Tài liệu Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (mems)

-- 1 -ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO ***** ***** NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) Chuyên ngành : Vật Liệu và Linh Kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Vũ Ngọc Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 -- 10 -- MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ, đồ thị Danh mục các bảng Mục lục Giới thiệu.................................................................................................. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRỞ TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN SILIC 1.1. Hệ vi cơ điện và các ứng dụng.......................................................... 1.1.1. Giới thiệu..................................................................................... 1.1.2. Công nghệ MEMS....................................................................... 1.1.3. Vật liệu trong MEMS.................................................................. 1.2. Hiệu ứng áp trở trong vật liệu silic.................................................... 1.2.1. Mô tả toán học hiệu ứng áp trở................................................... 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mức độ pha tạp đến hệ số áp điện trở ....................................................................................... 1.3. Phân loại MEMS cảm biến áp suất................................................... 1.3.1. Màng silicon vi cơ....................................................................... 1.3.2. Cảm biến áp suất áp trở............................................................... 1.3.3. Cảm biến áp suất kiểu tụ điện..................................................... 1.3.4. Cảm biến áp suất cộng hưởng..................................................... 1.3.5. Các kỹ thuật MEMS cảm biến áp suất khác............................... Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ 2.1. Giới thiệu........................................................................................... 2.1.1. Qui trình thiết kế......................................................................... 2.1.2. Thủ tục thiết kế........................................................................... 2.2. Thiết kế cảm biến áp suất áp điện trở............................................... 2.2.1. Mạch cầu Wheatstone................................................................. 2.2.2. Phân tích ứng suất bằng phương pháp giải tích.......................... 2.2.3. Phân tích áp điện trở bằng phương pháp giải tích...................... 2.3. Mô phỏng dùng phần mềm ANSYS................................................. 2.3.1. Giới thiệu phần mềm.................................................................. 1 3 3 4 12 14 14 20 22 22 23 28 31 33 35 35 36 39 39 41 43 45 45 -- 11 -- 2.3.2. Chỉ tiêu thực hiện bài toán mô phỏng......................................... 2.3.3. Phân tích độ nhạy cảm biến dùng phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................................................ 2.4. Thiết kế mặt nạ (mask)...................................................................... Chương 3: XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.1. Trang thiết bị hệ đo............................................................................ 3.2. Giao tiếp nối tiếp RS-232.................................................................. 3.2.1. Tổng quát..................................................................................... 3.2.2. Kết nối sử dụng DB25 và DB9.................................................... 3.3. Xây dựng hệ đo dùng chuẩn giao tiếp RS-232.................................. 3.4. Thiết lập hệ đo sử dụng chương trình LabView................................ 3.4.1. Khởi động chương trình............................................................... 3.4.2. Xây dựng chương trình kiểu 1..................................................... 3.4.3. Thiết lập các tham số cho cổng nối tiếp...................................... 3.4.4. Viết dữ liệu cho cổng nối tiếp..................................................... 3.4.5. Đọc và hiển thị dữ liệu................................................................ 3.4.6. Kết thúc ứng dụng....................................................................... 3.4.7. Xây dựng chương trình kiều 2..................................................... Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Chế tạo cảm biến áp suất áp trở......................................................... 4.2. Đặc tính cảm biến áp suất áp trở........................................................ 4.2.1. Đặc tính đáp ứng.......................................................................... 4.2.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính............................................. 4.2.3. Cảm biến đối với nguồn cung cấp............................................... Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận................................................................................................. 2. Kiến nghị.............................................................................................. TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ PHỤ LỤC A............................................................................................. PHỤ LỤC B.............................................................................................. 47 55 58 62 64 64 66 69 70 72 73 73 74 75 76 77 78 82 82 84 86 89 90 91 93 95 -- 4 -- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 CAD Computer Aid Design Thiết kế với sự hỗ trợ máy tính 2 CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bốc bay hoá học 3 DAQ Data Acquisition Thu nhận dữ liệu 4 DCE Data Equipment 5 DOF Degree Of Freedom Bậc tự do 6 DRC Design Rule Check Kiễm tra luật thiết kế 7 D - RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòm phản ứng ion sâu 8 DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ liệu 9 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 10 IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp 11 ICP - RIE Inductively Coupled Plasma Ăn mòn phản ứng Reactive Ion Etching ion ghép plasma 12 KEYOPT Key Option 13 LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Lắng đọng bốc bay Deposition hoá học áp suất thấp 14 MEMS Micro Electro System Mechanical Hệ vi cơ điện tử 15 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 16 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion 17 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia điện tử 18 SOI Silicon On Insulator Silic trên chất cách li 19 VI Virtual Instrument Dụng cụ ảo Communications Thiết bị thông tin dữ liệu Khóa tùy chọn -- 5 -- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Mô tả Trang 1 Hình 1.1. Vi cơ khối silicon. (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn 17 mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn ẩn phía dưới, (d) màng điện môi ăn mòn khối mặt sau. 2 Hình 1.2. Các bước cụ thể xử lí vi cơ bề mặt 19 3 Hình 1.3. Kỹ thuật hàn tĩnh điện 20 4 Hình 1.4. Xử lí LIGA 22 5 Hình 1.5. Mô tả về các thành phần ứng suất thẳng góc và 25 ứng suất trượt. 6 Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và 27 vuông góc. 7 Hình 1.7. Các góc Euler trong phép biến đổi các trục toạ độ 27 Đề-các 8 Hình 1.8. Hệ số áp trở đối với nồng độ pha tạp lớp khuyếch 30 tán bề mặt 9 Hình 1.9. Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và 31 vuông góc vào định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100): (a) – silic loại p; (b) – silic loại n 10 Hình 1.10. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại p 11 Hình 1.11. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại n 12 Hình 1.12. Màng silicon bị ăn mòn bất đẳng 33 13 Hình 1.13. Mặt cắt ngang và cách bố trí của sensor áp suất 35 cụ thể được vi cơ khối 14 Hình 1.14. Vị trí điện trở trên màng Boss 36 15 Hình 1.15. Cảm biến áp suất áp trở được liên kết hợp nhất 38 -- 6 -- 16 Hình 1.16. Cảm biến áp suất vi cơ bề mặt với a) màng 39 Nitride; b) màng polisilicon 17 Hình 1.17. Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b) 39 màng có bậc 18 Hình 1.18. Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc 40 19 43 20 Hình 1.19. Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân Yokogawa Hình 2.1. Quy trình thiết kế linh kiện vi cơ điện tử 21 Hình 2.2. a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu 46 46 Wheatstone 22 Hình 2.3. Quá trình mô phỏng MEMS cảm biến cụ thể 48 23 Hình 2.4. Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp 49 điện trở dùng công cụ thiết kế của CADENCE 24 Hình 2.5. Tự động kiểm tra luật thiết kế 50 25 Hình 2.6. Cảm biến áp suất được kết nối dùng 4 điện trở 50 cầu Wheatstone 26 Hình 2.7. Cấu trúc cảm biến áp suất 59 27 Hình 2.8. Mô hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp 60 điện trở 28 Hình 2.9. Điều kiện biên và đặt tải của cảm biến áp suất áp 61 điện trở 29 Hình 2.10. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 62 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa 30 Hình 2.11. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 63 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng suất lớn nhất σx và σy theo mặt trên của màng cảm biến. 31 Hình 2.12. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng suất tương đương theo Von Mises 32 Hình 2.13. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 64 -- 7 -- áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa. Sự thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến. Chú ý áp điện trở được đặt tại vị trí có σs = 0 . 33 Hình 2.14. Vị trí các áp điện trở ở trên màng, tại đó ứng 65 suất được phân bố lớn nhất. 34 Hình 2.15. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với 66 mật độ chia lưới khác nhau 35 Hình 2.16. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với 67 độ dày áp điện trở khác nhau 36 Hình 2.17. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi độ dày của 68 màng cảm biến 37 Hình 2.18. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi kích thước 68 của màng cảm biến 38 Hình 2.19. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của 69 cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau 39 Hình 2.20. Sơ đồ mặt nạ của cảm biến áp suất có kích 71 thước 2 mm x 2 mm 40 Hình 3.1. (a) Sắp xếp các áp điện trở và dây kết nối bên 74 trong của cảm biến áp suất, (b) mạch nữa cầu, (c) cầu Wheatstone, và (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu Wheatstone. 41 Hình 3.2 Toàn bộ hệ thống đo lường: 1) bộ chuẩn áp suất 75 pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo Keithley 2000, 3) máy tính. 42 Hình 3.3. Chức năng thông tin EIA232, và lọai đầu nối cho 76 máy tính cá nhân và modem. 43 Hình 3.4. Đầu nối thiết bị DB25 và DB9 76 44 Hình 3.5. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) và DCE 77 (modem hay thiết bị nối tiếp khác) -- 8 -- 45 Hình 3.6. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và 78 DCE (modem) 9 chân 46 Hình 3.7. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và 78 DCE (modem) 25 chân 47 Hình 3.8. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và 79 DCE (modem) 25 chân 48 Hình 3.9. Bộ chuyển đổi USB sang RS232 80 49 Hình 3.10. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp 81 nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính và thiết bị MC100 và Keithley. 50 Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán 82 51 Hình 3.12. Bảng hiển thị kết quả trong chương trình 83 LABVIEW 52 Hình 3.13. Màn hình làm việc ban đầu của LabView 83 53 Hình 3.14. Cửa sổ làm việc cho lập trình 84 54 Hình 3.15. Thiết lập các thông số cho cổng nối tiếp 85 55 Hình 3.16. Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp 86 56 Hình 3.17. Đọc và định dạng dữ liệu 86 57 Hình 3.18. Quá trình kết thúc ứng dụng 87 58 Hình 3.19. Hiển thị kết quả cuối cùng kiểu 1 87 59 Hình 3.20. Thiết lập mã cho bộ lọc 88 60 Hình 4.1. Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi 89 được khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc 61 Hình 4.2. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mòn 90 khô 20 phút 62 Hình 4.3. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mòn được đo 90 bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 và (b) 2x2 µm2 63 Hình 4.4. Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với 91 -- 9 -- 1x1 và 2x2 mm2 64 65 Hình 4.5. Ảnh SEM 3D của linh kiện cảm biến được chế tạo Hình 4.6. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim 91 92 loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi thêu kết 66 Hình 4.7. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim 92 loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu kết ở 4500 C trong Nitơ (N2) 67 Hình 4.8. (a) nối dây cho linh kiện; (b) đóng gói 93 68 Hình 4.9. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm 94 biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA. 69 Hình 4.10. Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp 95 suất sau cầu cân bằng 70 Hình 4.11. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất 96 phụ thuộc vào nhiệt độ. 71 Hình 4.12. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất ở 97 nhiệt độ 550C 72 Hình 4.13. Mối quan hệ giữa điện áp offset và nhiệt độ 98 73 Hình 4.14. Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ ra đối với nhiệt độ 98 74 Hình 4.15. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của 99 cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau 75 Hình 4.16. Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ ra và tải áp suất 99 với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác nhau DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự Mô tả Trang 1 Bảng 1.1. Các hệ số áp trở song song và vuông góc theo các 29 hướng khác nhau 2 Bảng 1.2. Hệ số áp điện trở cụ thể cho vật liệu silic 30 -- 12 -- GIỚI THIỆU Công nghệ vi chế tạo, cũng đƣợc biết đến là công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là một trong các công nghệ tiến tiến cho phép chế tạo các linh kiện vi hệ thống cơ điện tử. Bao gồm các dạng vi cấu trúc cơ, các bộ cảm nhận tín hiệu (sensor), các bộ chấp hành (actuator). Sản phẩm của công nghệ MEMS đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, y sinh học, điều khiển tự động, đo lƣờng, thông tin viễn thông …v…v… Trong các ngành công nghiệp, cảm biến áp suất đƣợc ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp năng lƣợng, cũng nhƣ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực y sinh học để đo nhịp tim, huyết áp. Ngoài ra cũng có thể thay thế xúc giác con ngƣời (nhƣ da nhân tạo) khi cần xác định hình dạng hay lực cầm nắm các vật. Trên thực tế, để đáp ứng các nhu cầu đa dạng thì đòi hỏi các cảm biến áp suất phải đáp ứng một cách tốt nhất cho từng trƣờng hợp cụ thể. Chính vì vậy cảm biến áp suất kiểu áp trở, nó đáp ứng phần nào về độ nhạy và khả năng đo áp suất trong phạm vi khá rộng. Cảm biến áp suất cụ thể đầu tiên đƣợc chế tạo vào năm 1960, sau đó nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã tập trung nghiên cứu trong lĩnh vực này. Đặc biệt khi có sự xuất hiện công nghệ vi cơ, mở ra khả năng mới trong việc chế tạo linh kiện có kích thƣớc thu nhỏ. Ngày nay, cảm biến áp suất silic đã đƣợc thƣơng mại hóa, mức độ sử dụng trên toàn thế giới đã đạt hàng trăm triệu linh kiện hàng năm với những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong những ứng dụng, nhu cầu về kích thƣớc thu nhỏ cũng là tiêu chí đặt lên hàng đầu và công nghệ MEMS đã thật sự đáp ứng. Do đó, trong luận văn này tập trung vào các đặc tính của vật liệu silic đơn tinh thể, đây là vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong linh kiện MEMS và đặc biệt là đặc tính áp điện trở. -- 13 -- Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất áp điện trở đƣợc thực hiện bằng thiết kế và mô phỏng dùng phần mềm ANSYS, sau đó khảo sát các tham số kỹ thuật của linh kiện sau khi đƣợc chế tạo. Cấu trúc của luận văn đƣợc tóm lƣợt nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về hệ vi cơ điện tử MEMS và hiệu ứng áp điện trở trong vật liệu bán dẫn silic. Tìm hiểu sơ lƣợt về công nghệ chế tạo, cũng nhƣ các vật liệu ứng dụng trong MEMS. Hiệu ứng áp điện trở trong vật liệu bán dẫn silic cho phép tìm ra qui tắc thiết kế các mô hình cảm biến, cũng nhƣ cho phép tối ƣu hóa các thiết kế đó. Trên phƣơng diện toán học nhằm đƣa ra các biểu thức định lƣợng cần thiết. Cuối cùng tìm hiểu các loại cảm biến áp suất khác nhau sử dụng công nghệ MEMS. Chƣơng 2: Thiết kế và mô phỏng cảm biến áp suất áp điện trở. Trên cơ sở dùng phƣơng pháp giải tích. Mô phỏng đặc tính cơ học của màng cảm biến dùng phần mềm ANSYS dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Xây dựng bài toán mô phỏng sự tƣơng tác các trƣờng vật lý, khảo sát đƣợc các tham số ảnh hƣởng đến linh kiện và thiết kế mặt nạ để phục vụ quá trình chế tạo. Chƣơng 3: Xây dựng hệ đo. Sau khi linh kiện đƣợc chế tạo, tiến hành xây dựng hệ đo, với các thiết bị đo lƣờng đƣợc kết nối thông qua chuẩn giao tiếp RS232. Sự hỗ trợ phần mềm LabView cho chúng ta truy xuất đƣợc các đại lƣợng cần đo và kết quả đo. Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận. Có đƣợc từ thực nghiệm và tiến hành đánh giá kết quả này với kết quả từ thiết kế và mô phỏng. -- 14 -- Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRỞ TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN SILIC 1.1. HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1.1. Giới thiệu Hệ thống vi cơ điện tử MEMS (Microelectromechanical Systems) bao gồm các bộ cảm biến tín hiệu (sensor), các bộ chấp hành (actuator) và bộ vi xử lý (microprocessor). Hệ thống cũng cần nguồn cung cấp, rơ le, các bộ xử lí tín hiệu có kích thƣớc micro. Bắt đầu năm 1990, MEMS xuất hiện với sự phát triển của công nghệ vi điện tử, các thành phần nhƣ cảm biến, vi chấp hành và vi xử lý đƣợc kết hợp chế tạo trên đế silic. Từ đó quá trình nghiên cứu phát triển MEMS đƣợc thực hiện dƣới sự tài trợ vốn từ chính phủ và các nhà quản lí công nghiệp. Hơn nữa sự thƣơng mại hóa từ một vài thiết bị MEMS có mức độ tích hợp thấp nhƣ bộ vi gia tốc kế, đầu mực in, hệ vi gƣơng cho máy chiếu …v…v… Những khái niệm và tính khả thi về thiết bị MEMS phức tạp hơn đƣợc đề xuất và chế tạo cho những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ chất lƣu, hàng không, y sinh, phân tích hóa học, thông tin không dây, lƣu trữ dữ liệu, hiển thị, quang học …[16]. Một vài hƣớng nghiên cứu mới xuất hiện nhƣ hệ thống vi cơ điện tử - quang (MOEMS), µTAS,… đã hấp dẫn các nhà nghiên cứu quan tâm tới thị trƣờng ứng dụng tiềm năng này. Đến cuối năm 1990, hầu nhƣ các thiết bị MEMS với hệ vi cơ cảm biến và vi chấp hành đƣợc chế tạo trên công nghệ vi cơ khối, vi cơ bề mặt, kỹ thuật quang khắc, và LIGA. Quá trình vi chế tạo 3D, nó kết hợp nhiều vật liệu hơn đƣợc thực hiện cho những MEMS hiện nay, khi có ứng dụng yêu cầu cụ thể chẳng hạn nhƣ thiết bị MEMS y sinh và các bộ vi chấp hành với công suất ngõ ra cao hơn. Công nghệ vi cơ trở thành công nghệ cơ bản cho chế tạo linh kiện vi cơ điện tử và đặc biệt là bộ cảm biến và bộ chấp hành thu nhỏ. Silic là thuận lợi -- 15 -- nhất cho công nghệ vi cơ, và nó cho phép chế tạo MEMS có kích thƣớc dƣới milimét. Sử dụng những vật liệu nhƣ tinh thể silic, silic đa tinh thể, silic nitride,… để chế tạo các vi cấu trúc cơ nhƣ thanh dầm, màng, rãnh, lổ, lò xo, bánh răng, hệ thống giảm xóc và tính đa dạng của các cấu trúc cơ phức tạp khác. MEMS cơ bản đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở là màng, hay cấu trúc đòn bẩy (cantilever). Các bƣớc xử lí nói chung đƣợc biết nhƣ vi cơ cần để chế tạo màng, đòn bẩy, cấu trúc cộng hƣởng,… đối với các ứng dụng, chúng ta có thể cần thiết tích hợp sử dụng một hay nhiều hơn cấu trúc cơ bản. Ba cấu trúc trên cung cấp một vài thiết kế khả thi cho bộ chấp hành hay cảm biến, thực ra đây là điều rất cần trong hầu nhƣ các cấu trúc thông minh. Tuy nhiên, điểm xuất phát chính ảnh hƣởng tới việc thực hiện cấu trúc này là chọn lựa vật liệu, dùng để chế tạo linh kiện và sử dụng công nghệ vi cơ. Điểm xuất phát đầu tiên, mà chúng ta để ý trong 3 cấu trúc là sự cảm biến và chấp hành xảy ra là kết quả của sự tác động lớp áp điện bằng ứng dụng điện trƣờng. Sự tác động này gây ra cảm biến và chấp hành, nó hình thành do cấu trúc màng thay đổi, còn trong đòn bẩy thay đổi vị trí tự do, kết quả do cấu trúc trạng thái cân bằng bị thay đổi. Gia công vi cơ silic là yếu tố chính cho sự tiến bộ vƣợt bậc của MEMS trong thập kỷ qua. Điều này đƣợc xem nhƣ bộ phận cơ học bên ngoài đế silic, và gần đây có thể có thêm những vật liệu khác. Nó đƣợc dùng để chế tạo các thành phần nhƣ mấu nối, màng, tay đòn, rãnh, lổ, bánh răng, hệ thống giảm xóc … những điều này tạo nên các cảm biến khác nhau. 1.1.2. Công nghệ MEMS Công nghệ vi cơ silic là yếu tố chính cho sự tiến bộ vƣợt bậc của MEMS. Điều này đƣợc xem nhƣ bộ phận cơ học đƣợc chế tạo bên ngoài đế silic hay trên đế silic. Công nghệ MEMS dựa trên 2 công nghệ sau: vi cơ khối là cấu trúc bị ăn mòn vào đế silic và vi cơ bề mặt là các lớp vi cơ đƣợc hình thành từ lớp hay màng đƣợc lắng đọng trên bề mặt. Vi cơ khối và vi cơ bề mặt là hai công nghệ quan trọng cùng với kỹ thuật hàn phiến (bonding wafer) thƣờng cần thiết trong MEMS. Công nghệ LIGA -- 16 -- cũng đƣợc dùng để chế tạo vi cấu trúc 3D với tỉ số cạnh cao cho cấu trúc của MEMS. 1.1.2.1. Công nghệ vi cơ khối silic Vi cơ khối silic là một trong những công nghệ chế tạo vi cơ silic phổ biến nhất. Nó xuất hiện đầu năm 1960 và đƣợc sử dụng cho đến nay trong chế tạo các vi cấu trúc khác nhau. Nó đƣợc dùng trong sản xuất các linh kiện có tính thƣơng mại quan trọng: hầu nhƣ các cảm biến áp suất, van đóng mở và cảm biến gia tốc chiếm 90%. Thuật ngữ vi cơ khối (bulk micromachining) xuất phát từ thực tế, loại gia công vi cơ này đƣợc sử dụng để tạo ra các cấu trúc khối bằng cách loại bỏ có lựa chọn một phần vật liệu từ phiến silic đơn tinh thể. Công nghệ vi cơ khối cho phép loại bỏ có lựa chọn số lƣợng silic cần thiết từ đế để hình thành các màng, các rãnh, lỗ hay những cấu trúc khác nhau (hình 1.1). Công nghệ vi cơ khối bao gồm các kỹ thuật chính là kỹ thuật ăn mòn ƣớt và ăn mòn khô silic. Đối với ăn mòn đế silic dày, chất khắc ăn mòn ƣớt dị hƣớng trong dung dịch potassium hydroxyt (KOH), ethylene diamine và pyrocatechol (EDP), và tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Các dung dịch ăn mòn có đặc điểm là có tốc độ ăn mòn khác nhau theo các hƣớng tinh thể khác nhau của phiến silic tinh thể. Ngoài ra, trong những năm gần đây, sử dụng kỹ thuật kết hợp của ăn mòn plasma dị hƣớng và đẳng hƣớng. Quá trình ăn mòn đƣợc lựa chọn bằng cách sử dụng pha tạp (vùng pha tạp nhiều ăn mòn chậm) hay có thể đƣợc kết thúc quá trình điện cơ (chẳng hạn dừng ăn mòn khi gặp vùng lƣỡng cực khác nhau trong mối nối phân cực p-n). Vùng ăn mòn ƣớt có xu hƣớng chậm dần hay loại bỏ đƣợc gọi là điểm dừng ăn mòn (etch-stop). Có nhiều cách tạo vùng dừng ăn mòn nhƣ chọn cách pha tạp và phụ thuộc phân cực. Ăn mòn ƣớt đƣợc thực hiện bằng cách nhúng đế vào dung dịch chất ăn mòn. Ăn mòn ƣớt có thể là ăn mòn đẳng hƣớng hay dị hƣớng phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu hay chất ăn mòn đƣợc sử dụng. Nếu vật liệu là vô định hình hay đa tinh thể, ăn mòn ƣớt luôn luôn là ăn mòn đẳng hƣớng (hình 1.1a). Trong ăn mòn -- 17 -- đẳng hƣớng (sử dụng chất ăn mòn là acid hòa tan), chất cản thì luôn cắt phía dƣới, có nghĩa là ăn mòn sâu không sử dụng cho MEMS. Silic đơn tinh thể có đƣợc ăn mòn dị hƣớng. Đặc tính ăn mòn đƣợc quyết định bởi tốc độ ăn mòn mà nó phụ thuộc vào hƣớng tinh thể. Ăn mòn chậm dần cần chú ý là mặt (111) của silic so với các mặt khác. Với việc chọn lực phiến theo các hƣớng tinh thể khác nhau, có thể thực hiện ở vi cơ khối có đặc tính khác nhau (hình 1.1b, c). Hầu nhƣ sử dụng chất ăn mòn chung cho ăn mòn dị hƣớng silic bao gồm chất ăn mòn alkali hydroxide (KOH, NaOH,…), hòa tan ammonium (NH4OH, TMAH ((CH3)4NOH),…) và EDP (ethylene diamine, pyrochatechol và nƣớc). Bằng việc kết hợp ăn mòn dị hƣớng cùng với việc khuếch tán Bo tạo điểm dừng ăn mòn và kỹ thuật dừng ăn mòn điện hoá, tạo nên vi cấu trúc silic khác nhau. Mặt nạ SiO2 Hướng mặt (100) a) Cần cantilever b) Hướng mặt (100) Hướng mặt (100) Lớp điện môi Mặt nạ Lớp dừng ăn mòn c) d) Mặt nạ Hình 1.1. Vi cơ khối silicon. (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn ẩn phía dưới, (d) màng điện môi ăn mòn khối mặt sau [10]. Ăn mòn xảy ra thông qua tƣơng tác hóa học hay vật lý giữa các ion trong không khí và các nguyên tử của đế. Ăn mòn khô đẳng hƣớng không plasma thì có thể dùng xenon difluoride hay hổn hợp khí interhalogen và cung cấp sự lựa chọn rất cao cho nhôm, silicon dioxide, siliconnitric và chất cản quang, … Thông thƣờng ăn mòn khô silic khối là ăn mòn plasma và ăn mòn ion hoạt tính (RIE), mà năng lƣợng bên ngoài lấy từ nguồn tần số vô tuyến (RF), các chất bột làm phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện áp suất thấp. Kỹ thuật ăn mòn khô -- 18 -- dị hƣớng đƣợc sử dụng rộng rải trong MEMS do tính linh động trong cấu trúc hình học so với ăn mòn ƣớt. Với silic cấu trúc vi cơ khối, kỹ thuật liên kết phiến thì cần thiết cho lắp ráp linh kiện MEMS. Tuy nhiên vi cơ bề mặt có thể đƣợc dùng chế tạo các linh kiện MEMS nguyên khối. 1.1.2.2. Công nghệ vi cơ bề mặt silic Vi cơ bề mặt không có hình dạng khối silic, việc xây dựng cấu trúc trên bề mặt silic bằng lắng đọng màng mỏng “lớp hy sinh” và “lớp cấu trúc” bằng cách loại bỏ lớp hy sinh để tạo ra cấu trúc cơ học (hình 1.2). Cấu trúc của vi cơ bề mặt này có thứ tự độ lớn nhỏ hơn cấu trúc vi cơ khối. Thuận lợi quan trọng nhất của công nghệ vi cơ bề mặt là dễ dàng tích hợp với các linh kiện vi mạch IC, do nó cùng chung đế với linh kiện tích hợp. Vi cơ bề mặt yêu cầu tính tƣơng thích về vật liệu cấu trúc, vật liệu hi sinh và chất ăn mòn hóa học. Vật liệu cấu trúc phải có tính chất vật lí và hóa học thích hợp cho những ứng dụng mong muốn, hơn nửa nó phải thỏa mãn các tính chất cơ học, chẳng hạn nhƣ ứng suất gãy và độ cong cao, sức chịu đựng và độ hao mòn trở kháng tốt. Vật liệu hy sinh phải có tính cơ học tốt để tránh hƣ hỏng linh kiện trong quá trình chế tạo. Tính chất này bao gồm độ bám tốt và ứng suất dƣ thấp để loại bỏ hƣ hỏng linh kiện. Chất khắc ăn mòn loại bỏ vật liệu hy sinh phải có sự lựa chọn ăn mòn tốt và nó phải ăn mòn hết vật liệu hy sinh và không ảnh hƣởng lên cấu trúc. Hơn nửa chất ăn mòn phải có độ dính riêng và đặc tính sức căng bề mặt. Nói chung vật liệu tƣơng thích IC dùng trong vi cơ bề mặt là: 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 hƣởng đến poly-Si. Cùng với hệ thống vật liệu này, silicon nitride thƣờng dùng cho cách li điện. 2. Polyamide/aluminum; trong trƣờng 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. -- 19 -- 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 hƣớng 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 tƣơng thích IC khác nhƣ silicon carbide, kim cƣơng (carbon), zinc oxide, vàng cũng đƣợc sử dụng. Vi cơ bề mặt cũng có thể thực hiện dùng phƣơng pháp ăn mòn khô. Ăn mòn plasma đế silic với hổn hợp khí SF6/O2-based và CF4/H2-based có nhiều ƣu điểm bởi vì tính lựa chọn chất cản quang cao, silicon dioxide và thực hiện mặt nạ aluminum. Tuy nhiên, khi sử dụng ăn mòn plasma phải chú ý độ lớn mặt cắt dƣới của mặt nạ. Điều này do nguyên tử flo ăn mòn đẳng hƣớng silic đƣợc sánh nhƣ ăn mòn đứng bởi sự bắn phá ion. Trái lại, phản ứng ăn mòn ion poly-Si dùng kết hợp khí clo và flo không quan tâm tới mặt cắt dƣới và hầu nhƣ các loại ăn mòn đứng khi dùng chất cản quang nhƣ là mặt nạ. Khắc Phát triển lớp hy sinh 1. 2. Lớp hy sinh (SiO2) Lắng đọng lớp cấu trúc Silic đa tinh thể Khắc Mặt nạ 4. 3. Lắng đọng lớp cấu trúc Cấu trúc cuối cùng Loại bỏ lớp hy sinh 5. Hình 1.2. Các bước cụ thể xử lí vi cơ bề mặt [9]. 6. -- 20 -- Vi cấu trúc silic chế tạo bằng vi cơ bề mặt thƣờng là cấu trúc phẳng (hay hai hƣớng). Kỹ thuật khác liên quan tới sử dụng vật liệu cấu trúc màng mỏng bằng cách loại bỏ các lớp hy sinh nằm dƣới, có nhiều thuận lợi thực hiện vi cơ bề mặt cấu trúc 3D. Bằng cách kết nối các phiến polysilicon với đế và các khớp nối với nhau có thể tạo thành cấu trúc vi cơ 3D. Ngoài ra tạo cấu trúc 3D có thể dùng lắng đọng thích hợp polysilicon và các màng oxide hy sinh để lắp đầy những rãnh sâu đã ăn mòn trƣớc đó trong đế silic. Vi cấu trúc 3D đặc biệt có ích cho linh kiện quang học không yêu cầu cho kết nối công suất ngõ ra. 1.1.2.3. Kỹ thuật hàn phiến trong MEMS Vi cơ silic có giới hạn trong hình thành những cấu trúc 3D phức tạp trong định dạng khối. Các cấu trúc đa chíp thì đƣợc đề xuất chung cho MEMS, việc liên kết phiến với nhau phải tuân theo các tiêu chuẩn nhất định. Kỹ thuật hàn phím cho MEMS có thể phân làm ba loại chính: kỹ thuật hàn tĩnh điện, Kỹ thuật hàn hỗ trợ lớp trung gian, và kỹ thuật hàn trực tiếp.  Kỹ thuật hàn tĩnh điện Hình 1.3.Kỹ thuật hàn tĩnh điện Kỹ thuật hàn tĩnh điện cũng đƣợc gọi liên kết nhiệt đƣợc hỗ trợ trƣờng liên kết tĩnh điện, …v…v…Kỹ thuật hàn tĩnh điện thƣờng đƣợc thiết lập giữa nguyên tố kim loại màu mềm trắng bạc và silic trên MEMS. Đối với hàn tĩnh điện, catode và anode đƣợc dán vào thủy tinh (hay silic đƣợc phủ với lớp thủy tinh mỏng) với phiến silic, với mức điện áp vào từ mức 200 đến 1000 V. Vào lúc này anode đƣợc cung cấp nhiệt độ khoảng 18 0 ~ 250C (hình 1.3). Trong suốt -- 21 -- khoảng thời gian hàn, các ion oxy từ thủy tinh đi vào silic, kết quả hình thành lớp dioxide silicon giữa phiến silic và phiến thủy tinh đó là hình thành liên kết hóa học. Thuận lợi trong liên kết hóa học cho MEMS là sử dụng nhiệt độ thấp để bảo đảm lớp kim loại chịu đựng không bị suy giảm phẩm chất ở nhiệt độ này.  Kỹ thuật hàn hỗ trợ lớp trung gian Đối với loại hàn này yêu cầu lớp trung gian, có thể là kim loại, polymer, hợp kim, thủy tinh, .v…v.. để thực hiện liên kết giữa phiến silic. Một trong những kỹ thuật hàn phiến đầu tiên, đó là liên kết Eutectic dùng Au nhƣ lớp trung gian liên kết Si-Si cho cảm biến áp suất. Liên kết Eutectic AuSi xảy ra ở 3630 C, dƣới nhiệt độ chuẩn của lớp kim loại Al. Nhƣng ứng suất sinh ra trong suốt quá trình hàn rất đáng kể và đƣợc đề cập trong cảm biến. Polymer có nhiều ƣu thế làm lớp liên kết trung gian ở nhiệt độ rất thấp, đây là ƣu điểm chính, sự vắng mặt của các ion kim loại, ứng suất thấp do tính chất đàn hồi của polymer. Nhƣợc điểm của linh kiện dùng liên kết polymer là không thể thể hiện tính kết dính của liên kết do tính hoán vị của các polymer tƣơng đối cao. Thủy tinh với nhiệt độ nóng chảy thấp cũng đƣợc dùng làm lớp trung gian cho liên kết, lớp thủy tinh nóng chảy thƣờng đƣợc lắng đọng trên phiến silic. Sự bằng phẳng của lớp nóng chảy đƣợc lắng đọng thì đủ có đƣợc sự đồng nhất, chắc và áp suất thấp cho liên kết. Những vật liệu khác có nhiệt độ thấp, sức căng cao và ứng suất thấp cũng đƣợc phát triển làm lớp trung gian cho kỹ thuật hàn phiến.  Kỹ thuật hàn trực tiếp Hàn trực tiếp cũng đƣợc thực hiện cho liên kết hợp nhất silic, đƣợc dùng cho liên kết Si-Si. Hàn trực tiếp dựa trên cơ sở phản ứng hóa học giữa nhóm OH hiện trên bề mặt của silic gốc hay sự gia tăng oxide bao phủ phiến. Hàn trực tiếp thực hiện theo ba bƣớc sau: chuẩn bị bề mặt, kết nối và ủ nhiệt. Bƣớc chuẩn bị bề mặt liên quan đến làm sạch bề mặt của 2 phiến để hình thành bề mặt thủy hợp (hydrate). Bề mặt phiến nên là mặt phẳng, mức độ gồ ghề -- 22 -- không nên lớn hơn 10 A0, độ cong của phiến 4‟‟ nên nhỏ hơn 5 µm để tạo nên sự bằng phẳng cần thiết. Sau bƣớc chuẩn bị này, phiến đƣợc sắp thẳng hàng và đƣợc kết nối trong môi trƣờng phòng sạch bằng cách thực hiện cẩn thận cho 2 phiến thẳng hàng ở trung điểm bề mặt. Hai bề mặt hydrate hóa đƣợc liên kết trên toàn bề mặt. Bƣớc cuối cùng trong hàn trực tiếp là ủ nhiệt ở nhiệt độ phòng 12000 C. Quá trình ủ nhiệt này làm tăng thêm sức căng của mối nối , đặc biệt khi ở nhiệt độ 800 ~ 12000 C. Nhƣng ủ nhiệt ở nhiệt độ cao không thích hợp cho phiến kim loại. So với hàn tĩnh điện, sức kéo căng mối nối tƣơng đối cao bằng thực hiện hàn trực tiếp với việc ủ nhiệt ở nhiệt độ cao. Đôi khi xử lí hàn trực tiếp ở nhiệt độ thấp cũng có thể chấp nhận đƣợc. 1.1.2.4. Công nghệ LIGA. Công nghệ LIGA là công nghệ vi chế tạo, dùng để thực hiện cho các hệ thống MEMS có cấu trúc phức tạp và kích thƣớc 3D. Chế tạo các cấu trúc tỉ số cạnh cao (high aspect ratio) và linh kiện 3D. Tia X được phát đồng bộ Cấu trúc lớp cản 3. Mặt nạ Lớp cản 2. Đế 1. Lỗ phun Kim loại được mạ điện Cấu trúc kim loại 4. Khuôn đàn hồi Khuôn đúc 5. Lớp loại bỏ 7. Khuôn đúc Khuôn phẳng Kim loại mạ điện Cấu trúc được in ra 8. Hình 1.4. Công nghệ LIGA [9]. 6. Cấu trúc chính