Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất mems kiểu điện dung độ nhạy cao phù hợp với công nghệ ăn mòn khô (LV00992)

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

ĐỖ ANH TOẢN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP
SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO
PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

HÀ NỘI, 2013


1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

ĐỖ ANH TOẢN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO ÁP
SUẤT MEMS KIỂU ĐIỆN DUNG ĐỘ NHẠY CAO
PHÙ HỢP VỚI CÔNG NGHỆ ĂN MÒN KHÔ
Chuyên ngành: Vật lí chất rắn
Mã số: 60 44 01 04
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Văn Dũng

HÀ NỘI, 2013


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan với Hội đồng chấm luận văn Thạc sĩ rằng đề tài này
do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu dưới sự hướng dẫn, góp ý và chỉ bảo tận tình
của thầy hướng dẫn PGS.TS. Đinh Văn Dũng. Kết quả của đề tài là trung
thực và không trùng hợp với bất cứ kết quả của đề tài nào khác. Nếu sai tôi
xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Đỗ Anh Toản


1

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.
Đinh Văn Dũng về những định hướng, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường, phòng Sau đại học,
các thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường THPT Yên Lạc 2 đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian và công việc cho tôi trong quá trình
học tập.
Xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè đã ủng hộ động viên, chính nhờ

sự tận tâm và nhiệt thành của mọi người mà tôi đã hoàn thành luận văn này..
Tác giả luận văn

Đỗ Anh Toản


1

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
MỤC LỤC
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VI CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT MEMS KIỂU
ĐIỆN DUNG ....................................................................................................... 10
1.1. áp suất và cảm biến áp suất ................................................................ 10
1.2. Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu ......................... 12
1.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS ................... 13
CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC CẢM BIẾN. XÂY DỰNG
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG HOẠT
ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS ......................... 23
2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến ................................................................ 23
2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng ..................................................... 24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN................................ 35
3.1. Phân bố độ lệch .................................................................................. 35
3.2. Phân bố ứng suất. ............................................................................... 39
3.3. Đặc trưng biến đổi điện dung............................................................. 47

3.4. Độ nhạy cảm biến .............................................................................. 50
KẾT LUẬN. ........................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 53
PHỤ LỤC. ........................................................................................................... 54


2

DANH MỤC CÁC BẢNG

TT

Tên bảng

Trang

1 Bảng 1.1. Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất ......................................... 11
2 Bảng 2.1. Dữ liệu sử dụng mô phỏng. ........................................................ 33
3 Bảng 3.1. Mối quan hệ áp suất - điện dung................................................ 48
4 Bảng 3.2. Sự thay đổi áp suất - điện dung ................................................. 50


1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

1

Hình 1.1. Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ.

12

2

Hình 1.2. Một số vi cảm biến cấu trúc màng kiểu tụ tiêu biểu

13

3

Hình 1.3. Đường cong ứng suất - biến dạng.

14

4

Hình 1.4. Tải đơn trục và biến dạng.

15

5

Hình 1.5. Đường cong biến dạng đàn hồi: Sự chuyển nhanh

17

sang miền ứng suất tới hạn và đứt gãy của silic.
6

Hình 1.6. sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ thống

19

7

Hình 1.7. Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối

21

8
9
10
11
12
13

ướt
Hình 1.8. Một số cấu trúc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối

22

ăn mòn khô
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc màng cảm biến áp suất kiểu tụ dạng

24

màng vuông, 4 góc mỏng.
Hình 2.2. Sơ đồ giải bài toán khoa học kỹ thuật.

25

Hình 2.3. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp FEM

29

Hình 2.4. Tổng quan cấu trúc cơ bản của một bài tính trong

31

ANSYS.
Hình 3.1. Đồ hoạ phân bố độ lệch theo phương Oz, Đồ hoạ 3

37

chiều về độ lệch dưới tải áp suất 2atm: Hình.3.1a,b màng dày
14

đều; Hình.3.1c,d màng bốn góc mỏng.
Hình 3.2. Sự phụ thuộc của độ lệch cực đại theo trục oz trên

15

38

màng cảm biến vào áp suất tác dụng.

Hình 3.3. Đồ hoạ ứng suất của cảm biến áp suất, màng có
dạng phẳng đều, dưới tải áp suất 2atm: Hình 3.3a. Thành

40


2

phần ứng suất sx; Hình 3.3b. Thành phần ứng suất sy; Hình
3.3c Thành phần ứng suất trượt txy.
16

Hình 3.4. Đồ hoạ ứng suất của cảm biến áp suất, màng có
dạng 4 góc mỏng, dưới tải áp suất 2atm: Hình 3.4a Thành

41

phần ứng suất sx; Hình 3.4b Thành phần ứng suất sy; Hình
3.4c Thành phần ứng suất trượt txy.
17

Hình 3.5 Phân bố ứng suất thẳng góc sx ;(a)Màng dày đều,
(b) Màng 4 góc mỏng.

18

Hình 3.6. Sự phụ thuộc của ứng suất sx vào áp suất đối với
màng dày đều và màng 4 góc mỏng.

19

23

44

Hình 3.9. Phân bố ứng suất trượt txy ; (a) Màng dày đều (b)
Màng 4 góc mỏng.

22

44

Hình 3.8. Sự phụ thuộc của ứng suất sy vào áp suất đối với
màng dày đều và màng 4 góc mỏng.

21

43

Hình 3.7 Phân bố ứng suất thẳng góc sy ; (a) Màng dày đều
(b) Màng 4 góc mỏng.

20

42

45

Hình 3.10. Sự phụ thuộc ứng suất txy vào áp suất của
màng dày đều và màng 4 góc mỏng.

46

Hình 3.11. Sự phụ thuộc của điện dung vào tải áp suất đối
với cảm biến

49


7

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cảm biến đo áp suất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều trung tâm
trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi của nó trên rất nhiều lĩnh vực như
đo lường, dự báo thời tiết, trong các thiết bị sử dụng trong ngành hàng không,
hàng hải, trong các thiết bị sử dụng trong thể dục thể thao, trong các khí tài
quân sự v.v…Đã có rất nhiều loại thành phẩm cảm biến đo áp suất chế tạo
dựa trên các công nghệ khác nhau được thương mại hóa trên thị trường. Trong
số đó, cảm biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS giành được thị
phần đáng kể và thể hiện được những ưu điểm nổi trội với khả năng đặc biệt
của công nghệ cũng như giá thành sản phẩm.
Một số nhóm nghiên cứu trong nước hiện nay về phát triển công nghệ
và linh kiện MEMS như ĐHBK Hà Nội, ĐH công nghệ Hà Nội, Viện khoa
học và công nghệ Việt Nam cũng đang quan tâm tới cảm biến áp suất.
Vấn đề cải tiến nâng cao chất lượng và các tính năng ưu việt của cảm
biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS là chủ đề vẫn luôn thu hút
được sự quan tâm
Việc chế tạo các cảm biến kích thước thu nhỏ nhưng vẫn đảm bảo chức
năng hoạt động như cảm biến có kích thước lớn(thậm chí được cải thiện) có ý

nghĩa rất lớn trong khoa học và thực tiễn: nó thúc đẩy việc liên tục cải tiến
công nghệ; vật liệu chế tạo được sử dụng ít hơn, giúp phần hạ giá thành sản
phẩm; không gian dành cho thành phẩm đóng gói được thu nhỏ hơn; năng
lượng duy trì hoạt động của linh kiện tiêu tốn ít hơn, kéo dài thời gian sử dụng
nguồn nuôi.v.v…Vì thế, việc thực hiện đề tài chế tạo cảm biến đo áp suất kích
thước nhỏ dựa trên công nghệ MEMS khối mang ý nghĩa thời sự, ý nghĩa
khoa học và thực tiễn, mở ra khả năng phát triển công nghệ MEMS để chế tạo
cảm biến đo áp suất kích thước nhỏ, khả năng phát triển ứng dụng cảm biến


8

Cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung là một trong các linh kiện tích
hợp cơ - điện. Cấu trúc cảm biến gồm một màng mỏng gọi là phần tử nhạy
được phủ một lớp kim loại mỏng làm bản cực thứ nhất của tụ điện và một lớp
kim loại khác được phủ lên đế cố định làm bản cực thứ hai, rồi gắn phần tử
nhạy với một đế thích hợp sao cho hai bản nằm đối diện nhau đã tạo ra một tụ
điện có điện dung thay đổi được. Khi áp suất tác động vào phần tử nhạy, sự
uốn cong của phần tử nhạy sẽ làm cho khoảng cách giữa hai bản tụ điện thay
đổi do đó điện dung của tụ cũng thay đổi theo. Đó là nguyên lí chuyển đổi tín
hiệu cơ sang tín hiệu điện kiểu điện dung.
Để cải thiện phân bố độ lệch và vùng làm việc tuyến tính của cảm biến,
đồng thời nâng cao độ nhạy cho các cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung,
chúng tôi đề xuất một thiết kế cảm biến mới trong đó sử dụng cấu trúc màng
vuông 4 góc mỏng thay cho màng phẳng đều. Trên cơ sở cấu trúc cảm biến áp
suất màng phẳng truyền thống, tại khu vực 4 góc màng nơi xuất hiện các ứng
suất cơ học nhỏ hơn khu vực tâm màng và khu vực khác, bề dày màng đó
được thiết kế nhỏ hơn các phần khác. Đáp ứng tín hiệu của cảm biến dưới tải
áp suất nhờ vậy sẽ được cải thiện tốt hơn.
Màng có tâm cứng: kích thước màng 3x3 mm, tâm cứng 2x2mm, độ dày

màng 20 mm , độ dày 4 góc mỏng màng 10 mm , độ dày tâm cứng 380 mm .
Màng có 3 độ dày khác nhau, Việc chế tạo màng có độ dày khác nhau rất
khó thực hiện bằng công nghệ ăn mòn ướt hay nói cách khác là không điều
khiển chính xác bằng ăn mòn ướt. Cấu trúc màng như vậy chỉ thực hiện được
bằng công nghệ ăn mòn khô và thông số cấu trúc trên là phự hợp với công
nghệ ăn mòn khô tại viện ITIM.
Vì vậy đề tài “ Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu
điện dung độ nhạy cao phù hợp với công nghệ ăn mòn khô ’’được đặt ra
cho luận văn này.


9

Dựa trên phần mềm ANSYS , các mô phỏng về cấu trúc cảm biến, về
các đặc trưng hoạt động cơ bản của cảm biến như mô phỏng độ lệch, ứng
suất, độ nhạy của cảm biến được thực hiện. Từ đó rút ra kết luận về cấu trúc
cảm biến mới.
2. Mục đích nghiên cứu
Mô phỏng và thiết kế mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung
độ nhạy cao, phù hợp với công nghệ ăn mòn khô
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Phân tích, đề xuất cấu trúc cảm biến đo áp suất MEMS mới có độ nhạy
cao dựa trên việc làm mỏng 4 góc mỏng
Mô phỏng hoạt động của cảm biến
Thiết kế cảm biến có các thông số kích thước phù hợp với điều kiện ăn
mòn khô
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung
Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng linh kiện
5. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lí thuyết, có sử dụng các tham số công nghệ trong phòng
thí nghiệm để lựa chọn tham số đầu vào cho bài toán mô phỏng
6. Dự kiến đúng góp mới
Đưa ra mẫu cảm biến đo áp suất MEMS kiểu điện dung có độ nhạy cao
dựa trên việc làm mỏng 4 góc màng cảm biến, các thông số kích thước phù
hợp với điều kiện ăn mòn khô


10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS
KÍCH THƯỚC NHỎ
1.1. Áp suất và cảm biến áp suất
1.1.1. Áp suất
Khi một chất lỏng hay chất khí được chứa trong bình chứa, do chuyển
động nhiệt hỗn loạn, các phần tử của chất lỏng hay chất khí sẽ va chạm vào
thành bình chứa gây ra áp lực lên thành bình chứa. Nếu ta xét lực này trên
một đơn vị diện tích ta có khái niệm áp suất. Như vậy áp suất được định nghĩa
là lực tác dụng vuông góc lên một đơn vị diện tích và được xác định theo
công thức sau:
p =

F
S

(1.1)

Trong đó:
- F là lực tác dụng, có đơn vị là Newton (N).
- S là diện tích bề mặt bị lực tác dụng, có đơn vị là mét vuông (m2).

- Trong hệ SI áp suất có đơn vị là N/m2.
Đơn vị dẫn xuất của áp suất là Pascal (Pa), 1 Pascal tương đương với áp
suất đồng dạng do lực 1 N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1 m2.
Áp suất 1 Pa là tương đối nhỏ(1Pa= 1N/m2). Ngoài ra còn dùng nhiều
đơn vị đo áp suất khác nhau tùy vào mỗi ứng dụng (xem bảng 1.1).


11

Bảng 1.1. Quan hệ giữa các đơn vị đo áp suất
Pa

bar

Kg/cm2

1Pa

1

10-5

1,02.10-5 0,9869.10-5

1bar

105

1

1,02

1kg/cm2

98.103

0,980

1atm

101325

1mmH2o
1mmHg

Đơn vị đo

atm

mmH2o

mmHg

1,02.10-4

0,75.10-2

0,9869

1,02.104

750

1

0,986

104

735

1,013

1,033

1

1.033.104

760

9,8

9,8.10-5

10-3

0,968. 10-4

1

0,0735

133,3

133,3.10-5

1,36.10-3

1,315.10-3

136

1

áp suất

1.1.2. Cảm biến áp suất
Cảm biến được định nghĩa là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu vào
không phải đại lượng điện thành tín hiệu ra là đại lượng điện. Cảm biến rất đa
dạng gồm nhiều loại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Cảm biến áp suất, cảm
biến nhiệt độ, cảm biến khoảng cách…
Cảm biến áp suất là một loại linh kiện chuyển đổi áp suất đầu vào và
cho tín hiệu điện ở đầu ra nhằm đo áp suất, lực đầu vào. Nhờ tính tiện dụng,
kích thước nhỏ cảm biến áp suất được chế tạo bằng công nghệ MEMS được
ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực:
- Dân dụng: tủ lạnh, điều hòa không khí, máy hút bụi, máy giặt, nồi áp
suất…
- Hệ thống tự động: hệ thống phanh, giảm sóc, túi khí, hệ thống nước,
áp suất chất lỏng, thể tích chất lỏng trong bồn…

- Y học: đo áp suất máu, điều hòa nhịp tim…
- Công nghiệp: xử lí nước thải, lò nhiệt, áp suất nước, nồi hơi, đo lưu
lượng nước chảy qua ống, đo độ cao so với mặt nước biển…


12

Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều loại cảm biến áp suất
đã ra đời. Phổ biến nhất là sử dụng màng. Màng (diaphragm) là một tấm
mỏng (thường bằng chất bán dẫn) có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt
lên. Khi áp suất bên ngoài tác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp
suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng, độ biến dạng của
màng phụ thuộc vào độ lớn áp suất tác dụng vào. Bằng nhiều cách khác nhau
người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng thành tín hiệu điện thông qua
sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung, sử dụng hiệu ứng áp điện, dao
động cơ điện, dùng phương pháp transistor áp điện v.v... Trong phạm vi
nghiên cứu của đề tài, đó là nâng cao độ nhạy cảm biến áp suất MEMS kiểu
điện dung.
1.2. Các dạng cảm biến áp suất MEMS kiểu tụ tiêu biểu
1.2.1. Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng vuông
Cấu trúc cảm biến gồm một màng vuông gọi là phần tử nhạy được phủ
một lớp kim loại mỏng làm một bản cực của tụ điện, và một lớp kim loại khác
được phủ lên đế cố định làm bản cực thứ hai, rồi gắn phần tử nhạy với đế một
cách thích hợp sao cho hai bản cực nằm đối diện nhau, ta đã tạo ra một tụ có
điện dung thay đổi được (hình 1.1).

Bản cực động

Bản cực tĩnh

Hình 1.1. Sơ đồ vi cảm biến kiểu tụ.

Nguyên lí hoạt động của cảm biến có thể trình bày như sau:


13

Khi có áp suất tác động vào phần tử nhạy, sự uốn cong của phần tử
nhạy sẽ làm cho khoảng cách giữa hai bản tụ thay đổi, do đó điện dung của tụ
cũng thay đổi theo. Đó chính là nguyên lí chuyển đổi tín hiệu cơ sang điện
kiểu điện dung. Hoàn toàn ta có thể thu và xử lí dễ dàng các tín hiệu này nhờ
các mạch được tích hợp trên cùng một đế silic.
Ưu điểm: dễ tạo màng, khi có áp suất tác dụng, độ lệch màng lớn hơn
so với màng cấu trúc khác, ứng suất trượt tại 4 góc màng là nhỏ không ảnh
hưởng khi ta khoét mỏng 4 góc màng.
1.2.2. Vi cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng tròn
Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng màng tròn về nguyên tắc cũng
giống với màng vuông, màng tròn là đối xứng tâm, phân bố đều, tuyến tính
hơn so vói màng vuông nhưng để tạo ra màng tròn khó hơn so với màng vuông
nên thực tế người ta ít chế tạo (Hình 1.2a)
1.2.3. Một số cấu trúc khác

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Hình 1.2. Một số vi cảm biến cấu trúc màng kiểu tụ tiêu biểu: (a)- Màng tròn
; (b,c)- Màng có tâm cứng ; (d,e)- Các màng hình dạng phức tạp .

Cảm biến áp suât kiểu tụ điện sử dụng màng hình chữ nhật(Hình 1.2b,c)
Cảm biến áp suất kiểu tụ điện sử dụng các màng hình dạng phức tạp
(Hình 1.2d,c)


14

1.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS
1.3.1. Vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS
Phần tử nhạy trong các cảm biến cơ hoạt động liên tục dưới tác dụng
của tải cơ học đầu vào, chuyển đổi chúng qua biến dạng vật liệu thành một tín
hiệu điện lối ra. Để làm tối ưu các chức năng chuyển đổi tín hiệu này của cảm
biến, việc phân tích các đặc trưng cơ học của cấu trúc là hết sức quan trọng.
Vật liệu silic đã được sử dụng như một vật liệu cơ bản trong công nghệ vi
điện tử. Kết hợp với khả năng có thể ăn mòn dị hướng tạo các cấu trúc 3 chiều
có độ chính xác cao, cấu trúc nhạy cơ và các phần xử lí electron có thể tổ hợp
dễ dàng trên cùng một đế silic, vật liệu silic cũng được biết đến như một vật
liệu cơ bản trong công nghệ MEMS. Trong phần này, chúng ta sẽ lần lượt
phân tích các tính chất cơ, tính chất điện, đặc điểm mạng tinh thể của vật liệu
silic nhằm làm nổi bật vai trò của silic trong các vi cảm biến kiểu điện dung
1.3.1.1. Tính chất cơ của vật liệu Silic
a) Đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu
Ứng suất giới hạn đàn hồi (yield strength), độ bền kéo (tensile
strength), độ cứng (hardness) và độ dão mỏi (creep) của vật liệu liên quan mật
thiết đến đường cong đàn hồi, tức là đường cong ứng suất-biến dạng của vật

liệu như thể hiện trên hình 1.3 [1], [2,tr.23-27], [4], [5], trong đó trục thẳng
đứng mô tả ứng suất s, trục nằm ngang mô tả biến dạng e .
- Đối với biến dạng nhỏ,
định luật Hook áp dụng cho ứng
suất và biến dạng là tỷ lệ nhau và

s
P

đường biểu diễn mối quan hệ ứng
suất-biến dạng là tuyến tính. Biến
dạng của vật liệu trong phạm vi này
là biến dạng đàn hồi. Khi tải trọng
đặt vào nhỏ (s < sE), độ biến dạng
tỷ lệ bậc nhất với ứng suất, khi bỏ

sY
sE

F
E

ep

e

Hình 1.3. Đường cong ứng suất - biến
dạng.

15

tải trọng biến dạng mất đi, vật trở lại kích thước ban đầu.
- Khi tải trọng đặt vào lớn (s > sE), độ biến dạng tăng nhanh theo tải
trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn lại một phần.
Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo (biến dạng dư). Tức là biến dạng
gồm biến dạng đàn hồi (eE) và biến dạng dẻo (eP) :
e = eE + eP

(1.2)

- Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất (điểm P) lúc đó xảy ra
biến dạng cục bộ hình thành cổ thắt, tải trọng tác dụng giảm đi mà biến dạng
vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá huỷ tại F.
- Hiện tượng dão (creep) là hiện tượng biến dạng không thuận nghịch
phụ thuộc vào thời gian khi giữ ứng suất không đổi. Đây là đại lượng xác định
độ biến dạng dư của vật liệu khi tải không đổi đầu vào đã thôi tác dụng.
e(t) = eđh + edư + edão = etức thời + edư(t)
(1.3)
b) Tính chất cơ của Silic
Xét vật liệu đàn hồi đẳng hướng (Silic đa tinh thể hoặc vô định hình).
Đối với phần tử chịu tác dụng của tải đơn trục P (hình 1.4)
- Ứng suất kéo: sa.
- Biến dạng kéo:
ea= (L2-L1)/L1

(1.4)

- Mô đun đàn hồi (Môđun Young) E
(N/m2):

sa = E ea

(1.5)

E=161 GPa đối với Silic đa tinh thể.
- Tỷ số Poisson:
n = - el / ea với el= (D2 -D1)/D1

(1.6)

Hình 1.4. Tải đơn trục và biến
dạng.


16

- Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng chịu trạng thái ứng suất theo ba
trục:
ex = [sx - n (sy +sz )]/ E

(1.7)

- Mối quan hệ giữa ứng suất trượt t, biến dạng trượt g và mô đun đàn
hồi trượt G:
t=Gg

(1.8)

- Vật liệu đẳng hướng được đặc trưng chỉ bởi 2 hằng số đàn hồi độc
lập, mô đun trượt G liên hệ với mô đun Young và tỷ số Poisson bởi:

G=E/[2(1+ n)]

(1.9)

Xét vật liệu đàn hồi dị hướng (Silic đơn tinh thể).
- Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập. Định luật Hook
trong trường hợp tổng quát được diễn tả bởi 2 công thức:
sij=Eijklekl và eij=Sijklskl

(1.10)

- Với sij và skl là các tensor ứng suất hạng 2 [N/m2], ekl và eij là các
tensor biến dạng hạng 2, không thứ nguyên. Eijk là tensor hệ số độ cứng hạng
4 [N/m2], Sijkl là tensor hệ số tương thích (compliance coefficient tensor) hạng
4 [m2/N].
- Số hằng số độc lập tăng khi tính đối xứng giảm. Ví dụ tinh thể lập
phương có 3 hằng số đàn hồi độc lập (S11, S12 và S44), mô đun Young E=
1/S11,
tỷ số Poisson n= -S12/S11 và mô đun trượt G=1/S44.
- Với vật liệu bất đối xứng đòi hỏi 21 hằng số độc lập. Mối quan hệ
giữa ứng suất và biến dạng trở nên phức tạp hơn trong trường hợp này và phụ
thuộc nhiều vào sự định hướng không gian ứng với trục tinh thể.
- Với tinh thể Silic mạng lập phương (bcc, fcc) với véctơ ứng suất định
hướng theo các trục [100] thì E11= E22= E33= 166x109 N/m2; E12= E13= E23=
64x109 N/m2; E44= E55= E66= 80x109 N/m2.


17

és x ù é166( E1 ) 64( E12 ) 64( E12 )

0
0
0 ù ée x ù
ê ú ê
ê ú
0
0
0 úú êe y ú
ês y ú ê 64( E12 ) 166( E1 ) 64( E12 )
ês z ú ê 64( E ) 64( E ) 166( E )
0
0
0 ú êe z ú
12
12
1
ê ú=ê
ú x ê ú (1.11)
0
0
80( E44 )
0
0 ú êg x ú
êt x ú ê 0
êt ú ê 0
0
0
0
80( E44 )
0 ú êg y ú

ê yú ê
ú ê ú
0
0
0
0
80( E44 ) ûú êëg z úû
êët z úû ëê 0

Hệ số dị hướng:
a= 2E44/(E11- E12)

(1.12)

với tinh thể đẳng hướng: a= 1, với Silic đơn tinh thể: a= 1.57.
- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định hướng tinh thể.
- E, G, và n là hằng số đối với bất kỳ hướng nào nằm trong mặt phẳng
(111). Mặt khác có thể xem một tấm nằm trong mặt phẳng này có các đặc tính
đàn hồi đẳng hướng [1].
Đối với vật liệu Silic, không có sự biến dạng dư và không có sự dão
mỏi nào ở nhiệt độ dưới 8000C. Các sensor Silic có thể hoạt động với tần số
lên đến hàng trăm triệu chu kỳ mà không kèm theo bất cứ sự trễ cơ học nào
[1]. Bởi vậy cấu trúc nhạy cơ sử dụng
Silic làm phần tử tích cực đặc biệt hiệu
quả trong trường hợp tải tuần hoàn. Về
phương diện này vật liệu Silic được xem
như một “siêu vật liệu”. Người ta giải
thích khả năng đặc biệt này của Silic là
do không có sự hấp thụ năng lượng hoặc
sự sinh nhiệt nào trong Silic ở nhiệt độ

phòng. Tuy nhiên đơn thể Silic là rất
giòn, nên khi có ứng suất vượt quá giới
hạn đàn hồi đặt vào, nó sẽ nhanh chóng

Hình 1.5. Đường cong biến
dạng đàn hồi: Sự chuyển
nhanh sang miền ứng suất tới
hạn và đứt gãy của silic [1].


18

chuyển sang miền biến dạng dư và đứt gãy. Như thế về mặt biến dạng, thép
có khả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thước (hình 1.5)
[1], [8,tr.423-429].
Ở nhiệt độ phòng, các vật liệu có môđun đàn hồi lớn như Si, SiO2,
Si3N4 thường thể hiện tính đàn hồi rất tốt khi có biến dạng nhỏ và chuyển
nhanh đến đứt gãy khi có biến dạng lớn hơn. Biến dạng dư trong kim loại
xuất hiện do phát sinh các lệch mạng gây bởi ứng suất trong các biên hạt và
sự chuyển của các lệch mạng đó, dẫn tới sự dịch chuyển các nội hạt bên trong
vật liệu và tạo ra độ lệch vĩ mô trong vật liệu. Nhưng không có bất kỳ biên
hạt nào tồn tại trong đơn tinh thể Silic [1]. Vì vậy biến dạng dư trong Silic chỉ
có thể xuất hiện do sự di chuyển của các khuyết tật có mặt trong mạng tinh
thể, hoặc các khuyết tật xuất hiện trên bề mặt. Trong đơn tinh thể Silic, số
lượng các khuyết tật như vậy là rất thấp, nên vật liệu này được xem như hoàn
toàn đàn hồi trong phạm vi nhiệt độ phòng. Tính chất đàn hồi hoàn hảo đó
kéo theo sự tỷ lệ thuận giữa ứng suất và biến dạng, giữa tải và độ lệch, và loại
bỏ được tính trễ cơ học của vật liệu.
Ở nhiệt độ lớn hơn 8000C, độ linh động của các khuyết tật tăng lên
đáng kể, khi đó vật liệu silic thể hiện tính chất dẻo [1], [8,tr.423-429].

1.3.2. Vài nét về công nghệ MEMS
MEMS là viết tắt của cụm từ Micro Electro-Mechanical System có
nghĩa là “ hệ thống vi cơ điện tử ’’. Khái niệm về MEMS được đưa ra từ
những năm 50 của thế kỷ XX. là thuật ngữ chỉ công nghệ của các hệ thống
bao gồm các bộ phận điện tử, cơ học, quang học… rất nhỏ (cỡ nanomet hay
micromet) được kết hợp cùng với nhau. Công nghệ MEMS dựa trên cơ sở các
kỹ thuật của công nghệ vi điện tử và các ứng dụng tính chất của vật liệu để
tạo ra các cấu trúc cơ học, quang học, hóa học…có khả năng hoạt động như
một hệ thống hoàn chỉnh. Khả năng thu nhỏ, tích hợp các linh kiện của công


19

nghệ MEMS là một trong những lí do khiến cho nó trở thành một công nghệ
đầy hứa hẹn của hiện tại cũng như tương lai.
Công nghệ MEMS cũng bao gồm các phương pháp chế tạo đặc trưng
và cấu trúc mới của thiết bị.
Sơ đồ khối cơ bản của một cấu trúc MEMS được biểu diễn ở hình vẽ
dưới đây:

Hình 1.6: sơ đồ các khối cơ bản trong một hệ thống
Cấu trúc cơ bản nhất của vi hệ thống bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện
tử, vi cảm biến và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip. Các vi hệ
thống này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước mm và
thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung
quanh. Các vi hệ thống này được chế tạo bằng vật liệu Silic là chủ yếu do Silic
có những ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.
MEMS bao gồm các cấu trúc vi cảm biến cơ - điện hoạt động một cách
hòa hợp, thống nhất. Mỗi bộ phận của một linh kiện MEMS thường cấu tạo
bởi các vật liệu khác nhau. Ví dụ như: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm

từ bán dẫn pha tạp, tụ điện có bản tụ kim loại và lớp điện môi…Tính chất vật
liệu của mỗi bộ phận có thể ảnh hưởng đến đặc tính của linh kiện. Vì thế, việc
tạo nên một linh kiện MEMS đòi hỏi một kiến thức vững vàng về các vật liệu


20

để có thể kết hợp chúng một cách tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình
chế tạo hợp lý.
Trên thực tế, công nghệ MEMS là tổ hợp chung các kỹ thuật chế tạo
khác nhau. Vì vậy, các vật liệu được sử dụng trong công nghệ MEMS cũng
rất rộng rãi: silicon, thủy tinh, gốm, polymer, các hợp chất bán dẫn của
nguyên tố nhóm III ,V và cả một số kim loại như nhôm, titan, volfram…Tuy
vậy, silicon vẫn là vật liệu được sử dụng chủ yếu do các ưu điểm nổi trội về
tính chất vật liệu, công nghệ chế tạo, mức độ sử dụng rộng rãi trong điện tuer
và cả tính kinh tế của nó.
- Vật liệu Silic là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi
điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc
chế tạo các phiến Silic được thực hiện trong quy mô công nghiệp.
- Vật liệu Silic cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc
trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện.
- Vật liệu Silic có những tính chất cơ rất tốt:
- Độ bền kéo của vật liệu này là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của
thép là 4,2.109 N/m2.
- Khối lượng riêng của Silic và 2,3g/cm3 trong khi khối lượng riêng của
thép là 7,9g/cm3.
Trong cấu trúc vi hệ thống, phần điện tử được chế tạo bằng công nghệ
vi điện tử và phần vi cấu trúc được chế tạo bằng công nghệ vi cơ. Có rất nhiều
công nghệ để tạo vi cấu trúc như công nghệ vi cơ khối (bulk
micromachining), công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining) và công

nghệ LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung).Trong đó, công nghệ
vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt sử dụng phương pháp ăn mòn tạo vi cấu
trúc đối với vật liệu Silic đơn tinh thể là chủ yếu. Công nghệ LIGA bằng cách


21

sử dụng kĩ thuật vi đúc (Micromolding) và tia laser cho phép tạo cấu trúc vi
cơ đối với vật liệu gốm, chất dẻo hay kim loại.
1.3.2.1. Công nghệ vi cơ khối dạng ướt
Công nghệ vi cơ khối ăn mòn ướt: Vi cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn
mòn khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn trong dung dịch hóa học.
Tuỳ thuộc vào dung dịch hoá học mà khối vật liệu có thể bị ăn mòn đẳng
hướng hoặc dị hướng.
- Phương pháp ăn mòn đẳng hướng là phương pháp mà tốc độ ăn mòn
theo tất cả các hướng là giống nhau. Đối với vật liệu Silic thì các dung dịch ăn
mòn đẳng hướng thường được sử dụng là HNA, HF hoặc CH3COOH. Tuy
nhiên khi cấu trúc ăn mòn có dạng khe hẹp và sâu thì tốc độ ăn mòn sẽ giảm
hoặc bằng không, đây chính là điểm hạn chế của phương pháp này.
- Phương pháp ăn mòn dị hướng là phương pháp mà tốc độ ăn mòn theo các
hướng là khác nhau. Đối với vật liệu Silic đơn tinh thể thì dung dịch ăn mòn
dị hướng là các dung dịch kiềm có độ pH lớn hơn 12, ví dụ như KOH, NaOH,
CsOH, NH4OH, (CH3)4NOH (TMAH - Tetra Methyl Ammonium Hydroxide).
Phương pháp này cho phép tạo ra cấu trúc 3 chiều với độ chính xác cao.

Hình1.7 : Minh họa hốc ăn mòn trong công nghệ vi cơ khối ướt


22

1.3.2.2. Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô.
Trong công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô, thay vì ăn mòn phiến Si trong
dung dịch KOH, người ta sử dụng kỹ thuật ăn mòn khô. Phiến Si được ăn
mòn trong môi trường plasma bằng chùm ion và tạo ra các cấu trúc mong
muốn. Cơ chế ăn mòn có thể bao gồm cả cơ chế hóa học và vật lí.

Hình1.8 : Một số cấu trúc chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô
Ăn mòn khô có tính dị hướng tốt hơn nhiều so với ăn mòn ướt do sử
dụng chùm ion định hướng với cơ chế ăn mòn gồm cả cơ chế vật lí và cơ chế
hóa học. Vì thế nên các cấu trúc với độ chính xác cao mà không phụ thuộc vào
các mặt của tinh thể [6], bề mặt nhẵn và các vách ăn mòn có dạng thẳng đứng
do đó nên thu nhỏ được kích thước linh kiện hơn so với công nghệ vi cơ khối
sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt.


23

CHƯƠNG 2. PHÁT TRIỂN CẤU TRÚC CẢM BIẾN - XÂY DỰNG
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TRƯNG HOẠT
ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS
2.1. Phát triển cấu trúc cảm biến
Theo trình bày ở trên, muốn cho vi cảm biến có độ nhạy cao, vi cảm
biến phải được thiết kế sao cho điện dung thu được khi áp suất tác dụng vào
phần tử nhạy là lớn nhất có thể. Theo công thức (3.1) giá trị điện dung phụ
thuộc vào S, e , k và khoảng cách d giữa hai bản tụ điện, trong phạm vi
nghiên cứu của đề tài thì giá trị S, e , k là không đổi vì vậy điện dung C phụ
thuộc vào d; khi khoảng cách d càng nhỏ giá trị điện dung C càng lớn.
Trong các vi cảm biến áp suất silic kiểu điện dung dạng truyền thống,
chúng ta thường thấy người ta chọn màng silic dạng màng vuông, độ dày
đồng đều. Phân tích về phân bố ứng suất trên màng cảm biến dưới tác dụng

của áp suất cũng cho thấy, tại khu vực 4 góc màng phân bố ứng suất có giá trị
rất nhỏ Như vậy, nếu ta giảm độ dày tại khu vực 4 góc màng thì khả năng
chịu tải áp suất của màng ảnh hưởng không nhiều nhưng độ lệch theo trục oz
của màng sẽ tăng lên. Trên cơ sở các phân tích trên, chúng tôi phát triển và đề
suất một cấu trúc cảm biến áp suất MEMS kiểu điện dung mới có dạng như
sau: Trên cảm biến áp suất dạng màng vuông, thay cho việc sử dụng màng
phẳng đều, chúng tôi sử dụng màng có 4 góc mỏng. Sơ đồ cấu trúc màng cảm
biến được trình bày trên hình 2.1.