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)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PTN CÔNG NGHỆ NANO

*****

*****

NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT
CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ
CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS)

Chuyên ngành : Vật Liệu và Linh Kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Vũ Ngọc Hùng

Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này đã được đệ trình lên Trưởng Khoa Khoa Học Vật Liệu,
Trường Đai Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, cũng như đơn vị liên kết

đào tạo là Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ
Chí Minh.
Công việc được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS. TS. Vũ Ngọc
Hùng tại Viện Đào Tạo Quốc Tế Về Khoa Học Vật Liệu, Số 01, Đại Cồ Việt, Hà
Nội, Việt Nam từ tháng 6 năm 2007. Ngoại trừ các thông số chỉ tiêu kỹ thuật của
linh kiện được đưa ra ban đầu, còn lại tất cả các kết quả có được trong luận văn
này do chính sự nổ lực làm việc của tôi, không có sự hợp tác của bất cứ cá nhân
nào.
Công việc thực hiện trong luận văn này vẫn chưa được đệ trình để thực hiện
đầy đủ ở bất kỳ cấp độ nào hay Trường, Viện nào.
Thực hiện
Nguyễn Hữu Khánh Nhân


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên xin cảm ơn Thầy Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Vũ Ngọc Hùng và tất cả
các thành viên trong nhóm MEMS tại viện ITIMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đã
tin tưởng và tạo mọi điều kiện cho tôi được tiếp xúc, làm việc rất thú vị trong khảo
sát thực nghiệm cũng như xử lí các kết quả mô phỏng.
Tôi chân thành cảm ơn tới Thầy PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng đã hướng dẫn tận
tình và chia sẽ trong thời gian thực hiện luận văn. Sự cởi mở và gần gũi của Thầy
giúp tôi thêm tự tin hơn trong trao đổi, giải quyết những vấn đề khó khăn. Trong
quá trình làm luận văn, tôi có cơ hội được tiếp xúc với các học viên cao học ở
ITIMS cũng như các thành viên trong nhóm nghiên cứu của Thầy, đặc biệt là bạn
Trịnh Quang Thông, Lê Văn Minh, Chu Mạnh Hoàng đã sẵn sàng trao đổi và chia
sẽ những khó khăn trong chương trình mô phỏng và thực nghiệm, có những đóng
góp tích cực trong những trở ngại mà tôi gặp phải.
Tôi cũng xin chân thành các bạn học viên trong lớp cao học nano khóa đầu
tiên được tổ chức đào tạo tại Thành Phố Hồ Chí Minh đã sẵn sàng chia sẽ tài liệu
tham khảo, các thông tin liên quan cũng như đóng góp tích cực.

Xin cảm ơn Quí Thầy Cô Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia
Hà Nội, Ban Giám Đốc và các thành viên phòng thí nghiệm công nghệ Nano đã
vượt qua những khó khăn ban đầu đã tạo điều kiện tốt nhất để hoàn tất khóa đào
tạo đầu tiên ở Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng và trong khu vực phía Nam nói
chung.
Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè thân thiết đã khuyến khích, giúp đỡ
và hỗ trợ hết mình để biến giấc mơ của tôi thành sự thật.
Thành Phố HCM, 15-2-2008
Nguyễn Hữu Khánh Nhân


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Thứ tự Chữ viết tắt
Tiếng Anh
1
CAD
Computer Aid Design

Tiếng Việt
Thiết kế với sự hỗ
trợ máy tính
Lắng đọng bốc bay
hoá học
Thu nhận dữ liệu
Thiết bị thông tin dữ
liệu
Bậc tự do
Kiễm tra luật thiết
kế
Ăn mòm phản ứng

ion sâu
Thiết bị đầu cuối dữ
liệu
Phương pháp phần
tử hữu hạn
Mạch tích hợp
Ăn mòn phản ứng
ion ghép plasma
Khóa tùy chọn
Lắng đọng bốc bay
hoá học áp suất thấp
Hệ vi cơ điện tử

2

CVD

Chemical Vapor Deposition

3
4

DAQ
DCE

5
6

DOF
DRC

Data Acquisition
Data
Communications
Equipment
Degree Of Freedom
Design Rule Check

7

D - RIE

Deep Reactive Ion Etching

8

DTE

Data Terminal Equipment

9

FEM

Finite Element Method

10
11

IC

ICP - RIE

12
13

KEYOPT
LPCVD

14

MEMS

15
16

RF
RIE

17

SEM

18

SOI

19

VI

Intergrated Circuit
Inductively Coupled Plasma
Reactive Ion Etching
Key Option
Low Pressure Chemical Vapor
Deposition
Micro Electro Mechanical
System
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
Reactive Ion Etching
Ăn mòn phản ứng
ion
Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia
điện tử
Silicon On Insulator
Silic trên chất cách
li
Virtual Instrument
Dụng cụ ảo


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Thứ tự

Mô tả

Trang

1

Hình 1.1. Vi cơ khối silicon. (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn

17

mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp
dừng ăn mòn ẩn phía dưới, (d) màng điện môi ăn mòn khối
mặt sau.
2

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

19

3

Hình 1.3. Kỹ thuật hàn tĩnh điện

20

4

Hình 1.4. Xử lí LIGA

22

5

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

25

ứng suất trượt.
6

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

27

vuông góc.
7

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

27

Đề-các
8

Hình 1.8. Hệ số áp trở đối với nồng độ pha tạp lớp khuyếch

30

tán bề mặt
9

Hình 1.9. Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và

31

vuông góc vào định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100):
(a) – silic loại p; (b) – silic loại n
10

Hình 1.10. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ

32

pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại p
11

Hình 1.11. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ

32

pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại n
12

Hình 1.12. Màng silicon bị ăn mòn bất đẳng

33

13

Hình 1.13. Mặt cắt ngang và cách bố trí của sensor áp suất

35


cụ thể được vi cơ khối

14

Hình 1.14. Vị trí điện trở trên màng Boss

36

15

Hình 1.15. Cảm biến áp suất áp trở được liên kết hợp nhất

38

16

Hình 1.16. Cảm biến áp suất vi cơ bề mặt với a) màng

39

Nitride; b) màng polisilicon
17

Hình 1.17. Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b)

39

màng có bậc
18

Hình 1.18. Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc

40

19

43

20

Hình 1.19. Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân
Yokogawa
Hình 2.1. Quy trình thiết kế linh kiện vi cơ điện tử

21

Hình 2.2. a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu

46

46

Wheatstone
22

Hình 2.3. Quá trình mô phỏng MEMS cảm biến cụ thể

48

23

Hình 2.4. Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp

49

điện trở dùng công cụ thiết kế của CADENCE
24

Hình 2.5. Tự động kiểm tra luật thiết kế

50

25

Hình 2.6. Cảm biến áp suất được kết nối dùng 4 điện trở

50

cầu Wheatstone
26

Hình 2.7. Cấu trúc cảm biến áp suất

59

27

Hình 2.8. Mô hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp

60

điện trở

28

Hình 2.9. Điều kiện biên và đặt tải của cảm biến áp suất áp

61

điện trở
29

Hình 2.10. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến

62

áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa
30

Hình 2.11. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến

63


áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng
suất lớn nhất σx và σy theo mặt trên của màng cảm biến.
31

Hình 2.12. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến

64

áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng

suất tương đương theo Von Mises
32

Hình 2.13. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến

64

áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa. Sự
thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến. Chú
ý áp điện trở được đặt tại vị trí có σs = 0 .
33

Hình 2.14. Vị trí các áp điện trở ở trên màng, tại đó ứng

65

suất được phân bố lớn nhất.
34

Hình 2.15. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với

66

mật độ chia lưới khác nhau
35

Hình 2.16. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với

67

độ dày áp điện trở khác nhau
36

Hình 2.17. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi độ dày của

68

màng cảm biến
37

Hình 2.18. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi kích thước

68

của màng cảm biến
38

Hình 2.19. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của

69

cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
39

Hình 2.20. Sơ đồ mặt nạ của cảm biến áp suất có kích

71

thước 2 mm x 2 mm
40

Hình 3.1. (a) Sắp xếp các áp điện trở và dây kết nối bên
trong của cảm biến áp suất, (b) mạch nữa cầu, (c) cầu
Wheatstone, và (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu

74


Wheatstone.
41

Hình 3.2 Toàn bộ hệ thống đo lường: 1) bộ chuẩn áp suất

75

pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo
Keithley 2000, 3) máy tính.
42

Hình 3.3. Chức năng thông tin EIA232, và lọai đầu nối cho

76

máy tính cá nhân và modem.
43

Hình 3.4. Đầu nối thiết bị DB25 và DB9

76

44

Hình 3.5. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) và DCE

77

(modem hay thiết bị nối tiếp khác)
45

Hình 3.6. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và

78

DCE (modem) 9 chân
46

Hình 3.7. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và

78

DCE (modem) 25 chân
47

Hình 3.8. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và

79

DCE (modem) 25 chân
48

Hình 3.9. Bộ chuyển đổi USB sang RS232

80

49

Hình 3.10. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp

81

nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy
tính và thiết bị MC100 và Keithley.
50

Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán

82

51

Hình 3.12. Bảng hiển thị kết quả trong chương trình

83

LABVIEW
52

Hình 3.13. Màn hình làm việc ban đầu của LabView

83

53

Hình 3.14. Cửa sổ làm việc cho lập trình

84

54

Hình 3.15. Thiết lập các thông số cho cổng nối tiếp

85

55

Hình 3.16. Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp

86


56

Hình 3.17. Đọc và định dạng dữ liệu

86

57

Hình 3.18. Quá trình kết thúc ứng dụng

87

58

Hình 3.19. Hiển thị kết quả cuối cùng kiểu 1

87

59

Hình 3.20. Thiết lập mã cho bộ lọc

88

60

Hình 4.1. Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi

89

được khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc
61

Hình 4.2. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mòn

90

khô 20 phút
62

Hình 4.3. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mòn được đo

90

bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2
và (b) 2x2 µm2
63

Hình 4.4. Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với

91

1x1 và 2x2 mm2
64
65

Hình 4.5. Ảnh SEM 3D của linh kiện cảm biến được chế
tạo
Hình 4.6. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim

91
92

loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi
thêu kết
66

Hình 4.7. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim

92

loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu
kết ở 4500 C trong Nitơ (N2)
67

Hình 4.8. (a) nối dây cho linh kiện; (b) đóng gói

93

68

Hình 4.9. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm

94

biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA.
69

Hình 4.10. Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp

95

suất sau cầu cân bằng
70

Hình 4.11. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất

96

phụ thuộc vào nhiệt độ.
71

Hình 4.12. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất ở

97

nhiệt độ 550C
72

Hình 4.13. Mối quan hệ giữa điện áp offset và nhiệt độ

98

73

Hình 4.14. Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ ra đối với nhiệt độ

98

74

Hình 4.15. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của

99

cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
75

Hình 4.16. Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ ra và tải áp suất

99

với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác nhau
DANH MỤC CÁC BẢNG
Thứ tự

Mô tả

Trang

1

Bảng 1.1. Các hệ số áp trở song song và vuông góc theo các

29

hướng khác nhau
2

Bảng 1.2. Hệ số áp điện trở cụ thể cho vật liệu silic

30


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở hiệu ứng
áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Hà Nội.
[2] Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu

áp trở kích thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội.
[3] PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS. Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS
và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn, Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
[4] GS.TS. Nguyễn Văn Phái, GVC.TS. Trương Tích Thiện, Ths. Nguyễn
Tường Long, Ths. Nguyễn Định Giang (2003), Giải bài toán cơ kỹ thuật
bằng chương trình ANSYS, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
[5] Phan Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất bản
khoa học kỹ thuật.
[6] Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Đức Hải (2002), Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà
xuất bản Lao Động Xã Hội.
Tiếng Anh
[7]

[8]

[9]
[10]
[11]

[12]
[13]

Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis
and Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor,
Department of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua
university, Hsin Chu, Taiwan
Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices
theory and applications, Department for Micro and Nano Technology,

DTU.
Fatikow, S and Rembold, U (1997), Microsystem technology and
microrobotics, Springer, New York.
Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of
silicon, Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551.
Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for
sensitivity and linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of
Microelectromechanical Systems, Vol.8, No.4, December 1999.
MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design
Hanhbook”, Design Introduction, SensorNor Asia, All rights reserved.
MEMS Industry Group, Piezo-resister Pressure Sensor Cluster. ENEE605
Final Project Report, Fall 2002, Department of Electrical and Computer
Engineering, University of Maryland.


[14] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), MEMS
Mechanical Sensors, Artech House Inc, Boston, London.
[15] Stephen D.Senturia (2002), Microsystem Design, pp.485-486,
Massachusetts Institute of Technology, Kluwer Academic Publishers,
New York.
[16] Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS),
Pennsylvania State University, USA.
[17] Shimbo, M., K. Furukawa, K. Fukuda, and K. Tanzawa, Silicon-to-silicon
direct bonding method. Journal of Applied Physics, 1986. 60(8): p. 29872989.
[18] Y. Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance
coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol. ED-29, pp. 64-70.
[19] S. K. Clark and K. D. Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched
thin-diaphragm pressure sensors, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED26, pp. 1887–1896, 1979.
[20] Roark, Roarks formulas for stress and strain, p. 464, Table 26 case 8.
McGraw Hill, 1 edition.