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 dới sự hớng dẫn,
góp ý và chỉ bảo tận tình của thầy hớng 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 đợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới
thầy
PGS.TS Đinh Văn Dũng về những định hớng, hớng dẫn, giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trờng, phòng
Sau đại học, các thầy cô Bộ môn Vật lý chất rắn Trờng Đại học
S 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 ngời 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
Chơng 1. Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS
kích thớc nhỏ............................................................................................................................5
1.1. áp suất và cảm biến áp suất........................................................................5
1.2....................................................................................................... C
ác dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu...............................................6
1.3....................................................................................................... V
ật liệu và công nghệ chế tạo cảm biến áp suất MEMS.....................8
1.4..................................................................................................... Cả
m biến áp suất MEMS dạng màng vuông kiểu áp trở.......................23
Chơng 2. Phát triển cấu trúc cảm biến. Xây dựng chơng trình mô
phỏng cấu trúc và đặc trng hoạt động của cảm biến dựa trên phần
mềm ANSYS
......................................................................................................................................................

26
2.1 Phát triển cấu trúc cảm biến......................................................................26
2.2. Xây dựng chơng trình mô phỏng.........................................................27
Chơng 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...................................................................................................... Kí
ch thớc tối u 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..................................................................................................... Kh
ảo 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 đợc 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 trng hoạt
động của linh kiện MEMS là một hớng nghiên cứu ứng dụng
các thành tựu trong công nghệ tin học vào việc xác lập bằng lí
thuyết các đặc trng hoạt động của linh kiện trớc 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 u của linh
kiện phù hợp với điều kiện công nghệ và
điều kiện làm việc của linh kiện, nhờ đó tiết kiệm đợc 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 đợc 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 trng hoạt
động cơ bản của cảm biến nh mô phỏng độ lệch, ứng suất,
độ nhạy của cảm biến đợc thực hiện. Từ đó rút ra kết luận

-4về cấu trúc cảm biến mới. Nội dung luận văn đợc trình bày
trong 3 chơng.
Chơng 1. Tổng quan về cảm biến áp suất MEMS kích thớc
nhỏ. Chơng 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.


Chơng 2. Phát triển cấu trúc cảm biến - xây dựng chơng trình
mô phỏng cấu trúc và các đặc trng hoạt động của cảm biến dựa trên phần
mềm ANSYS. Cảm biến áp suất màng vuông dày đều kiểu áp
trở đợc lựa chọn để phát triển cấu trúc. Từ đó viết chơng
trình cho bài toán mô phỏng ANSYS
Chơng 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận. Trong chơng này
tìm ra thông số cạnh làm mỏng tối u, 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 u đợc
so sánh và rút ra kết luận.


Chơng 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 đợc 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

(1.1)

S
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 thờng 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 đợc 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 đợc thơng mại hóa trên thị trờng. Trong số đó, cảm
biến đo áp suất chế tạo dựa trên công nghệ MEMS giành đợc thị phần
đáng kể và thể hiện đợc những u điểm nổi trội vì khả năng

đặc biệt của công nghệ cũng nh giá thành sản phẩm.


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 (thờng 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 ngời 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 phơng pháp transistor áp điện v.v...
1.2. Các dạng cảm biến áp suất MEMS tiêu biểu
Trong công nghệ MEMS có hai phơng pháp đang đợc sử
dụng rộng rãi
đó là cảm biến kiểu áp trở và cảm biến kiểu tụ đợc trình bày
dới đây.
1.2.1. Cảm biến đo áp suất MEMS kiểu áp trở
Cấu trúc cảm biến sử dụng thờng 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 nh mô tả trên hình

2
R1

1

R2

3

Vout
R4

R3
4


Vin

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


điện trở là nh nhau, nên khi phần tử nhạy cha 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 ngợc 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 ngợc 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 phơng 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 lợng
vào sự biến dạng vật liệu, tức là phụ thuộc một cách định lợng
vào tác dụng cơ học, nên thế hiệu lối ra cũng phụ thuộc một
cách định lợng vào tác dụng cơ học. Đo thế hiệu lối ra, hoàn
toàn có thể xác định đợc 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) đợc chuyển
thành tín hiệu điện tơng 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 nh
vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều
vào kích thớc cấu trúc cơ, dạng và kích thớc 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 đợc phủ một lớp kim loại mỏng làm một bản cực của tụ điện, và
một lớp kim loại khác đợc 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 đợc.
Nguyên lí hoạt động của cảm biến có thể trình bày nh
sau:


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
đợc 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 thờng 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 hởng 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 đợc sử dụng

trong công nghệ MEMS cũng rất rộng rãi : silic, thủy tinh,
gốm, polymer Tuy nhiên vật liệu chủ yếu đợc sử dụng để
chế tạo các cảm biến dựa trên công nghệ MEMS hiện nay là
silic. Vật liệu silic đã đợc biết đến là vật liệu cơ bản trong
công nghệ vi điện tử, đợc sử dụng để chế tạo các điện trở,
tụ điện, transitor, các chíp vi mạch tổ hợp v.v... Các linh kiện
MEMS đợc phát triển trớc 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


Phần tử nhạy trong các cảm biến cơ hoạt động liên tục dới
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 u các chức năng chuyển đổi tín hiệu
này của cảm biến, việc phân tích các đặc trng cơ học của
cấu trúc là hết sức quan trọng. Cũng cần nói thêm rằng, vật
liệu silic đã đợc sử dụng nh một vật liệu cơ bản trong công
nghệ vi điện tử. Kết hợp với khả năng có thể ăn mòn dị hớng 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 đợc biết đến nh một vật liệu cơ

bản trong công nghệ MEMS. Trong phần này, chúng ta sẽ lần lợt
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 nh 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
đờng cong đàn hồi, tức là đờng cong ứng suất-biến dạng của
vật liệu nh 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 đờng 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 thớc ban đầu.


- Khi tải trọng đặt
vào lớn ( > E), 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



PP
F

Y
E

E

dạng

này đợc gọi là biến dạng

p

dẻo (biến dạng d). Tức là

P

biến dạng gồm biến dạng
đàn

hồi

E

( )

và

Hình 1.3. Đờng cong ứng suất - biến dạng.

biến

dạng dẻo () :
= E + P

(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 tợng dão (creep) là hiện tợng biến dạng không
thuận nghịch phụ thuộc vào thời gian khi giữ ứng suất không
đổi. Đây là đại lợng xác định
độ biến dạng d của vật liệu khi tải không đổi đầu vào đã thôi
tác dụng.
(t) = đh + d + dão = tức thời + d(t)

(1.3)

Xét vật liệu đàn hồi đẳng hớng (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)

- M« ®un ®µn håi (M«®un Young) E (N/m2):
a = E a
E=161 GPa ®èi víi Silic ®a tinh thÓ.

(1.5)


- Tỷ số Poisson:
= - l / a với l= (D2 -D1)/D1
(1.6)
- Đối với vật liệu đàn hồi

đẳng hớng chịu trạng thái ứng
suất theo ba trục:
x = [x - (y +z )]/ E
(1.7)
- Mối quan hệ giữa ứng suất
trợt , biến dạng trợt và mô đun
đàn hồi trợt G:
= G

Hình 1.4. Tải đơn trục và biến dạng.

(1.8)
- Vật liệu đẳng hớng đợc
đặc trng chỉ bởi 2 hằng số đàn
hồi độc lập, mô đun trợt G liên hệ
với mô đun Young và tỷ số Poisson
bởi:
G=E/[2(1+)]

(1.9)

Xét vật liệu đàn hồi dị hớng (Silic
đơn tinh thể).
- Với vật liệu loại này đòi hỏi hơn 2 hằng số độc lập.
Định luật Hook trong trờng hợp tổng quát đợc diễn tả bởi 2
công thức:
ij=Eijkl kl và ij=Sijkl kl

(1.10)

- Với ij và kl là các tensor ứng suất2hạng 2 [N/m ], kl
2
và ij là các tensor biến dạng hạng 2, không thứ nguyên. Eijk là
2


tensor hệ số độ cứng hạng 4 [N/m ], Sijkl là tensor hệ số tơng thích (compliance coefficient tensor) hạng 4 [m /N].
- Số hằng số độc lập tăng khi tính đối xứng giảm. Ví
dụ tinh thể lập phơng 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 trợt 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 trờng hợp này và phụ thuộc nhiều vào sự định hớng
không gian ứng với trục tinh thể.


- Với tinh thể Silic mạng lập phơng (bcc, fcc) với véctơ
ứng suất định
hớng theo các trục [100] thì
E33= 166x10
64x109 N/m2; E
=E
44



E11= E22=

9

N/m2; E = E = E
=

55

13
23

66

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


0
0
y
6 (E12 ) 166(E1 ) 64(E12 )

0
0
4 (E12 ) 64(E12 ) 166(E1 )


64
0
0

80(E44 )
0
z 0

0
0
0
0
80(E44 )
x
0
0
0
0
0
y




z

Hệ số dị hớng:

12

= E = 80x109 N/m2.

= 2E44/(E11- E12)

0
0
0
0

x


y

z

x (1.11)

0

x
y

)

44

z

(1.12)

với tinh thể đẳng hớng: = 1, với Silic đơn tinh thể: =
1.57.
- 30% sự thay đổi của mô đun Young phụ thuộc vào định

hớng tinh thể.
- E, G, và là hằng số đối với bất kỳ hớng 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 hớng [1].
Đối với vật liệu Silic, không có sự biến dạng d và không có
sự dão mỏi nào ở nhiệt độ dới 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 trờng hợp tải tuần hoàn. Về phơng diện này vật liệu
Silic đợc xem nh một siêu vật liệu. Ngời ta giải thích khả
năng đặc biệt này của Silic là do không có sự hấp thụ năng l-


ợng hoặc sự sinh nhiệt nào trong Silic ở nhiệt độ phòng. Tuy
nhiên đơn thể Silic là rất giòn, nên khi có ứng suất vợt quá giới
hạn đàn hồi đặt vào, nó sẽ nhanh chóng chuyển sang miền
biến dạng d và đứt gãy. Nh thế về mặt biến dạng, thép có
khả năng tạo ra biến dạng lớn hơn so với silic cùng kích thớc
(hình 1.5) [1], [19].


nhiệt độ phòng, các vật
liệu có môđun đàn hồi lớn nh Si,
SiO2, Si3N4 thờng 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 d 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

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

đó, dẫn tới sự dịch chuyển các
nội hạt bên trong vật liệu và tạo
ra độ lệch vĩ mô trong vật liệu.
Nhng không có bất kỳ biên hạt
nào tồn tại trong đơn tinh thể
Silic [1]. Vì
vậy biến dạng d 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 lợng các khuyết tật nh vậy là rất thấp,
nên vật liệu này
đợc xem nh 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 đợc tính trễ cơ học của vật liệu.
b) Tính chất của mạng silic

kim cơng. Đó là cấu trúc có

Đơn tinh thể silic có

sự sắp xếp các nguyên tử

cấu trúc dạng

lập

phơng

giống nhau nh các-bon ở dạng


kim cơng. Silic với liên kết
hoá trị 4, phối vị kiểu tứ
diện, và những tứ diện này
tạo thành cấu trúc lập phơng

kim

cơng.

Cấu

trúc

này

Hình 1.4. Sơ đồ mạng silic đơn tinh thể.

cũng có thể đợc xem nh gồm 2 mạng lập phơng tâm mặt giao
nhau, một đặt
ở vị trí ( 1 , 1 , 1 )
cấu trúc lập

3

a so với mạng kia, nh trong hình 1.4. Đó là

4 4 4

phơng tâm mặt (fcc), nhng có 2 nguyên tử trong một ô cơ
sở. Đối với mạng lập phơng tâm mặt nh vậy, hớng [hkl] là
vuông góc với mặt phẳng cùng có 3 chỉ số này (hkl). Chẳng
0

hạn hớng [100] trong tinh thể sẽ vuông góc với mặt
tinh thể (100). Hằng số mạng của silic là
a = 5,4309

và mạng lập phơng
kim
A

cơng của silic là mạng mở với mật độ xếp chặt chỉ có 34 %,
thấp hơn nhiều so với một mạng lập phơng tâm mặt thông thờng (74%). Họ mặt phẳng {111} có mật độ xếp chặt cao
nhất, các nguyên tử đợc định hớng sao cho 3 liên kết ở dới
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 tơng đơng, chúng ta sẽ

dùng các kí hiệu
{hkl}. Các hớng trong tinh thể đợc mô tả bằng kí hiệu [hkl],
và một họ các hớng có vai trò tơng đơng sẽ đợc 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, nhng 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

(1.13)