nghiệm công nghiệp và trong các trường đại học đã sử dụng công nghệ xử lý mạch tích hợp để chế tạo các linh kiện vi cơ bao gồm các cantilever, màng, đầu phun mực Những cảm biến vi cơ chủ yếu, bao gồm cảm biến áp trở làm bằng Silic đơn tinh thể và đa tinh thể đã

được phát hiện, nghiên cứu và tối ưu hoá Tại giai đoạn này tên của lĩnh vực này chưa hình thành Tuy nhiên, các công nghệ vi cơ khối và vi cơ bề mặt lúc này

đang được hoàn thiện nhanh chóng

Có một số công trình đầu tiên đáng chú ý Vào năm 1967, Harvey Nathason ở Westinghouse đã giới thiệu một kiểu transistor, gọi là transistor cổng cộng hưởng ( RGT) Không giống các transistor khác, cực cổng của RGT không

được cố định vào lớp ôxit cực cổng mà có thể dịch chuyển được so với đế Khoảng cách giữa đế và cực cổng được điều khiển bởi lực hút tĩnh điện RGT là

bộ chấp hành tĩnh điện đầu tiên được chế tạo

Vào những năm 1970, Kurt Petersen ở phòng thí nghiệm nghiên cứu của hãng IBM, cùng với các đồng nghiệp, đã phát triển các sensor áp suất kiểu diaphragm bằng công nghệ vi cơ trên vật liệu Silic Các diaphragm silic mỏng có gắn cảm biến áp trở được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối Với loại cảm biến mới này, độ nhạy lớn hơn so với các cảm biến áp suất màng truyền thống Các cảm biến áp suất được ứng dụng trong đo huyết áp và điều khiển công nghiệp đã

đem lại thành công trong lĩnh vực thương mại đầu tiên của lĩnh MEMS

Vào cuối những năm 1980, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực mới bắt đầu hình thành, gọi là công nghệ vi cơ, chủ yếu sử dụng vật liệu silic - hoặc là đế

silic khối (silic đơn tinh thể) hoặc là silic màng mỏng (silic đa tinh thể) Hai dạng vật liệu silic này được được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp mạch tích hợp - silic khối được sử dụng làm đế mạch điện, trong khi đó silic đa tinh thể

được dùng để làm cực cổng của transistor Vào năm 1984, Petersen đã cho xuất bản bài báo nhan đề “ Silic là một vật liệu cơ” Bài báo này đã và đang được trích dẫn rộng rãi khi mà ngành này mở rộng nhanh chóng

Việc sử dụng màng mỏng silic đã cho phép chế tạo các cơ cấu vi cơ bề mặt bao gồm các lò xo, các bộ truyền động trong hộp số… Vào năm 1989, chiếc

động cơ vi cơ bề mặt bằng silic được điều khiển bằng lực tĩnh điện được giới thiệu lần đầu tiên bởi các nhà nghiên cứu ở trường đại học Califorlia ở Berkely Một vài năm sau, cụm từ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đã được giới thiệu Nó

dần dần trở thành một cái tên được được quốc tế thừa nhận để chỉ lĩnh vực này Nhiều kết quả và sản phẩm nghiên cứu của cộng nghệ MEMS là những bộ phận thực sự của một hệ thống lớn hơn

Vào những năm 90 của thế kỷ XX, MEMS bước vào một giai đoạn tăng trưởng nhanh trên toàn thế giới Những kết quả đáng chú ý đầu tiên bao gồm các cảm biến quán tính tích hợp của hãng Analog Devices được ứng dụng trong các túi khí tự động, và đó là một cảm biến gia tốc kiểu răng lược và chip xử lý tín hiệu quang kỹ thuật số của hãng Texas Instruments trong máy chiếu sử dụng các gương vi cơ Cảm biến gia tốc ADXL được chế tạo bởi hãng Analog Devices bao gồm bộ phận cơ và điện tử được tích hợp trên cùng một đế Những sản phẩm đầu tiên của hãng này là nhằm vào thị trường ôtô Gia tốc kế trên ôtô phát hiện sự giảm tốc đột ngột và khởi động túi khí trong trường hợp có va chạm trên đường

Công nghệ được áp dụng cho cảm biến gia tốc đã được điều chỉnh để chế tạo cảm biến đo gia tốc quay hay còn gọi là con quay Nhờ có kích thước nhỏ bé, các cảm biến quán tính có thể được đặt vào các không gian nhỏ đã cho phép tạo

ra các ứng dụng mới lạ, bao gồm các thiết bị viết thông minh ( đây là thiết bị có thể nhận diện chữ viết tay và chuyển thành các ký tự trong máy tính ), mũ thực

tại ảo, chuột máy tính (chuột dùng con quay vi cơ), tay điều khiển trò chơi điện

tử, giày chạy có khả năng tính toán quãng đường chạy và các máy tính sách tay

có khả năng tạm dừng hoạt động ổ cứng khi bị rơi

Sản phẩm đáng chú ý tiếp theo là máy chiếu kỹ thuật số Các máy chiếu truyền thống về bản chất là tương tự, dựa trên công nghệ hiển thị tinh thể lỏng

Bộ xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP) của hãng Texas Instrument là một sản phẩm mang tính cách mạng, bao gồm một chíp điều chỉnh ánh sáng với hơn một trăm nghìn chiếc gương vi cơ riêng rẽ được đánh địa chỉ, gọi là các gương vi cơ kỹ thuật số (DMD) Mỗi chiếc gương có diện tích khoảng 10 2

m

à , và có thể quay theo hai góc là ±7,50 Ma trận các gương vi cơ được chiếu sáng bởi cùng một nguồn sáng Mỗi gương, khi được đặt đúng góc, sẽ phản xạ ánh sáng hướng về phía màn hình và tạo ra một điểm sáng Như vậy, ma trận các gương vi cơ sẽ tạo

ra một hình ảnh trên màn hình

Bên cạnh cảm biến gia tốc và gương vi cơ kỹ thuật số, nhiều loại cảm biến khác đã được nghiên cứu chế tạo vào những năm 90 thế kỷ 20, với nhiều công dụng khác nhau trong công nghiệp [1.2]

Như vậy, dù mới phát triển vài chục năm gần đây, trên cơ sở công nghệ vi

điện tử, lĩnh vực vi cơ điện tử đã cách mạng hoá kích thước các linh kiện Sự thu nhỏ các linh kiện đã đem lại nhiều lợi thế so sánh về giá thành, năng lượng tiêu thụ, sự thu nhỏ và tăng tính năng sử dụng đối với các thiết bị dân dụng và công nghiệp,

1.2 Thực tại và xu thế phát triển MEMS trên thế giới và tại Việt Nam

Sau đây là tình hình thị trường của các sản phẩm MEMS Theo thống kê của hãng In-Stat/MDR đưa ra tháng 7 năm 2003, cảm biến quang chiếm 17,6 % ;

cảm biến RF chiếm 0,8 % ; vi chấp hành chiếm 3,5 % ; cảm biến quán tính chiếm 21,2 %; cảm biến áp suất chiếm 14,2 % ; cảm biến vi chất lỏng ( micro-fluidics) chiếm 35,7 % ; và các loại cảm biến khác chiếm 10% trong tổng giá trị thị trường MEMS Như vậy, cảm biến chất lưu chiếm thị phần lớn nhất, đến 1/3 thị trường MEMS Riêng cảm biến gia tốc, vào năm 2003, đạt tổng giá trị khoảng 350 triệu đô-la Mỹ

Các sản phẩm MEMS được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Cũng theo thống kê của hãng In-Stat/MDR vào tháng 7 năm 2003, lĩnh vực máy tính chiếm 41,6 % ; dân dụng chiếm 2,3 % ; công nghiệp 12,7% ; Y học chiếm 16,4 % ; Ôtô 23,9% và truyền thông 2,4% …

Về số lượng tuyệt đối, các sản phẩm thương mại của MEMS chiếm lĩnh thị trường ngày càng nhiều, với mức tăng đều đặn theo từng năm Theo số liệu của In-Stat/MDR, năm 2002 số lượng sản phẩm MEMS bán ra là khoảng 1 tỷ sản phẩm với doanh số khoản 4 tỷ USD ; năm 2003 là 1,2 tỷ sản phẩm với doanh số khoảng 4,3 tỷ USD ; năm 2004 : 1,6 tỷ sản phẩm có giá trị là 5,2 tỷ USD ; năm

2005 : 2,1 tỷ sản phẩm tương đương 6,1 tỷ USD ; năm 2006 : dự đoán là 2,6 tỷ sản phẩm có giá trị là 7 tỷ USD Và theo dự đoán thì đến năm 2007 các con số tương ứng là hơn 3 tỷ sản phẩm và hơn 8 tỷ USD dựa vào xu hướng tăng tuyến tính của các năm trước [1.3]

Những xu hướng quan trọng trong tương lai của MEMS là :

* Công nghệ MEMS đang được kết hợp với công nghệ nano và công nghệ

y sinh để tạo ra các loại sản phẩm mới được sử dụng vào các ứng dụng mới

* Công nghệ MEMS đang thoát khỏi tình trạng chỉ sử dụng vật liệu silic và vật liệu bán dẫn cơ bản Các vật liệu polime đang được sử dụng ngày càng nhiều [1.2]

Như vậy, ở các nước phát triển MEMS đã xuất hiện từ vài chục năm gần

đây và đang ngày càng phát triển mạnh với các sản phẩm đa dạng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với số lượng sản phẩm và doanh số bán ra ngày càng lớn trên thế giới Điều đó đặt ra cho các nước đang phát triển như Việt Nam ta phải đầu tư và học hỏi rất nhiều để có thể thoát ra khỏi sự lạc hậu

ở Việt Nam, các nghiên cứu liên quan đến công nghệ chế tạo linh kiện MEMS đã được triển khai thực hiện từ năm 1997 tại viện ITIMS trường Đại học Bách khoa Hà Nội trên cơ sở sử dụng các thiết bị công nghệ vi điện tử trong Phòng Sạch (Clean Room); đây là phòng sạch duy nhất hiện nay trong cả nước

đang được vận hành có hiệu quả phục vụ đắc lực cho các hoạt động đào tạo và nghiên cứu thuộc lĩnh vực micro và nano Viện ITIMS đã thành công trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi cơ khối ướt trên cơ sở ăn mòn dị hướng tinh thể Si; Chế tạo thử nghiệm một số chủng loại vi sensor quán tính (Micro inertial sensor) kiểu áp trở và kiểu tụ ứng dụng để đo áp suất, đo lực, đo độ biến dạng, đo gia tốc và đo vận tốc góc; cảm biến vi cân tinh thể thạch anh (QCM) đã được triển khai thiết kế và chế tạo nhằm định hướng ứng dụng trong lĩnh vực y-sinh; Nghiên cứu chế tạo vật liệu màng mỏng PZT và AlN nhằm ứng dụng trong chế tạo linh kiện vi chấp hành và vi cảm biến áp điện

Ngoài Viện ITIMS, trong nước cũng có nhiều cơ sở đã và đang có những nghiên cứu cả về thiết kế và ứng dụng các cảm biến MEMS Nếu như Viện ITIMS mạnh về chế tạo cảm biến thì Khoa vi cơ điện tử, trường Công nghệ, đại học quốc gia Hà Nội lại mạnh về xây dựng mạch điện tử, hệ đo và nghiên cứu

ứng dụng các cảm biến MEMS Trong khi đó, Viện kỹ thuật tên lửalại đi sâu vào ứng dụng các cảm biến quán tính vào các khí cụ bay Về phòng sạch Viện ITIMS là đơn vị có một phòng sạch được xây dựng từ những năm 90 của thế kỷ

XX, hiện nay, một phòng hiện đại sạch khác, class 10000 (540 m2) và class 100 (100 m2) đang được xây dựng tại khu công nghệ cao thành phố Hồ Chí Minh Phòng sạch này có nhiệm vụ nghiên cứu và triển khai các lĩnh vực thuộc công nghệ nano và micro

Gần đây sản xuất lắp ráp ôtô trong nước đã bắt đầu phát triển với cả tư bản nội địa và tư bản nước ngoài, trong đó có các công ty Nhật Bản Sản xuất ôtô là lĩnh vực dùng khá nhiều các linh kiện MEMS như cảm biến áp suất dùng để do

áp suất bánh xe, cảm biến gia tốc dùng cho bộ điều khiển túi khí an toàn Vì có các công ty sản xuất ôtô tại Việt Nam nên Nhật Bản đang hỗ trợ cho ta về nghiên cứu và đào tạo trong lĩnh vực MEMS Công ty Intel cũng đang tiến hành xây dựng nhà máy đóng gói vi mạch, và cũng đang có những chương trình đào tạo về lĩnh vực vi điện tử ở nước ta Công nghiệp vi điện tử và công nghiệp ôtô phát triển sẽ là tiền đề để lĩnh vực MEMS phát triển ở Việt Nam Hi vọng là với những

đầu tư thích đáng và sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế Việt Nam, lĩnh vực MEMS sẽ được nghiên cứu mạnh hơn trong tương lai gần và có thể tham gia vào làm gia công,- nghĩa là thực hiện một trong các khâu chế tạo linh kiện MEMS như thiết kế các linh kiện v.v.v ,- hoặc, thậm chí, có thể nghiên cứu chế tạo một linh kiện MEMS hoàn chỉnh trong tương lai xa

1.2 Tổng quan về cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc được dựng để đo gia tốc Cảm biến gia tốc vi cơ silic ngày càng trở nờn quan trọng do nhu cầu rất lớn cho cỏc ứng dụng trong cụng

nghiệp, trong lĩnh vực robot và cụng nghiệp hàng tiờu dựng, như cỏc bộ phận giữ cõn bằng trong cỏc mỏy ảnh, mỏy quay phim kỹ thuật số hiện nay [1.4]

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc, nói chung, thường bao gồm một khối gia trọng và một

hệ thống các thanh dầm Khối gia trọng có vai trò chuyển gia tốc thành lực quán tính tác dụng Lực này tác dụng lên các thanh dầm khiến chúng bị biến dạng Vì vậy, để đo gia tốc người ta thường đo chuyển vị của khối gia trọng hoặc biến dạng của các thanh dầm Có nhiều phương pháp để đo chuyển vị và sự biến dạng

đó, như phương pháp điện dung (dựa trên các bản tụ kiểu màng mỏng hoặc kiểu răng lược), phương pháp cộng hưởng, phương pháp áp điện, phương pháp áp điện trở, [1.4]

Cảm biến gia tốc silic thường bao gồm một khối gia trọng gắn lờn một khung cố định bằng một hoặc nhiều phần tử lũ xo Trờn phương diện toỏn học, cấu trỳc này cú thể được mụ tả bao gồm một lũ xo với vai trũ là phần tử đàn hồi

mắc song song với phần tử giảm chấn ( hỡnh 1.4)

Trong mô hình trên, K là hằng số độ cứng hiệu dụng của phần tử lò xo và

D là hệ số giảm chấn Hoạt động của cấu trúc dựa trên định luật II Newton:

a M dt

p

=

Trong đó, F là lực tác dụng lên khối gia trọng, p là mômen xung lượng, M

là khối lượng khối gia trọng và a là gia tốc của khối gia trọng Như vậy, gia tốc

đã gây ra một lực quán tính tác dụng lên khối gia trọng Lực này gây ra biến dạng đối với phần tử lò xo và chuyển vị của khối gia trọng:

K

Ma K

F

Ở đây, ta đang xét chuyển vị tĩnh, chỉ đúng cho trường hợp thay đổi chậm của gia tốc theo thời gian, nghĩa là, tần số thay đổi rất nhỏ so với tần số dao động riêng của cấu trúc

Đặc trưng động của cấu trúc có thể được mô tả bằng phương trình vi phân sau đây:

dt

dx D dt

x d

M 22 + + = ext = (1.3)

Trong đó, Fext là ngoại lực tác dụng lên khung tham chiếu, nơi được gắn khối gia trọng Dùng phép biến đổi Laplace, ta thu được hàm truyền cơ học bậc hai từ gia tốc sang chuyển vị của khối gia trọng:

2 2

1 )

(

) ( ) (

− + +

=

=

r r

Q s s A

s X s H

ω

ω (1.4)

a d

ω

Kết quả cho thấy độ nhạy và giải thông luôn đối nghịch nhau, muốn tăng giải thông thì phải giảm độ nhạy và ngược lại Trong thiết kế ta luôn phải điều hoà hai yếu tố này [1.4]

1.2.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn gia tèc

Về mặt công nghệ, cảm biến gia tốc được chia thành hai loại là cảm biến gia tốc vi co bề mặt và cảm biến vi cơ khối Về mặt cấu trúc cơ học, cảm biến gia tốc đầu tiên thưởng có một trong các dạng như trên hình 1.5 Các dạng cấu trúc này được gọi là dạng cấu trúc thanh dầm vuông góc (cross-beam)

Hình 1.5 Một số cấu trúc cơ của cảm biến gia tốc

Khối gia trọng

Thanh dầm nhạy cơ

Thanh dầm treo Khung cố định

Hình 1.6 Một cấu trúc cảm biến gia tốc mới

Gần đây, một số cấu trúc phức tạp hơn đã được đưa ra, trong đó các thanh

dầm được chia làm hai loại là thanh dầm treo và thanh dầm nhạy cơ, để tăng độ

nhạy cơ cho cảm biến Một trong các cấu trúc như vậy được cho trên hình 1.6

Phân loại theo phương pháp đo cảm biến gia tốc được chia làm hai loại chính: phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất và phương pháp đo dựa trên cơ

sở chuyển vị Cả hai phương pháp đo này đều cho một mối quan hệ giữa tín hiệu lối ra và gia tốc ở lối vào Phương pháp đo dựa trên cở sở ứng suất thường sử dụng các hiệu ứng áp điện trở, cộng hưởng, trong khi đó phương pháp đo dựa trên cơ sở chuyển vị thường sử dụng hiệu ứng điện dung, cảm ứng, quang học, nhiệt hay hiệu ứng điện tử xuyên ngầm

Phương pháp đo dựa trên cơ sở ứng suất có thể chỉ được áp dụng trong các cảm biến gia tốc vi cơ khối, bởi vì các kích thước của hệ thanh dầm trong trường hợp đó là khá lớn, vì vậy các phần tử nhạy ứng suất (ví dụ, phần tử áp điện trở,

áp điện) chịu tác dụng của ứng suất kéo hay ứng suất nén, do vậy tín hiệu lối ra không phải là trung bình cộng của các thành phần ứng suất trái dấu nhau Trong trường hợp hệ thanh dầm được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, các kích thước của nó cho ứng suất thay đổi từ kéo tới nén trong một khoảng cách rất nhỏ,

bởi vậy có thể bỏ qua hiệu ứng của ứng suất tác động lên tín hiệu lối ra do hệ quả của trung bình cộng ứng suất khi hệ các thanh dầm được cấy hoặc lắng đọng các phần tử nhạy ứng suất

Trong khi đó, phương pháp đo dựa trên cơ sở chuyển vị có thể được sử dụng trong các cảm biến gia tốc vi cơ khối, vi cơ bề mặt và LIGA Chuyển vị của khối trọng trong các cảm biến gia tốc vi cơ bề mặt và LIGA thường nằm trong mặt phẳng phiến, do vậy đòi hỏi các phần tử nhạy ứng suất được đặt ở vị trí bề mặt sườn của hệ thanh dầm

Bảng 1.1 trình bày sự so sánh các loại cảm biến gia tốc theo nguyên lý đo

Bảng này cho thấy cảm biến áp điện trở không cần mạch điện xử lý phức tạp, có

độ tuyến tính cao, độ nhạy lớn và số bậc tự do tối đa có thể đo được là sáu, mặc

dù có một số nhược điểm như nhạy nhiệt và trôi tín hiệu Phần dưới đây sẽ đề cập chi tiết hơn các cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý đo

Bảng 1.1 So sánh các loại cảm biến theo nguyên lý đo

Nguyên

lý đo số nhạy Thông Mạch điện

Độ phức tạp hệ thống

Độ tuyến tính

Các đặc điểm khác

Khả năng cảm ứng nhiều bậc

- Thích hợp quy trình sản xuất IC

- Hiệu ứng nhiệt, trôi 6 bậc tự do

Áp điện Lực Không Trung bình Không tốt - Silic không phải là vật liệu áp điện 1 bậc tự do - Công nghệ chế tạo phức tạp

Cộng

hưởng Tần số Có Cao Trung bình - Nhiễu thấp 1 bậc tự do

Nhiệt

điện trở Nhiệt Không Thấp Trung bình

- Không cần khối gia trọng

- Tần số thấp, nhiễu lớn bậc tự do 1 hoặc 2

1.2.2.1 Cảm biến gia tốc áp điện trở

Khối gia trọng

V ỏ cảm biến

Áp điện trở Mạch điện tử

Hình 1.7 Cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở

Cảm biến gia tốc áp điện trở là một trong những cảm biến gia tốc chất rắn được chế tạo đầu tiên Đối với loại cảm biến gia tốc này, các phần tử áp điện trở được đặt trên hệ thanh dầm Khi cảm biến gia tốc áp điện trở chịu tác động của một gia tốc, khối trọng sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống, do vậy gây ra một phân

bố ứng suất trên hệ thanh dầm khiến các phần tử áp điện trở thay đổi điện trở Do

vậy sẽ có được mối quan hệ giữa điện trở vào gia tốc Ví dụ hình 1.7 là hình vẽ

mặt cắt ngang của một cảm biến gia tốc áp điện trở

Bằng cách cấy các phần tử áp điện trở lên hệ thanh dầm theo cấu hình mạch cầu Wheatstone, hai phần tử áp điện trở sẽ chịu tác dụng của ứng suất kéo

và hai phần tử chịu tác dụng của ứng suất nén, gia tốc sẽ được xác định Ngoài

ra, với cấu hình cầu wheaston, hiệu ứng nhiệt sẽ được giảm thiểu do tín hiệu ra gây bởi nhiệt độ trên mỗi áp điện trở đã được bù trừ trong hệ thống cầu

Ngày nay, việc thu nhỏ cảm biến đóng đang rất được chú trọng Tuy nhiên, khi thu nhỏ cảm biến thì đồng thời sẽ làm giảm độ nhạy và độ phân giải

Để tăng độ nhạy và độ phân giải cho các cảm biến gia tốc kiểu áp trở người ta đã tìm cách tăng hệ số áp điện trở [1.5] Tiến sĩ Đào Việt Dũng và các đồng nghiệp

đã chế tạo các áp điện trở dưới dạng sợi nano silic pha tạp, có kích thước ngang

là 63 nm, kích thước dài là 3 µm Với áp điện trở một chiều, hệ số áp điện trở

π1[011] cực đại tăng 60% so với áp điện trở khối Điều này được giải thích là do các cơ chế truyền lỗ trống một chiều và hiệu ứng dịch khối lượng dẫn lỗ trống dựa trên hệ thống vận tải lỗ trống một chiều, xảy ra trong áp điện trở sợi nano silic pha tạp [1.5]

Ưu điểm của các cảm biến gia tốc loại này là cơ chế rất đơn giản, không cần các mạch điện tử phức tạp nên dễ tích hợp Nhược điểm của loại này là hiệu ứng áp điện trở phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ, do vậy thường phải có thêm các mạch điện tử để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ như đã trình bày trong các phần

Thanh

d ầm

Khối gia trọng

điện màng dày (b): ảnh SEM

Cảm biến gia tốc dựa trên hiệu ứng áp điện cũng giống như cảm biến gia tốc hiệu ứng áp điện trở Trên các cảm biến gia tốc áp điện, các phần tử áp điện

được cấy hoặc phủ lên hệ thanh dầm, hình 1.8, dưới sự thay đổi của ứng suất trên

hệ thanh dầm do tác động của gia tốc làm khối trọng chuyển động, do đó thay đổi điện áp trên phần tử áp điện Nhờ vậy có mối liên hệ giữa điện áp lối ra và

gia tốc tác động Đặc điểm của cảm biến gia tốc hiệu ứng áp điện đó là có dải tần làm việc lớn, có thể đạt được tới vài chục kHz Tuy nhiên nhược điểm chính của cảm biến gia tốc áp điện đó là không đáp ứng với tín hiệu gia tốc tĩnh hay với gia tốc ở tần thấp, do sự mất mát điện tích

1.2.2.3 Cảm biến gia tốc cộng hưởng

Nguyên lý của nó là dựa trên cơ sở sự thay đổi tần số cộng hưởng của vi cầu (micro brigde) dưới tác động của ứng suất kéo hay nén Bằng cách đặt các vi cầu cộng hưởng lên hệ thanh dầm, tần số cộng hưởng thay đổi do sự dịch chuyển của khối gia trọng và do vậy thay đổi theo gia tốc

1.2.2.4 Cảm biến gia tốc điện từ

Cảm biến bao gồm hai cuộn dây phẳng, một nằm trên khối trọng và một

nằm trên đế cố định, hình 1.9, trong hai cuộn được sử dụng phát từ trường xoay

chiều Do đó, một hiệu điện thế cảm ứng được sinh ra trong cuộn còn lại có biên

độ tỷ lệ với khoảng cách giữa hai cuộn dây Theo cách đó, khối trọng dịch chuyển và do đó gia tốc được xác định

Điện cực tiếp xúc

D ấu so mask

Phần dưới

V ật ngăn cách

Khối gia trọng Cổng ra

Cuộn phẳng

1.2.2.5 Cảm biến gia tốc nhiệt

Đế Màng Ngu ồn nhiệt

Pin nhiệt điện

Lò nhiệt gắn trên khối gia trọng

Hình 1.10 Cảm biến gia tốc nhiệt

Theo nguyên lý nhiệt, vị trí của khối gia trọng ảnh hưởng tới thông lượng dòng nhiệt do cuộn dây sinh ra truyền vào lớp khí giữa khối gia trọng và đế Khi

có sự thay đổi về dòng nhiệt, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa phần gia nhiệt và phần tử nằm trong môi trường được gia nhiệt đó Sự chênh lệch nhiệt độ phụ thuộc vào vị trí của khối trọng, do đó có mối quan hệ với gia tốc Khối gia trọng

có thể là nguồn nhiệt hay cũng có thể là vật nhận nhiệt, cùng lúc đó đế tương ứng sẽ là vật thu nhiệt hay sinh nhiệt (nguồn nhiệt) Sự chênh lệch nhiệt độ được

xác định bởi pin nhiệt điện Hình 1.10 mô tả cảm biến gia tốc nhiệt

1.2.2.6 Cảm biến gia tốc quang học

Các cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý quang học, đó là sự thay đổi về

cường độ ánh sáng nhờ sự dịch chuyển của khối trọng đóng vai trò như một cửa

chớp hoặc do sự thay đổi bước sóng phản xạ bằng việc sử dụng một cách tử Bragg đối với sóng phẳng Hình 1.11 mô tả cảm biến gia tốc quang học

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

dụng loại phiến (110) thay vì loại phiến (100) hay được chế tạo mạch điện và các

cảm biến gia tốc vi cơ khối khác Các sườn của cấu trúc luôn dựng đứng do đặc

trưng công nghệ ăn mòn uớt, đặc điểm này cho phép cường độ ánh sáng phụ thuộc vào gia tốc sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng đi từ trên xuống dưới đáy, nơi

có gắn một photodiot detector Chuyển động của khối trọng thuộc vào gia tốc làm thay đổi cường độ sáng chiếu tới detector

Vùng đi-ốt Tiếp xúc

loại n DETECTOR

LED đỏ

Điện cực LED NGUỒN SÁNG

Bộ LED

Điện cực tiếp xúc loại p

Khối gia trọng

CỬA ÁNH SÁNG

1.2.2.7 Cảm biến gia tốc xuyên ngầm

Kh ối gia trọng

Các điện cực biến dạng dạng thanh để chỉnh thô Các điện cực biến dạng dạng thanh để tỉnh chỉnh Mũi nhọn xuyên ngầm ĐIện cực xuyên ngầm

Dòng xuyên ngầm từ mũi nhọn xuyên ngầm (hình 1.12) tới một điện cực

là một hàm mũ theo khoảng cách giữa mũi nhọn và bản cực và vì vậy có thể

được dùng để đo vị trí của khối trọng Dòng xuyên ngầm được xác định bởi công thức

xỉ một hằng số Từ đó có mối liên hệ giữa gia tốc và điện áp cần thiết để sinh gia lực tĩnh điện đó Dịch chuyển của bản cực trên khối trọng được sử dụng để kéo khối trọng bằng lực tĩnh điện đến một khoảng cách nhất định mà tại đó xuất hiện dòng xuyên ngầm Sự dịch chuyển của điện cực trên thanh chấp hành được sử dụng để điều khiển hồi tiếp làm duy trì khoảng cách giữa mũi nhọn và thanh chấp hành là hằng số

1.2.2.8 Cảm biến gia tốc kiểu tụ

Cảm biến gia tốc kiểu tụ hoạt động dựa trên phương pháp chuyển vị Cấu trúc cảm biến bao gồm điện cực trên khối trọng và bản điện cực trên đế cố định Hai bản điện cực được thiết kế cách nhau một khe hẹp tạo thành một tụ điện Tụ điện này có một bản di động và bản cố định Khi chịu tác dụng của gia tốc bên

ngoài, khối trọng dịch chuyển làm thay đổi khoảng cỏch giữa hai bản tụ Chuyển

vị của khối trọng tỷ lệ với gia tốc, nờn ta cú mối quan hệ giữa điện dung và gia tốc Bằng cỏc mạch chuyển đổi điện ỏp đo điện dung sẽ cú được sự phụ thuộc giữa điện ỏp theo gia tốc Thụng thường cú hai cỏch thay đổi điện dung, hỡnh 1-

13, thay đổi theo khoảng cỏch hỡnh 1.3.a và thay đổi theo diện tớch, hỡnh 1.3.b Đối với cảm biến gia tốc ba bậc tự do sẽ phải sử dụng thay đổi đồng thời cả hai yếu tố này

hai bản tụ (b) Thay đổi diện tớch giữa hai bản tụ

1.3 Hiệu ứng áp điện trở

Các vi cảm biến áp trở hoạt động trên nguyên lí của hiệu ứng áp điện trở Vì vậy, việc hiểu biết đầy đủ về hiệu ứng này là hết sức quan trọng Đây sẽ là những kiến thức cơ sở mà dựa vào đó chúng ta có thể tìm ra qui tắc thiết kế cảm biến và tối ưu hoá các thiết kế đó Trong phần này, chúng ta sẽ lần lượt đề cập hiệu ứng áp trở trên phương diện toán học nhằm đưa ra các biểu thức định lượng cần thiết Sau đó, bản chất hiện tượng được làm rõ trên cơ sở lý thuyết vùng năng lượng và ứng dụng trong cầu Wheaston

1.3.1 Mô tả toán học hiệu ứng áp trở:

Đối với tinh thể dị hướng 3 chiều, định luật Ohm liên hệ véc tơ cường độ

điện trường Ε với véc tơ mật độ dòng điện i được biểu diễn qua một tenxơ điện trở suất hạng 3 x 3 như sau:

3 4 5

4 2 6

5 6 1

3

2

1

E

E

E

i i i

ρ ρ ρ

ρ ρ ρ

ρ ρ ρ

(1.7)

Do tính đối xứng của mạng tinh thể silic, trước hết ta mô tả hiệu ứng áp trở trong hệ toạ độ Đề-các có các trục tọa độ định hướng theo các trục tinh thể <100> Khi đó, các thành phần ρ1, ρ2, ρ3 là các điện trở suất dọc xác định sự phụ thuộc của cường độ điện trường dọc theo một trong các hướng <100> với cường độ dòng điện theo hướng đó, và các thành phần ρ4, ρ5, ρ6 là các điện trở suất ngang, liên hệ cường

độ điện trường dọc theo một trục với dòng điện theo hướng vuông góc Đối với một vật dẫn đẳng hướng, chẳng hạn silic không ứng suất, thì ρ1 = ρ2 = ρ3 = ρ và ρ4 = ρ5

= ρ6 = 0

Trong các vật liệu áp trở, sáu thành phần điện trở suất này phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của vật liệu, chúng cũng có thể được diễn tả qua 6 thành phần ứng suất: 3 thành phần ứng suất thẳng góc σ1, σ2, σ3 dọc theo 3 trục tinh thể, và 3 thành phần ứng suất trượt τ1, τ2, τ3 như được mô tả trên hình 1.14, trong đó các

ứng suất này xuất hiện khi tác dụng lực lên một hình hộp có các kích thước là các

số gia dx, dy và dz So sánh với trường

Bây giờ chúng ta có thể mô tả hiệu ứng áp trở bằng cách liên hệ mỗi một trong sáu sự thay đổi tỉ số điện trở suất với một trong sáu thành phần ứng suất

Về mặt toán học, điều này thể hiện bởi một ma trận có 36 phần tử Xuất phát từ mối quan hệ này, người ta gọi các phần tử của ma trận là các hệ số áp trở πij, đo bằng 1/Pa

Để xác định ma trận đó, cần thiết phải thực hiện 36 phép đo độc lập Tuy nhiên, nhiệm vụ này được đơn giản hóa đáng kể đối với vật liệu tinh thể Vì ma trận này biểu diễn tính chất của một đơn tinh thể, nên nó không được thay đổi dưới các phép biến đổi đối xứng Bởi vậy, dạng của ma trận phải được tìm ra theo qui luật lí thuyết cho mỗi lớp các tinh thể thuộc cùng một nhóm cấu trúc Điều kiện đối xứng dẫn tới các phần tử ở các vị trí đối xứng có mối quan hệ đối xứng với nhau, làm giảm số lượng các phần tử độc lập rất nhiều Số lượng các phần tử khác 0 trong số 36 phần tử là nhỏ hơn 36 nhiều Đối với cấu trúc tinh thể lập phương của Si, ba hệ số khác nhau còn lại là π11, π12 và π44:

44 44 44

11 12 12

12 11 12

12 12 11

0 0

0 0 0

0 0 0

0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

1

τ τ τ σ σ σ

π π π

π π π

π π π

π π π

3 11 3 3

1 3 3 1 44 2 3 1 12 2 2 11 2 2

2 3 3 2 44 1 3 2 12 1 11 1 1

τ τ ρπ σ

σ π ρ σ ρπ ρ

τ τ ρπ σ

σ π ρ σ ρπ ρ

τ τ ρπ σ

σ π ρ σ ρπ ρ

i i i

i i

i i i

i i

i i i

i i

+ +

+ +

+

=

Ε

+ +

+ +

+

=

Ε

+ +

+ +

ứng suất theo hướng dòng điện lên sự rơi thế theo hướng đó Số hạng còn lại minh hoạ mối quan hệ áp trở phức tạp hơn của mạng tinh thể chịu ứng suất Những hệ số này là tính chất của vật liệu và vì vậy chúng thay đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác Các hệ số π11, π12 và π44 được xác định từ thực nghiệm

Hình 1.15 Các định hướng giữa dòng điện và ứng suất mô tả hiệu ứng áp trở theo phương song song (a) và hiệu ứng áp trở theo phương vuông góc (b)

Trong ứng dụng thực tế, các áp điện trở có thể định hướng theo nhiều hướng khác nhau, không nhất thiết phải định hướng theo các trục tinh thể Vì vậy, cần thiết phải đưa vào các biểu thức xác định hiệu ứng áp trở theo một hướng bất kì thông qua các hệ số áp trở theo các trục tinh thể Có hai định hướng quan trọng cần phân tích chi tiết vì chúng thể hiện các vấn đề chung nhất cho các linh kiện kiểu áp trở Sự định hướng thứ nhất liên quan tới trạng thái đơn trục của ứng suất σ*, cường độ điện trường E* và mật độ dòng điện i *, tất cả nằm trong cùng một hướng, nhưng không nhất thiết phải dọc theo một trục tinh thể (hình 1.15a) Trong trường hợp này, mối quan hệ giữa ứng suất và sự thay đổi điện trở

suất được gọi là hệ số áp trở song song, biểu thị bằng π// Sự định hướng thứ hai liên quan tới ứng suất đơn trục đặt vuông góc với cả véc-tơ cường độ điện trường

và véc-tơ mật độ dòng điện (hình 1.15b) Hệ số áp trở trong trường hợp này được

gọi là hệ số áp trở vuông góc π⊥ Để tính π// và π⊥ như là một hàm của 3 hệ số áp

trở trong hệ toạ độ trục tinh thể <100>, ta sử dụng phép biến đổi hệ toạ độ như trên hình 1.16 Các công thức chuyển đổi toạ độ được sử dụng là:

n m l

n m l

n m l

2 2 2

1 1 1

φ θ

φ

ψ θ ψ φ ψ θ φ ψ

φ ψ θ φ

ψ θ ψ

φ ψ θ φ ψ

φ ψ θ φ

cos sin

sin sin

cos

cos sin cos

cos sin cos sin cos

sin sin cos cos

cos sin sin

cos cos cos sin sin

sin cos cos cos

Hình 1.16 Các góc Euler trong phép biến đổi các trục toạ độ Đề-các

Trong định hướng đang xét hiệu ứng áp trở, định luật Ohm được biểu diễn như sau:

Hệ quả là, nếu (π44 + π12 - π11) ≠ 0, hệ số áp trở song song sẽ có hoặc cực đại hoặc cực tiểu theo các hướng <111>, tuỳ thuộc vào tương quan độ lớn giữa π11,

π12 và π44 Các vật liệu có cực tiểu theo hướng <111> sẽ có cực đại π// dọc theo các trục tinh thể Giá trị của π// theo hướng <111> thu được từ phương trình (1.18) bằng cách đặt l2

1 = m2

1 =n2

1 =1/3:

(π//)<111> = (1/3).(π11+ 2π12 + 2π44) (1.16)

Bảng 1.2 trình bày các hệ số áp trở song song và vuông góc đối với một số

hướng quan trọng trong đơn tinh thể silic

Tác giả Smith là người đầu tiên thực việc đo các hệ số áp trở π11, π12 và π44

bằng thực nghiệm Bảng 1.3 đưa ra các kết quả mà Smith công bố năm 1954 Các

hệ số lớn nhất thu được là π11 trong silic loại n (khoảng - 102.10-11 Pa-1), và π44

trong silic loại p (khoảng 138 x 10-11 Pa -1)

Bảng 1.2 Các hệ số áp trở song song và vuông góc theo các hướng khác nhau

Dựa vào các giá trị trong bảng 1.3 và các biểu thức (1.14), (1.15), có thể

xác định các hệ số áp trở π// và π⊥ theo bất kỳ định hướng nào Hệ số π// có giá trị

cực đại hoặc theo hướng <111> hoặc theo hướng <100>, tuỳ thuộc vào tương quan độ lớn của các hệ số áp trở chính Từ các dữ liệu trong bảng 1.3, có thể kết

luận rằng silic loại p có hiệu ứng cực đại theo hướng <111>, trong khi đó silic loại n có hiệu ứng song song cực đại dọc các trục tinh thể <100> Các biểu thức trong bảng 1.2 cho các giá trị cực đại đối với nồng độ pha tạp thấp ở nhiệt độ

Trong đó, σ// là thành phần ứng suất theo hướng song song với dòng điện,

σ⊥ là thành phần ứng suất theo hướng vuông góc với dòng điện.

Hình 1.17 biểu diễn sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và vuông

góc vào các hướng trong mặt phẳng (100) Có thể thấy, đối với silic loại p, các hệ

số áp trở song song và vuông góc gần như đối xứng nhau và có giá trị cực đại theo hướng tinh thể [110] và các hướng tương đương Trong khi đó, đối với silic

loại n, các hệ số áp trở song song và vuông góc không có tính đối xứng Hệ số áp trở song song có giá trị lớn hơn nhiều so với hệ số áp trở vuông góc và hướng có cực đại của các hệ số áp trở là hướng [100] và các hướng tương đương Kết quả trong hình này và các biểu thức (1.17) chỉ ra rằng có thể thu được hiệu ứng áp trở lớn hơn trong silic loại n Tuy nhiên, các áp điện trở được sử dụng phổ biến lại là loại p vì cấu trúc 3 chiều tạo được bởi kĩ thuật ăn mòn dị hướng chỉ có một số

định hướng xác định Khi sử dụng kĩ thuật ăn mòn dị hướng để tạo cấu trúc trên phiến silic (100), cạnh của cấu trúc được tạo ra có phương song song với các phương trục <110> Theo các phương này, các hệ số áp trở đối với silic loại p gần như bằng nhau về độ lớn nhưng trái dấu, tạo ra sự thay đổi cực đại về giá trị của các áp điện trở Trong khi đó, đây lại là phương ứng với cực tiểu của các hệ số áp trở đối với silic loại n Vì vậy, trong công nghệ chế tạo vi cảm biến áp trở, các đế silic được sử dụng phổ biến là phiến silic (100) loại n và áp trở cấy trên màng silic là áp trở loại p

Hiệu ứng áp trở cũng được mô tả qua hệ số đầu đo (hệ số gauge), được xác

định như sự thay đổi tương đối của điện trở trên một đơn vị biến dạng [37]:

ρ

ρ ε

ν ε

d R

trống hoàn toàn tạo thành vùng dẫn Trong các vùng năng lượng có các vùng con (hay các phân vùng) chồng lên nhau Các vùng con này được mô tả là các nhánh năng lượng Trên hình 1.18 biểu diễn các nhánh năng lượng đó theo hướng [111]

và hướng [100], các nhánh được vẽ tách rời cho dễ thấy, nhưng không giữ đúng tỉ

lệ kích thước và không vẽ hết các nhánh [1.6]

Trong vùng hoá trị, cực đại của nhánh thứ nhất và nhánh thứ hai trùng nhau và nằm ở tâm vùng Brillouin, cực đại của

nhánh thứ ba cũng ở tâm vùng Brillouin nhưng hạ

thấp xuống một khoảng ∆Es = 0,035 eV do tương

tác spin - quĩ đạo Mặt đẳng năng gần cực đại của

nhánh thứ nhất và nhánh thứ hai có dạng mặt cầu

bị biến dạng (hình 1.19) Khối lượng hiệu dụng

của lỗ trống tương ứng với các nhánh này là: *

trống nặng, nhánh thứ hai là nhánh lỗ trống nhẹ

Đối với nhánh thứ ba, mặt đẳng năng gần cực đại

là mặt cầu Khối lượng hiệu dụng của lỗ trống

ứng với nhánh này là *

3

m = 0,24m (vì vậy gọi là nhánh lỗ trống trung bình)

Trong vùng dẫn, sự lai hoá giữa các mức p

và s, kể cả spin, tạo ra sự suy biến bậc 6 Vì thế,

vùng dẫn của silic gồm 6 nhánh chồng lên nhau,

nhưng có một số nhánh theo một số hướng trùng

Hình 1.19 Mặt đẳng năng của lỗ trống nặng của silic

Hình 1.20 Sơ đồ các thung lũng năng lượng (các túi electron) trong vùng dẫn của silic

nhau Theo hướng tinh thể [100], nhánh năng lượng đánh số 2 có một cực tiểu tuyệt đối nằm gọn trong vùng Brillouin Do tính đối xứng của tinh thể, dễ dàng nhận ra sẽ có tất cả 6 cực tiểu trong vùng Brillouin thứ nhất Nếu vẽ mặt đẳng năng trong không gian k có năng lượng lớn hơn năng lượng cực tiểu một ít, ta sẽ thấy mặt đẳng năng lân cận cực tiểu vùng dẫn của silic có dạng những elip tròn xoay trong đó trục xoay nằm theo hướng [100] và các hướng tương đương Các electron trong vùng dẫn với nồng độ nhỏ thường tập trung ở 6 cực tiểu năng lượng, vì thế các cực tiểu năng lượng được gọi là các túi electron (hay các thung lũng năng lượng) Hình 1.21 biểu diễn các túi electron trong vùng dẫn của silic Có

thể thấy hai thành phần của khối lượng hiệu dụng m1 và m2 (theo các phương vuông góc với trục xoay elip) là bằng nhau và khác với thành phần còn lại m3

(theo phương trục xoay): m1 = m2 = m⊥ ≠ m3 = m//, trong đó: m⊥ = 0,19m, m// = 0,98m Tỉ số giữa các thành phần khối lượng hiệu dụng theo các phương song song và vuông góc với trục xoay và tỉ số giữa

các bán trục tương ứng của elip tròn xoay là:

m/// m⊥ = 5,16 và a///a⊥ = 2,27 Sự bất đối

xứng này khiến cho các electron có độ linh

động theo các phương là không giống nhau

Độ linh động có giá trị thấp nhất theo

phương trục xoay elip, và cao nhất theo các

phương vuông góc

Sự thay đổi điện trở suất (hay độ dẫn)

của silic có thể được giải thích dựa vào sự

thay đổi về nồng độ hạt dẫn và độ linh động

hạt dẫn Xét trường hợp đơn tinh thể silic loại

Hình 1.21 Sự thay đổi các mặt

đẳng năng lân cận cực tiểu năng lượng trong vùng dẫn của silic BEP: band-edge point

lượng Fermi

n Nếu tinh thể không có ứng suất tác dụng, tất cả các thung lũng năng lượng sẽ có tính chất như nhau và được chiếm như nhau bởi các electron Độ dẫn toàn bộ của khối vật liệu trong trường hợp này là đẳng hướng Giả sử nén tinh thể theo phương trục [100] Khoảng cách giữa các nguyên tử theo phương này giảm xuống làm năng lượng trao đổi theo phương này tăng lên Trong khi đó theo hai hướng vuông góc [010] và [001] thì khoảng cách giữa các nguyên tử lại tăng lên làm cho năng lượng trao đổi giảm đi Đáy thung lũng năng lượng theo hướng [100] hạ thấp xuống, còn theo hai hướng vuông góc thì nâng cao lên Hình 1.19 mô tả sự thay đổi mặt đẳng năng theo các hướng [100] và [010], sự thay đổi năng lượng

được minh hoạ bởi các đường nét đứt Do mức Fermi không thay đổi, nên khoảng cách tương đối từ đáy thung lũng đến mức Fermi thay đổi Theo hướng [100], khoảng cách giữa đáy thung lũng và mức Fermi tăng lên, trong khi đó theo các hướng [010] và [001] khoảng cách này giảm đi Nồng độ hạt dẫn và độ linh động hạt dẫn trong các thung lũng thay đổi theo do có sự di chuyển của các electron từ các thung lũng theo hướng [010] và [001] sang thung lũng theo hướng [100] Độ linh động trung bình của hạt dẫn trở nên cao hơn theo hướng nén (hiệu ứng song song) và thấp hơn theo hướng vuông góc với trục nén (hiệu ứng vuông góc) Các

sự thay đổi này tạo ra sự dị hướng trong điện trở suất và độ dẫn tổng cộng của mạng tinh thể, gây ra hiệu ứng áp trở Càng tăng ứng suất, sự mất đối xứng trong mạng tinh thể càng tăng, hiệu ứng áp trở sẽ càng mạnh Trường hợp kéo giãn tinh thể theo hướng trục [100] được giải thích tương tự Như vậy, ứng suất theo hướng

<100> phá huỷ đáng kể tính đối xứng trong mạng tinh thể, nên các thung lũng

được định hướng theo các trục <100> có hệ số π11 là lớn nhất Tuy nhiên, nếu tinh thể chịu ứng suất theo hướng <111>, hoặc nếu sự thay đổi điện trở được đo theo hướng <111>, sẽ có một hiệu ứng nhỏ có thể bỏ qua được, bởi vì các hướng này có tính đối xứng cho cả ba thung lũng