Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở

Công nghệ MEMS là ngành khoa học công nghệ và ứng dụng dựa trên công nghệ mạch tổ hợp với sự giao thoa của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau như cơ, quang, nhiệt, điện, điện tử, h

Trang 1

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU ÁP TRỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

- NGUYỄN VĂN TOÁN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU ÁP TRỞ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VŨ NGỌC HÙNG

Hà Nội - Năm 2011

Trang 3

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Ngọc Hùng và tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Học viên

Trang 4

Qua quá trình học tập và làm việc tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tôi đã hoàn thành bản luận văn này

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Vũ Ngọc Hùng, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học cũng như làm việc tại Viện ITIMS

Cảm ơn các thầy, các cô cũng như các đồng nghiệp tại Viện ITIMS đã giúp đỡ chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học

Cảm ơn các bạn tập thể lớp Hưng Yên 2009, Cán bộ phòng đào tạo, Khoa Điện

- Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên

Với vợ và con tôi Cảm ơn em rất nhiều vì những gì em đã cho anh, giúp đỡ cho anh Anh yêu mẹ con em nhiều lắm

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, ban bè tôi, những người đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian qua

Học viên

Trang 5

Trang Bảng 1.1 Hệ số áp điện trở không phụ thuộc đối với đơn tinh thể

Silic …… Error! Bookmark not defined

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

nhau……… E rror! Bookmark not defined

Bảng 1.3 Điện trở suất đoạn nhiệt và các hệ số áp điện trở ở nhiệt độ phòng

……….Er ror! Bookmark not defined

Bảng 1.4.Hệ số áp điện trở trong một hệ trục tọa độ Đê

các………Error! Bookmark not defined

Bảng 2.1.Bảng thông số ảnh hưởng tốc độ ăn mòn………

Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối của các thành phần MEMS (a), sơ đồ cấu tạo một thiết bị

MEMS hoàn chỉnh Error! Bookmark not defined Hình 1.2.Hình minh họa kích thước các vi cấu trúc MEMS Error! Bookmark not defined

Hình 1.3.Quy trình chế tạo các cấu trúc MEMS dưới dạng mẻ Error! Bookmark not defined

Hình 1.4.Mô hình toán học cấu trúc cảm biến gia tốc Error! Bookmark not defined

Hình 1.5.Một số cấu trúc cơ của cảm biến gia tốc Error! Bookmark not defined Hình 1.6.Một cấu trúc cảm biến gia tốc mới Error! Bookmark not defined Hình 1.7.Cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở Error! Bookmark not defined

Trang 6

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của gia tốc kiểu tụ (a) Thay đổi khoảng cách

hai bản tụ (b) Thay đổi diện tích giữa hai bản tụ Error! Bookmark not defined Hình 1.10.Quy ước hệ trục tọa độ Đê các trên phiến Silic Error! Bookmark not defined

Hình 1.11 Hiệu ứng áp điện trở song song (a) và hiệu ứng áp điện trở dọc (b)

Error! Bookmark not defined

Hình 1.12.Các hệ số áp điện trở của silic loại p trong mặt (111)(Pa-1) Error! Bookmark not defined

Hình 2.1 Ba phương pháp quang khắc: (a): Phương pháp tiếp xúc; (b): Phương pháp

trường gần; (c): Phương pháp chiếu - Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Thiết bị quang khắc hai mặt tại Viện ITIMS Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Phân loại các phương pháp ăn mòn khô - Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Các cơ chế ăn mòn - Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống ăn mòn khô - Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Vai trò của plasma - Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Quy trình ăn mòn khô - Error! Bookmark not defined Hình 2.8 Hệ ăn mòn khô RIE 10iP tại ITIMS - Error! Bookmark not defined Hình 2.9 Mặt nạ PR - Error! Bookmark not defined Hình 2.10 Mặt nạ BF - Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Mặt nạ MG - Error! Bookmark not defined Hình 2.12 Mặt nạ CH - Error! Bookmark not defined Hình 2.13 Mặt nạ IC - Error! Bookmark not defined Hình 2.14 Mặt nạ MB - Error! Bookmark not defined Hình 2.15 Bộ dấu so mặt nạ - Error! Bookmark not defined

Trang 7

Bookmark not defined

Hình 2.17 Hình ảnh điện trở: sau khi quang khắc (a), sau khi khuếch tán tạp Bohr (b)

……… Er

ror! Bookmark not defined

Hình 2.18 Hốc tiếp xúc được tạo thành sau khi ăn mòn lớp ôxít Error! Bookmark not

defined

Hình 2.19 Hình dạng dây dẫn sau khi ăn mòn nhôm - Error! Bookmark not defined Hình 2.20 Đặc trưng I-V của áp điện trở trước khi ủ Error! Bookmark not defined Hình 2.21 Đặc trưng I-V của áp điện trở sau khi ủ - Error! Bookmark not defined Hình 2.22 Hình ảnh mặt trước cảm biến sau bước chế tạo thanh dầm - Error!

Hình 2.23 Ảnh quang học mặt sau sau khi ăn mòn tạo khe dao động Error! Bookmark

not defined

Hình 2.24 Ảnh quang học mặt sau sau khi ăn mòn khô Error! Bookmark not defined Hình 2.25 Cấu trúc cảm biến sau khi được chế tạo - Error! Bookmark not defined Hình 2.26 Phiến silic trên đó chế tạo cảm biến gia tốc - Error! Bookmark not defined Hình 2.27 Các loại vỏ chân cắm phổ biến: kim loại, gốm và nhựa - Error! Bookmark

Trang 8

Hình 3.6 CARD thu thập tín hiệu NI USB-6009 - Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Máy đo gia tốc chuẩn AVT-CZ Mitutyo Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Sơ đồ chương trình Labview - Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Giao diện chương trình ghép nối - Error! Bookmark not defined

Hình 3.10 Nhiễu trên cầu điện trở az - Error! Bookmark not defined

Hình 3.11 Tín hiệu điện áp ra trên cầu az tại 2.5g và tần số 20Hz Error! Bookmark

defined

Hình 3.18 Tín hiệu ra tại gia tốc 1g ở 50Hz - Error! Bookmark not defined Hình 3.19 Tín hiệu ra theo dải gia tốc từ 0 đến 3g - Error! Bookmark not defined Hình 3.20 Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 1g Error! Bookmark not defined Hình 3.21 Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 2g Error! Bookmark not defined Hình 3.22 Đặc trưng tần số theo phương z gia tốc 3g Error! Bookmark not defined Hình 3.23 Đặc trưng tần số của cảm biến 2x2 theo phương z Error! Bookmark not

defined

Trang 9

Công nghệ MEMS là ngành khoa học công nghệ và ứng dụng dựa trên công nghệ mạch tổ hợp với sự giao thoa của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau như cơ, quang, nhiệt, điện, điện tử, hóa, sinh Để thực hiện việc thu nhỏ các linh kiện, công nghệ MEMS đã phát triển từ công nghệ vi cơ khối ướt đến công nghệ vi

cơ khối khô, rồi tới công nghệ LIGA, công nghệ vi cơ bề mặt Lĩnh vực MEMS vẫn đang phát triển ngày càng mạnh trên thế giới với hơn 6000 Trung tâm nghiên cứu

và phát triển về MEMS ở các Trường đại học, Viện nghiên cứu và các hãng công nghiệp với số tiền đầu tư hàng năm lên tới hơn 1 tỷ USD cho việc nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm Các ứng dụng của MEMS hết sức đa dạng, có mặt trong hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống, trong đó quan trọng nhất là các chủng loại linh kiện như tích hợp cảm biến áp suất trong ngành công nghiệp ôtô, đầu phun mực ứng dụng trong các máy in, các cảm biến quán tính (bao gồm cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc góc) ứng dụng trong máy bay và tên lửa Các cảm biến gia tốc MEMS có những ưu điểm nổi trội như độ nhạy cao, ổn định, kích thước nhỏ nhẹ vì thế được ứng dụng nhiều trong thiết bị y tế cũng như robot

Để có thể ứng dụng cảm biến gia tốc trong thực tiễn, việc nghên cứu hoàn thiện công nghệ nhằm nâng cao độ nhạy và tính ổn định cũng như thu nhỏ kích thước là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu

Trong kuôn khổ luận văn này vấn đề thiết kế chế tạo cảm biến giảm tốc trên cơ sở công nghệ MEMS đã được triển khai nghiên cứu

Bìa Luận văn được chia làm 3 chương

Chương 1 giới thiệu về các vấn đề liên quan tới công nghệ MEMS Trong chương này cảm biến gia tốc với các tính chất điện và tính chất điện đặc trưng đã được đề cập

Trang 10

Nguyễn Văn Toán ITIMS-2009

2

Chương 2 trình bày quy trình công nghệ chế tạo và đóng gói cảm biến gia tốc

Chương 3 đề cập cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc trên

cơ sở phương pháp rung Các kết quả khảo sát đặc trưng điện áp - gia tốc cũng như đặc trưng tần số của cảm biến đã được trình bày

Trang 11

3

CHƯƠNG 1 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 công nghệ 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), nghĩa tiếng Việt là công nghệ vi hệ thống, nhấn mạnh đến công nghệ chế tạo Còn ở Nhật, lĩnh vực này được đặt tên ngắn gọn là Micromachines, nghĩa tiếng Việt là công nghệ vi

cơ 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

Silicon chip

N¨ ng l- î ng VËt lý C¬ häc Quang häc Ho¸ häc Sinh häc

IC xö lý C¶m biÕn ChÊp hµnh

N¨ ng l- î ng VËt lý C¬ häc Quang häc Ho¸ häc Sinh häc

…

Vi cÊu tróc c¬

Vi chÊp hµnh

Trang 12

4

điện tử truyền thống chỉ xử lý một loại tín hiệu vào và ra [1.4] Cấu trúc cơ bản 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 )

Với cấu trúc như vậy, các vi hệ thống này cho phép cảm nhận sự dịch chuyển

cơ học ở phạm vi kích thước cỡ µm (hình 1.2) 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 trên cơ sở vật liệu Silic

Hình 1.2 Hình minh họa kích thước các vi cấu trúc MEMS

Một đặc điểm của lĩnh vực MEMS là có thể chế tạo các vi cảm biến theo từng mẻ (batch), kế thừa từ lĩnh vực vi điện tử, 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) Nhờ kích thước nhỏ và việc sản xuất hàng loạt này mà MEMS có giá thành thấp hơn và

Nguyªn tö DNA

Vi-rót

TÕ bµo

§ - êng kÝnh sî i tãc Giät n- í c

Hãa häc, sinh häc ph©n tö C¬ khÝ chÝnh x¸ c

Trang 13

5

có tính đồng nhất cao so với các sản phẩm truyền thống, do đó đã nhanh chóng chiếm lĩnh mọi thị trường, thay thế một số sản phẩm truyền thống

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

1.2 Tổng quan về cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc vi cơ silic ngày càng trở nên quan trọng do nhu cầu rất lớn cho các ứng dụng trong cụng nghiệp, trong lĩnh vực robot và công nghiệp hàng tiêu dùng, như các bộ phận giữ cân bằng trong các máy ảnh, máy quay phim

kỹ thuật số hiện nay [1.3]

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

Cảm biến gia tốc áp điện trở cũng là linh kiện bán dẫn trên cơ sở vật liệu silic (Si), được sử dụng để nhận biết sự thay đổi gia tốc của một hệ trong khi đang chuyển động Cấu trúc cơ bản của một vi cảm biến gia tốc thông thường bao gồm một khối gia trọng (mass) đóng vai trò phần tử nhạy cơ được treo trên một khung

cố định bằng một hoặc nhiều thanh dầm silic mỏng (beam) có tính đàn hồi cao trên

đó có các điện trở tích hợp dạng màng mỏng

Có nhiều phương pháp để đo chuyển vị và sự biến dạng đó, như phương pháp sử dụng tụ điện (dựa trên các bản tụ kiểu màng mỏng hoặc kiểu răng lược), cộng hưởng, áp điện, áp điện trở, [1.3]

PhiÕn silic

C¸ c chip nhá

Trang 14

6

Về phương diện toán học, cấu trúc này có thể được mô tả bao gồm một lò xo với vai trò là phần tử đàn hồi mắc song song với phần tử giảm chấn (hình 1.4) Trong mô hình này, 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:

K

Ma K

Trang 15

x d

1 )

(

) ( ) (

−

+ +

=

r r

Q s s A

s X s H

r2

tinh

a d

Trang 16

8

1.2.1 Phân loại cảm biến gia tốc

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

Về mặt công nghệ, cảm biến gia tốc được chia thành hai loại là cảm biến gia tốc vi cơ bề mặt và cảm biến vi cơ khối Ở đây, ta chỉ đề cập hạn chế tới các cảm biến gia tốc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối

Về mặt cấu trúc cơ học, cảm biến gia tốc đầu tiên thường 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) 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

Khối gia trọng

Thanh dầm nhạy cơ Thanh dầm treo

Khung cố định

Trang 17

9

Hình 1.6 Một cấu trúc cảm biến gia tốc mới

1.2.2 Cảm biến gia tốc 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

Hình 1.7 Cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu 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

Vỏ cảm biến

Áp điện trở Mạch điện tử

Trang 18

10

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 [1.1] 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 vận tải lỗ trống một chiều, xảy

ra trong áp điện trở sợi nano silic pha tạp [1.1]

Ưu điểm của các cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở là chế tạo 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

1.2.3 Cảm biến gia tốc áp điện

Trang 19

ối ra và gi

đó là có dnhược điểm

hoạt động củ

tụ (b) Tha

ng của gia giữa hai bả

ia tốc tác đdải tần làm

ủa gia tốc kiể

m việc lớn,

ủa cảm biế

y với gia tố

dựa trên pkhối trọng cách nhau

ng và bản c

ểu tụ (a) Th ích giữa hai

goài, khối yển vị của

dày, (b) ảnh

ũng giống ntốc áp điện

.8, dưới sự

làm khối nhờ vậy, điểm của

cố định

hay đổi khoả bản tụ

trọng dịch khối gia tr

có được mcảm biến

ảng cách hai

h chuyển lrọng tỷ lệ

2009

rúc

biến

n tử của yển mối gia vài

ó là mất

vị

n đế ành

bản

làm với

Trang 20

Silic là vật liệu quan trọng nhất được sử dụng trong công nghiệp điện

tử Những ưu điểm chính của silic:

Dễ dàng thụ động hóa bề mặt bằng cách oxy hóa nó, lớp oxit tự nhiên

có tác dụng giảm đáng kể trạng thái bề mặt và từ đó giảm tốc độ tái hợp bề mặt Oxit silic rất bền vững có tác dụng như lớp mặt nạ trong công nghệ plana

Silic có độ cứng cao cho phép sử dụng các phiến silic có diện tích lớn

Độ đàn hồi cao làm cho silic là vật liệu rất thích hợp để chế tạo các sensor

vi cơ

Có sự ổn định nhiệt độ cao đến tận 1100oC cho phép tiến hành nhiều quá trình công nghệ ở nhiệt độ cao như: khuếch tán, ôxy hóa và xử lý nhiệt…

Giá thành rẻ, nguồn nguyên liệu phong phú và công nghệ ổn định

Silic được sử dụng cho cảm biến cơ, bởi vì nó kết hợp rất tốt tính chất

cơ và tính chất điện (khi được pha tạp) Một điều thú vị khác nữa của Silic

là nó thúc đẩy việc giảm kích thước và khối lượng của cảm biến, có khả năng chế tạo theo mẻ và dễ dàng tích hợp cảm biến với với mạch điện trên

Trang 21

13

cùng một chip Việc nghiên cứu silic đã được thực hiện từ nhiều năm trước Silic được sử dụng để đo độ dịch chuyển, lực, momen xoắn vào năm 1952 Trên thực tế, trên cơ sở Silic công nghệ vi cơ cảm biến trở lên rất quan trọng khi công nghệ vi cơ bắt đầu hình thành vào năm 1982, mặc dù nó đã được nghiên cứu từ trước đó rất lâu, như là quá trình ăn mòn đẳng hướng silic đã được bắt đầu vào năm 1960, và ăn mòn dị hướng được phát hiện vào năm 1967

Không như hầu hết các kim loại, silic là vật liệu giòn, dễ vỡ,… nó có đường cong ứng suất có vùng biến dạng dẻo là rất nhỏ, do vậy sẽ nhanh chóng bị gẫy trong vùng biến dạng dẻo Tuy nhiên, nó không quá dễ vỡ như chúng ta thường nghĩ Mô-đun Young của silic có giá trị gần bằng của thép

và sắt bảng 2.1, và có độ bền kéo gấp hơn 3 lần so với thép không gỉ Hơn nữa, silic không có biến dạng dư và không có sự dão mỏi nào ở nhiệt độ dưới 8000C

1.4 Hiệu ứng áp điện trở

1.4.1 Hiện tượng áp điện trở

Hiệu ứng áp điện trở là hiện tượng trong đó điện trở của một vật liệu thay đổi khi chịu ứng suất Hầu hết các cảm biến chất rắn đều dựa trên hiệu ứng áp điện trở Hiệu ứng áp điện trở trong kim loại được phát hiện bởi nhà vật lý Kelvin năm 1856 Dựa trên phát hiện đó, các bộ đo biến dạng đã được phát triển rộng rãi Tuy nhiên, trong kim loại hiệu ứng áp điện trở thể hiện rất yếu Điều đó xảy ra là do hiệu ứng về sự thay đổi của kích thước khi biến dạng Vì vậy, silic và germane đã được chú trọng nghiên cứu Kết quả là hiệu ứng áp điện trở trong các vật liệu này thể hiện rất lớn Tuy nhiên, vì silic được dung phổ biến trong công nghệ vi điện tử nên nó cũng

Trang 22

14

được dung phổ biến để đo biến dạng, đặc biệt là trong các cảm biến MEMS

[1.2]

Phần này sẽ thiết lập mối liên hệ giữa sự thay đổi điện trở với sự thay

đổi của điện trở suất và biến dạng Điện trở phụ thuộc vào điện trở suất và

kích thước theo hệ thức:

A

L

R=ρ (1.6)

Trong đó, ρ, L, A lần lượt là điện trở suất, chiều dài và tiết diện áp

điện trở Từ phương trình (1.6) ta có:

ρ

∆ +

L R

Trong đó, D là đường kính điện trở Mặt khác, ta có mối liên hệ giữa

sự thay đổi thiết diện mặt cắt và đường kính theo hệ thức:

R

dR K

l l

1 ) 2 1 ( + +

=

(1.11)

Trang 23

15

Đối với vật liệu kim loại, điện trở suất hầu như không thay đổi theo biến dạng Với hầu hết các vật liệu ν thường có giá trị trong khoảng 0 đến 0,5 nên số hạng đầu tiên trong (1.11) thường có giá trị trong khoảng 1 đến

2 Điều này giải thích vì sao hệ số đo trong các bộ đo biến dạng thường rất nhỏ, khoảng từ 2 đến 4, riêng đối với Platin và nickel, giá trị này lớn hơn một chút

Trong bán dẫn, hệ số đo thường lớn hơn nhiều so với ở kim loại Hệ số này có gái trị 175 ở silic loại p và -135 ở silic loại n Điều đó là do trong bán dẫn, sự thay đổi điện trở theo biến dạng chủ yếu là do sự thay đổi của điện trở suất Trong trường hợp này, (1.11) có thể xấp xỉ theo hệ thức:

θ

θερ

ρε

d

Trong đó, θ là độ dẫn của vật liệu Như vậy, hệ số đo là sự thay đổi tương đối của điện trở suất trên một đơn vị sức căng dài Áp dụng định luật Hook cho ứng suất và biến dạng, ta có thể viết lại (1.12) dưới dạng:

θ

θσρ

ρσ

Trong đó, σ là ứng suất π được gọi là hệ số áp điện trở và được định nghĩa là sự thay đổi tương đối của điện trở suất trên một đơn vị ứng suất [1.2]

1.4.2 Tensor hệ số áp điện trở

Về mặt vật lý, hiệu ứng áp điện trở có thể giải thích trên cơ sở lý thuyết vùng năng lượng Có thể tham khảo sự giải thích đó trong [1.2], [1.8]

và [1.7] Ở đây ta chỉ chú ý tới mô tả toán học cần thiết cho các phần thiết

kế ở phần sau Đối với tinh thể dị hướng 3 chiều, thông thường phương

Trang 24

Thành phần J và j E là mật độ dòng điện và điện trường lần lượt theo i

hướng j và hướng i ρij là tensor điện trở suất Bằng thực nghiệm ta xác định được 9 hệ số của tensor ρij, tensor tìm thấy giảm xuống chỉ còn 6 thành phần và là tensor đối xứng, ρij =ρji (i≠ j)

Hình 1.10 Quy ước hệ trục tọa độ Đê các trên phiến Silic

Trong trạng thái không ứng suất điện trở của Silic là đẳng hướng và không đổi: các thành phần đường chéo là ρ011=ρ022 =ρ033 =ρ0, các thành phần điện trở còn lại là ρ0ij =0i ≠ Tuy nhiên khi có ứng suất tác dụng j

vào, các thành phần này thay đổi, điện trở của nó không còn đẳng hướng, và

Trang 25

17

Với ∆ là thành phần gây ra ứng suất khi điện trở thay đổi Mối quan ρij

hệ giữa tensor ∆ và tensor ứng suất ρij σkl có thể được:

ij

ij 0

, , , , 1,2,3

kl kl i j k l

ρ

π σ ρ

ký hiệu dưới dạng ma trận bằng cách sử dụng duy nhất một tỷ lệ cho σkl và

ij

ρ

∆ , và hai tỷ lệ cho πijkl ′ với quy ước trong bảng 1.2 Bởi vậy chúng ta có

thể biển diễn mối quan hệ giữa ứng suất và sự thay đổi điện trở trong dạng

Trang 26

π π π

Trong hướng tinh thể của đơn tinh thể Silic, theo các định hướng

<100>, <010>, <001> số hệ số áp điện trở không phụ thuộc giảm tới 3, và

ma trận πmn có thể viết dưới dạng của hệ thức (1.18)

Có 3 thành phần không phụ thuộc là π π π11, 12, 44 và được xác định

bằng thực nghiệm bởi Smith cho Silic loại n và loại p Bảng 1.5 là danh

sách các kết quả được Smith công bố năm 1952 Giá trị trong bảng này ứng với hệ số áp điện trở của Silic pha tạp thấp, trong trường hợp pha tạp cao Silic được khuếch tán nhiều lớp, các hệ số áp điện trở được tìm thấy nhỏ hơn nhiều Bằng cách giảm lượng tạp chất bề mặt, π11 của Silic loại n và

Bảng 1.1 Hệ số áp điện trở không phụ thuộc đối với đơn tinh thể Silic

Trang 27

19

Trang 28

20

1.4.1 Hệ số áp điện trở theo

phương bất kỳ

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 1.11a) 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//

Trang 29

21

(a) (b)

Hình 1.11 Hiệu ứng áp điện trở song song (a) và hiệu ứng áp điện trở dọc (b)

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 1.11b) 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 1.12) Các công thức chuyển đổi toạ độ được sử

n m l

z

y

x

.3 3 3

2 2 2

1 1 1

φθ

φ

ψθψφψθφψ

φψθφ

ψθψ

φψθφψ

φψθφ

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

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

Trang 30

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 (1.39) bằng cách đặt l12 = m12 =n12

=1/3:

(π//)<111> = (1/3).(π11+ 2π12 + 2π44) (1.24)

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

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

110 1/2 (π11 + π12 +

1/3 (π11 + 2π12 - π44)

Trang 31

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

π12 vµ π44 bằng thực nghiệm (Bảng 1.3) đưa ra các kết quả mà Smith công

bố năm 1952 Các hệ số lớn nhất thu được là π11 trong silic loại n (khoảng -

102.10-11 Pa-1), vµ π44 trong silic loại p (khoảng 138 x 10-11 Pa -1)

Bảng 1.2 Điện trở suất đaonj nhiệt và các hệ số áp điện trở ở nhiệt độ phòng

Sự thay đổi tương đối của điện trở được xác định như một hàm của

ứng suất trên màng hoặc trên thanh dầm: ∆ =σ//.π//+σ⊥π⊥

R

R (1.26)

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 [1.8 ]

Trang 32

Trang 33

25

trục 1’ các cosin chỉ phương là l1, m1, n1; trục 2’ các cosin chỉ phương là l2,

m2, n2; trục 3’ các cosin chỉ phương là l3, m3, n3, tương ứng Sự thay đổi của các hệ số áp điện trở theo các phương tinh thể trong các mặt phẳng phiến

(111), (100) và (110) được biểu diễn trên ba (hình 1.12, 1.13 va 1.14) Các

kết quả nói trên sẽ được đề cập chi tiết và sử dụng trong phần thiết kế cảm biến

Hình 1.12 Các hệ số áp điện trở của silic loại p trong mặt (111)(Pa -1 )

Trang 35

27

Trang 36

24

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC 2.1 Các kỹ thuật chính trong chế tạo cảm biến

Trong công nghệ chế tạo bán dẫn, vi cơ điện tử nói chung và chế tạo cảm biến gia tốc áp điện trở có rất nhiều khâu kỹ thuật quan trọng đòi hỏi phải tuân theo một quy trình rất nghiêm khắc Đó là các kỹ thuật như: xử lý bề mặt bằng phương pháp hóa Kỹ thuật ôxy hóa Kỹ thuật khuếch tán Kỹ thuật quang khắc

Kỹ thuật ăn mòn hóa học Kỹ thuật ăn mòn khô

2.1.1 Xử lí bề mặt bằng phương pháp hoá học

Trong công nghệ bán dẫn nói chung và công nghệ vi cơ điện tử thì việc xử

lí bề mặt là khâu quan trọng nhất nhằm đảm bảo độ sạch bề mặt mẫu cũng như tẩy

bỏ lớp hư hỏng do quá trình gia công cơ học trước đó gây ra Việc xử lí bề mặt bằng phương pháp hoá học chủ yếu dựa trên phản ứng ôxy hoá khử

• Một quy trình làm sạch bề mặt mẫu Silic bằng phương pháp hoá học bao gồm các bước sau:

• Ngâm phiến Silic trong dung dịch Acetone trong thời gian 10 phút ở nhiệt

độ phong để làm sạch bề mặt

• Rửa sạch bằng nước khử ion trong 3 phút, làm khô bằng quay li tâm

• Ngâm phiến Silic trong dung dịch Ethanol trong thời gian 10 phút ở nhiệt

độ phong để làm sạch bề mặt

Trang 37

25

• Ngâm phiến Silic trong dung dịch Pirania (H2SO4:H2O2 = 60:15): 10 phút

ở 130 oC, để tẩy các chất bẩn hữu cơ và bụi bám trên bề mặt

• Ngâm phiến Silic trong dung dịch HF 1% trong vòng 1 phút ở nhiệt độ phòng để tẩy lớp SiO2 tự nhiên và tạp bẩn trên lớp SiO2

• Rửa sạch bằng nước khử ion trong 3 phút, làm khô bằng quay li tâm

2.1.2 Ôxy hóa nhiệt

Trong phương pháp ôxy hoá nhiệt, lớp SiO2 được tạo ra khi cho khí ôxy tiếp xúc trực tiếp với Silic ở nhiệt độ cao (9000C – 12000C) Trong phương pháp ôxy hoá nhiệt có hai kĩ thuật: ôxy hoá khô và ôxy hoá ẩm Quá trình ôxy hoá nhiệt xảy

ra theo 3 giai đoạn:

• Phản ứng giữa các nguyên tử Silic với chất ôxy hoá để tạo thành lớp SiO2

đầu tiên và hình thành phân biên Si - SiO2

• Khuyếch tán các chất ôxy hoá qua lớp SiO2 đã hình thành trước đó

• Phản ứng giữa chất ôxy hoá với các nguyên tử Silic trên phân biên Si -

2

SiO

• Đối với loại cảm biến gia tốc cần chế tạo ta sử dụng oxy hóa khô

• Phản ứng tạo SiO2 diễn ra theo phương trình sau:

Si (rắn) + O 2(khí) ==> SiO 2 (2.1)

• Thời gian cần thiết để tạo một lớp ôxít có chiều dày Xo, trên một bề mặt silic sạch, tại nhiệt độ không đổi, được tính theo mô hình Deal-Grove:

Trang 38

26

B A

X B

2)

A

B A

Trong bước khuếch tán đầu tiên tạp Bohr khuếch tán vào silic loại n từ nguồn B2O3 đã được quay phủ và đóng rắn trên bề mặt silic Vì số lượng Bohr khuếch tán vào silic là rất nhỏ so với lượng Bohr trên bề mặt nên có thể coi là

Trang 39

27

khuếch tán từ nguồn vô hạn Khi đó, phân bố nồng độ tạp theo chiều sâu khuếch tán tuân theo hệ thức:

) Dt 2

x erfc(

C t)

Trong đó, erfc x = − ∫x −y dy

0

2)exp(

21)(

π được gọi là hàm sai bù, Dt được gọi là chiều dài khuếch tán, D là hệ số khuếch tán trong silic, x là vị trí theo chiều sâu cần xác định nồng độ khuếch tán

Tiếp theo, B2O3 trên bề mặt được tẩy đi bằng axít HF Sau đó, bước khuếch tán thứ hai được thực hiện nhằm đẩy tạp sâu vào trong đế silic Sau bước này, nồng

độ tạp giảm đi dẫn đến tăng giá trị điện trở, đồng thời, giúp phân bố đều tạp theo chiều sâu

Thấu kính

Mặt nạ Mặt nạ

Chất cảm quang

Khe

Phiến Silic

Trang 40

28

Quang khắc là quá trình truyền hình ảnh từ mặt nạ (mask) lên lớp vật liệu nhạy ánh sáng, gọi là chất cảm quang phủ lên trên bề mặt phiến bán dẫn Hình ảnh mặt nạ được truyền lên vật liệu nhạy quang phủ trên phiến Silic bằng ánh sáng cực tím (UV) Sử dụng dung dịch hiện hình để tẩy những phần không cần thiết Vật liệu polymer nhạy quang còn lại trên bề mặt phiến được sử dụng làm lớp bảo vệ cho quá trình ăn mòn

Mặt nạ là một màng chắn sáng có nhiệm vụ truyền ảnh lên phiến silic cần quang khắc Mặt nạ được thiết kế trực tiếp trên máy tính bằng một phần mềm phù hợp, ví dụ, Corel Draw, L-edit, Clewin, AutoCAD

Cảm quang (Photoresists) có hai tính chất là nhạy quang và bền vững với các môi trường axit hoặc kiềm Có hai loại chất cảm quang là cảm quang dương và cảm quang âm Cảm quang dương là loại cảm quang mà trước khi chiếu sáng không hòa tan trong dung dịch hiện hình, nhưng sau khi chiếu sáng hấp thụ bức xạ nên hòa tan được trong dung dịch hòa tan Cảm quang âm là loại cảm quang hòa tan được trong dung dịch hiện trước khi chiếu sáng và sau khi được chiếu sáng, do được hấp thụ năng lượng tạo thành các chuỗi polymer dài nên không hòa tan được trong dung dịch hiện

Có ba chế độ quang khắc Đó là chế độ trường gần, chế độ tiếp xúc

(contact) và chế độ chiếu (projection) (Hình 2.1) Chế độ trường gần thường được

dùng trong các quá trình có giá thành thấp Chế độ tiếp xúc là chế độ quang khắc trong đó mặt nạ và bề mặt màng cảm quang tiếp xúc với nhau Quang khắc theo chế độ tiếp xúc thường được dùng trong nghiên cứu Thiết bị quang khắc của

ITIMS cũng dùng phương pháp chiếu này (Hình 2.2)

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	5 MB

Thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở

Kĩ thuật ăn mòn khô

Thiết kế và chế tạo bộ mặt nạ