Nghiên cứu, mô phỏng cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu và bề dày màng cảm biến sử dụng phần mềm comsol multiphysics

Phần mềm COMSOL Multiphysics được sử dụng để mô phỏng cảm biến áp suất điện dung MEMS tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất và giảm thời gian của quá trình chế tạo thiết bị.. Đồ án ba

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN VĂN PHÚ

Lớp : 54K2 ĐTTT

Khóa học : 2013 - 2018

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Nghệ An, 05-2018

LỜI MỞ ĐẦU

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, hiệu quả nâng cao và hệ thống đáng tin cậy MEMS là sự tích hợp các yếu tố

cơ khí, cảm biến, bộ truyền động và thiết bị điện tử trên một chất nền thông thường

sử dụng các trình tự mạch tích hợp Cảm biến áp suất vi mô được áp dụng rộng rãi trong ô tô, y sinh, không gian, quân sự và các ứng dụng công nghiệp khác nhau Cảm biến áp suất được chế tạo bởi công nghệ MEMS có những lợi ích của kích thước nhỏ, chi phí thấp và hiệu suất cao Cảm biến áp suất điện dung cung cấp độ nhạy áp suất rất cao, độ ồn thấp, độ nhạy nhiệt độ thấp và được ưu tiên trong nhiều ứng dụng hiệu suất cao Cảm biến áp suất điện dung dựa trên áp suất được áp dụng làm thay đổi khoảng cách giữa hai điện cực dẫn đến sự thay đổi trong điện dung Ngày nay, công nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi đặc biệt là mô phỏng, thiết kế cảm biến áp suất sử dụng phần mềm mô phỏng MEMS như COMSOL Multiphysics Phần mềm COMSOL Multiphysics được sử dụng để mô phỏng cảm biến áp suất điện dung MEMS tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất và giảm thời gian của quá trình chế tạo thiết bị Vì vậy, trong đồ án này tôi thực hiện đồ án

“Nghiên cứu, mô phỏng cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu và bề dày màng cảm biến sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics” Mục đích là đánh

giá chính xác độ nhạy cảm biến khi có áp suất tác dụng, ảnh hưởng của nhiệt độ đối với điện dung Từ đó, các nhà khoa học và kỹ sư có thể tiết kiệm thời gian và tiền bạc trong quá trình chế tạo sản phẩm thực tế

Đồ án bao gồm ba chương:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS

Chương 2: Cảm biến áp suất và ứng dụng

Chương 3: Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung dựa trên phần mềm COMSOL Multiphysics

Nghệ An, ngày 22 tháng 5 năm 2018

Sinh viên

Nguyễn Văn Phú

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án trình bày về hệ thống vi cơ điện tử MEMS, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến áp suất trong mọi lĩnh vực như ô tô, sản xuất, hàng không, đo lường sinh học, điều hòa không khí, thủy lực Sự thay đổi của điện dung khi thay đổi vật liệu (Silicon, SiC_6H, Si3N4) và bề dày màng (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) của cảm biến áp suất điện dung được nghiên cứu thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics Các kết quả mô phỏng thu được cho thấy: (1) khi thay đổi vật liệu của cảm biến áp suất điện dung lần lượt Silicon, Si_6H và Si3N4 thì độ nhạy cảm biến thay đổi Trong đó, cảm biến áp suất sử dụng vật liệu Silicon có độ nhạy tốt hơn cảm biến sử dụng vật liệu SiC(6H) và Si3N4 (2) Khi thay đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung thì độ nhạy của cảm biến cũng thay đổi Cảm biến có bề dày màng nhỏ hơn sẽ có độ nhạy tốt hơn (3) Ngoài ra cảm biến áp suất điện dung còn chịu ảnh hưởng khi có nhiệt độ tác dụng

ABSTRACT

Projects presented on the micro-electronic system (MEMS), principle operation and application of pressure sensor in all areas as automotive, production, aviation, biological measurement, aircondition air, hydraulics The change of capacitance when changing materials (Silicon, SiC_6H, Si3N4) and membrane thickness (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) of the capacitive pressure sensor is the study of design and simulation software COMSOL Multiphysics The simulation results obtained shows: (1) When changing the material of the capacitive pressure sensor turn Silicon, Si_6H and Si3N4 then change the sensor sensitivity In the pressure sensor using Silicon material has better sensor sensitivity using the material SiC(6H) và Si3N4 (2) When changing the membrane thickness capacitive pressure sensor, the sensor's sensitivity is also changing The sensor has a smaller membrane thickness will have better sensitivity (3) In addition the capacitive pressure sensor is also affected when there is a temperature effect

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ix

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS 1

1.1 Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS 1

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS 1

1.1.2 Lịch sử phát triển của MEMS 1

1.1.3 Thực trạng MEMS trong và ngoài nước 2

1.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS 3

1.2.1 Quang khắc - Lithography 4

1.2.2 Vi cơ khối 6

1.2.3 Vi cơ bề mặt 7

1.2.4 LIGA 8

1.2.5 Hàn 9

1.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS 9

1.4 Kết luận chương 10

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG 11

2.1 Cảm biến áp suất 11

2.1.1 Khái niệm 11

2.1.2 Phân loại cảm biến áp suất 12

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 13

2.1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất 14

2.2 Cảm biến áp suất điện dung 15

2.3 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG

DỰA TRÊN PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS 18

3.1 Giới thiệu về phần mềm COMSOL Multiphysics 18

3.1.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics 18

3.1.2 Các môi trường làm việc trong COMSOL Multiphysics 19

3.1.3 Thao tác với đối tượng trong COMSOL Multiphysics 22

3.2 Thiết kế mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất điện dung 26

3.2.1 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung 26

3.2.2 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu 28

3.2.3 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi bề dày lớp màng 36

3.3 Kết luận chương 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Quá trình quang khắc 4

Hình 1.2 Các quy trình ăn mòn 7

Hình 1.3 Quy trình chế tạo sử dụng vi cơ bề mặt 8

Hình 1.4 Quy trình chế tạo bánh răng bằng công nghệ LIGA [6] 9

Hình 2.1 Cảm biến áp suất áp trở 12

Hình 2.2 Nguyên lý áp kế điện dung 13

Hình 2.3 Sơ đồ khối cảm biến áp suất 13

Hình 2.4 Mô hình nguyên khối của cảm biến áp suất điện dung 16

Hình 2.5 Một phần tư mô hình cảm biến áp suất điện dung 16

Hình 2.6 Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung 17

Hình 3.1 Giao diện làm việc của phần mềm COMSOL 5.3a 19

Hình 3.2 Các chế độ trong COMSOL Multiphysics 21

Hình 3.3 Lựa chọn chế độ và môi trường nghiên cứu 22

Hình 3.4 Đường dẫn để thiết lập đối tượng mới 22

Hình 3.5 Không gian vẽ 3D trong COMSOL Multiphysics 23

Hình 3.6 Các công cụ vẽ trong không gian 3D 23

Hình 3.7 Công cụ tạo khối Geometry 24

Hình 3.8 Chi tiết sau khi được thiết lập 25

Hình 3.9 Tạo khối đế cho cảm biến 25

Hình 3.10 Một phần tư của cảm biến được thiết kế 26

Hình 3.11 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu Silicon 29

Hình 3.12 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu SiC(6H) 30

Hình 3.13 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu Si3N4 30

Hình 3.14 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu Silicon 31

Hình 3.15 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu SiC(6H) 31

Hình 3.16 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu Si3N4 31

Hình 3.17 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng Silicon 32

Hình 3.18 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng SiC(6H) 33

Hình 3.19 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng Si3N4 33

Hình 3.20 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng Si3N4 34

Hình 3.21 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng SiC(6H) 35

Hình 3.22 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng Silicon 35

Hình 3.23 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.011 mm 36

Hình 3.24 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.012 mm 36

Hình 3.25 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.013 mm 37

Hình 3.26 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.011 mm 37

Hình 3.27 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.012 mm 37

Hình 3.28 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.013 mm 38

Hình 3.29 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.011 mm 39

Hình 3.30 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.012 mm 39

Hình 3.31 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.013 mm 39

Hình 3.32 Tác động của nhiệt độ làm việc đến điện dung khi thay đổi bề dày màng 40

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Đổi đơn vị áp suất 11

Bảng 3.1 Bảng giá trị thiết lập khối cho cảm biến 25

Bảng 3.2 Tham số các vật liệu 29

Bảng 3.3 Độ nhạy cơ hoành của cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu 32

Bảng 3.4 Độ nhạy của cảm biến áp suất điện dung 34

Bảng 3.5 Độ nhạy cơ hoành cảm biến khi thay đổi bề dày màng cảm biến 38

Bảng 3.6 Độ nhạy cảm biến khi thay đổi bề dày màng áp suất 40

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

ITIMS International Training Institute for

Materials Science

Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu

Technology

Viện Công nghệ Massachusetts

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS [1]

Trong chương này chúng ta giới thiệu tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS, lịch sử phát triển và thực trạng của MEMS trong và ngoài nước Tìm hiểu

về các công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS: Quang khắc – Lithography, vi cơ khối, vi cơ bề mặt, liga và hàn Ứng dụng của MEMS đối với sự phát triển của đời sống xã hội hiện nay

1.1 Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS

1.1.1 Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS

MEMS là tên gọi tắt của cụm từ Micro Electro Mechanical Systems có nghĩa

là hệ thống vi cơ điện tử Đó là sự tích hợp của các linh kiện vi cơ và linh kiện vi điện tử được chế tạo trên cùng một phiến vật liệu thường là Silic bằng công nghệ vi chế Diện tích tổng cộng lớn thì cỡ hàng chục centimet vuông còn nhỏ thì vào cỡ hàng chục micromet vuông Ở châu Âu công nghệ này được gọi là Micro System Technology (MST) hay Micromachining ở Nhật Bản [2]

Công nghệ chế tạo MEMS dựa trên kỹ thuật sản xuất của rất nhiều lĩnh vực như: công nghệ chế tạo mạch tích hợp, cơ khí, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện, hóa học, kỹ thuật chất lỏng, quang học và cả đóng gói bao bì Thiết bị MEMS có thể được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử tiêu dùng, ô tô, y tế, quốc phòng an ninh Một số ứng dụng hiện tại của MEMS như: cảm biến gia tốc, cảm biển áp suất, cảm biến sinh học, microphone, máy chiếu, thiết bị chuyển mạch quang và nhiều sản phẩm khác

1.1.2 Lịch sử phát triển của MEMS

Lịch sử phát triển của MEMS có mối liên hệ chặt chẽ, phụ thuộc vào sự phát triển của các công nghệ vi cơ khác Nhìn chung quá trình lịch sử của MEMS có thể được chia thành các giai đoạn sau [2]

Giai đoạn 1950: Trong thời gian này, các kỹ thuật với vật liệu Silic phát triển rất mạnh mẽ, cho phép chế tạo transistor với chi phí thấp với độ tin cậy cao

Giai đoạn 1960: Vào những năm đầu thập niên 60, công nghệ vi cơ bề mặt ra

đời Điều này cải tiến rõ rệt độ tin cậy và chi phí trong việc sản xuất các linh kiện điện tử Cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên trên một mẫu silic Tiếp nối sau đó là các sự ra đời của công nghệ khắc (quang khắc) Trên cơ sở các công nghệ

đó, chế tạo thành công các linh kiện như cảm biến áp suất, transistor cộng hưởng Giai đoạn 1970: Trên cơ sở các công nghệ, kỹ thuật sản xuất đã có mặt trong các thập niên trước, chế tạo thành công cảm biến gia tốc bằng silic và vòi phun máy

in kích cỡ µm

Giai đoạn 1980: Vào những năm đầu thập niên 80, bài thảo luận của Kurt Petersen “Silic là một vật liệu cơ” trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng

mà công nghệ MEMS mang lại Cùng với sự ra đời của công nghệ LIGA (quang khắc, mạ điện, tạo khuôn) vào thời điểm này, các nhà nghiên cứu tại UCB và MIT phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro điều khiển bằng tĩnh điện Giai đoạn 1990: Đây là giai đoạn mà ngành công nghệ chế tạo đạt những bước đột phá lớn Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS trong các lĩnh vực như quang học, sinh học Chế tạo máy gia công tia lửa điện Micro EDM, hệ thống ăn mòn khô phục

vụ cho quá trình chế tạo

Giai đoạn 2000: Cùng với làn sóng bùng nổ khoa học kỹ thuật, MEMS được đưa vào công nghiệp hóa và thương mại hóa một cách rộng rãi và mạnh mẽ

1.1.3 Thực trạng MEMS trong và ngoài nước

Trong những thập niên trước, ứng dụng và lợi ích của MEMS rất ít và chủ yếu phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học Ngày nay những tác động của MEMS vào cuộc sống của chúng ta rất rõ rệt MEMS đã có mặt trong vô số các lĩnh vực trong cuộc sống hiện nay Sản phẩm của MEMS được thương mại hóa và phát triển một cách mạnh mẽ, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và thiết bị như lưu trữ dữ liệu, hiển thị, ứng dụng cho ô tô, viễn thông, giám sát môi trường, y tế và ứng dụng sinh-hóa học; hay những sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày như điện thoại di động, TV, máy chiếu MEMS ngày nay đã thực sự được thương mại hóa thay vì chỉ

là công việc nghiên cứu trước kia

Dựa theo số liệu năm 2004 của tập đoàn MEMS, cứ mỗi người dân Mỹ sử dụng 5 thiết bị MEMS Tổng giá trị công ngành công nghiệp MEMS tại nước này đạt 15 triệu USD [2]

Tại nước ta, công nghệ MEMS bắt đầu được quan tâm trong vài năm gần đây Thông qua việc hợp tác với các nước phát triển như Pháp, Hà Lan, Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) thuộc trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã xây dựng một phòng thí nghiệm công nghệ MEMS bao gồm các trang thiết bị hiện đại như phòng sạch (clean room), hệ thống quang khắc (Lithography), hệ thống ăn mòn khô (Deep Reactive Ion Etching) Trên cơ sở nghiên cứu, chế tạo thành công cảm biến gia tốc loại điện trở ứng dụng trong y học và công nghiệp Kết hợp với bộ môn cơ sở thiết kế máy và robot, viện cơ khí chế tạo và kiểm tra hoạt động của hệ thống điều khiển kiểu tĩnh điện, ứng dụng trong các hệ phân tích y sinh Đơn vị thứ hai có trang thiết bị đủ tốt để triển khai các hoạt động nghiên cứu cảm biến đó là phòng thí nghiệm nano (LNT) thuộc Đại học Quốc gia Tp.HCM Sản phẩm mà LNT phát triển được bao gồm các cảm biến hiệu ứng trường, các loại sàng nano và micro dùng trong y sinh

MEMS đang là một làn sóng mới tại Việt Nam, với mục tiêu ưu tiên đến năm

2020 là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một số hệ thống micro robot, vi kết cấu với kích thước một vài mm dựa trên công nghệ MEMS nhằm mục đích ứng dụng trong các hệ thống vi lắp ráp, vi vận chuyển và định vị (Micro Total Analysis System, Micro Transportation System) hoặc trong công nghệ y sinh

1.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, chi tiết vi cơ Các vi mạch điện tử thường được chế tạo trên phiến silic, do đó xu hướng chế tạo MEMS

là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kỹ thuật tương tự kỹ thuật chế tạo vi mạch điện tử, ví dụ như thuật khắc hình Tuy nhiên các linh kiện của vi mạch điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar) còn linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có thể hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích hợp như tính đàn hồi, tính cứng, tính mềm dẻo, tính phản xạ ánh sáng, tính dẫn

điện Với các công nghệ hiện nay, với chất nền silic có thể chế tạo một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, ví dụ oxit silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện, nitrit silic (Si) vừa cứng vừa đàn hồi Bên cạnh đó cũng có thể dùng các phương pháp bay bốc, phun để tạo những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi lên bề mặt silic rồi khắc hình để tạo

ra chi tiết mong muốn Các công nghệ chế tạo được sử dụng trong MEMS bao gồm: quang khắc, vi cơ khối, vi cơ bề mặt, công nghệ LIGA và hàn

1.2.1 Quang khắc - Lithography

Quang khắc hay lithography là kỹ thuật thường được sử dụng trong công nghệ bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu, linh kiện với hình dạng, kích thước xác định bằng cách sử dụng các bức xạ (ánh sáng, chùm điện tử…) làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo [3]

Ánh sáng

Si SiO2

SiO2 Si

Si Si

SiO2 SiO2 SiO2 SiO2 SiO2

Cảm quang dương Cảm quang âm

Mặt nạ

Hình 1.1 Quá trình quang khắc

Đây là công cụ được sử dụng phổ biến trong công nghệ nano để tạo ra các linh kiện, chi tiết có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao

Quy trình chung của quang khắc được mô tả như sau: bề mặt của phiến silic được phủ một lớp mỏng hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (resist), chất này có tính nhạy cảm với điện tử chiếu vào, và sẽ bị thay đổi tính chất dưới tác dụng của các chùm điện tử Chùm điện tử được chiếu qua một lớp mặt nạ mang hình dáng của linh kiện cần tạo, quá trình này làm thay đổi tính chất của lớp cảm quang do quá trình quang hóa Sự thay đổi có thể là nó sẽ bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa hoặc không bị hòa tan trong dung dịch tráng rửa Cuối cùng linh kiện sẽ được tạo ra nhờ các quá trình ăn mòn

bị hòa tan Ta hãy chú ý rằng tùy từng cảm quang mà sẽ có những chất tráng rửa và chất hòa tan khác nhau, cũng như mỗi loại cảm quang có thể cho độ phân giải khác nhau

b) Quang khắc bằng ánh sáng - Photolithography

Đây là kỹ thuật sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp bán dẫn hiện nay bằng cách sử dụng ánh sáng tử ngoại để chiếu hình trên cảm quang Và mặt nạ để tạo ra hình ảnh của linh kiện trên cảm quang là thủy tinh thạch anh, có phủ kim loại (phổ biến là chromium, Cr) có khắc hình của linh kiện Các hệ thống quang khắc bằng ánh sáng bị ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ vì thế độ phân giải chỉ nằm trong phạm vi vài trăm nm, hay nó chỉ tốt nhất cho các chi tiết lớn cỡ 1 µm trở lên

c) Quang khắc bằng laze - Electron Beam Lithography

Với sự phát triển công nghệ nano công nghệ khắc laze ra đời (EBL - Electrio Beam Lithography) để khắc phục nhược điểm về độ phân giải của công nghệ quang

khắc bằng ánh sáng Nhìn chung quy trình xử lý của EBL giống với quang khắc thông thường Tuy nhiên công nghệ EBL sử dụng các chùm điện tử có bước sóng cực ngắn, vì thế chúng dễ dàng có thể hội tụ thành điểm cực nhỏ, cho phép tạo ra độ phân giải rất cao Hơn nữa, chùm điện tử có thể dễ dàng điều khiển nhờ hệ thống cuộn dây lái tia, do đó chúng có thể quét trực tiếp trên bề mặt cảm quang để tạo ra bức hình bạn muốn mà không cần phải dùng đến bất kỳ một hệ thống mặt nạ cơ học nào Điều duy nhất phải làm là thiết kế mạch linh kiện mình muốn nhờ các phần mềm chuyên dụng và đưa vào máy tính điều khiển Máy tính sẽ sử dụng bức hình này để điều khiển cuộn lái tia quét tương tự như TV trong nhà bạn tạo hình trên màn hình Tuy nhiên quá trình này chậm hơn rất rất nhiều so với công nghệ quang khắc cổ điển, và giá của một hệ thống EBL có chi phí cao hơn Photolithography cả trăm lần

1.2.2 Vi cơ khối

Vi cơ khối là phương pháp lâu đời nhất trong kỹ thuật vi cơ, là quá trình ăn mòn một phần thể tích các phiến vật liệu để tạo các phiến, rãnh, lỗ sâu ở bên trong

nó Từ đó hình thành nên các vật liệu hoặc chi tiết vi cơ [4]

Vi cơ khối được gia công bằng hai phương pháp ăn mòn ướt và ăn mòn khô

a) Ăn mòn ướt - Wet Etching

Ăn mòn ướt thường thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH Việc

ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm) Hình 1.2 biểu diễn sản phẩm của các quá trình ăn mòn

Ăn mòn đẳng hướng là ăn mòn theo mọi hướng với mức gần tương tự nhau

mà không phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu Vì vậy sản phẩm tạo ra có hình dạng bán cầu, trụ Ăn mòn dị hướng thường được sử dụng để tạo ra các rành chữ V hoặc kim

tự tháp

Hình 1.2 Các quy trình ăn mòn

(a) ăn mòn ướt dị hướng (b) ăn mòn ướt đẳng hướng (c) ăn mòn khô

b) Ăn mòn khô - Dry Etching

Ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng thường là ở nhiệt

độ cao Ăn mòn khô được sử dụng để khắc sâu vào lớp chất nền (thường là Silic) và

để lại những vách bên thẳng đứng và độc lập với sự định hướng của tinh thể Khả năng này mở rộng tính đa dạng và sự hữu dụng vi cơ khối Hình dạng, diện tích hố

ăn mòn được xác định theo mặt nạ đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc

độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá Sản phẩm của ăn mòn khô được thể hiện trong Hình 1.2c

1.2.3 Vi cơ bề mặt

Khác với vi cơ khối, vi cơ bề mặt sử dụng các quá trình lắng đọng các màng mỏng, quang khắc có chọn lọc để tạo ra các lớp cấu trúc trên bề mặt chất nền Lớp chất nền lúc này chỉ đóng vai trò là điểm tựa để xây dựng các cấu trúc vật liệu phức tạp trên nó [4]

Hình 1.3 biểu diễn quá trình tạo nên một dầm đa tinh thể poly-silic một đầu cố định bằng phương pháp vi cơ bề mặt

SiO2 SiO2

SiO2 SiO2

(b) Tạo ra một lớp SiO2 trên phiến Si

(c) Dùng mặt nạ khoét để tạo ra diện tích gắn dầm cố định

(d) Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể poly-silic

(e) Dùng mặt nạ 2 để ăn mòn lớp đa tinh thể, vừa đủ để chừa lại một dầm gắn cố định vào lớp nền

(f) Dùng axit ăn mòn hết SiO2 (không ăn mòn Si), ta thu được dầm đa tinh thể với một đầu cố định

1.2.4 LIGA

LIGA là từ ghép các chữ đầu của tiếng Đức cho Lithgraphie, Galvanofruning

và Abformung, nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn [5] Công nghệ ngày được phát triển vào năm 1982, đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắc hình bình thường Trong công nghệ LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm quang ở mức độ mm Chất cảm quang thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm quang theo những diện tích nhất định, những phần cảm quang này sẽ bị hoà tan trong dung môi tráng rửa Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm quang dày, và tia X mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chất cảm quang đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn µm nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất

cảm quang bị hoà tan đi có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ không phải

là hai chiều như ở quang khắc thông thường

Hình 1 4 Quy trình chế tạo bánh răng bằng công nghệ LIGA [6]

1.2.5 Hàn

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, bể ngầm có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau Tạo một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thường rồi hàn lên trên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính [4]

1.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS

Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) mới ra đời nhưng nó có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển của đời sống xã hội

Các ứng dụng phổ cập của MEMS:

Các ứng dụng phổ cập của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp hiện nay có thể tóm tắt như sau:

Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác

Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa

và các phương tiện vận tải

Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gương cho các thiết bị điện tử Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in laser đen trắng và mầu

Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học

Chuyển mạch cho thông tin quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang Vi van là các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơ le trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều

và vô tuyến

1.4 Kết luận chương

Trong chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS cùng với lịch sử phát triển của nó Đồng thời tìm hiểu về các công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS: Quang khắc, vi cơ khối, vi cơ bề mặt, liga, hàn Các ứng dụng phổ cập của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp hiện nay như: sensor áp suất, sensor gia tốc và gyroscope, hiển thị màn hình, đầu phun mực, sensor hóa học, chuyển mạch cho thông tin quang sợi và chuyển mạch cơ điện

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG

Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu về cảm biến áp suất, các loại cảm biến áp suất: cảm biến áp suất áp trở và cảm biến áp suất kiểu tụ Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến áp suất, sơ lược về cảm biến áp suất điện dung

2.1 Cảm biến áp suất

2.1.1 Khái niệm

Cảm biến áp suất là những thiết bị dùng để đo áp suất hoặc có liên quan đến

áp suất, chuyển đối áp suất sang tín hiệu điện được gọi là cảm biến áp suất Những nguồn áp suất cần kiểm tra là: áp suất hơi, áp suất chất lỏng, áp suất khí Trong cảm biến áp suất màng cảm biến được xem là bộ phận quan trọng nhất Áp suất cần đo

sẽ tác động trực tiếp lên màng cảm biến sau đó sẽ được xử lý và đưa ra kết quả

Áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích

(P là áp suất; F: lực; A: diện tích tiếp xúc)

Đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa)

Bảng 2 1 Đổi đơn vị áp suất [7]

2.1.2 Phân loại cảm biến áp suất

a) Cảm biến áp suất áp trở

Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến dạng của cấu trúc màng (khi có áp suất tác động đến) được chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó các phần tử áp điện trở

Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị Độ nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc,

vị trí các áp điện trở trên màng

Hình 2.1 Cảm biến áp suất áp trở

Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với tác động của áp suất Bốn điện trở được đặt tại 4 trung diểm của các cạnh màng, 2 cặp điện trở song song với màng và 2 cặp điện trở vuông góc với màng (để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện trở này có chiều biến dạng trái ngược nhau) Bốn điện trở trên được ghép lại tạo thành cầu Wheatsone

Khi không có áp suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng, điện áp ngõ

ra bằng 0 Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng , các giá trị điện trở thay đổi, cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các

áp điện trở vuông góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra

khác 0 Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc và độ biến dạng của màng, vì vậy bằng cách kiểm tra điện áp ngõ ra đó ta có thể tính toán được áp suất cần đo

b) Cảm biến áp suất kiểu tụ

Loại này có nguyên lý hoạt động đơn giản hơn dự vào giá trị của điện dung để xác định áp suất Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách của cực tụ

Hình 2.2 Nguyên lý áp kế điện dung

Khi có áp suất tác động vào lớp màng làm lớp màng bị biến dạng đẩy bản cực lại gần với nhau hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thay đổi, dựa vào sự thay đổi điện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác định được áp suất cần đo

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

Cảm biến cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử

lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra

Hình 2.3 Sơ đồ khối cảm biến áp suất

+ Áp suất: ngồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …

+ Cảm biến: là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử

lý Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về khối xử lý

+ Khối xử lý: có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực

đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA( tín hiệu thường được sử dụng nhất) , 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC …

2.1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như ô tô, sản xuất, hàng không, đo lường sinh học, điều hòa không khí, thủy lực và các ngành nghề đo lường khác Một vài lĩnh vực nổi bật sử dụng cảm biến áp suất có thể kể dưới đây:

a) Thiết bị màn hình cảm ứng cũng sử dụng cảm biến áp suất

Các thiết bị máy tính và điện thoại thông minh có màn hình cảm ứng di động chắc chắn đi kèm với cảm biến áp suất Bất cứ khi nào có áp suất nhẹ được tác động lên màn hình cảm ứng thông qua một ngón tay hoặc bút stylus, cảm biến sẽ xác định được vị trí chạm đến và tạo ra một tín hiệu điện báo cho bộ xử lý của máy Thông thường cảm biến áp suất này được đặt tại các góc của màn hình Vì vậy khi

áp suất xảy ra, thường sẽ có 2 hoặc tất cả 4 cảm biến cùng hoạt động để cung cấp thông tin chính xác của vị trí

b) Công nghiệp ô tô

Trong ngành công nghiệp ô tô, cảm biến áp suất tạo thành một phần không thể tách rời của động cơ ô tô vì sự an toàn của chính nó Trong động cơ, các cảm biến giám sát dầu, áp suất làm mát và điều chỉnh công suất mà động cơ sẽ vận chuyển để đạt được tốc độ phù hợp bất cứ khi nào máy gia tốc được ép hoặc phanh đưa vào xe

Vì mục đích an toàn, cảm biến áp suất tạo thành một phần quan trong của hệ thống chống bó cứng phanh ABS Hệ thống này thích ứng với địa hình đường phố

và đảm bảo rằng trong trường hợp phanh ở tốc độ cao, lốp xe không bị khóa và xe không bị trượt

Hệ thống túi khí ở trước xe cũng sử dụng cảm biến áp suất để túi khí được kích hoạt để đảm bảo sự an toàn cho hành khách mỗi khi có áp lực cao của xe

c) Trong lĩnh vực y tế

Các dụng cụ như máy đo huyết áp, máy đo nhịp tim đều có cảm biến áp suất

để tối ưu hóa tình trạng sức khỏe của bệnh nhân

d) Trong lĩnh vực hàng không

Trong máy bay, các cảm biến áp suất này là rất cần thiết để duy trì sự cân bằng giữa áp suất khí quyển và các hệ thống điều khiển của máy bay Điều này không chỉ bảo vệ các mạch và các thành phần nội bộ khác nhau của máy bay mà còn cung cấp

dữ liệu chính xác cho hệ thống về môi trường bên ngoài

Như vậy, có thể thấy rằng trong tất cả các loại cảm biến thì cảm biến áp suất được ứng dụng nhiều nhất trong đời sống hiện nay vào rất nhiều ngành nghề lĩnh vực khác nhau

2.2 Cảm biến áp suất điện dung

Cảm biến áp suất vi mô là phiên bản thu nhỏ của các đối tác vĩ mô của chúng Cảm biến cơ hoành được thiết kế để đo đặc tính của màng chắn biến dạng do áp suất được áp dụng Hình dạng của cơ hoành được nhìn từ phía trên là tùy ý, nhưng thường có dạng hình vuông hoặc hình tròn Những hình dạng này hoạt động tương ứng cho một áp lực nhất định Trong bài mô phỏng này, ta tiến hành với cảm biến

có lớp màng hình vuông

Cảm biến áp suất điện dung MEMS bao gồm hai bản cực đặt song song được cách nhau bởi một chất điện môi Bản cực phía dưới được gắn cố định trên đế kim loại, bản cực phía trên là một lớp màng mỏng Mô hình của vi cảm biến áp suất được mô tả trên Hình 2.4 Do tính đối xứng của cấu trúc cảm biến nên mô hình trong mô phỏng chỉ thực hiện trên một phần tư của vi cảm biến (Hình 2.5) Kích thước của cảm biến điện dung với lớp màng hình vuông là 0.5mm Vật liệu cảm biến được gắn với tấm kim loại thép tại 70℃ Do bản chất đối xứng của hình học, ta chỉ xét một góc phần tư của cảm biến Một phần tư của cảm biến áp suất được mô phỏng trong phần mềm Comsol thể hiện trong Hình 2.5

Hình 2.4 Mô hình nguyên khối của cảm biến áp suất điện dung

Hình 2.5 Một phần tư mô hình cảm biến áp suất điện dung

Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung được chỉ ra trong Hình 2.6 Một màng mỏng được giữ ở một điện thế cố định là 1 V Lớp màng được tách ra từ lớp đất kín dưới khoang không khí có bề rộng 0.003mm Cấu trúc cho thấy chất nền silicon (hoặc Si3N4, hoặc SiC), khoang không khí và màng mỏng hoạt động như một màng ngăn Cách điện được cung cấp ở các cạnh của ngăn để ngăn sự liên kết giữa màng và mặt phẳng mặt đất Thép hợp kim AISI 4340 được xử lý bằng nhiệt chứa crom, niken và molypden được sử dụng làm đế của cảm biến Nó có độ bền cao và sức chịu cao trong điều kiện xử lý nhiệt Nó có mật độ 7850kg/𝑚3, điểm nóng chảy cao (1427℃), tỷ lệ Poisson trong khoảng 0,27-0,30 và hệ số giãn nở nhiệt là 12,3ppm/℃

Hình 2.6 Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung

2.3 Kết luận chương

Phần này đã giới thiệu tổng quát về cảm biến áp suất bằng cách nêu định nghĩa

về cảm biến áp suất, các kiểu cảm biến áp suất và nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp suất Qua đó có thể biết thêm về các ứng dụng của cảm biến áp suất Điều này giúp hiểu hơn về cảm biến áp suất và cách sử dụng nó trong những lĩnh vực

khác nhau để có hiệu quả tốt nhất