Nghiên cứu thiết kế cảm biến đo áp suất mems kiểu áp trở độ nhạy cao

-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

Trần Đức Tiến


-2-

Lời cảm ơn

Đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy
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 những người thân trong gia đình, bạn bè đã giúp
đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn.

Tác giả luận văn
Trần Đức Tiến

-3-

Mục lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Mở đầu..................................................................................................................................3
Chương 1. Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS
kích thước nhỏ.................................................................................................................5
1.1. áp suất và cảm biến áp suất..................................................................................5
1.2. Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu..........................................................6
1.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS .......................................8
1.4. Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở.................................... 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.............................................................................................................26
2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến..................................................................................26
2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng........................................................................27
Chương 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận.....................................................36
3.1. nhy cm bin.................................................................................................36
3.2. Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 của góc làm
mỏng ..........................................................................................................................36
3.3.Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào thông số cạnh a1 của góc làm
mỏng ..........................................................................................................................37
3.4. Kích thước tối ưu của góc làm mỏng....................................................................38
3.5. Sự cải thiện về độ lệch màng................................................................................38
3.6. Sự cải thiện về ứng suất........................................................................................40
3.7. Sự phụ thuộc của điện áp ra vào tải áp suất..........................................................43

3.8. Khảo sát sự phụ thuộc độ nhạy vào điện áp nguồn nuôi......................................44
Kết luận.............................................................................................................................45
Tài liệu tham khảo......................................................................................................46
Phụ lục...............................................................................................................................48


-3-

Mở ĐầU
Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) hứa hẹn cách
mạng hoá các loại sản phẩm bằng cách tích hợp các yếu tố vi điện lại với nhau
trên một nền Silic cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống
trên chíp hoàn chỉnh (systems on a chip). MEMS được dùng để tạo ra cấu trúc,
linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị micro, là một công nghệ có khả năng
cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng tính toán của các
yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có khả năng nhận
biết và điều khiển. Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng
dụng. Nghiên cứu mô phỏng đặc trưng hoạt động của linh kiện MEMS là một
hướng nghiên cứu ứng dụng các thành tựu trong công nghệ tin học vào việc xác
lập bằng lí thuyết các đặc trưng hoạt động của linh kiện trước khi tiến hành các
thực nghiệm. Đây là công việc hết sức quan trọng hỗ trợ đắc lực cho công nghệ
nhằm tìm ra thiết kế tối ưu của linh kiện phù hợp với điều kiện công nghệ và
điều kiện làm việc của linh kiện, nhờ đó tiết kiệm được thời gian và chi phí cho
nghiên cứu công nghệ và các khảo sát thực nghiệm tốn kém. Đề tài Nghiên
cứu thiết kế cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở độ nhạy cao đã được đặt
ra cho luận văn này.
Trên cở sở nghiên cứu cấu trúc, vật liệu chế tạo cảm biến áp suất MEMS
truyền thống, đề tài sẽ phát triển một cấu trúc cảm biến áp suất mới. 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. Nội dung
luận văn được trình bày trong 3 chương.
Chương 1. Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS kích thước nhỏ.
Chương này tìm hiểu các loại cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu về cấu trúc,
nguyên lý hoạt động, vật liệu và công nghệ để chế tạo chúng. Từ đó chọn ra cấu
trúc phù hợp để phát triển.


-4-

Chương 2. Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chương trình mô
phỏng cấu trúc và các đặc trưng hoạt động của cảm biến dựa trên phần mềm
ANSYS. Cảm biến áp suất màng vuông dày đều kiểu áp trở được lựa chọn để
phát triển cấu trúc. Từ đó viết chương trình cho bài toán mô phỏng ANSYS
Chương 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận. Trong chương này tìm ra
thông số cạnh làm mỏng tối ưu, các kết quả mô phỏng độ nhạy, độ lệch, ứng
suất của ba cấu trúc cảm biến màng dày đều, màng có 4 góc mỏng và màng 4
góc mỏng tối ưu được so sánh và rút ra kết luận.


-5-

Chương 1
Tổng quan về cảm biến O áp suất MEMS
KIểU áP TRở

1.1. áp suất và cảm biến áp suất
1.1.1. áp suất
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. áp lực vuông góc này trên một đơn
vị diện tích thành bình chứa chính là áp suất. Ta có 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) (1Pa = 1N/1m2).
Một số đơn vị dẫn xuất thường dùng của áp suất:
1 dyn/cm2 = 0.1 N/m2 = 10-5N/cm2 = 10-7N/mm2
1 bar = 105 N/m2 = 105 Pa = 1,0197 kG/cm2 = 0.9869 atm
1 atm = 1.01325 bar = 760 mmHg (0oC) = 0.101325 N/mm2 = 1,033
kf/cm2
1.1.2. Cảm biến đo áp suất
Cảm biến đo áp suất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều trung tâm trên
thế giới. Đã có rất nhiều các 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 vì khả năng đặc biệt của công
nghệ cũng như giá thành sản phẩm.


-6-

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...
1.2. Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu
Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp đang được sử dụng rộng rãi
đó là cảm biến kiểu áp trở và cảm biến kiểu tụ được trình bày dưới đây.
1.2.1. Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở
Cấu trúc cảm biến sử dụng thường là các màng vuông trên đó có cấy các
áp điện trở kiểu cầu Wheatstone hoặc kiểu điện trở 4 điện cực.
Cầu điện trở Wheatstone:
Mô hình phổ biến ứng dụng hiệu ứng áp điện trở trong việc chuyển đổi
tín hiệu cơ - điện sử dụng một cầu điện trở Wheatstone như mô tả trên hình
2
R1

1

R2

3

Vout
R4

R3
4

Vin

Cầu gồm bốn điện trở có giá trị tĩnh như nhau được đặt ở các vị trí có hiệu
ứng áp trở cực đại trên một màng silic. Trong phương pháp lấy thế hiệu lối ra,
nguồn nuôi cầu điện trở khoảng vài vôn được cấp cho cầu qua các điểm 1 và 3,
thế hiệu lối ra được lấy trên các điểm 2 và 4. Các điện trở R1, R2, R3, R4 được
tạo ra bằng phương pháp cấy tạp chất trên phần tử nhạy. Vì giá trị tĩnh của các


-7-

điện trở là như nhau, nên khi phần tử nhạy chưa biến dạng, cầu điện trở là cân
bằng và thế hiệu lối ra bằng 0. Khi phần tử nhạy bị uốn cong, các áp điện trở
thay đổi giá trị làm cầu mất cân bằng. Do cách bố trí các điện trở, sự biến đổi
của hai điện trở R1 và R3 là ngược chiều với hai điện trở còn lại R2 và R4. Nếu
R1 và R3 tăng giá trị thì R2 và R4 giảm giá trị và ngược lại. Điện thế của điểm 2
sẽ tăng trong khi điện thế của điểm 4 lại giảm đi. Sự chênh lệch vi sai gữa 2
nhánh sẽ tăng gấp đôi so với mỗi nhánh. Đây là phương pháp vi sai đo chênh
lệch điện thế giữa 2 nhánh của cầu điện trở. Theo hiệu ứng áp điện trở, sự thay
đổi giá trị của các điện trở phụ thuộc một cách định lượng vào sự biến dạng vật
liệu, tức là phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học, nên thế hiệu lối
ra cũng phụ thuộc một cách định lượng vào tác dụng cơ học. Đo thế hiệu lối ra,
hoàn toàn có thể xác định được tác dụng cơ học đặt lên phần tử nhạy
Nguyên lý làm việc dựa trên sự biến dạng của màng hay cấu trúc dầm
(gọi chung là các phần tử nhạy) được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng nhờ
các áp điện trở cấy trên phần tử nhạy cơ. Khi phần tử nhạy cơ của cảm biến bị
uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị. Độ nhạy cũng như vùng làm việc
tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào kích thước cấu trúc cơ, dạng
và kích thước của áp điện trở, vị trí của áp điện trở trên phần tử nhạy cơ. Khi có
áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay

đổi. Do hiệu ứng áp trở, các giá trị của các điện trở thay đổi và từ đó chuyển đổi
thành tín hiệu điện lối ra.
1.2.2. Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu tụ
Cấu trúc cảm biến gồm một màng 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.
Nguyên lí hoạt động của cảm biến có thể trình bày như sau:


-8-

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.
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
MEMS bao gồm các cấu trúc vi 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: dây dẫn làm từ kim loại, điện trở làm từ bán dẫn pha
tạp Tính chất vật liệu của mỗi bộ phận có thể ảnh hưởng đến đặc tính của cả
linh kiện. Vì thế, việc tạo nên một linh kiện MEMS đòi hỏi một kiến thức vững
vàng về các loại vật liệu 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 một tập 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 : silic, thủy tinh, gốm, polymer Tuy nhiên vật liệu chủ yếu được sử

dụng để chế tạo các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS hiện nay là silic. Vật
liệu silic đã được biết đến là vật liệu cơ bản trong công nghệ vi điện tử, được sử
dụng để chế tạo các điện trở, tụ điện, transitor, các chíp vi mạch tổ hợp v.v...
Các linh kiện MEMS được phát triển trước hết dựa trên công nghệ vi điện tử để
tạo các mạch điện tử tổ hợp và sử dụng kỹ thuật ăn mòn để tạo cấu trúc cơ, dựa
trên đặc điểm đặc biệt trong cấu trúc mạng tinh thể để ăn mòn cấu trúc. Với các
phẩm chất nổi trội của vật liệu silic về tính chất cơ, tính chất điện, vật liệu silic
đã trở thành vật liệu chủ yếu trong công nghệ MEMS.

1.3.1.1. Vật liệu Silic


-9-

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. Cũng cần
nói thêm rằng, 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, đặc điểm của mạng tinh thể và tính chất áp trở hết sức quí
báu của silic nhằm làm nổi bật vai trò của silic trong các vi cảm biến áp trở
cũng như các dạng cấu trúc có thể phát triển trên nguyên lí này.
a) Tính chất cơ của vật liệu silic
ng 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], [6], [7], trong đó trục thẳng đứng mô tả ứng suất ,
trục nằm ngang mô tả biến dạng .
- Đối với biến dạng nhỏ, định luật Hook áp dụng cho ứng suất và biến
dạng là tỷ lệ nhau và 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 ( < E), độ biến dạng tỷ lệ bậc nhất với ứng suất, khi bỏ tải
trọng biến dạng mất đi, vật trở lại kích thước ban đầu.


- 10 -

- Khi tải trọng đặt vào lớn
( > E), độ biến dạng tăng
nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải


P

trọng biến dạng không bị mất đi
mà vẫn còn lại một phần. Biến
dạng này được gọi là biến dạng

F

Y
E

E

dẻo (biến dạng dư). Tức là biến

dạng gồm biến dạng đàn hồi (E)

p

và biến dạng dẻo (P) :
E

= +



P

(1.2)
Hình 1.3. Đường cong ứng suất - biến dạng.

- 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.
(t) = đh + dư + dão = tức thời + dư(t)

(1.3)

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)
- ng suất kéo: a.

- Biến dạng kéo:
a= (L2-L1)/L1

(1.4)

- Mô đun đàn hồi (Môđun Young) E (N/m2):
a = E a
E=161 GPa đối với Silic đa tinh thể.

(1.5)


- 11 -

- Tỷ số Poisson:
= - l / a với l= (D2 -D1)/D1

(1.6)

- Đối với vật liệu đàn hồi đẳng hướng
chịu trạng thái ứng suất theo ba trục:
x = [x - (y +z )]/ E

(1.7)

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

(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+)]

(1.9)

Hình 1.4. Tải đơn trục và biến dạng.

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:
ij=Eijkl kl và ij=Sijkl kl

(1.10)

- Với ij và kl là các tensor ứng suất hạng 2 [N/m2], kl và ij 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 = -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.

- 12 -

- 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.
x 166( E1 ) 64( E12 ) 64( E12 )
0
0
0 x


0
0
0 y
y 64( E12 ) 166( E1 ) 64( E12 )
z 64( E ) 64( E ) 166( E )
0
0
0 z
12
12
1

x (1.11)
0
0
80( E44 )
0
0 x
x 0

0
0
0
0
80( E44 )
0 y
y

0
0
0
0
80( E44 ) z
z 0

Hệ số dị hướng:
= 2E44/(E11- E12)

(1.12)

với tinh thể đẳng hướng: = 1, với Silic đơn tinh thể: = 1.57.
- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định hướng tinh thể.
- E, G, và 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 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], [19].


- 13 -

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

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

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.
b) Tính chất của mạng silic
Đơn tinh thể silic có cấu trúc
dạng lập phương kim cương. Đó là
cấu trúc có sự sắp xếp các nguyên tử
giống nhau như các-bon ở dạng kim
cương. Silic với liên kết hoá trị 4,
phối vị kiểu tứ diện, và những tứ
diện này tạo thành cấu trúc lập
phương kim cương. Cấu trúc này

Hình 1.4. Sơ đồ mạng silic đơn tinh thể.


- 14 -

cũng có thể được xem như gồm 2 mạng lập phương tâm mặt giao nhau, một đặt
ở vị trí ( 1 , 1 , 1 )
4 4 4

3

a so với mạng kia, như trong hình 1.4. Đó là cấu trúc lập

phương tâm mặt (fcc), nhưng có 2 nguyên tử trong một ô cơ sở. Đối với mạng
lập phương tâm mặt như vậy, hướng [hkl] là vuông góc với mặt phẳng cùng có 3
chỉ số này (hkl). Chẳng hạn hướng [100] trong tinh thể sẽ vuông góc với mặt

tinh thể (100). Hằng số mạng của silic là a = 5,4309

0

A

và mạng lập phương kim

cương của silic là mạng mở với mật độ xếp chặt chỉ có 34 %, thấp hơn nhiều so
với một mạng lập phương tâm mặt thông thường (74%). Họ mặt phẳng {111} có
mật độ xếp chặt cao nhất, các nguyên tử được định hướng sao cho 3 liên kết ở
dưới mặt phẳng đó. Để biểu thị một mặt tinh thể, ta sử dụng kí hiệu Miller (hkl).
Để mô tả một họ mặt có vai trò tương đương, chúng ta sẽ dùng các kí hiệu
{hkl}. Các hướng trong tinh thể được mô tả bằng kí hiệu [hkl], và một họ các
hướng có vai trò tương đương sẽ được thể hiện bằng kí hiệu <hkl>.
1.3.1.2. Hiệu ứng áp điện trở
Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistive ) là sự thay đổi điện trở khối của vật
liệu khi có ứng suất cơ học đặt vào vật liệu đó. Nói chung, các vật liệu đều thể
hiện hiệu ứng này, nhưng ở mức độ rất khác nhau. Có thể hình dung sự thay đổi
điện trở của một vật dẫn có chiều dài l, tiết diện S, điện trở suất qua công thức
tính điện trở:
R=

l
S

(1.13)

ng suất cơ học đặt vào có thể làm thay đổi , l và S.
Đối với tinh thể dị hướng 3 chiều, định luật Ohm liên hệ với vectơ điện

trường E liên hệ với vectơ cường độ dòng điện i bởi tensor điện trở suất 3x3
như sau:


- 15 -

E1 1
E
2 6
E 3 5

Vật liệu

6
2
4

11


(.cm)

(10

5 i1
4 .i2
3 i3

(1.14)

44

12
-12

2

-1

cm .dyne
-11

-1

-12

(10

2

cm .dyne
-11

-1

-1

(10-12

cm2.dyne-1 hay

hay 10 Pa )

hay 10 Pa )

Silic loại p 7,8

+6,6

-1,1

+138,1

Silic loại n 11,7

-102,2

+53,4

-13,6

10-11Pa-1)

Sáu thành phần điện trở suất trong phương trình trên phụ thuộc vào các thành
phần ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong vật liệu như mô tả dưới đây:
1 11 12 12 0
0
0 1

0
0 2
2 12 11 12 0
0
0 3
1 3 12 12 11 0


x
0
0 44 0
0 1
4 0
0
0
0
0 44 0 2
5

0
0
0
0 44 3
6 0

(1.15)

Smith là người đầu tiên đo các hệ số điện trở suất (resistivity coefficients)
11, 12, 44 của Si ở nhiệt độ phòng. Bảng 1.1 liệt kê các kết quả của Smith

[1,2,23]. Hệ số áp điện trở lớn nhất là 11= -102.10-11Pa-1 đối với Si loại n, và là
44= 138.10-11Pa-1 đối với Si loại p.


- 16 -

Bảng 1.1. Điện trở suất và các hệ số áp trở ở nhiệt độ phòng [1], [19].

Vật liệu


(.cm)

11
(10

44

12
-12

2

-1

cm .dyne
-11

-1

-12

(10

2

cm .dyne
-11

-1

-1

(10-12
cm2.dyne-1 hay

hay 10 Pa )

hay 10 Pa )

Silic loại p 7,8

+6,6

-1,1

+138,1

Silic loại n 11,7

-102,2

+53,4

-13,6

10-11Pa-1)

Sự thay đổi điện trở có thể được tính như một hàm của ứng suất màng hoặc
thanh dầm. Sự phân bố thay đổi điện trở từ các ứng suất dọc l (song song) và
ứng suất ngang t (vuông góc) so với hướng dòng điện được cho bởi công thức:
R
l l t t
R

(1.16)

Với: - l là thành phần ứng suất dọc
(longitudinal): thành phần ứng suất song
song với hướng dòng điện.
- t là thành phần ứng suất ngang
(tranversal): thành phần ứng suất
vuông góc với hướng dòng điện.
- l là hệ số áp điện trở dọc.
- t là hệ số áp điện trở ngang.

Hình 1.6. Phân bố ứng suất pháp
và ứng suất tiếp [1], [19].

- 17 -

Các hệ số l, t phụ thuộc vào định hướng tinh thể. Bằng cách cực đại hoá
biểu thức (1.16) theo ứng suất (gây ra sự thay đổi điện trở), có thể tối ưu độ
nhạy của sensor Silic kiểu áp điện trở.
Bảng 1.2. Các hệ số áp trở dọc (song song) và ngang (vuông góc) theo các
hướng [1], [19].
Hướng
song song

l

Hướng
vuông góc

t

100

11

010

12

001

11

110

12

111

1/3 (11 + 212 + 244)

110

1/3 (11 + 212 - 44)

11 0

1/2 (11 + 12 + 44)

111

1/3 (11 + 212 - 44)

11 0

1/2 (11 + 12 + 44)

001

12

110

1/2 (11 + 12 + 44)

110

1/2 (11 + 12 - 44)

Sự định hướng của màng hay dầm được xác định bởi đặc điểm chế tạo dị
hướng. Bề mặt phiến Silic thường dùng là mặt (100). Các đường biên của cấu
trúc ăn mòn là giao tuyến của 2 mặt (100) và (111) và vì thế nó là hướng <110>.
Ap điện trở loại p được sử dụng phổ biến nhất vì hướng có áp điện trở lớn nhất
(<110>) trùng khớp với hướng cạnh của màng được ăn mòn và vì hệ số dọc
(longitudinal) bằng hệ số ngang về độ lớn nhưng ngược dấu. Với các giá trị ở
bảng 1.1, ta có thể tính được l, t theo bất kỳ hướng nào. Bảng 1.2 cho biết hệ
số áp điện trở dọc và ngang theo các hướng khác nhau. Với hướng <110>, hệ số
áp trở dọc và ngang lần lượt là:


- 18 -

l=(11+12+44)/2

(1.17)

t=( 11+12-44)/2

(1.18)

Cũng từ bảng 1.1, ta thấy rằng với áp
điện trở loại p thì 11,12<<44, nên công
thức (1.16) áp dụng cho áp điện trở loại p
hướng <110> trên phiến Si (100) được tính

gần đúng bằng:

Hình 1.7. Cạnh màng-hướng tinh
thể trên phiến Si (100)[1].

R 44

( l t )
R
2

(1.19)

Công thức (1.19) chỉ có giá trị đối với các trường ứng suất đều hoặc kích
thước điện trở nhỏ so với kích thước của màng hoặc của thanh dầm [1,16]. Khi
các ứng suất thay đổi trên các điện trở thì chúng phải được tích phân, điều này
được thực hiện dễ dàng bằng chương trình mô phỏng máy tính.
Hiệu ứng áp trở còn được mô tả qua hệ số đầu đo GF (Gauge Factor),
được định nghĩa như sự thay đổi tương đối của điện trở trên một đơn vị biến
dạng.

1 dR
1 d
GF .
(1 2 ) .
R


(1.20)

GF90 đối với Silic đơn tinh thể, GF30 đối với Silic đa tinh thể, GF2 đối với
kim loại [1].
Cơ chế vật lý dẫn tới hiệu ứng áp điện trở: Chúng ta biết rằng tensor điện
trở suất có thể biểu diễn qua nồng độ hạt dẫn n và độ linh động :
-1 = en =

(1.21)

Chính vì thế sự thay đổi điện trở suất là do sự thay đổi nồng độ hạt dẫn và sự
thay đổi độ linh động của hạt dẫn [7].


- 19 -

Với Silic loại n, sự thay đổi của độ dẫn theo các hướng khác nhau thì
khác biệt cả về giá trị tuyệt đối cũng như dấu. Do đó, đối hướng <100> ta thấy
hệ số áp trở 11 là lớn nhất như trình bày ở trên [1], [5].
Với Silic loại p, hiệu ứng áp trở được giải thích trên cơ sở sự thay đổi của
2 nhánh lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ trong phổ năng lượng của vùng hóa trị.
Khi không có biến dạng, lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ có cực đại trùng nhau tại
tâm vùng Brillouin. Khi có biến dạng không đẳng hướng, sự đối xứng của
trường tinh thể bị phá vỡ làm cho sự suy biến của mức năng lượng cực đại ở tâm
vùng Brillouin bị mất đi. Vì biến dạng không đẳng hướng, đỉnh của vùng hóa trị
của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ dịch chuyển theo hai chiều ngược nhau. Vì độ
linh động của lỗ trống nặng và lỗ trống nhẹ khác nhau nên sự thay đổi về nồng
độ này dẫn đến thay đổi độ dẫn . Vậy hiệu ứng áp điện trở mạnh trong Silic loại
p liên quan đến sự khác nhau về khối lượng và do đó về độ linh động của lỗ
trống nặng và lỗ trống nhẹ [1], [5].
1.3.2. Vài nét về công nghệ MEMS
Công nghệ vi hệ thống cơ điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical

System) là công nghệ tạo ra các linh kiện tích hợp thành phần cơ và thành phần
điện tử có kích thước từ vài m đến vài mm. Công nghệ vi cơ ra đời từ những
năm 1960 với các linh kiện ban đầu được ứng dụng làm các đầu đo áp suất và
biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống. Cùng với sự phát triển của
công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các loại cảm biến
cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến
nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh học. Không
chỉ dừng lại ở lĩnh vực cảm biến, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng
rãi trong các hệ chấp hành, các hệ điều khiển tự động v.v...
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 m và


- 20 -

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.
- 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 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.


- 21 -

1.3.2.1. Công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining)
Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công
khối vật liệu. Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ vi cơ khối
là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dị hướng) hoặc
phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma).

Tạo lớp vật liệu: tạo lớp SiO 2, Al,
Si 3N4 v.v; phủ chất cảm quang

Định dạng cấu trúc: tạo mask,
quang khắc

Ăn mòn: ướt (đẳng hướng, dị
hướng), khô (ion hoạt hoá,
plasma)

Hình 1.8. Quy trình của công nghệ vi cơ khối.

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


- 22 -

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.
Công nghệ vi cơ khối ăn mòn khô: Cấu trúc được tạo ra bằng cách ăn mòn
khối vật liệu theo hình dạng trên mask ăn mòn bằng các phản ứng hóa học ở thể
khí và hơi tại nhiệt độ cao. Ngoài ra phương pháp ăn mòn sử dụng chùm ion năng
lượng cao (RIE -reaction ion etching) để ăn mòn cho phép tạo ra cấu trúc với độ
chính xác cao mà không phụ thuộc vào các mặt của tinh thể [8].
1.3.2.2. Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)
Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng với
cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế. Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử
dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật
liệu tạo cấu trúc. Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề theo hình
dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc;
thông thường thì lớp này là vật liệu Oxit Silic. Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được

phủ lên trên lớp vật liệu "hi sinh" và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn
sử dụng để tạo cấu trúc; vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon
nitride. Sau quá trình ăn mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu
[1]. [10]. [11].
1.3.2.3. Công nghệ LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)
LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình
công nghệ vi đúc (Micromolding). Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang
khắc (lithography), mạ điện (electroplating), và đúc (molding).Công nghệ này
sử dụng các khuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ
trong việc chế tạo các vi cấu trúc. Quy trình này có thể được sử dụng cho việc
sản xuất các vi cấu trúc 3D, có tỷ số cạnh cao (high-aspect-ratio) với nhiều loại
vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm (ceramics) và thuỷ tinh
(glasses).


- 23 -

Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn
trực sóng ngắn X-ray giống như một synchrotron.
Việc sử dụng các quy trình vi đúc có thể thu được các vi cấu trúc kim loại
tỷ số cạnh cao, có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành
phần quang học, các vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ. Ngoài
ra, độ dày của các cấu trúc có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục
giao với đế càng lớn, cũng như làm tăng lực/ mômen xoắn trong các cơ cấu chấp
hành tĩnh điện. Các cấu trúc mạ Nikel (Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp
kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu trúc kim loại được
dùng phổ biến; Cr, SiO2, polyimide, photoresist và Ti thường được dùng như là
vật liệu hy sinh (sacrificial material)[1], [15], [19].
1.4. Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở
1.4.1. Cấu trúc cảm biến

Cấu trúc cảm biến áp suất dược chỉ ra trong hình 1.9 a. Cảm biến dược
chế tạo trên một đế Silic loại n có định hướng bề mặt là (100), bằng phương
pháp ăn mòn điện hoá, một màng silicon với kích thước và bề dày xác định được
tạo ra, màng này rất nhạy với tín hiệu áp suất. Sau đó 4 điện trở được đặt lên
màng silicon tại trung điểm của các cạnh của hình vuông bằng phương pháp
khuếch tán Boron từ nguồn tạp hoặc bằng phương pháp cấy ion tạo thành cầu
Wheatstone. Các điện trở được cấy chính xác cụ thể là hai điện trở được đặt
song song với cạnh màng, hai điện trở còn lại được đặt vuông góc với cạnh
màng. Các cạnh của màng có định hướng là [110].


- 24 -

(a)

(b)

Hình 1.9. (a) Sơ đồ vi cảm biến kiểu áp trở; (b) Cầu điện trở Wheatstone.

1.4.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến:
Khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điện trở ở trạng thái cân bằng,
điện thế lối ra lúc này là bằng 0. Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến
dạng, áp lực phân bố trên màng sẽ bị thay đổi. Do hiệu ứng áp điện trở, các giá
trị của các điện trở trong mạch cầu bị thay đổi, cụ thể nếu các điện trở song
song với cạnh có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ
tăng giá trị và ngược lại (hình 1.9 b). Kết quả là cầu sẽ mất cân bằng và điện áp
lối ra là khác 0. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào sự biến dạng của
màng tức phụ thuộc vào áp suất, nên độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc
vào áp suất. Bằng cách đo điện thế lối ra ta có thể đo được độ lớn tương ứng của
áp suất tác dụng lên màng.

1.4.3. Đặt vấn đề nghiên cứu
Cảm biến áp suất MEMS dạng màng vuông là loại cảm biến được sử dụng tương
đối thông dụng hiện nay. Tuy nhiên, mô hình cảm biến này vẫn có những điểm
chưa được tối ưu, cụ thể như sau:
- Dưới tải áp suất tác dụng đều trên màng, các vị trí khác nhau trên màng
uốn cong khác nhau, phân bố ứng suất khác nhau, các áp điện trở thay đổi giá
trị khác nhau. Do các áp điện trở có kích thước, được phân bố trên vùng có hiệu