TỔNG QUAN VỀ HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ
Giới thiệu
Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) encompass sensors, actuators, and microprocessors, forming a cohesive system Additionally, these systems require power supplies, relays, and micro-sized signal processors to function effectively.
Bắt đầu từ năm 1990, công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đã ra đời, kết hợp các thành phần như cảm biến, vi chấp hành và vi xử lý trên đế silic Quá trình nghiên cứu và phát triển MEMS được hỗ trợ bởi nguồn vốn từ chính phủ và các nhà quản lý công nghiệp Sự thương mại hóa đã diễn ra với một số thiết bị MEMS tích hợp thấp như bộ vi gia tốc kế, đầu mực in và hệ vi gương cho máy chiếu Đồng thời, các khái niệm và tính khả thi cho thiết bị MEMS phức tạp hơn đã được đề xuất và chế tạo, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như chất lỏng, hàng không, y sinh, phân tích hóa học, thông tin không dây, lưu trữ dữ liệu, hiển thị và quang học.
Một số hướng nghiên cứu mới như hệ thống vi cơ điện tử - quang (MOEMS) và àTAS đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu nhờ vào tiềm năng ứng dụng trong thị trường Đến cuối thập niên 1990, hầu hết các thiết bị MEMS đã được phát triển dựa trên công nghệ vi cơ khối, vi cơ bề mặt, kỹ thuật quang khắc và LIGA Hiện nay, quá trình vi chế tạo 3D cho phép kết hợp nhiều vật liệu hơn, phục vụ cho các ứng dụng cụ thể như thiết bị MEMS y sinh và các bộ vi chấp hành với công suất ngõ ra cao hơn.
Công nghệ vi cơ (MEMS) đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo linh kiện vi cơ điện tử, đặc biệt là bộ cảm biến và bộ chấp hành mini Silic là vật liệu lý tưởng cho công nghệ này, cho phép sản xuất các thiết bị có kích thước dưới milimét Các vật liệu như tinh thể silic, silic đa tinh thể và silic nitride được sử dụng để tạo ra các vi cấu trúc cơ học như thanh dầm, màng, rãnh, lỗ, lò xo, bánh răng và nhiều cấu trúc phức tạp khác.
MEMS cơ bản được xây dựng dựa trên màng hoặc cấu trúc đòn bẩy (cantilever) Các bước xử lý vi cơ cần thiết để chế tạo màng, đòn bẩy và cấu trúc cộng hưởng là rất quan trọng Đối với các ứng dụng, việc tích hợp nhiều cấu trúc cơ bản có thể là cần thiết Ba cấu trúc này cung cấp các thiết kế khả thi cho bộ chấp hành và cảm biến, điều này rất quan trọng trong hầu hết các ứng dụng hiện nay.
12 cấu trúc thông minh phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu và công nghệ vi cơ để chế tạo linh kiện Sự cảm biến và chấp hành trong ba cấu trúc đầu tiên diễn ra nhờ tác động của lớp áp điện dưới điện trường, dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc màng Khi đòn bẩy thay đổi vị trí tự do, điều này cũng ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của cấu trúc.
Vi cảm biến Vi điện tử
Hình 1.1 Sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ thống
Gia công vi cơ silic đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển vượt bậc của MEMS trong thập kỷ qua, được coi là bộ phận cơ học bên ngoài đế silic và có thể bao gồm các vật liệu khác Quy trình này được sử dụng để chế tạo các thành phần như mấu nối, màng, tay đòn, rãnh, lỗ, bánh răng và hệ thống giảm xóc, từ đó tạo ra các cảm biến đa dạng.
Các loại công nghệ MEMS
Công nghệ vi cơ silic đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển vượt bậc của MEMS, với các bộ phận cơ học được chế tạo trên hoặc bên ngoài đế silic MEMS dựa trên hai công nghệ chính: vi cơ khối, nơi cấu trúc được ăn mòn vào đế silic, và vi cơ bề mặt, nơi các lớp vi cơ được hình thành từ lớp hoặc màng lắng đọng trên bề mặt.
Vi cơ khối và vi cơ bề mặt là hai công nghệ quan trọng trong lĩnh vực MEMS, thường được kết hợp với kỹ thuật hàn phiến Ngoài ra, công nghệ LIGA cũng được sử dụng để chế tạo các vi cấu trúc 3D với tỉ số cạnh cao, góp phần nâng cao hiệu suất của các thiết bị MEMS.
1.2.1 Công nghệ vi cơ khối silic
Vi cơ khối silic là một trong những công nghệ chế tạo vi cơ silic phổ biến nhất
Vi cơ khối (bulk micromachining) xuất hiện vào đầu những năm 1960 và vẫn được sử dụng rộng rãi trong chế tạo các vi cấu trúc hiện nay Công nghệ này chủ yếu được áp dụng trong sản xuất các linh kiện thương mại quan trọng, với khoảng 90% là các cảm biến áp suất, van đóng mở và cảm biến gia tốc Việc gia công vi cơ khối cho phép tạo ra các cấu trúc khối bằng cách loại bỏ có chọn lọc một phần vật liệu, mang lại nhiều ứng dụng trong công nghiệp.
Công nghệ vi cơ khối cho phép loại bỏ một cách có chọn lọc lượng silic cần thiết từ đế để tạo ra các màng, rãnh, lỗ và các cấu trúc khác nhau Hai kỹ thuật chính trong công nghệ vi cơ khối là ăn mòn ướt và ăn mòn khô silic, giúp hình thành các cấu trúc tinh vi như minh họa trong hình 1.2.
Mặt nạ SiO 2 Hướng mặt
Hướng mặt Mặt nạ Ăn mòn
Lớp điện môi Hướng mặt 100
Hình 1.2 minh họa các loại ăn mòn trên vi cơ khối silicon, bao gồm ăn mòn đẳng hướng (A), ăn mòn bất đẳng hướng (B), ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn ẩn phía dưới (C), và màng điện môi ăn mòn khối mặt sau (D) Đối với ăn mòn đế silic dày, các chất khắc ăn mòn ướt dị hướng như dung dịch potassium hydroxyt (KOH), ethylene diamine pyrocatechol (EDP), và tetra methyl ammonium hydroxide (TMAH) được sử dụng Các dung dịch này có tốc độ ăn mòn khác nhau tùy thuộc vào các hướng tinh thể của phiến silic Gần đây, kỹ thuật kết hợp giữa ăn mòn plasma dị hướng và đẳng hướng cũng đã được áp dụng.
Quá trình ăn mòn có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng pha tạp, cho phép ăn mòn chậm hơn, hoặc thông qua quá trình điện cơ, như việc dừng ăn mòn khi gặp vùng lưỡng cực khác nhau trong mối nối phân cực p-n Vùng ăn mòn ướt thường chậm dần hoặc có thể được loại bỏ, được gọi là điểm dừng ăn mòn (etch-stop) Có nhiều phương pháp để tạo ra vùng dừng ăn mòn, bao gồm việc chọn pha tạp và phụ thuộc vào phân cực Ăn mòn ướt được thực hiện bằng cách nhúng đế vào dung dịch chất ăn mòn, và có thể là ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng tùy thuộc vào cấu trúc vật liệu hoặc chất ăn mòn sử dụng Đối với vật liệu vô định hình hoặc đa tinh thể, ăn mòn ướt luôn là đẳng hướng, trong khi silic đơn tinh thể có thể trải qua ăn mòn dị hướng, với tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào hướng tinh thể Đặc biệt, mặt (111) của silic cần được chú ý vì tốc độ ăn mòn của nó chậm hơn so với các mặt khác.
Ăn mòn silic vi cơ khối được thực hiện qua 14 phiến theo các hướng tinh thể khác nhau, sử dụng chất ăn mòn như alkali hydroxide (KOH, NaOH), hòa tan ammonium (NH4OH, TMA) và EDP Kết hợp ăn mòn dị hướng với khuếch tán Bo và kỹ thuật dừng ăn mòn điện hoá tạo nên vi cấu trúc silic đa dạng Quá trình ăn mòn xảy ra nhờ tương tác hóa học hoặc vật lý giữa các ion và nguyên tử, trong khi ăn mòn khô đẳng hướng không plasma sử dụng xenon difluoride hoặc khí interhalogen, mang lại lựa chọn cao cho các vật liệu như nhôm và silicon dioxide Ăn mòn khô silic thường áp dụng plasma và ion hoạt tính (RIE) với năng lượng từ nguồn tần số vô tuyến (RF) trong điều kiện áp suất thấp Kỹ thuật ăn mòn khô dị hướng phổ biến trong MEMS nhờ tính linh động trong cấu trúc hình học so với ăn mòn ướt, trong khi kỹ thuật liên kết phiến là cần thiết cho lắp ráp linh kiện MEMS Vi cơ bề mặt cũng có thể được sử dụng để chế tạo linh kiện MEMS nguyên khối.
1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt silic
Vi cơ bề mặt không có hình dạng khối silic được xây dựng thông qua lắng đọng màng mỏng, bao gồm “lớp hy sinh” và “lớp cấu trúc”, với việc loại bỏ lớp hy sinh để tạo ra cấu trúc cơ học Các cấu trúc vi cơ bề mặt này có kích thước nhỏ hơn so với cấu trúc vi cơ khối Một lợi thế quan trọng của công nghệ vi cơ bề mặt là khả năng tích hợp dễ dàng với các linh kiện vi mạch IC, nhờ vào việc chúng cùng chung đế với các linh kiện tích hợp.
Vi cơ bề mặt yêu cầu tính tương thích cao giữa vật liệu cấu trúc, vật liệu hy sinh và chất ăn mòn hóa học Vật liệu cấu trúc cần có tính chất vật lý và hóa học phù hợp, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu về cơ học như ứng suất gãy, độ cong cao và sức chịu đựng tốt Vật liệu hy sinh cần có tính cơ học tốt để bảo vệ linh kiện trong quá trình chế tạo, với độ bám tốt và ứng suất dư thấp nhằm giảm thiểu hư hỏng Chất ăn mòn phải có khả năng loại bỏ vật liệu hy sinh mà không gây ảnh hưởng đến cấu trúc, đồng thời cần có độ dính riêng và đặc tính sức căng bề mặt thích hợp Tóm lại, vật liệu tương thích IC trong vi cơ bề mặt cần đáp ứng các tiêu chí này để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
1 Poly-Si/Silicon dioxide; lắng đọng bay hơi hóa học áp suất thấp (LPCVD), lắng đọng poly-Si nhƣ vật liệu cấu trúc và LPCVD lắng đọng oxide nhƣ vật liệu hy sinh Oxide thì dễ dàng phân hủy trong dung dịch HF mà không ảnh hưởng đến poly-
Si Cùng với hệ thống vật liệu này, silicon nitride thường dùng cho cách li điện
2 Polyamide/aluminum; trong trường hợp polyamide là vật liệu cấu trúc và aluminum là vật liệu hy sinh Chất ăn mòn acide-based đƣợc dùng phân hủy lớp hy sinh aluminum
3 Silicon Nitride/poly-Si; silicon nitride đƣợc dùng nhƣ vật liệu cấu trúc, trong khi đó poly-Si là vật liệu hy sinh Đối với hệ thống vật liệu này, chất ăn mòn dị hướng silic nhƣ KOH và EDP đƣợc dùng để phân hủy poly-Si
4 Tungsten/Silicon dioxide; lắng đọng bốc bay hóa học (CVD), Tungsten đƣợc lắng đọng đƣợc dùng nhƣ vật liệu cấu trúc và oxide nhƣ vật liệu hy sinh Dung dịch
HF dùng loại bỏ lớp oxide hy sinh Những vật liệu tương thích IC khác như silicon carbide, kim cương (carbon), zinc oxide, vàng cũng được sử dụng
Ăn mòn khô bằng plasma là một phương pháp hiệu quả để xử lý silic, sử dụng hỗn hợp khí SF6/O2 và CF4/H2, nhờ vào tính lựa chọn cao của chất cản quang và khả năng thực hiện mặt nạ aluminum Tuy nhiên, cần lưu ý đến độ lớn mặt cắt dưới của mặt nạ khi sử dụng phương pháp này, vì nguyên tử flo có thể gây ăn mòn đẳng hướng silic giống như ăn mòn đứng do sự bắn phá ion Ngược lại, phản ứng ăn mòn ion poly-Si kết hợp khí clo và flo không bị ảnh hưởng bởi mặt cắt dưới và chủ yếu thực hiện ăn mòn đứng khi sử dụng chất cản quang như mặt nạ.
Vi cấu trúc silic chế tạo bằng vi cơ bề mặt thường là cấu trúc phẳng, nhưng kỹ thuật mới cho phép tạo ra cấu trúc 3D bằng cách kết nối các phiến polysilicon với đế và các khớp nối Việc sử dụng vật liệu màng mỏng và lắng đọng polysilicon cùng với các màng oxide hy sinh giúp lấp đầy những rãnh sâu đã ăn mòn trên đế silic, mang lại nhiều lợi ích cho việc chế tạo vi cơ 3D Cấu trúc 3D này đặc biệt hữu ích cho các linh kiện quang học mà không yêu cầu kết nối công suất ngõ ra.
Vi cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất đã được nghiên cứu từ những năm 1960, và sự phát triển của công nghệ vi cơ (MEMS) đã nâng cao hiệu suất của các cảm biến này cho nhiều ứng dụng thực tế Trong đó, màng vi cơ (diaphragm) là thành phần chính của cảm biến Bài viết sẽ phân tích sơ lược về màng silic hình chữ nhật và giới thiệu các nguyên tắc cảm biến khác nhau đang được nghiên cứu và sử dụng trong thương mại hiện nay.
Cảm biến áp suất MEMS sử dụng màng làm thành phần chính, nhờ vào sự tương thích với quy trình xử lý vi cơ bề mặt và vi cơ khối Phương pháp chế tạo này mang lại hiệu suất cao và độ chính xác trong việc đo áp suất.
Ăn mòn ướt silic dị hướng cho phép điều khiển kích thước màng và khả năng xử lý theo đợt, giúp sản xuất hàng trăm linh kiện cùng lúc từ các nhóm phiến silic Khi kết hợp với hướng phiến (100) và sử dụng ăn mòn ướt hydroxyt Kali, tạo ra màng hình chữ nhật với một mặt dốc và một mặt phẳng (111) Độ dày của màng có thể được kiểm soát trong suốt quá trình ăn mòn hoặc bằng cách sử dụng pha tạp Bo và dừng ăn mòn điện hóa.
Hình 1.3 Màng silicon bị ăn mòn dị hướng
Kỹ thuật vi cơ bề mặt ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng giảm kích thước linh kiện và nâng cao khả năng tương thích trong tích hợp điện tử.
Khi mô phỏng các cấu trúc vi cơ phức tạp bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), màng hình chữ nhật sẽ có phương trình đặc tính cho độ lệch và ứng suất lớn nhất Trong đó, a là chiều rộng của màng, P là áp suất đồng nhất, h là độ dày màng, E là modun đàn hồi và ν là tỉ số Poisson.
Đối với màng hình chữ nhật, hệ số phụ thuộc vào tỷ số chiều dài cạnh màng và vị trí quan tâm Đối với màng hình vuông, hệ số là 0.0151 và là 0.378 khi ứng suất lớn nhất xảy ra dọc theo cạnh màng, trong khi hệ số là 0.1386 khi ứng suất lớn nhất ở trung tâm màng.
Màng lồi có thể được chế tạo bằng cả phương pháp ăn mòn đẳng hướng và dị hướng, và các cấu trúc này có thể được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tính động học của màng vi cơ thể hiện các đặc tính phù hợp với lý thuyết bản phẳng tuyến tính Tần số cộng hưởng không đàn hồi của màng có độ dày và vật liệu đồng nhất phần bị xén được xác định bởi [5].
Giá trị đàn hồi của màng không chỉ phụ thuộc vào thiết kế mà còn vào kỹ thuật đóng gói và các thành phần xung quanh Tần số cộng hưởng của màng dao động từ khoảng 80 KHz cho linh kiện 1 bar đến 575 KHz cho linh kiện 40 bar Các linh kiện tần số cao như Entran EPIH đã được phát triển, với cảm biến áp suất yêu cầu tần số lên tới 1.7 MHz cho linh kiện 20 bar Tuy nhiên, dòng sản phẩm này chỉ phù hợp cho khí khô hoặc một số ứng dụng với chất lỏng không ăn mòn do môi trường áp suất kết nối trực tiếp với cấu trúc silic vi cơ Đối với màng làm bằng thép không rỉ, tần số cộng hưởng thấp hơn, khoảng 45 KHz cho linh kiện 17 bar.
1.3.2 Vi cảm biến áp suất áp điện trở Áp điện trở của silic có đƣợc bằng cách pha tạp hay cấy vào các điện trở là kỹ thuật đơn giản cho việc đo lường ứng suất trong màng silic vi cơ Trước tiên hiệu ứng áp trở silic đƣợc lợi dụng bằng việc liên kết strain gauge silic với màng cảm biến, nhƣng điều này gần nhƣ không thỏa mãn cho thích ứng nhiệt giữa kim loại, lớp bám dính và silic Trước tiên màng vi cơ được đưa vào silic bằng sự ăn mòn tia lửa điện cơ học và ăn mòn ướt đẳng hướng Điều này không thể thực hiện một loạt và do đó chi phí linh kiện rất cao Sử dụng ăn mòn dị hướng, kỹ thuật hàn tĩnh điện và hổn hợp nung chảy, cấy ion strain gauge, và vi cơ bề mặt sẽ làm giãm kích thước và cải thiện đƣợc tính chính xác của cảm biến áp suất áp điện trở [1]
Mặt cắt ngang và cách bố trí của cảm biến áp suất áp điện trở silic được trình bày trong hình 1.4, với màng bị ăn mòn được mô tả rõ ràng Điện trở được đặt dọc theo các cạnh của màng, mỗi điện trở nằm ở một cạnh riêng biệt, và tất cả đều cùng hướng Kết quả là có hai điện trở song song chịu ứng suất lớn nhất (R1) và hai điện trở vuông góc (Rt) Sự thay đổi giá trị của mỗi điện trở được tính toán dựa trên các thông số này.
Hệ số áp trở theo chiều dọc (π1) và chiều ngang (πt) cùng với ứng suất tương ứng (σ1 và σt) có mối liên hệ chặt chẽ Các hệ số này sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng của phiến silic và màng, loại và số lượng pha tạp, cũng như nhiệt độ.
Ngõ áp suất vào được ăn mòn
Màng silicon bi an mòn
Hình 1.4 Mặt cắt ngang và cách bố trí của cảm biến áp suất cụ thể được vi cơ khối
Hướng phiến được chọn là (100), với cạnh của màng ở hướng (110) Hệ số áp trở của silic loại n và p được trình bày trong bảng 1 Đối với pha tạp loại p, hiệu ứng áp trở đạt giá trị lớn nhất và tuyến tính nhất, với 1 và t bằng nhau nhưng trái dấu Hình 1.4 cho thấy hướng các cặp điện trở đối diện có giá trị tương đương Hai cặp điện trở này tạo thành mạch cầu hoàn chỉnh, do đó giá trị điện trở lớn nhất của cảm biến tương ứng với áp suất gia tăng trên màng Ứng suất có thể được tính theo công thức (1.7), và cách sắp xếp các điện trở trong mạch cầu này là phổ biến, với ngõ ra được tính toán theo phương pháp tương ứng.
Cảm biến áp suất áp trở đã được sử dụng trong thương mại nhiều năm và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tự động Một ví dụ điển hình là linh kiện của Motorola, trong khi các ứng dụng tự động hiện nay, như hệ thống phun xăng và tuần hoàn dẫn khí, được phát triển dựa trên công nghệ cảm biến áp điện trở.
Việc cải thiện độ tuyến tính và độ nhạy của cảm biến đã được thực hiện thông qua việc bổ sung cấu trúc màng cơ bản Màng có phần lồi (boss) được chế tạo để xử lý ăn mòn dị hướng, với phần trung tâm cố định giống như màng truyền thống Bố cục của màng này được minh họa trong hình 1.5.
Hình 1.5 Vị trí điện trở trên màng Boss
Các cặp điện trở bên trong và bên ngoài có ứng suất giống nhau, giúp cải thiện độ không tuyến tính của màng trong cả hai hướng, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau Một thiết kế khác sử dụng hai phần lồi ở giữa màng, được chế tạo chính xác với quá trình ăn mòn dị hướng từ phía sau, tạo ra hình dạng lồi ở mặt trước của màng Các điện trở được bố trí theo dạng hình 1.5 và đặt trên bề mặt đỉnh của sườn, làm gia tăng ứng suất Phần lồi này củng cố vùng dọc theo mỗi cạnh của màng, trong khi độ cứng giảm dần về phía giữa.
Kết luận chương 1
Chương 1 là cơ sở lý thuyết để phát triển vi cảm biến kiểu điện dung ở chương 2, chương 1 đã tìm hiểu về công nghệ vi cơ điện tử và các phương pháp sử dụng trong công nghệ vi cơ điện tử, và vật liệu thường dùng là silicon
CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG
Áp suất
Khi một chất lỏng hoặc khí được chứa trong bình, sự chuyển động nhiệt hỗn loạn khiến các phần tử va chạm vào thành bình, tạo ra áp lực Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích, và có thể được tính theo công thức p = F/A.
- F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N)
- S là diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị là mét vuông ( m 2 )
Trong hệ SI, đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa), tương đương với áp suất do lực 1 N tác dụng lên diện tích 1 m² 1 Pascal là một giá trị khá nhỏ (1 Pa = 1 N/m²) Ngoài Pascal, còn có nhiều đơn vị đo áp suất khác như Bar, kg/cm², atm, mmH₂O và mmHg, tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
Nguyên lý đo áp suất dựa trên phép đo biến dạng
Cảm biến áp suất hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi của các phần tử nhạy cảm khi chịu tác động của áp suất Các phần tử biến dạng phổ biến bao gồm ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng Trong đó, ống trụ là một trong những loại thường được sử dụng.
Sơ đồ cấu tạo của phần tử biến dạng hình ống trụ, như thể hiện trong hình 2.2.1, mô tả một ống hình trụ với thành mỏng và một đầu bịt kín, được chế tạo từ kim loại.
Hình 2.1 minh họa phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ, bao gồm sơ đồ cấu tạo và vị trí gắn cảm biến Đối với ống dài (L >> r), khi áp suất chất lưu tác động lên thành ống, ống sẽ bị biến dạng Biến dạng ngang (ε1) và biến dạng dọc (ε2) của ống được xác định bởi biểu thức.
Mô đun Young (Y) và hệ số Poisson (v) là các yếu tố quan trọng trong việc xác định tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt là trong ống có bán kính (r) và chiều dày thành (e) Để chuyển đổi tín hiệu cơ học (biến dạng) thành tín hiệu điện, người ta thường sử dụng bộ chuyển đổi điện, chẳng hạn như cảm biến lực Ngoài ra, lò xo ống cũng là một thành phần quan trọng trong các ứng dụng này.
Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 2.6
Lò xo là một ống kim loại có hình dạng uốn cong, với một đầu được giữ cố định và đầu kia tự do di chuyển Khi chất lỏng được đưa vào trong ống, áp suất tác động lên thành ống khiến ống biến dạng, dẫn đến việc đầu tự do có thể dịch chuyển.
Sơ đồ lò xo ống một vòng trong hình (2.6a) cho thấy tiết diện ngang của ống có hình dạng trái xoan Khi áp suất trong ống tăng, lò xo sẽ được kéo dài, ngược lại, khi áp suất giảm, lò xo sẽ co lại.
Hình 2.2 Lò xo ống Đối với các lò xo thành mỏng biến thiên góc ở tâm dưới tác dụng của áp suất
p xác định bởi công thức:
Trong đó: v - là hệ số poisson
R- bán kính cong h- bề dày thành ống
, a b - các bán trục của tiết diện ôvan
, - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống xRh a 2- tham số chính của ống
Lực thành phần hướng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 – 0,7) ở đầu tự do xác định theo biểu thức:
Trong đó s và các hệ số phụ thuộc vào tỷ số b/a
Giá trị của k 1 và k 2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết đƣợc biểu thức xác định lực tổng hợp:
Bằng cách thay đổi tỷ số a/b và giá trị của R h , , ta có thể thay đổi đƣợc giá trị
28 của , N và độ nhạy của phép đo [6] c) Màng
Màng dùng để đo áp suất đƣợc chia ra màng đàn hồi và màng dẻo
Màng đàn hồi có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp đƣợc chế tạo bằng thép
Khi áp suất tác động lên hai mặt của màng khác nhau, nó tạo ra lực làm biến dạng màng Biến dạng này là hàm phi tuyến của áp suất và thay đổi tùy thuộc vào vị trí khảo sát Đối với màng phẳng, độ phi tuyến tăng cao khi độ võng lớn, vì vậy thường chỉ áp dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển Độ võng của tâm màng phẳng dưới tác dụng của áp suất được xác định theo một công thức cụ thể.
Hình 2.3 Sơ đồ màng đo áp suất
Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến ưu việt hơn so với màng phẳng, cho phép sử dụng với độ võng lớn hơn Độ võng của tâm màng uốn nếp được xác định theo công thức: a b 3 3 pR 4 4 h h Yh.
Với a,b là hệ số phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng
Khi đo áp suất nhỏ, người ta thường sử dụng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, được chế tạo từ vải cao su Trong một số trường hợp, màng dẻo có tâm cứng được sử dụng, với tâm màng được kẹp giữa hai tấm kim loại Lực di chuyển tại tâm màng dẻo được xác định bởi một biểu thức cụ thể.
(2.9) Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức:
Với D là đường kính màng, d là đường kính đĩa cứng
Cảm biến áp suất
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi tín hiệu không phải điện thành tín hiệu điện, với nhiều loại và ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ và cảm biến khoảng cách.
Hình 2.4 Mô hình cảm biến
Cảm biến áp suất là linh kiện chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện, giúp đo lường áp suất và lực đầu vào Với kích thước nhỏ gọn và tính tiện dụng, cảm biến áp suất được sản xuất bằng công nghệ MEMS và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Dân dụng: tủ lạnh, điều hòa không khí, máy hút bụi, máy giặt, nồi áp suất…
- Hệ thống tự động: hệ thống phanh, giảm sóc, túi khí, hệ thống nước, áp suất chất lỏng, thể tích chất lỏng trong bồn…
- Y học: đo áp suất máu, điều hòa nhịp tim…
- Công nghiệp: xử lí nước thải, lò nhiệt, áp suất nước, nồi hơi, đo lưu lượng nước chảy qua ống, đo độ cao so với mặt nước biển…
Ngày nay, nhiều loại cảm biến áp suất đã được phát triển nhờ vào các công nghệ tiên tiến, trong đó cảm biến sử dụng màng (diaphragm) là phổ biến nhất Màng, thường làm từ chất bán dẫn, có khả năng biến dạng khi áp suất tác động lên Độ biến dạng của màng phụ thuộc vào chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn Người ta có thể chuyển đổi độ biến dạng này thành tín hiệu điện bằng nhiều phương pháp như biến thiên độ tự cảm, điện dung, hiệu ứng áp điện, và dao động cơ điện Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao độ nhạy của cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung.
Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ điển hình
2.4.1 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng vuông
Cấu trúc của cảm biến bao gồm một màng vuông gọi là phần tử nhạy, được phủ một lớp kim loại mỏng làm bản cực của tụ điện Bên cạnh đó, một lớp kim loại khác được phủ lên đế cố định làm bản cực thứ hai Khi gắn phần tử nhạy với đế sao cho hai bản cực nằm đối diện nhau, ta tạo ra một tụ điện có điện dung có thể thay đổi.
Bản cực động Bản cực tĩnh
Hình 2.5 Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ
Nguyên lí hoạt động của cảm biến có thể trình bày nhƣ sau:
Khi áp suất tác động lên phần tử nhạy, sự uốn cong của nó làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ, dẫn đến sự thay đổi điện dung Đây là nguyên lý chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện theo kiểu điện dung Các tín hiệu này có thể được thu và xử lý dễ dàng nhờ vào các mạch tích hợp trên cùng một đế silic Ưu điểm của công nghệ này là dễ dàng tạo màng, với độ lệch lớn hơn so với các màng cấu trúc khác khi có áp suất tác động, đồng thời ứng suất trượt tại bốn góc màng là nhỏ, không ảnh hưởng khi khoét mỏng bốn góc màng.
2.4.2 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng tròn
Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ với màng tròn có nguyên tắc hoạt động tương tự như màng vuông, nhưng màng tròn có ưu điểm về sự đối xứng tâm và phân bố áp suất đều hơn, mang lại tính tuyến tính cao hơn Tuy nhiên, quá trình chế tạo màng tròn phức tạp hơn so với màng vuông, dẫn đến việc ít được sử dụng trong thực tế.
Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS
2.5.1 Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS
Phần tử nhạy trong cảm biến cơ chuyển đổi tải cơ học thành tín hiệu điện thông qua biến dạng vật liệu Để tối ưu hóa chức năng chuyển đổi tín hiệu, việc phân tích đặc trưng cơ học của cấu trúc là rất quan trọng Silic, với vai trò là vật liệu cơ bản trong công nghệ vi điện tử, cho phép tạo ra các cấu trúc 3 chiều chính xác cao nhờ khả năng ăn mòn dị hướng Điều này giúp kết hợp cấu trúc nhạy cơ và các phần xử lý điện tử trên cùng một đế silic một cách dễ dàng.
Silic là một vật liệu cơ bản trong công nghệ MEMS, đặc biệt trong các vi cảm biến kiểu điện dung Bài viết này sẽ phân tích các tính chất cơ học và điện của silic, cũng như đặc điểm mạng tinh thể của nó, nhằm làm nổi bật vai trò quan trọng của silic trong ứng dụng này.
2.5.2 Tính chất cơ của vật liệu Silic a) Đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu Ứng suất giới hạn đàn hồi (yield strength), độ bền kéo (tensile strength), độ cứng của vật liệu liên quan mật thiết đến đường cong đàn hồi, tức là đường cong ứng suất- biến dạng của vật liệu, trong đó trục thẳng đứng mô tả ứng suất s, trục nằm ngang mô tả biến dạng e
Đối với biến dạng nhỏ, định luật Hook mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng, trong đó biến dạng thuộc về loại đàn hồi Khi tải trọng nhỏ hơn giới hạn đàn hồi (s < sE), biến dạng tỷ lệ thuận với ứng suất Khi tải trọng được gỡ bỏ, vật liệu sẽ trở lại kích thước ban đầu.
Khi tải trọng vượt quá giới hạn đàn hồi (σ > E), độ biến dạng tăng nhanh và khi bỏ tải trọng, một phần biến dạng vẫn còn lại, được gọi là biến dạng dẻo Biến dạng tổng thể bao gồm biến dạng đàn hồi (εE) và biến dạng dẻo (εP), được biểu diễn bằng công thức: ε = εE + εP.
Khi tải trọng tiếp tục gia tăng đến giá trị tối đa (điểm P), sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng cục bộ với sự hình thành cổ thắt Mặc dù tải trọng tác dụng giảm, nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng (cổ thắt hẹp lại), cuối cùng dẫn đến đứt gãy và phá hủy tại điểm F.
Hiện tượng dão (creep) là sự biến dạng không thuận nghịch của vật liệu khi chịu ứng suất không đổi theo thời gian Đây là một đại lượng quan trọng để xác định độ biến dạng dư của vật liệu sau khi tải không đổi đã ngừng tác dụng.
(2.12) b) Tính chất cơ của Silic
Xét vật liệu đàn hồi đẳng hướng (Silic đa tinh thể hoặc vô định hình) Đối với phần tử chịu tác dụng của tải đơn trục P (hình 2.5)
- Mô đun đàn hồi: (Mô đun Young) E (N m 2 ): a E a
- Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng chịu trạng thái ứng suất theo ba trục:
- Mối quan hệ giữa ứng suất , biến dạng trƣợt và mô đun đàn hồi trƣợt G:
- Vật liệu đẳng hướng đặc trưng bởi chỉ 2 hằng số đàn hồi độc lập, mô đun trượt
G liên hệ với mô đun Young và tỷ số Poisson bởi: GE [2(1v)]
Hình 2.6 Tải đơn trục và biến dạng [3]
Xét vật liệu đàn hồi dị hướng(Silic đơn tinh thể)
- Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập Định luật Hook trong trường hợp tổng quát được diễn tả bởi 2 công thức: ij E ijkl kl
Trong nghiên cứu cơ học vật liệu, các tensor ứng suất hạng 2 (σ_ij và σ_kl) được đo bằng đơn vị N/m², trong khi các tensor biến dạng hạng 2 (ε_ij và ε_kl) là không thứ nguyên Tensor hệ số độ cứng hạng 4 (E_ijk) cũng được biểu diễn bằng N/m², và tensor hệ số tương thích (S_ijkl) là một tensor hạng 4, cũng có đơn vị N/m².
Hằng số độc lập trong vật liệu tăng lên khi tính đối xứng giảm Chẳng hạn, tinh thể lập phương có ba hằng số đàn hồi độc lập là S11, S12 và S44 Mô đun Young được tính bằng công thức E = 1/S11, trong khi tỷ số Poisson cũng liên quan đến các hằng số này.
Vật liệu bất đối xứng yêu cầu hằng số độc lập, dẫn đến mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trở nên phức tạp hơn Sự phụ thuộc vào định hướng không gian liên quan đến trục tinh thể là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
- Với tinh thể Silic mạng lập phương (bcc, fcc) với véctơ ứng suất định hướng theo các trục [100] thì
Với tinh thể đẳng hướng 1, với Silic đơn tinh thể: 1.57
- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định hướng tinh thể
E, G và v là các hằng số không thay đổi cho mọi hướng trong mặt phẳng (111) Một tấm vật liệu nằm trong mặt phẳng này có các đặc tính đàn hồi đẳng hướng Đối với vật liệu silic, không xảy ra biến dạng dư và không có hiện tượng dão mỏi ở nhiệt độ dưới 800 °C, điều này có ý nghĩa quan trọng trong ứng suất đứt gãy.
Biểu dạng P-Ngưỡng dẻo Độ bền kéo
Hình 2.7 Đường cong biến dạng đàn hồi: Sự chuyển nhanh sang miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của silic [3]
Các sensor Silic có khả năng hoạt động với tần số lên đến hàng trăm triệu chu kỳ mà không gặp phải sự trễ cơ học, làm cho cấu trúc nhạy cơ sử dụng Silic trở thành lựa chọn hiệu quả cho tải tuần hoàn Vật liệu Silic được coi là "siêu vật liệu" nhờ vào việc không hấp thụ năng lượng hay sinh nhiệt ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, đơn thể Silic rất giòn, và khi chịu ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi, nó sẽ nhanh chóng chuyển sang trạng thái biến dạng dƣ và đứt.
Thép có khả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thước, với các vật liệu như Si, SiO2, Si3N4 thể hiện tính đàn hồi tốt ở biến dạng nhỏ nhưng nhanh chóng đến đứt gãy khi biến dạng lớn Biến dạng dư trong kim loại xuất hiện do lệch mạng và dịch chuyển nội hạt, trong khi silic đơn tinh thể không có biên hạt, do đó biến dạng dư chỉ xảy ra do di chuyển của khuyết tật trong mạng tinh thể hoặc trên bề mặt Với số lượng khuyết tật thấp, silic được xem như hoàn toàn đàn hồi ở nhiệt độ phòng, dẫn đến tỷ lệ thuận giữa ứng suất và biến dạng, loại bỏ tính trễ cơ học Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 800°C, độ linh động của khuyết tật tăng, khiến silic thể hiện tính chất dẻo.
Công nghệ MEMS, dựa trên kỹ thuật vi điện tử và tính chất vật liệu, tạo ra các cấu trúc cơ học, quang học, hóa học hoạt động như một hệ thống hoàn chỉnh Sự thu nhỏ và tích hợp linh kiện của MEMS là lý do chính khiến công nghệ này trở thành một xu hướng hứa hẹn cho hiện tại và tương lai Ngoài ra, MEMS còn bao gồm các phương pháp chế tạo đặc trưng và cấu trúc mới cho thiết bị.
Cấu trúc cơ bản của vi hệ thống bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến và vi chấp hành tích hợp trên cùng một chip, cho phép cảm nhận và tác động đến môi trường xung quanh ở kích thước mm Chúng thường được chế tạo từ vật liệu Silic do ưu điểm về tính chất điện và cơ Công nghệ MEMS kết hợp các cấu trúc vi cảm biến cơ - điện hoạt động đồng bộ, với mỗi bộ phận linh kiện sử dụng vật liệu khác nhau như kim loại cho dây dẫn, bán dẫn cho điện trở, và kim loại cho tụ điện Tính chất vật liệu ảnh hưởng đến đặc tính linh kiện, vì vậy việc thiết kế và chế tạo MEMS yêu cầu kiến thức vững về vật liệu Công nghệ MEMS sử dụng nhiều kỹ thuật chế tạo khác nhau, với vật liệu đa dạng như silicon, thủy tinh, gốm, polymer, các hợp chất bán dẫn nhóm III, V, và một số kim loại như nhôm, titan.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã trình bày sơ lược về các công nghệ vi cảm biến điện dung, đồng thời cũng chỉ ra đƣợc các tính chất ƣu việt của silicon để dùng làm màng vi cảm biến