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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
*****
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
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
1
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
3
1.1.1. Giới thiệu
3
1.1.2. Công nghệ MEMS

4
1.1.3. Vật liệu trong MEMS
12
1.2. Hiệu ứng áp trở trong vật liệu silic
14
1.2.1. Mô tả toán học hiệu ứng áp trở
14
1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mức độ pha tạp đến hệ số áp
điện trở

20
1.3. Phân loại MEMS cảm biến áp suất
22
1.3.1. Màng silicon vi cơ
22
1.3.2. Cảm biến áp suất áp trở
23
1.3.3. Cảm biến áp suất kiểu tụ điện
28
1.3.4. Cảm biến áp suất cộng hưởng
31
1.3.5. Các kỹ thuật MEMS cảm biến áp suất khác
33
Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU
ÁP TRỞ

2.1. Giới thiệu
35
2.1.1. Qui trình thiết kế
35

2.1.2. Thủ tục thiết kế
36
2.2. Thiết kế cảm biến áp suất áp điện trở
39
2.2.1. Mạch cầu Wheatstone
39
2.2.2. Phân tích ứng suất bằng phương pháp giải tích
41
2.2.3. Phân tích áp điện trở bằng phương pháp giải tích
43
2.3. Mô phỏng dùng phần mềm ANSYS
45
2.3.1. Giới thiệu phần mềm
45
11

2.3.2. Chỉ tiêu thực hiện bài toán mô phỏng
47
2.3.3. Phân tích độ nhạy cảm biến dùng phương pháp phần tử hữu
hạn

55
2.4. Thiết kế mặt nạ (mask)
58
Chương 3: XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN ÁP SUẤT

3.1. Trang thiết bị hệ đo
62
3.2. Giao tiếp nối tiếp RS-232
64

3.2.1. Tổng quát
64
3.2.2. Kết nối sử dụng DB25 và DB9
66
3.3. Xây dựng hệ đo dùng chuẩn giao tiếp RS-232
69
3.4. Thiết lập hệ đo sử dụng chương trình LabView
70
3.4.1. Khởi động chương trình
72
3.4.2. Xây dựng chương trình kiểu 1
73
3.4.3. Thiết lập các tham số cho cổng nối tiếp
73
3.4.4. Viết dữ liệu cho cổng nối tiếp
74
3.4.5. Đọc và hiển thị dữ liệu
75
3.4.6. Kết thúc ứng dụng
76
3.4.7. Xây dựng chương trình kiều 2
77
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Chế tạo cảm biến áp suất áp trở
78
4.2. Đặc tính cảm biến áp suất áp trở
82
4.2.1. Đặc tính đáp ứng
82

4.2.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính
84
4.2.3. Cảm biến đối với nguồn cung cấp
86
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận
89
2. Kiến nghị
90
TÀI LIỆU THAM KHẢO
91
PHỤ LỤC A
93
PHỤ LỤC B
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 Communications
Equipment
Thiết bị thông tin dữ
liệu
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
Reactive Ion Etching
Ăn mòn phản ứng
ion ghép plasma
12
KEYOPT
Key Option
Khóa tùy chọn
13
LPCVD
Low Pressure Chemical Vapor
Deposition

Lắng đọng bốc bay
hoá học áp suất thấp
14
MEMS
Micro Electro Mechanical
System
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

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
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.
17
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
ứng suất trượt.
25
6
Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và

vuông góc.
27
7
Hình 1.7. Các góc Euler trong phép biến đổi các trục toạ độ
Đề-các
27
8
Hình 1.8. Hệ số áp trở đối với nồng độ pha tạp lớp khuyếch
tán bề mặt
30
9
Hình 1.9. Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và
vuông góc vào định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100):
(a) – silic loại p; (b) – silic loại n
31
10
Hình 1.10. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ
pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại p
32
11
Hình 1.11. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ
pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại n
32
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
cụ thể được vi cơ khối
35

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
Nitride; b) màng polisilicon
39
17
Hình 1.17. Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b)
màng có bậc
39
18
Hình 1.18. Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc
40
19
Hình 1.19. Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân
Yokogawa
43
20
Hình 2.1. Quy trình thiết kế linh kiện vi cơ điện tử
46
21
Hình 2.2. a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu
Wheatstone
46

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
điện trở dùng công cụ thiết kế của CADENCE
49
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
cầu Wheatstone
50
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
điện trở
60
28
Hình 2.9. Điều kiện biên và đặt tải của cảm biến áp suất áp
điện trở
61
29
Hình 2.10. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa
62
30

Hình 2.11. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng
suất lớn nhất σ
x
và σ
y
theo mặt trên của màng cảm biến.
63
31
Hình 2.12. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến
áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng
suất tương đương theo Von Mises
64
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 σ
s
theo bề mặt màng cảm biến. Chú
ý áp điện trở được đặt tại vị trí có σ
s
= 0 .
33
Hình 2.14. Vị trí các áp điện trở ở trên màng, tại đó ứng
suất được phân bố lớn nhất.
65
34

Hình 2.15. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với
mật độ chia lưới khác nhau
66
35
Hình 2.16. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với
độ dày áp điện trở khác nhau
67
36
Hình 2.17. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi độ dày của
màng cảm biến
68
37
Hình 2.18. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi kích thước
của màng cảm biến
68
38
Hình 2.19. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của
cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
69
39
Hình 2.20. Sơ đồ mặt nạ của cảm biến áp suất có kích
thước 2 mm x 2 mm
71
40
Hình 3.1. (a) Sắp xếp các áp điện trở và dây kết nối bên
trong của cảm biến áp suất, (b) mạch nữa cầu, (c) cầu
Wheatstone, và (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu
Wheatstone.
74
41

Hình 3.2 Toàn bộ hệ thống đo lường: 1) bộ chuẩn áp suất
pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo
Keithley 2000, 3) máy tính.
75
42
Hình 3.3. Chức năng thông tin EIA232, và lọai đầu nối cho
máy tính cá nhân và modem.
76
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
(modem hay thiết bị nối tiếp khác)
77
8

45
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và
DCE (modem) 9 chân
78
46
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và
DCE (modem) 25 chân
78
47
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và
DCE (modem) 25 chân
79
48

Hình 3.9. Bộ chuyển đổi USB sang RS232
80
49
Hình 3.10. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp
nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy
tính và thiết bị MC100 và Keithley.
81
50
Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán
82
51
Hình 3.12. Bảng hiển thị kết quả trong chương trình
LABVIEW
83
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
được khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc
89
61
Hình 4.2. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mòn
khô 20 phút
90
62
Hình 4.3. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mòn được đo
bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm
2

và (b) 2x2 µm
2

90
63
Hình 4.4. Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với
91
9

1x1 và 2x2 mm
2
64
Hình 4.5. Ảnh SEM 3D của linh kiện cảm biến được chế
tạo
91
65
Hình 4.6. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim
loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi
thêu kết
92
66
Hình 4.7. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim
loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu
kết ở 450
0
C trong Nitơ (N
2
)
92
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
biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA.
94
69
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp
suất sau cầu cân bằng

95
70
Hình 4.11. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất
phụ thuộc vào nhiệt độ.
96
71
Hình 4.12. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất ở
nhiệt độ 55
0
C
97
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
cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
99
75
Hình 4.16. Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ ra và tải áp suất
với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác nhau
99

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
hướng khác nhau
29
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 (NH
4
OH, TMAH
((CH
3
)
4

NOH),…) 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 SiO
2
a)
Hướng mặt (100)
b)
Cần cantilever Hướng mặt (100)
Mặt nạ
Lớp dừng
ăn mòn
Hướng mặt (100) Lớp điện môi
Mặt nạ
c)
d)
Mặt nạ SiO
2
a)
Hướng mặt (100)
b)
Cần cantilever Hướng mặt (100)
Mặt nạ
Lớp dừng
ăn mòn
Hướng mặt (100) Lớp điện môi
Mặt nạ
c)
d)

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 SF
6
/O
2
-based và CF
4
/H

2
-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
Lớp hy sinh
(SiO
2
)
Lắng đọng lớp
cấu trúc
Silic đa
tinh thể
Lắng đọng lớp
cấu trúc
Phát triển lớp hy sinh
Khắc
Mặt nạ
Loại bỏ lớp hy sinh
Cấu trúc
cuối cùng
1.
2.
3.
4.
5.

6.
Khắc
Lớp hy sinh
(SiO
2
)
Lắng đọng lớp
cấu trúc
Silic đa
tinh thể
Lắng đọng lớp
cấu trúc
Phát triển lớp hy sinh
Khắc
Mặt nạ
Loại bỏ lớp hy sinh
Cấu trúc
cuối cùng
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Hình 1.2. Các bước cụ thể xử lí vi cơ bề mặt [9].

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
~ 25
0
C (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 Au-
Si xảy ra ở 363
0
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 A
0
, 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
1200
0
C. Quá trình ủ nhiệt này làm tăng thêm sức căng của mối nối , đặc biệt khi
ở nhiệt độ 800 ~ 1200
0
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
Mặt
nạ
Lớp

cản
Đế
Kim loại được mạ điện
Lỗ phun
Khuôn
phẳng
Khuôn
đàn hồi
1.
2.
3.
4.
5. 6.
7. 8.
Cấu trúc lớp cản
Cấu trúc kim loại
Khuôn đúc
Cấu trúc chính
Khuôn đúc
Kim loại mạ điện
Lớp
loại bỏ
Cấu trúc
được in ra
Tia X được phát
đồng bộ
Mặt
nạ
Lớp
cản

Đế
Kim loại được mạ điện
Lỗ phun
Khuôn
phẳng
Khuôn
đàn hồi
1.
2.
3.
4.
5. 6.
7. 8.
Cấu trúc lớp cản
Cấu trúc kim loại
Khuôn đúc
Cấu trúc chính
Khuôn đúc
Kim loại mạ điện
Lớp
loại bỏ
Cấu trúc
được in ra

Hình 1.4. Công nghệ LIGA [9].

23

LIGA là những từ viết tắt từ của các chữ tiếng Đức Lithographie,
Galvanoformung, Abformung (Khắc, ghi dòng điện, khuôn). Đƣợc nghiên cứu

và phát triển ở trung tâm Karlsruhe đầu năm 1980 ở Đức, sử dụng kỹ thuật khắc
tia X cho việc phơi mặt nạ, việc ghi đƣợc thực hiện bởi một bộ phận kim loại và
khuôn để sinh ra bộ phận vi cơ làm bằng nhựa, kim loại, gốm hay kết hợp cả 3
thành phần. Sơ đồ công nghệ LIGA thể hiện ở (hình 1.4).
Với công nghệ LIGA, chiều cao của vi cấu trúc có thể lên tới hàng trăm
micromét hay tới milimet, trong khi đó độ phân giải vẫn giữ ở micromet do tính
ƣu điểm của khắc tia X. Các vật liệu khác nhau có thể đƣợc kết hợp vào cho
phép công nghệ LIGA nhƣ điện, từ, áp điện, quang và tính chất cách li của bộ
cảm biến, bộ chấp hành với tỉ số cạnh cao, mà nó không thể thực hiện xử lí trên
nền silic. Tuy nhiên, công nghệ LIGA có chi phí sản xuất cao do nguồn tia X bị
giới hạn trong ứng dụng. Bất lợi khác trong xử lí LIGA, không xử lí đƣợc vi cấu
trúc 3D. Nhƣ chúng ta biết cấu trúc 3D có chiều dày phức tạp cần thiết cho một
vài MEMS có kỹ thuật phức tạp, cho nên xử lí vi chế tạo 3D cũng cần thiết cho
chế tạo MEMS.
1.1.3. Vật liệu trong MEMS
Các loại vật liệu đƣợc sử dụng trong MEMS tƣơng đối đa dạng. Hơn nữa,
vật liệu silic, kim loại - hợp kim, gốm và polymer là bốn họ vật liệu quan trọng
sử dụng cho MEMS.
1.1.3.1. Vật liệu kim loại và hợp kim cho MEMS.
Từ lâu các chip đã sử dụng kim loại màng mỏng. Cấu trúc màng kim loại
dày đƣợc yêu cầu sử dụng cho linh kiệm MEMS. Kỹ thuật mạ
(Microelectroplating) và kỹ thuật tạo màng quang (photoforming) đƣợc sử dụng
để xây dựng cấu trúc màng kim loại dày. Niken, đồng và vàng đƣợc mạ để hình
thành cấu trúc màng dày, trong khi đó những bộ phận thép không rỉ cấu trúc 3D
đƣợc chế tạo bằng kỹ thuật tạo màng quang. Hầu nhƣ các màng kim loại dày
đựơc dùng nhƣ vật liệu cấu trúc cuối cùng của linh kiện hay đƣa polymer và
gốm vào khuôn đúc.
24

Hợp kim khác nhau và quá trình xử lí liên quan cũng đƣợc phát triển cho

MEMS. Màng mỏng CoNiMn đƣợc dùng nhƣ vật liệu từ cho bộ chấp hành từ.
Màng dày hợp kim NiFe đƣợc mạ trên đế silic cho linh kiện MEMS từ nhƣ các
bộ vi động cơ, vi chấp hành, vi cảm biến và bộ chuyển đổi nguồn tích hợp, mà
nó cho thấy đƣợc nguồn từ cho mạch tích hợp trên chip. Màng hợp kim TiNi
đƣợc phún xạ trên đế cho bộ cảm biến và chấp hành. Màng mỏng TbFe và SmFe
đƣợc dùng cho bộ chấp hành từ giảo.
1.1.3.2. Polymer cho MEMS
Polymer đƣợc dùng cho cả cấu trúc và vật liệu chức năng trong linh kiện.
Đối với vật liệu cấu trúc, tính chất đàn hồi hay quang học và tính tƣơng thích
sinh học của polymer đƣợc dùng trong hầu hết các linh kiện. Các linh kiện
polymer khác nhau đƣợc chế tạo từ màng polymer mỏng, màng polymer dày và
các vi cấu trúc polymer 3D.
Nó đƣợc thể hiện rỏ ở đây là cấu trúc polymer đề cập trƣớc đây cũng có
thể sử dụng để chế tạo các bộ cảm biến và chấp hành cho MEMS, chẳng hạn
nhƣ silicon và polymer đƣợc dùng chế tạo vi cảm biến và chấp hành, mặc dù nó
cũng hoạt động nhƣ vật liệu cấu trúc. Polymer strain gauge và tụ có thể xem nhƣ
thành phần cảm biến cho các cảm biến kiểu áp trở và kiểu tụ. Các bộ chấp hành
polymer tĩnh điện đƣợc phát triển từ polyimide.
Các polymer chức năng đã đƣợc phát triển cho MEMS trong suốt nhiều
năm qua. Hơn nữa, chúng ta thấy rằng việc sử dụng các vật liệu làm cảm biến và
chấp hành, thì polymer cũng đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu điện tử. Các transistor
polymer cũng đƣợc phát triển. Do đó việc tích hợp các cảm biến, chấp hành và
điện tử vào MEMS polymer sẽ đƣợc thực hiện trong một vài ứng dụng đặc biệt.
1.1.3.3. Các vật liệu khác cho MEMS
Gốm (ceramic) là một dạng vật liệu quan trọng khác dùng cho MEMS.
Thật ra, màng mỏng SiO
2
và Si
3
N

4
đã từng đƣợc sử dụng cho linh kiện bán dẫn
và linh kiện MEMS silic. Màng ceramic dày và cấu trúc ceramic 3D cũng cần
thiết cho những ứng dụng cụ thể của MEMS. Chẳng hạn, các cảm biến áp suất
ceramic đƣợc phát triển cho đo lƣờng áp suất ở môi trƣờng nhiệt độ cao. MEMS
25

silicon carbide cho môi trƣờng khắc nghiệt v v Hơn nữa, những ceramic có
cấu trúc này và chức năng nhƣ ZnO, PZT, cũng đã đƣợc kết hợp cho MEMS.
Quá trình chế tạo cho MEMS ceramic gồm có in hình, dát mỏng, đúc khuôn,
sol-gel, khắc lập thể v v
Các vật liệu khác nhƣ kim cƣơng, GaAs, vật liệu bôi trơn nhƣ
floruacacbon, SAM, DLC (diamon like carbon) v v , thạch anh cũng đƣợc
dùng cho các đặc tính của MEMS.
1.2. HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRỞ TRONG VẬT LIỆU SILIC
Các vi cảm biến áp trở hoạt động trên nguyên lí của hiệu ứng áp điện trở.
Vì vậy, việc hiểu biết đầy đủ về hiệu ứng này là hết sức quan trọng, cho phép
tìm ra qui tắc thiết kế các mô hình cảm biến, cũng nhƣ cho phép tối ƣu hóa các
thiết kế đó. Trong phần này, chúng ta sẽ lần lƣợt đề cập hiệu ứng áp trở trên
phƣơng diện toán học nhằm đƣa ra các biểu thức định lƣợng cần thiết.
2.1.1. Mô tả toán học hiệu ứng áp trở:
Đối với tinh thể dị hƣớng 3 chiều, định luật Ohm liên hệ véc tơ cƣờng độ
điện trƣờng

với véc tơ mật độ dòng điện
i

đƣợc biểu diễn qua một tenxơ điện
trở suất hạng 3 x 3 nhƣ sau [8]:

































3
2
1
345
426
561
3
2
1
.
E
E
E
i
i
i



(1.1)
Do tính đối xứng của mạng tinh
thể silic, ta mô tả hiệu ứng áp trở trong
hệ toạ độ Đề-các có các trục tọa độ
định hƣớng theo các trục tinh thể
<100>. Khi đó, các thành phần 
1
, 
2
,


3
là các điện trở suất dọc xác định sự
phụ thuộc của cƣờng độ điện trƣờng
dọc theo một trong các hƣớng trục tinh
thể <100> với cƣờng độ dòng điện theo
hƣớng đó, và các thành phần 
4
, 
5
, 
6


Hình 1.5. Mô tả về các thành phần
ứng suất thẳng góc và ứng suất trượt.
26

là các điện trở suất ngang, liên hệ cƣờng độ điện trƣờng dọc theo một trục với
dòng điện theo hƣớng vuông góc. Đối với một vật dẫn đẳng hƣớng, chẳng hạn
silic không ứng suất, thì 
1
= 
2
= 
3
=  và 
4
= 
5
= 

6
= 0.
Trong các vật liệu áp trở, sáu thành phần điện trở suất này phụ thuộc vào
trạng thái ứng suất của vật liệu, chúng cũng có thể đƣợc diễn tả qua 6 thành
phần ứng suất: 3 thành phần ứng suất thẳng góc 
1
, 
2
, 
3
dọc theo 3 trục tinh
thể, và 3 thành phần ứng suất trƣợt 
1
, 
2
, 
3
nhƣ đƣợc mô tả trong (hình 1.5),
trong đó các ứng suất này xuất hiện khi tác dụng lực lên một hình hộp có các
kích thƣớc là các số gia dx, dy và dz. So sánh với trƣờng hợp không ứng suất
đẳng hƣớng, chúng ta có thể viết:








































































6
5
4
3
2
1
6
5
4
3
2
1
0
0
0
















(1.2)
Bây giờ chúng ta có thể mô tả hiệu ứng áp trở bằng cách liên hệ mỗi một
trong sáu sự thay đổi tỉ số điện trở suất với một trong sáu thành phần ứng suất.
Về mặt toán học, điều này thể hiện bởi một ma trận 36 hệ số. Từ mối quan hệ
này, ngƣời ta gọi các phần tử của ma trận là các hệ số áp trở 
ij
, đo bằng 1/Pa.
Để xác định ma trận đó, rất cần thiết phải thực hiện 36 phép đo độc lập.
Tuy nhiên, nhiệm vụ này đƣợc đơn giản hóa đáng kể đối với vật liệu tinh thể. Vì
ma trận này biểu diễn tính chất của một đơn tinh thể, nên nó không thay đổi
dƣới các phép biến đổi đối xứng. Điều kiện đối xứng dẫn tới các phần tử ở các
vị trí đối xứng có mối quan hệ đối xứng với nhau, làm giảm số lƣợng các phần
tử độc lập rất nhiều. Số lƣợng các phần tử khác 0 trong số 36 phần tử là nhỏ hơn
36 nhiều. Đối với cấu trúc tinh thể lập phƣơng của Si, ba hệ số khác nhau còn lại
là 
11
, 
12
và 
44
:
27







































































3
2
1
3
2
1
44
44
44
111212
121112
121211
6
5
4
3
2
1
.
00000
00000
00000
000
000
000
1




















(1.3)
Kết hợp các biểu thức (1.1), (1.2) và (1.3), chúng ta thu đƣợc:
   
   
   
12214432112331133
13314423112221122
23324413212111111



iiiii
iiiii
iiiii




(1.4)
Số hạng thứ nhất trong các biểu thức (1.4) là đóng góp của sự dẫn không
ứng suất, số hạng thứ hai chứa 
11
biểu diễn
hiệu ứng áp trở, đây là hiệu ứng của ứng
suất theo hƣớng dòng điện lên sự rơi thế
theo hƣớng đó. Số hạng còn lại minh hoạ
mối quan hệ áp trở phức tạp hơn của mạng
tinh thể chịu ứng suất. Những hệ số này là
tính chất của vật liệu và vì vậy chúng thay
đổi từ vật liệu này sang vật liệu khác. Các hệ
số 
11
, 
12
và 
44
đƣợc xác định từ thực
nghiệm.
Trong ứng dụng thực tế, các áp điện trở có thể định hƣớng theo nhiều
hƣớng khác nhau, không nhất thiết phải định hƣớng theo các trục tinh thể. Vì
vậy, cần thiết phải đƣa vào các tính toán xác định hiệu ứng áp trở theo một
hƣớng bất kì thông qua các hệ số áp trở theo các trục tinh thể. Có hai định
hƣớng quan trọng cần phân tích chi tiết
vì chúng thể hiện các vấn đề chung nhất
cho các linh kiện kiểu áp trở (hình 1.6).
Sự định hƣớng thứ nhất liên quan tới

trạng thái đơn trục của ứng suất 
*
,
cƣờng độ điện trƣờng E
*
và mật độ dòng

Hình 1.6. Sơ đồ biểu diễn các hệ
số áp trở song song và vuông góc.


Hình 1.7. Các góc Euler trong phép
biến đổi các trục toạ độ Đề-các