nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm chip cảm biến áp suất nhằng hướng tới ứng dụng trong các thiết bị dân dụng

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đo
đạc, đóng gói và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng các thiết
bị hiện có tại Việt Nam. Trong phần thiết kế - mô phỏng, nhóm đã sử dụng phần mềm
Ansys kết hợp với Matlab để tính toán các thông số của chip cảm biến áp suất đảm bảo
độ bền cơ và độ nhạy, cũng nh thiết kế mạch đóng gói chip cảm biến. Từ các thông số
thu được, chúng tôi lựa chọn cấu trúc hợp lý để chế tạo. Phần chế tạo chip cảm biến
được thực hiện bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) sử dụng các thiết bị phòng sạch
SHTP. Nhóm đã thành công trong việc chế tạo chip cảm biến áp suất với các ngưỡng
áp suất làm việc và độ nhạy khác nhau. Chúng tôi đã phát triển lên thành mô đun cảm
biến, và ứng dụng thành công trong việc đo chiều cao cột nước, nhằm có thể sử dụng
trong các thiết bị gia dụng như máy giặt, huyết áp kế, đo ngập lụt.
I
SUMMARY OF RESEARCH CONTENT
In this project, we perfomed the design, simulation, fabrication, measurement, packaging
and trial application of the capacitor type pressure sensor, using existing equipments and
facilities in Vietnam. In the design – simulation part, we used ANSYS and Matlab soft-
wares to calculate the parameters of the pressure sensor chips for ensuring the mechanical
durability and electrical sensitivity, as well as an adequate operation of the circuit of the
sensor packaging. From the obtained parameters, we chose the suitable structures for the
fabrication. The chips were fabricated by Microelectromechanical (MEMS) technology
using SHTP’s clean room. Our group has successfully fabricated pressure sensor chips
for different working pressure ranges and sensitivities. We also have developed the sen-
sor to measure level, and we applied in the measurement of water column height. These
sensors will be able to use in household appliances such as washing machines water level
controllers, blood pressure monitors, flooding detectors.
II
Mục lục
Tóm tắt đề tài (gồm tiếng Việt và tiếng Anh) . . . . . . . . . . . I
Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV
Danh mục các từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
Danh sách hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
PHẦN MỞ ĐẦU 1
1 Thông tin về đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Mục tiêu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3 Nội dung nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu theo hợp đồng đã ký) . . . . . . . . . . . 3
1 TỔNG QUAN 5
1.1 Tình hình ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Tình hình trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP
SUẤT KIỂU TỤ ĐIỆN 13
2.1 Quan hệ giữa điện dung, áp suất và độ chuyển vị . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Bài toán và phương pháp mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Nguyên lý thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Bộ tạo tín hiệu số DSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Bộ xử lý tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Mối quan hệ giữa áp suất, điện dung và độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . 51
Mô phỏng bộ tạo tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3 CHẾ TẠO CHIP CẢM BIẾN ÁP SUẤT 63
3.1 Thiết kế bộ Mask cảm biến áp suất kiểu tụ điện . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2 Quy trình chế tạo chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
III
3.2.1 Thao tác trên wafer Silic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Thao tác trên wafer Pyrex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.3 Đóng gói phiến Silic và Pyrex thành cấu trúc chip cảm biến áp
suất kiểu tụ điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Đánh giá quá trình chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.1 Tốc độ ăn mòn phiến silic trong KOH (etching rate) và độ dày màng 79

3.3.2 Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN ÁP
SUẤT 81
4.1 Đánh giá hoạt động của chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.1 Chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.2 Kiểm tra hoạt động của Chip cảm biến. . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.1.3 Kết quả đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Cảm biến làm việc được trong dải áp suất cao 0-6 bar . . . . . . . . . . . 82
Cảm biến có độ nhạy cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động cảm biến áp suất 89
4.2 KẾT QUẢ CHẾ TẠO MÔ ĐUN CẢM BIẾN ÁP SUẤT . . . . . . . . . . 89
4.2.1 Mô đun chuyển đổi áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Mô đun hiển thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Kiểm tra hoạt động của Mô đun cảm biến áp suất . . . . . . . . . 93
4.3 Đóng gói mô đun cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99
5.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
TÀI LIỆU THAM KHÀO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
IV
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt
CPS Capacitive Pressure Sensor Cảm biến áp suất kiểu tụ điện
IC Integrated Circuit Vi mạch
MEMS MicroElectroMechanical Sys-
tems

Hệ thống vi cơ điện tử
FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu
hạn
Si Silicon Silic
DSG Digital Signal Generator Bộ tạo dao động số
DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số
PECVD Plasma Enhanced Chemical
Vapor Deposition
Lắng đọng hơi hóa học bằng
plasma tăng cường
HF Hydrofluoric acid Axit Flohydric
V
Danh sách bảng
Số TÊN BẢNG SỐ LIỆU Trang
1.1 So sánh các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất
kiểu tụ và cảm biến áp suất kiểu áp trở.
9
1.2 Đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất MPXM2010
D (Freescale Semiconductor) (Vs = 10 VDC, T = 25
0C).
11
2.1 Thông số đầu vào được sử dụng trong mô phỏng tính
chất cơ
25
2.2 Cấu trúc cảm biến được sử dụng để khảo sát ứng suất
tối đa và độ chuyển vị
45
4.1 Thông số kỹ thuật của mô đun cảm biến áp suất hoàn
chỉnh
95

5.1 Cấu trúc các chip cảm biến chế tạo. 100
5.2 So sánh chip cảm biến chế tạo được với thuyết minh
đăng ký đầu vào
100
VI
Danh sách hình
Số TÊN HÌNH ẢNH Trang
1.1 Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ
năm 2011 đến 2017
5
1.2 Thị phần các loại linh kiện MEMS năm 2011. 6
1.3 Quy trình chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ. 7
1.4 Mặt cắt của cảm biến áp suất cộng hưởng. 8
1.5 Mặt cắt cảm biến áp suất áp điện. 8
1.6 Mặt cắt và mô hình cảm biến áp suất áp trở. 9
1.7 Cấu trúc của cảm biến áp suất kiệu tụ điện khi có và
không có ứng suất.
10
2.1 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông 14
2.2 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông có tâm cứng. 16
2.3 Độ chuyển chuyển vị của màng bình thường và có tâm
cứng trong cùng điều kiện áp suất.
17
2.4 Độ chuyển vị của màng cấu trúc tròn biến dạng theo
phương ứng suất.
18
2.5 Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ màng tròn khi có
tâm cứng.
20
2.6 Quy trình mô phỏng và tối ưu kết cấu 21

2.7 Vòng tròn Mohr ứng suất của phân tố 26
2.8 Chia miền tính toán thành các vi phân diện tích 39
2.9 Mặt Gauss dựa trên biên dạng chuyển vị của điện cực
trên
28
2.10 Chiều tăng của L và hướng của vector cương độ điện
trường
29
2.11 Mô hình tích phân theo đường sức của điện trường 30
2.12 Mạch khuếch đại đảo theo lý thuyết 32
2.13 Cấu tạo một tầng khuếch đại 33
2.14 Mạch khuếch đại với tụ gắn trực tiếp ở ngõ vào 34
VII
2.15 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp vào mạch khuếch
đại
35
2.16 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp 37
2.17 Sơ đồ khối mô đun cảm biến áp suất. 38
2.18 Sơ đồ khối mô đun chuyển đổi áp suất sang mô đun
hiển thị.
39
2.19 Mạch dao động RC 39
2.20 Dạng sóng của mạch dao động tại V1 40
2.21 Dạng sóng của mạch dao động tại V2 và Vout 41
2.22 Lược đồ thực hiện của chương trình cho PIC 43
2.23 Kết cấu của màng sau khi chia lưới tứ diện 44
2.24 Phần tử tứ diện được khảo sát theo ứng suất và chuyển
vị
44
2.25 ’Phân bố ứng suất Von Mises khi chịu tải áp suất 6

Bar màng 4x4 mm
45
2.26 Phân bố ứng suất Tressca khi chịu tải áp suất 6 Bar. 46
2.27 Kết quả mô phỏng độ chuyển vị (a) của màng Si +
điện cực, và (b) của điện cực Al (không hiển thị màng
Si) khi chịu áp suất 6 Bar.
47
2.28 Độ chuyển vị của các điểm trên điện cực (3x3 mm)
được khảo sát trong dãy áp suất [0-6 Bar].
48
2.29 Phân bố ứng suất Von Mises khi chịu áp suất 6 Bar
của màng Si +lớp điện cực.
48
2.30 Phân bố ứng suất Tressca khi chịu tải áp suất 6 Bar. 49
2.31 Kết quả mô phỏng độ chuyển vị của màng (a) và điện
cực nhôm (b) khi chịu áp suất 6 Bar.
50
2.32 Độ chuyển vị của các điểm được khảo sát trong dãy
áp suất [0-6Bar]
51
2.33 Đáp ứng P-C với các giá trị khoảng cách giữa hai bản
cực khác nhau (màng 4x4 mm)
52
2.34 Đáp ứng P-C theo khoảng cách hai bản cực (điện cực
5x5 mm)
52
VIII
2.35 So sánh đáp ứng P-C của hai loại cấu trúc trong dải
áp suất [0-6 bar] với gap =10 µm.
53

2.36 So sánh quan hệ gia số áp suất và độ nhạy theo dải
áp suất [0-6Bar]
53
2.37 Cấu trúc màng cảm biến được chọn 54
2.38 Mạch đóng gói cảm biến áp suất kiểu tụ điện thiết kế 55
2.39 Mối quan hệ điện áp ngõ ra và điện dung 56
2.40 Giá trị điện dung của tụ bằng 10 pF 57
2.41 Giá trị điện dung của tụ bằng 20 pF 57
2.42 VO với C = 10 pF tại nhiệt độ 25oC và tần số 50 kHz. 58
2.43 VO với C = 10 pF tại nhiệt độ 50oC và tần số 50 kHz. 58
2.44 VO với C = 20 pF tại nhiệt độ 50oC và tần số 50 kHz 58
2.45 VO với C = 20 pF tại nhiệt độ 25oC và tần số 50 kHz. 59
2.46 Mạch mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R =
270kohm và C = 22pF
60
2.47 Kết quả mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R =
270kω và C = 22pF
60
2.48 Mạch mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R =
270kω và C = 25pF
61
2.49 Kết quả mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R =
270kω và C = 25p
61
2.50 Biểu đồ biểu diễn mối tương quan giữa C và f, với R
= 270kω .
62
3.1 Bộ Mask dùng để chế tạo chip cảm biến áp suất kiểu
tụ điện
64

3.2 Quy trình chế tạo chip cảm biến áp suất. 65
3.3 Mô hình phiến Silic 66
3.4 Nguyên lý tạo màng SiO2 bằng thiết bị PECVD. 67
3.5 Mô hình phiến Silic được phủ màng SiO2 hai mặt; 68
3.6 Mô hình phiến Silic được phủ lớp cảm quang 68
3.7 Mô hình chiếu chùm UV 69
3.8 Mô hình sau khi hiện hình mask 1 70
3.9 Mô hình ăn mòn lớp SiO2 70
IX
3.10 Mô hình khắc lớp KOH 71
3.11 Mô hình chiếu tia UV với mask 2 71
3.12 Mô hình phiến Silic sau khi mở cửa sổ SiO2 72
3.13 Mô hình quang khắc sử dụng mask 3 73
3.14 Mô hình phiến Silic được mở cửa sổ SiO2 73
3.15 Mô hình phiến Silic được phủ 1 lớp đồng 74
3.16 Mô hình ăn mòn điện cực; b) Phiến Silic sau khi ăn
mòn đồng.
74
3.17 Nguyên lý cắt phiến Silic. 75
3.18 Cấu trúc màng Si cảm biến áp suất với kích thước
12.5x10 mm: a) Mặt trước-điện cực; b) Mặt sau – tâm
cứng.
75
3.19 Mô hình pyrex được phủ lớp đồng 76
3.20 Mô hình pyrex đã được ăn mòn lớp đồng 76
3.21 Pyrex đã đươc cắt ra từng Die với kích thước 12,5mm
x 10mm
77
3.22 Quy trình hàn Silic và Pyrex tạo cấu trúc chip cảm
biến gia tốc.

77
3.23 Mô hình hệ hàn anodic. 78
3.24 Chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện được chế tạo. 78
3.25 Kính hiển vi Olympus MX51 79
3.26 Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc chụp bằng
optical profiler Veeco NT1100 cho độ ghồ ghề khoảng
30 nm;
80
3.27 ’Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc chụp bằng
optical profiler Veeco NT1100 cho độ ghồ ghề khoảng
12 nm;
801
4.1 Chip cảm biến áp suất. a) cấu trúc màng 6mm x 6mm;
b) màng 4mm x 4 mm.
81
4.2 Hệ đo cảm biến áp suất 82
4.3 Cấu trúc chip cảm biến có dải áp suất làm việc lớn
0-6 Bar.
82
4.4 Biểu đồ tương quan giữa điện dung và áp suất P-C. 83
X
4.5 Biểu đồ tương quan giữa thay đổi điện dung và áp
suất.
83
4.6 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm của đáp
ứng P-C cho khoảng cách giữa hai bản cực là 20 µm.
84
4.7 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm của đáp
ứng P-∆C cho khoảng cách giữa hai bản cực là 20 µm.
84

4.8 Đặc tuyến P – ∆C chip cảm biến của nhóm nghiên
cứu có độ nhạy từ 0.1 đến 0.3 pF/Bar.
85
4.9 Cấu trúc chip cảm biến áp suất độ nhạy cao. 86
4.10 Kết quả đo P – C chip cảm biến có độ nhạy cao. 86
4.11 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm của đáp
ứng P-C cho khoảng cách giữa hai bản cực là 6.9µm
và 9.6 µm.
87
4.12 So sánh kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm của đáp
ứng P-∆C cho khoảng cách giữa hai bản cực là 6.9µm
và 9.6µm.
87
4.13 Kết quả đo P – ∆C chip cảm biến có độ nhạy cao. 87
4.14 Đặc tuyến P – ∆C chip cảm biến nhóm nghiên cứu
Đại học UK Leuven [18] có độ nhạy 11pF/Bar.
88
4.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện dung của cảm biến. 89
4.16 Đồ thị tương quan giữa áp suất và điện dung của mô
đun cảm biến áp suất
90
4.17 Đồ thị biểu diễn tương quan giữa áp suất và tần số. 91
4.18 Mô đun chuyển đổi áp suất chế tạo 91
4.19 Xử lý tuyến tính hóa từng đoạn 92
4.20 Sơ đồ khối mô đun hiển thị. 93
4.21 Đồ thị tín hiệu đường chuẩn và tín hiệu đo. 94
4.22 Khối mô đun hiển thị.và buồng tạo áp suất. 95
4.23 Vỏ hộp của mô đun cảm biến áp suất 95
4.24 Đóng gói vỏ hộp cho module cảm biến áp suất. 96
4.25 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước. 97

4.26 Đồ thị tín hiệu đường chuẩn và tín hiệu đo. 97
XI
XII
PHẦN MỞ ĐẦU
1 Thông tin về đề tài
1.1 Tên đề tài
Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm chíp cảm biến áp suất nhằm ứng
dụng trong các thiết bị dân dụng
1.2 Chủ nhiệm đề tài
ThS. Ngô Võ Kế Thành
CN. Huỳnh Trọng Phát
1.3 Cơ quan chủ tri
Cơ quan chủ trì Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) – ĐHQG Thành
phố Hồ Chí Minh
Cơ quan phối hợp thực hiện: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển – Khu công nghệ cao
Thành phố Hồ Chí Minh.
1.4 Thời gian thực hiện
Từ tháng 10/2010 đến tháng 10/2012 (được gia hạn thêm 6 tháng).
1.5 Tổng kinh phí thực hiện
2.200 triệu đồng.
2 Mục tiêu
- Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng cấu trúc chíp cảm biến áp suất kiểu tụ điện (capacitive
pressure sensor) với dãi áp suất nằm trong khoảng dự kiến 0 - 6 Bar nhằm hướng đến
ứng dụng trong các thiết bị dân dụng.
- Nghiên cứu chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất với các thông số: dãi áp suất hoạt
động dự kiến 0 - 6 Bar, nhiệt độ hoạt động 0-900C, độ nhạy khoảng 0.11 pF/pF.Bar
bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS).
1
3 Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cấu trúc và các tính chất cơ điện của chip cảm biến áp

suất bằng phần mềm chuyên dụng Ansys, IntelliSuite hoặc Coventor. Đưa ra bản thiết
kế mask hoàn chỉnh và thực hiện chế tạo thử nghiệm chip cảm biến áp suất bằng công
nghệ MEMS sử dụng các thiết bị phòng sạch của Khu Công nghệ cao TP. HCM. Quy
trình thực hiện bao gồm các nội dung sau:
Nội dung 1: Nghiên cứu thiết kế cấu trúc chip cảm biến áp suất với dải áp suất làm
việc 0-6 Bar
Nội dung 2: Nghiên cứu mô phỏng tính chất cơ của chíp cảm biến áp suất có bề dày
màng Si 40 - 200 µm, sử dụng phần mềm mô phỏng MEMS như Ansys, IntelliSuite hoặc
Coventor với dải áp suất đặt vào màng trong khoảng từ 0-6 Bar
Nội dung 3: Nghiên cứu mô phỏng tính chất điện của chíp cảm biến áp suất có bề dày
màng Si 40-200 mum, sử dụng phần mềm mô phỏng Pspice, IntelliSuite hoặc Coventor
với dãy áp suất đặt vào màng trong khoảng từ 0-6 Bar.
Nội dung 4: Nghiên cứu thiết kế bộ mask phục vụ cho quá trình chế tạo chip cảm biến
áp suất kiểu tụ điện.
Nội dung 5: Nghiên cứu thiết kế quy trình chế tạo chíp cảm biến áp suất kiểu tụ điện
sử dụng phòng sạch SHTP.
Nội dung 6: Đóng gói chíp cảm biến áp suất chế tạo được
Nội dung 7: Kiểm tra và đánh giá chíp cảm biến áp suất chế tạo được
-
2
4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu theo hợp đồng đã ký)
Tên sản phẩm
tổng kết
Yêu cầu khoa học,
kinh tế
Ghi chú Tình
trạng
Quy trình thiết kế
và mô phỏng cảm
biến áp suất kiểu

tụ điện
Sử dụng phần mềm mô
phỏng MEMS như AN-
SYS. , dải áp suất 0-6
Bar. Sử dụng phần mềm
mô phỏng MEMS như
Pspide. , dải áp suất
0-6Bar.
Tài liệu,
CD-ROM
Hoàn thành
Quy trình chế tạo
Chip cảm biến áp
suất dải làm việc
0-6 Bar
Dự kiến 15 bước chế
tạo. Độ đồng nhất >20
chip/wafer.
Tài liệu,
CD-ROM
Hoàn thành
Bộ mask chế tạo
Chip cảm biến áp
suất
Đạt tiêu chuẩn chế tạo
Chip cảm biến áp suất
công nghệ MEMS
1 bộ Hoàn thành
Cảm biến áp suất
kiểu tụ điện

Dải áp suất: 0 – 6 Bar
Nhiệt độ làm việc: 0-
90oC Điện áp nguồn
nuôi: 3 – 6V Độ nhạy:
> 0.11 pF/pF.Bar
30 cái Hoàn thành
Bo mạch đã gắn
Chip cảm biến áp
suất.
Đủ các tiêu chí kỹ thuật
để chạy cảm biến áp
suất hướng tới ứng dụng
trong dân dụng.
2 bộ Hoàn thành
Quy trình đóng
gói Chip cảm biến
áp suất chế tạo
được.
Trình bày chi tiết từng
quy trình đóng gói và
phân tích thông số kỹ
thuật.
Tài liệu,
CD-ROM
Hoàn thành
Các bài báo/báo
cáo khoa học.
2 bài báo đăng trong tạp
chí chuyên ngành hoặc
kỷ yếu hội nghị trong và

ngoài nước
2 bài báo Hoàn thành
Báo cáo toàn bộ
kết quả thực hiện
đề tài.
Đầy đủ, rõ ràng 03 quyển Hoàn thành
3
4
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tình hình ngoài nước
Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, đến nay ngành công nghiệp vi điện tử đã có những
bước phát triển vượt bậc và có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển khoa học và công
nghệ trên thế giới. Có thể kể qua một vài cột mốc phát triển trong lĩnh vực này như:
chế tạo transistor đầu tiên (1948), chế tạo IC đầu tiên (1958), chế tạo Sensor áp suất
(1983). Số liệu từ công ty nghiên cứu thị trường Yole Dévelopment cho thấy, lợi nhuận
thu được từ các sản phẩm MEMS như: pressure sensor, inertial sensor, inkjet head .
đạt hơn 10 tỉ USD năm 2011 và dự kiến tăng lên 21 tỉ USD vào năm 2017 (hình 1.1) [1].
Đặc biệt, sản phẩm cảm biến áp suất (Pressure sensor) có thị phần khá lớn với giá trị
hơn 1.3 tỉ USD năm 2011 (hình 1.2)[2].
Hình 1.1: Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ năm 2011 đến 2017 [1].
5
Hình 1.2: Thị phần các loại linh kiện MEMS năm 2011 [2].
Cảm biến áp suất là một linh kiện chuyển đổi áp suất đầu vào và cho tín hiệu
điện ở đầu ra nhằm đo áp suất, lực và dòng khí. Nhờ tính tiện dụng, kích thước nhỏ,
khả năng tích hợp và điều khiển số, giá thành giảm, . cảm biến áp suất chế tạo bằng
công nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống hàng
ngày như: xác định mực nước trong các máy giặt, máy rửa chén, các thiết bị để đo độ
sâu mực nước, trong các thiết bị điện thoại di động, trong các hệ thống không gian, các
thiết bị y tế, xe hơi,. Chính vì vậy, cảm biến áp suất có giá trị thương mại hết sức to

lớn.
Cảm biến áp suất có thể phân thành bốn loại chính như sau: (1) cảm biến áp suất
kiểu tụ (capacitive), (2) cảm biến áp suất cộng hưởng, (3) cảm biến áp suất áp điện
(piezoelectric) và (4) cảm biến áp suất kiểu áp trở (piezoresistive). Có thể tóm tắt các
ưu, khuyết điểm và khả năng ứng dụng của các loại cảm biến áp suất như sau:
• Cảm biến áp suất kiểu tụ Cảm biến áp suất kiểu tụ dựa trên nguyên tắc cơ
bản là sự thay đổi áp suất gây ra biến dạng của màng và làm cho điện dung tụ điện
thay đổi. Ưu điểm của loại cảm biến kiểu tụ là độ ổn định và độ nhạy cao, ít chịu ảnh
hưởng của nhiệt độ, có thể đo trong khoảng thay đổi áp suất rộng, chi phí chế tạo vừa
phải. Các ưu điểm này làm cho cảm biến áp suất kiểu tụ có tiềm năng sản xuất thương
mại rất lớn. Tuy nhiên một vấn đề cần khắc phục, là khi thu nhỏ kích thước linh kiện
sẽ làm điện dung ký sinh chiếm ưu thế, do đó cần phải tích hợp cảm biến và mạch điện
trực tiếp với nhau. Cảm biến áp suất loại này thường được ứng dụng trong điện thoại
6
di động, các thiết bị y tế, trong công nghiệp và trong ngành xe hơi. Sơ đồ chế tạo qui
trình này được trình bày ở (hình 1.3).
Hình 1.3: Quy trình chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ [3].
• Cảm biến áp suất cộng hưởng Cảm biến áp suất cộng hưởng dựa trên
nguyên tắc cơ bản là sự thay đổi áp suất được xác định dựa trên sự thay đổi tần số của
thanh cộng hưởng. Ưu điểm của loại cảm biến này là kích thước nhỏ, bền chắc, độ chính
xác cao, thích hợp chuyển đổi sang tín hiệu số. Tuy nhiên, loại cảm biến này chế tạo
phức tạp và có giá thành cao. Hình 1.4 trình bày mặt cắt của cảm biến áp suất cộng
hưởng.
7
Hình 1.4: Mặt cắt của cảm biến áp suất cộng hưởng [4].
• Cảm biến áp suất áp điện Cảm biến áp suất áp điện dựa trên hiện tượng áp
điện để đo áp suất bằng cách chuyển đổi áp lực thành tín hiệu điện. Đây là loại cảm biến
được ứng dụng trong các lĩnh vực kiểm định chất lượng (cân điện tử). Cảm biến loại
này có một số ưu điểm như: chế tạo không phức tạp, giá thành tương đối. Tuy nhiên,
một điểm bất lợi của loại cảm biến này là sai số lớn. Hình 1.5 trình bày mặt cắt của

cảm biến áp suất áp điện.
Hình 1.5: Mặt cắt cảm biến áp suất áp điện [5].
• Cảm biến áp suất áp trở Cảm biến áp suất loại áp trở là một trong những
sản phẩm đầu tiên của công nghệ MEMS, được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế, công
nghiệp và dân dụng. Loại cảm biến này hoạt động dựa trên tính chất áp trở của vật
liệu silic (Si). Thành phần áp trở được chế tạo bằng cách khuếch tán các chất pha tạp
(P, B. . .) để tạo 4 điện trở vào trong tấm silic đơn tinh thể và đấu nối với nhau thành
mạch cầu Wheatstone. Sự thông dụng của mạch cầu Wheatstone ở chỗ là nó chuyển đổi
sự thay đổi điện trở do biến dạng thành sự thay đổi về hiệu điện thế, từ đó có thể đo
8
đạc một cách trực tiếp và chính xác. Ưu điểm của loại cảm biến này là chi phí chế tạo
khá thấp, sử dụng quy trình chuẩn của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Tuy nhiên độ
chính xác của loại cảm biến này bị ảnh hưởng lớn bởi sự thay đổi nhiệt độ. Hình 1.6
trình bày mặt cắt của cảm biến áp suất áp trở.
Hình 1.6: Mặt cắt cảm biến áp suất áp trở [6].
Từ những đặc tính về ưu điểm và nhược điểm của từng loại cảm biến áp suất đã
nêu trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy: cảm biến áp suất kiểu tụ điện và cảm biến áp
suất loại áp trở là hai loại cảm biến có thể chế tạo được với điều kiện máy móc thiết bị
cũng như nguồn kinh phí và nhân lực tại Việt Nam. Cảm biến áp suất loại áp trở với
các ưu điểm như chi phí chế tạo khá thấp, sử dụng quy trình chuẩn của công nghệ vi
cơ điện tử (MEMS) cũng là một hướng nghiên cứu tốt. Công ty ALPS, Nhật Bản đã so
sánh hai loại cảm biến này và rút ra kết luận như sau [7]:
Bảng 1.1: So sánh các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất kiểu tụ và cảm biến áp
suất kiểu áp trở.
9
Tiêu chí so sánh Cảm biến áp suất kiểu
tụ điện
Cảm biến áp suất
loại áp trở
Giới hạn áp suất

đo
Đo tốt ở dãi áp suất
thấp
Đo tốt ở dãi áp
suất cao
Độ nhạy Cao Thấp
Độ tuyến tính Thấp Cao
Hệ số nhiệt Tốt Thấp
Năng lượng tiêu
thụ
Thấp Cao
Giao tiếp với máy
tính
Đơn giản Thiết bị chuyển
đổi tín hiệu A/D
Từ bảng 1.1 ta thấy, so với cảm biến áp suất kiểu áp trở, cảm biến áp suất kiểu tụ
điện với những ưu điểm vượt trội như độ ổn định và độ nhạy cao, ít chịu ảnh hưởng
bởi nhiệt độ, có thể đo trong khoảng thay đổi áp suất rộng, tiêu tốn ít năng lượng và
đặc biệt là chi phí chế tạo vừa phải đã tỏ rõ ưu thế trong việc chế tạo, ứng dụng cũng
như khả năng thương mại hóa. Do đó, nhóm thực hiện đề tài đã chọn cảm biến áp suất
kiểu tụ điện làm mục tiêu nghiên cứu chính trong đề tài này. Hình 1.7 mô tả cấu trúc
và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất kiểu tụ điện [8].
Hình 1.7: Cấu trúc của cảm biến áp suất kiệu tụ điện khi có và không có ứng suất [8]
.
Các công ty điện tử như Freescale Semiconductor (Mỹ), Motorola, Omron, ALPS (Nhật
Bản), Samsung, Deahan (Hàn Quốc). đã có rất nhiều sản phẩm ứng dụng chip cảm
biến áp suất vào trong các sản phẩm điện tử như máy đo huyết áp, máy giặt, máy rửa
chén, máy đo áp suất khí quyển, điện thoại di động, Hãng Freescale Semiconductor
đã sản xuất dòng sản phẩm cảm biến áp suất MPXM2010GS ứng dụng trong máy giặt.
10

Loại cảm biến áp suất này không những định lượng được mực nước để máy tự động
chuyển chế độ mà còn đo được mức độ dòng chảy, sự rò rỉ của hệ thống . Bảng 1.2 cho
thấy một số đặc tính kỹ thuật của sản phẩm MPXM2010GS.
Bảng 1.2: Đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất MPXM2010 D (Freescale Semicon-
ductor) (Vs = 10 VDC, T = 25
0
C).
Đặc tính Ký hiệu Giá trị
nhỏ nhất
Giá trị
điển
hình
Giá trị
lớn nhất
Đơn vị
Dải áp
suất
POP 0 — 10 kPa
Điện thế
nguồn
VS — 10 16 VDC
Dòng
điện
IO — 6.0 — mADC
Độ nhạy DV/DP — 2.5 — mV/kPa
Hãng Freescale Semiconductor cũng sản xuất ra chíp MPXV5050GP ứng dụng làm máy
đo huyết áp với dải áp suất hoạt động từ 0 đến 300 mmHg (0 - 40 kPa). Ngoài ra, chip
MPX2100AP được sản xuất để đo áp suất khí quyển với dải áp suất hoạt động từ 0 đến
1Bar. Thông qua việc khảo sát các sản phẩm cảm biến áp suất đã được thương mại hóa
và ứng dụng trong các thiết bị dân dụng, nhóm thực hiện đề tài sẽ thực hiện thiết kế,

mô phỏng, chế tạo và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất với dải ứng suất hoạt
động từ 0 – 6 Bar.
1.2 Tình hình trong nước
Hiện nay, nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo chip cảm biến áp suất tại Việt Nam
chưa có sự phát triển mạnh mẽ. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy bởi hai lý do: (1)
Lĩnh vực nghiên cứu này đòi hỏi các phần mềm và thiết bị hiện đại, chi phí đầu tư lớn.
(2) Đội ngũ cán bộ trong lĩnh vực này chưa thực sự mạnh và nhiều. Việc nghiên cứu chế
tạo cảm biến dựa trên công nghệ vi cơ điện tử đã từng được thực hiện tại Viện đào tạo
khoa học vật liệu (ITIMS)-ĐHBK Hà Nội [9]. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chỉ dừng
lại ở dạng công bố tạp chí và chưa thực sự sâu sắc trong việc triển khai ứng dụng vào
thực tế. Vấn đề ứng dụng cảm biến áp suất vào trong cuộc sống nhằm phục vụ lợi ích
dân sinh vẫn vấp phải bài toán khó giải: chưa tìm ra được một quy trình hoàn thiện
từ thiết kế đến chế tạo, đóng gói và ứng dụng chip cảm biến áp suất. So với cả nước,
Thành phố Hồ Chí Minh luôn đi đầu trong việc tiếp cận các lãnh vực mới, minh chứng
cho điều đó với việc đầu tư hơn 10 triệu USD cho Phòng thí nghiệm Bán dẫn đặt tại
Khu Công nghệ cao nhằm hướng tới là thành phố đi đầu trong lĩnh vực vi mạch. Tuy
nhiên để việc chế tạo các linh kiện tại Phòng thí nghiệm Bán dẫn được vận hành, cần
phải có những bản thiết kế chip hoàn chỉnh. Điều này hiện nay tại TP. HCM, ICDREC
11
- Đại học Quốc gia TP.HCM là trung tâm có nhiều kinh nghiệm nhất trong việc thiết
kế và ứng dụng các linh kiện bán dẫn, điển hình là thành công của chíp Sigma K3, chíp
VN 1632 Ngoài ra, ICDREC cũng đã thành công trong việc chế tạo một số loại cảm
biến bằng công nghệ MEMS như vi cân tinh thể thạch anh QCM ứng dụng làm kit cảm
biến sinh học. Chính vì vậy, đề tài thiết kế, mô phỏng và chế tạo chip cảm biến áp suất
kết hợp giữa ICDREC và SHTP là tiền đề và tạo động lực cho sự phát triển lĩnh vực
nghiên cứu chế tạo và ứng dụng các linh kiện MEMS tại Việt Nam.
12
Chương 2
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP
SUẤT KIỂU TỤ ĐIỆN

Việc thiết kế cảm biến áp suất kiểu tụ điện cần phải được tính toán kỹ lưỡng, nhằm
đảm bảo tối ưu về độ nhạy, giảm nhiễu và chịu được ứng suất trong giới dải áp suất
hoạt động của cảm biến. Điểm mấu chốt của vấn đề là chuyển vị theo phương pháp
tuyến, hay chính xác hơn là độ võng của lớp điện cực phía dưới màng Silicon. Độ võng
của điện cực sẽ quyết định đến giá trị độ nhạy cũng như giới hạn làm việc an toàn của
cảm biến.
Trong chương này, nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành mô phỏng và thiết kế cấu trúc cảm
biến áp suất kiểu tụ điện vận dụng lý thuyết cơ bản về tấm mỏng chịu uốn của “Lý
thuyết đàn hồi”, kèm theo đó, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn
kết hợp với “Lý thuyết Gauss” nhằm mô phỏng đáp ứng đầu ra trong quá trình hoạt
động dựa trên điều kiện làm việc thực tế.
Việc tính toán đáp ứng đầu ra của cảm biến áp suất sẽ tốn nhiều thời gian cũng như
tài nguyên máy tính sử dụng, nhóm nghiên cứu đưa ra những giải pháp nhằm rút ngắn
thời gian phân tích nhưng vẫn đảm bảo kết quả với sai số nhỏ khi so sánh với quá trình
chế tạo mẫu cảm biến.
13