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)

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)

Nguyễn Hữu Khánh Nhân

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nano
Người hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng
Năm bảo vệ: 2008

Abstract: Tổng quan về hệ vi cơ điện tử MEMS và hiệu ứng điện trở trong vật liệu
bán dẫn silic. Tìm hiểu về công nghệ chế tạo và các vật liệu ứng dụng trong MEMS.
Hiệu ứng áp điện trở trong vật liệu bán dẫn silic cho phép tìm ra quy tắc thiết kế các
mô hình cảm biến cũng như cho phép tối ưu hóa các thiết kế đó. Đưa ra các biểu thức
định lượng cần thiết trên phương diện toán học. Đi sâu tìm hiểu các loại cảm biến áp
suất khác nhau, sử dụng công nghệ MEMS. Thiết kế và mô phỏng cảm biến áp suất
điện trở trên cơ sở dùng phương pháp giải tích. Mô phỏng đặc tính cơ học của màng
cảm biến dùng phần mềm ANSYS và phương pháp phần tử hữu hạn. Xây dựng bài
toán mô phỏng sự tương tác các trường vật lý, khảo sát các tham số ảnh hưởng đến
linh kiện và thiết kế mặt nạ để phục vụ quá trình chế tạo. Tiến hành xây dựng hệ đo
cảm biến áp suất sau khi linh kiện được chế tạo, với các thiết bị đo lường được kết nối
thông qua chuẩn giao tiếp RS232. Truy xuất được các đại lượng cần đo và kết quả đo
với sự hỗ trợ phần mềm LabView
Keywords: Công nghệ vi cơ điện tử, Cảm biến áp suất, Khoa học vật liệu, Vật liệu
bán dẫn silic

Content
GIỚI THIỆU
Công nghệ vi chế tạo, cũng được 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 được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp ô tô, y sinh học, điều khiển tự động, đo lường, thông tin viễn thông …v…v…
Trong các ngành công nghiệp, cảm biến áp suất được ứng dụng nhiều nhất trong lĩnh
vực công nghiệp năng lượng, cũng như 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 người (như 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 trường 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 được 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 thước thu nhỏ.
Ngày nay, cảm biến áp suất silic đã được thương 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 thước 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 được sử dụng phổ biến nhất trong linh kiện
MEMS và đặc biệt là đặc tính áp điện trở.
Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất áp điện trở được 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 được chế tạo.
Cấu trúc của luận văn được tóm lượt như sau:
Chương 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 lượt về công nghệ chế tạo, cũng như 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 như cho phép tối ưu hóa các thiết kế đó. Trên phương diện
toán học nhằm đưa ra các biểu thức định lượng cần thiết. Cuối cùng tìm hiểu các loại cảm
biến áp suất khác nhau sử dụng công nghệ MEMS.

Chương 2: Thiết kế và mô phỏng cảm biến áp suất áp điện trở. Trên cơ sở dùng
phương pháp giải tích. Mô phỏng đặc tính cơ học của màng cảm biến dùng phần mềm
ANSYS dùng phương pháp phần tử hữu hạn. Xây dựng bài toán mô phỏng sự tương tác các
trường vật lý, khảo sát được các tham số ảnh hưởng đến linh kiện và thiết kế mặt nạ để phục
vụ quá trình chế tạo.
Chương 3: Xây dựng hệ đo. Sau khi linh kiện được chế tạo, tiến hành xây dựng hệ đo,
với các thiết bị đo lường được kết nối thông qua chuẩn giao tiếp RS232. Sự hỗ trợ phần mềm
LabView cho chúng ta truy xuất được các đại lượng cần đo và kết quả đo.
Chương 4: Kết quả và thảo luận. Có được từ thực nghiệm và tiến hành đánh giá kết
quả này với kết quả từ thiết kế và mô phỏng.
References
Tiếng Việt
[1]
Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở hiệu ứng áp trở, Luận
án Tiến Sĩ Vật Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Hà Nội.
[2]
Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu áp trở kích
thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
[3]
PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS. Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS và mô
phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn, Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
[4]
GS.TS. Nguyễn Văn Phái, GVC.TS. Trương Tích Thiện, Ths. Nguyễn Tường Long,
Ths. Nguyễn Định Giang (2003), Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS,
Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
[5]
Phan Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật.
[6]

Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Đức Hải (2002), Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất bản Lao
Động Xã Hội.
Tiếng Anh
[7]
Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis and
Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor, Department of
Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua university, Hsin Chu, Taiwan
[8]
Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices theory and
applications, Department for Micro and Nano Technology, DTU.
[9]
Fatikow, S and Rembold, U (1997), Microsystem technology and microrobotics,
Springer, New York.
[10]
Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of silicon,
Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551.
[11]
Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for sensitivity and
linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of Microelectromechanical Systems,
Vol.8, No.4, December 1999.
[12]
MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design Hanhbook”,
Design Introduction, SensorNor Asia, All rights reserved.
[13]
MEMS Industry Group, Piezo-resister Pressure Sensor Cluster. ENEE605 Final
Project Report, Fall 2002, Department of Electrical and Computer Engineering,
University of Maryland.
[14]
Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), MEMS Mechanical
Sensors, Artech House Inc, Boston, London.

[15]
Stephen D.Senturia (2002), Microsystem Design, pp.485-486, Massachusetts Institute
of Technology, Kluwer Academic Publishers, New York.
[16]
Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS), Pennsylvania State
University, USA.
[17]
Shimbo, M., K. Furukawa, K. Fukuda, and K. Tanzawa, Silicon-to-silicon direct
bonding method. Journal of Applied Physics, 1986. 60(8): p. 2987-2989.
[18]
Y. Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance coefficients, IEEE
Trans, Electron devices, Vol. ED-29, pp. 64-70.
[19]
S. K. Clark and K. D. Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched thin-
diaphragm pressure sensors, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-26, pp. 1887–
1896, 1979.
[20]
Roark, Roarks formulas for stress and strain, p. 464, Table 26 case 8. McGraw Hill, 1
edition.