Nghiên cứu, mô phỏng cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu và bề dày màng cảm biến sử dụng phần mềm comsol multiphysics

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN
DUNG THAY ĐỔI VẬT LIỆU VÀ BỀ DÀY MÀNG SỬ
DỤNG PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS

Sinh viên thực hiện
Lớp
Khóa học
Giảng viên hướng dẫn

: NGUYỄN VĂN PHÚ
: 54K2 ĐTTT
: 2013 - 2018
: PGS.TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA

Nghệ An, 05-2018

i


LỜI MỞ ĐẦU
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) có kích thước nhỏ, trọng lượng
nhẹ, hiệu quả nâng cao và hệ thống đáng tin cậy. MEMS là sự tích hợp các yếu tố
cơ khí, cảm biến, bộ truyền động và thiết bị điện tử trên một chất nền thông thường

sử dụng các trình tự mạch tích hợp. Cảm biến áp suất vi mô được áp dụng rộng rãi
trong ô tô, y sinh, không gian, quân sự và các ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Cảm biến áp suất được chế tạo bởi công nghệ MEMS có những lợi ích của kích
thước nhỏ, chi phí thấp và hiệu suất cao. Cảm biến áp suất điện dung cung cấp độ
nhạy áp suất rất cao, độ ồn thấp, độ nhạy nhiệt độ thấp và được ưu tiên trong nhiều
ứng dụng hiệu suất cao. Cảm biến áp suất điện dung dựa trên áp suất được áp dụng
làm thay đổi khoảng cách giữa hai điện cực dẫn đến sự thay đổi trong điện dung.
Ngày nay, công nghệ MEMS được ứng dụng rộng rãi đặc biệt là mô phỏng,
thiết kế cảm biến áp suất sử dụng phần mềm mô phỏng MEMS như COMSOL
Multiphysics. Phần mềm COMSOL Multiphysics được sử dụng để mô phỏng cảm
biến áp suất điện dung MEMS tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất và giảm thời
gian của quá trình chế tạo thiết bị. Vì vậy, trong đồ án này tôi thực hiện đồ án
“Nghiên cứu, mô phỏng cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu và bề dày
màng cảm biến sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics”. Mục đích là đánh
giá chính xác độ nhạy cảm biến khi có áp suất tác dụng, ảnh hưởng của nhiệt độ đối
với điện dung. Từ đó, các nhà khoa học và kỹ sư có thể tiết kiệm thời gian và tiền
bạc trong quá trình chế tạo sản phẩm thực tế.
Đồ án bao gồm ba chương:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS
Chương 2: Cảm biến áp suất và ứng dụng
Chương 3: Mô phỏng, phân tích cảm biến áp suất điện dung dựa trên phần
mềm COMSOL Multiphysics
Nghệ An, ngày 22 tháng 5 năm 2018
Sinh viên
Nguyễn Văn Phú

ii


TĨM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án trình bày về hệ thống vi cơ điện tử MEMS, nguyên lý hoạt động và ứng
dụng của cảm biến áp suất trong mọi lĩnh vực như ô tô, sản xuất, hàng không, đo
lường sinh học, điều hịa khơng khí, thủy lực. Sự thay đổi của điện dung khi thay
đổi vật liệu (Silicon, SiC_6H, Si3N4) và bề dày màng (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013
mm) của cảm biến áp suất điện dung được nghiên cứu thiết kế và mô phỏng bằng
phần mềm COMSOL Multiphysics. Các kết quả mô phỏng thu được cho thấy: (1)
khi thay đổi vật liệu của cảm biến áp suất điện dung lần lượt Silicon, Si_6H và
Si3N4 thì độ nhạy cảm biến thay đổi. Trong đó, cảm biến áp suất sử dụng vật liệu
Silicon có độ nhạy tốt hơn cảm biến sử dụng vật liệu SiC(6H) và Si3N4. (2) Khi thay
đổi bề dày màng cảm biến áp suất điện dung thì độ nhạy của cảm biến cũng thay
đổi. Cảm biến có bề dày màng nhỏ hơn sẽ có độ nhạy tốt hơn. (3) Ngồi ra cảm
biến áp suất điện dung còn chịu ảnh hưởng khi có nhiệt độ tác dụng.
ABSTRACT
Projects presented on the micro-electronic system (MEMS), principle
operation and application of pressure sensor in all areas as automotive, production,
aviation, biological measurement, aircondition air, hydraulics. The change of
capacitance when changing materials (Silicon, SiC_6H, Si3N4) and membrane
thickness (0.011 mm, 0.012 mm, 0.013 mm) of the capacitive pressure sensor is the
study of design and simulation software COMSOL Multiphysics. The simulation
results obtained shows: (1) When changing the material of the capacitive pressure
sensor turn Silicon, Si_6H and Si3N4 then change the sensor sensitivity. In the
pressure sensor using Silicon material has better sensor sensitivity using the
material SiC(6H) và Si3N4. (2) When changing the membrane thickness capacitive
pressure sensor, the sensor's sensitivity is also changing. The sensor has a smaller
membrane thickness will have better sensitivity. (3) In addition the capacitive
pressure sensor is also affected when there is a temperature effect.

iii

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. i
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... ix
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS ............. 1
1.1 Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS ................................................... 1
1.1.1 Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS ............................................. 1
1.1.2 Lịch sử phát triển của MEMS ................................................................... 1
1.1.3 Thực trạng MEMS trong và ngồi nước ................................................... 2
1.2 Cơng nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS ......................................................... 3
1.2.1 Quang khắc - Lithography......................................................................... 4
1.2.2 Vi cơ khối .................................................................................................. 6
1.2.3 Vi cơ bề mặt .............................................................................................. 7
1.2.4 LIGA.......................................................................................................... 8
1.2.5 Hàn ............................................................................................................ 9
1.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS ....................................................................... 9
1.4 Kết luận chương .............................................................................................. 10
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG ....................................... 11
2.1 Cảm biến áp suất ............................................................................................. 11
2.1.1 Khái niệm ................................................................................................ 11
2.1.2 Phân loại cảm biến áp suất ...................................................................... 12
2.1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất ............................................. 13
2.1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất............................................................... 14
2.2 Cảm biến áp suất điện dung ............................................................................ 15
2.3 Kết luận chương .............................................................................................. 17
CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG, PHÂN TÍCH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ĐIỆN DUNG
DỰA TRÊN PHẦN MỀM COMSOL MULTIPHYSICS ................................... 18

3.1 Giới thiệu về phần mềm COMSOL Multiphysics .......................................... 18
iv


3.1.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics ....................................... 18
3.1.2 Các môi trường làm việc trong COMSOL Multiphysics ........................ 19
3.1.3 Thao tác với đối tượng trong COMSOL Multiphysics ........................... 22
3.2 Thiết kế mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất điện dung .......................... 26
3.2.1 Thiết kế cảm biến áp suất điện dung ....................................................... 26
3.2.2 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu ......................................... 28
3.2.3 Cảm biến áp suất điện dung thay đổi bề dày lớp màng ........................... 36
3.3 Kết luận chương .............................................................................................. 41
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 43

v


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Q trình quang khắc ...................................................................................4
Hình 1.2 Các quy trình ăn mịn ...................................................................................7
Hình 1.3 Quy trình chế tạo sử dụng vi cơ bề mặt .......................................................8
Hình 1.4 Quy trình chế tạo bánh răng bằng cơng nghệ LIGA [6] ..............................9
Hình 2.1 Cảm biến áp suất áp trở

12

Hình 2.2 Nguyên lý áp kế điện dung ........................................................................13
Hình 2.3 Sơ đồ khối cảm biến áp suất ......................................................................13
Hình 2.4 Mơ hình ngun khối của cảm biến áp suất điện dung ..............................16

Hình 2.5 Một phần tư mơ hình cảm biến áp suất điện dung .....................................16
Hình 2.6 Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung....................................17
Hình 3.1 Giao diện làm việc của phần mềm COMSOL 5.3a

19

Hình 3.2 Các chế độ trong COMSOL Multiphysics .................................................21
Hình 3.3 Lựa chọn chế độ và mơi trường nghiên cứu ..............................................22
Hình 3.4 Đường dẫn để thiết lập đối tượng mới .......................................................22
Hình 3.5 Khơng gian vẽ 3D trong COMSOL Multiphysics .....................................23
Hình 3.6 Các cơng cụ vẽ trong khơng gian 3D .........................................................23
Hình 3.7 Cơng cụ tạo khối Geometry .......................................................................24
Hình 3.8 Chi tiết sau khi được thiết lập ....................................................................25
Hình 3.9 Tạo khối đế cho cảm biến ..........................................................................25
Hình 3.10 Một phần tư của cảm biến được thiết kế ..................................................26
Hình 3.11 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu Silicon .......................29
Hình 3.12 Tồn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu SiC(6H) ....................30
Hình 3.13 Tồn bộ chuyển dịch của màng cảm biến vật liệu Si3N4 .........................30
Hình 3.14 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu Silicon ............................31
Hình 3.15 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu SiC(6H) .........................31
Hình 3.16 Đồ thị chuyển dịch của màng sử dụng vật liệu Si3N4 ..............................31
Hình 3.17 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng Silicon ..................................32
Hình 3.18 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng SiC(6H) ................................33
Hình 3.19 Thay đổi điện dung của cảm biến sử dụng Si3N4 ...................................33

vi


Hình 3.20 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng Si3N4 .........34
Hình 3.21 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng SiC(6H) ....35

Hình 3.22 Tác động của nhiệt độ đến điện dung của cảm biến sử dụng Silicon ......35
Hình 3.23 Toàn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.011 mm ........................36
Hình 3.24 Tồn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.012 mm ........................36
Hình 3.25 Tồn bộ chuyển dịch của màng cảm biến dày 0.013 mm ........................37
Hình 3.26 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.011 mm .............................................37
Hình 3.27 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.012 mm .............................................37
Hình 3.28 Sự chuyển dịch màng có bề dày 0.013 mm .............................................38
Hình 3.29 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.011 mm .................................39
Hình 3.30 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.012 mm .................................39
Hình 3.31 Điện dung thay đổi khi màng có bề dày 0.013 mm .................................39
Hình 3.32 Tác động của nhiệt độ làm việc đến điện dung khi thay đổi bề dày màng
...................................................................................................................................40

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Đổi đơn vị áp suất .....................................................................................11
Bảng 3.1 Bảng giá trị thiết lập khối cho cảm biến

25

Bảng 3.2 Tham số các vật liệu ..................................................................................29
Bảng 3.3 Độ nhạy cơ hoành của cảm biến áp suất điện dung thay đổi vật liệu ........32
Bảng 3.4 Độ nhạy của cảm biến áp suất điện dung ..................................................34
Bảng 3.5 Độ nhạy cơ hoành cảm biến khi thay đổi bề dày màng cảm biến .............38
Bảng 3.6 Độ nhạy cảm biến khi thay đổi bề dày màng áp suất ................................40

viii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

MEMS

Micro Electro Mechanical

Hệ thống vi cơ điện tử

Systems
LIGA

LNT

Lithographie, Galvanoformung,

Quang khắc, mạ điện, tạo

Abformung

khn

Laboratory for Nanotechnology

Phịng thí nghiệm cơng nghệ

nano

MST

Micro System Technology

Cơng nghệ hệ thống siêu nhỏ

EBL

Electron Beam Lithography

Quang khắc tia lửa điện

EDM

Electrical Discharge Machining

Hệ thống gia công tia lửa điện

ITIMS

International Training Institute for Viện đào tạo quốc tế về khoa
Materials Science

học vật liệu

UCB

University of California- Berkeley Đại học California-Berkeley

MIT

Massachusetts Institute of

Viện Công nghệ

Technology

Massachusetts

ix


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS [1]
Trong chương này chúng ta giới thiệu tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử
MEMS, lịch sử phát triển và thực trạng của MEMS trong và ngoài nước. Tìm hiểu
về các cơng nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS: Quang khắc – Lithography, vi cơ
khối, vi cơ bề mặt, liga và hàn. Ứng dụng của MEMS đối với sự phát triển của đời
sống xã hội hiện nay.
1.1 Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS
1.1.1 Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử MEMS
MEMS là tên gọi tắt của cụm từ Micro Electro Mechanical Systems có nghĩa
là hệ thống vi cơ điện tử. Đó là sự tích hợp của các linh kiện vi cơ và linh kiện vi
điện tử được chế tạo trên cùng một phiến vật liệu thường là Silic bằng công nghệ vi
chế. Diện tích tổng cộng lớn thì cỡ hàng chục centimet vng cịn nhỏ thì vào cỡ
hàng chục micromet vng. Ở châu Âu công nghệ này được gọi là Micro System
Technology (MST) hay Micromachining ở Nhật Bản [2].
Công nghệ chế tạo MEMS dựa trên kỹ thuật sản xuất của rất nhiều lĩnh vực

như: cơng nghệ chế tạo mạch tích hợp, cơ khí, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện, hóa
học, kỹ thuật chất lỏng, quang học và cả đóng gói bao bì. Thiết bị MEMS có thể
được tìm thấy trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện tử tiêu dùng, ô tơ, y tế, quốc
phịng an ninh. Một số ứng dụng hiện tại của MEMS như: cảm biến gia tốc, cảm
biển áp suất, cảm biến sinh học, microphone, máy chiếu, thiết bị chuyển mạch
quang và nhiều sản phẩm khác.
1.1.2 Lịch sử phát triển của MEMS
Lịch sử phát triển của MEMS có mối liên hệ chặt chẽ, phụ thuộc vào sự phát
triển của các cơng nghệ vi cơ khác. Nhìn chung q trình lịch sử của MEMS có thể
được chia thành các giai đoạn sau [2].
Giai đoạn 1950: Trong thời gian này, các kỹ thuật với vật liệu Silic phát triển
rất mạnh mẽ, cho phép chế tạo transistor với chi phí thấp với độ tin cậy cao.
Giai đoạn 1960: Vào những năm đầu thập niên 60, công nghệ vi cơ bề mặt ra

1


đời. Điều này cải tiến rõ rệt độ tin cậy và chi phí trong việc sản xuất các linh kiện
điện tử. Cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên trên một mẫu silic. Tiếp nối
sau đó là các sự ra đời của công nghệ khắc (quang khắc). Trên cơ sở các cơng nghệ
đó, chế tạo thành cơng các linh kiện như cảm biến áp suất, transistor cộng hưởng.
Giai đoạn 1970: Trên cơ sở các công nghệ, kỹ thuật sản xuất đã có mặt trong
các thập niên trước, chế tạo thành công cảm biến gia tốc bằng silic và vịi phun máy
in kích cỡ µm.
Giai đoạn 1980: Vào những năm đầu thập niên 80, bài thảo luận của Kurt
Petersen “Silic là một vật liệu cơ” trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện theo
công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng
mà công nghệ MEMS mang lại. Cùng với sự ra đời của công nghệ LIGA (quang
khắc, mạ điện, tạo khuôn) vào thời điểm này, các nhà nghiên cứu tại UCB và MIT
phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro điều khiển bằng tĩnh điện.

Giai đoạn 1990: Đây là giai đoạn mà ngành công nghệ chế tạo đạt những bước
đột phá lớn. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng
dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS trong các lĩnh vực như quang học,
sinh học. Chế tạo máy gia công tia lửa điện Micro EDM, hệ thống ăn mịn khơ phục
vụ cho q trình chế tạo.
Giai đoạn 2000: Cùng với làn sóng bùng nổ khoa học kỹ thuật, MEMS được
đưa vào cơng nghiệp hóa và thương mại hóa một cách rộng rãi và mạnh mẽ.
1.1.3 Thực trạng MEMS trong và ngoài nước
Trong những thập niên trước, ứng dụng và lợi ích của MEMS rất ít và chủ yếu
phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học. Ngày nay những tác động của MEMS vào
cuộc sống của chúng ta rất rõ rệt. MEMS đã có mặt trong vơ số các lĩnh vực trong
cuộc sống hiện nay. Sản phẩm của MEMS được thương mại hóa và phát triển một
cách mạnh mẽ, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và thiết bị như lưu trữ dữ liệu,
hiển thị, ứng dụng cho ô tô, viễn thông, giám sát môi trường, y tế và ứng dụng sinhhóa học; hay những sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày như điện thoại di
động, TV, máy chiếu. MEMS ngày nay đã thực sự được thương mại hóa thay vì chỉ
là cơng việc nghiên cứu trước kia.

2


Dựa theo số liệu năm 2004 của tập đoàn MEMS, cứ mỗi người dân Mỹ sử
dụng 5 thiết bị MEMS. Tổng giá trị công ngành công nghiệp MEMS tại nước này
đạt 15 triệu USD [2].
Tại nước ta, công nghệ MEMS bắt đầu được quan tâm trong vài năm gần đây.
Thông qua việc hợp tác với các nước phát triển như Pháp, Hà Lan, Viện đào tạo
quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) thuộc trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã
xây dựng một phịng thí nghiệm cơng nghệ MEMS bao gồm các trang thiết bị hiện
đại như phòng sạch (clean room), hệ thống quang khắc (Lithography), hệ thống ăn
mòn khô (Deep Reactive Ion Etching). Trên cơ sở nghiên cứu, chế tạo thành công
cảm biến gia tốc loại điện trở ứng dụng trong y học và công nghiệp. Kết hợp với bộ

môn cơ sở thiết kế máy và robot, viện cơ khí chế tạo và kiểm tra hoạt động của hệ
thống điều khiển kiểu tĩnh điện, ứng dụng trong các hệ phân tích y sinh. Đơn vị thứ
hai có trang thiết bị đủ tốt để triển khai các hoạt động nghiên cứu cảm biến đó là
phịng thí nghiệm nano (LNT) thuộc Đại học Quốc gia Tp.HCM. Sản phẩm mà
LNT phát triển được bao gồm các cảm biến hiệu ứng trường, các loại sàng nano và
micro dùng trong y sinh.
MEMS đang là một làn sóng mới tại Việt Nam, với mục tiêu ưu tiên đến năm
2020 là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một số hệ thống micro robot, vi kết cấu với
kích thước một vài mm dựa trên cơng nghệ MEMS nhằm mục đích ứng dụng trong
các hệ thống vi lắp ráp, vi vận chuyển và định vị (Micro Total Analysis System,
Micro Transportation System) hoặc trong công nghệ y sinh.
1.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS
MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, chi tiết vi cơ. Các vi
mạch điện tử thường được chế tạo trên phiến silic, do đó xu hướng chế tạo MEMS
là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kỹ thuật
tương tự kỹ thuật chế tạo vi mạch điện tử, ví dụ như thuật khắc hình. Tuy nhiên các
linh kiện của vi mạch điện tử đều nằm trên mặt phẳng (cơng nghệ planar) cịn linh
kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo,
bơm. Do đó chúng khơng chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có thể hồn tồn tách ra
khỏi mặt phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích
hợp như tính đàn hồi, tính cứng, tính mềm dẻo, tính phản xạ ánh sáng, tính dẫn
3


điện. Với các công nghệ hiện nay, với chất nền silic có thể chế tạo một số vật liệu
đáp ứng được nhu cầu nói trên, ví dụ oxit silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể
(poly - Si) dẫn điện, nitrit silic (Si) vừa cứng vừa đàn hồi. Bên cạnh đó cũng có thể
dùng các phương pháp bay bốc, phun để tạo những lớp chất đặc biệt như lớp kim
loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi lên bề mặt silic rồi khắc hình để tạo
ra chi tiết mong muốn. Các công nghệ chế tạo được sử dụng trong MEMS bao gồm:

quang khắc, vi cơ khối, vi cơ bề mặt, công nghệ LIGA và hàn.
1.2.1 Quang khắc - Lithography
Quang khắc hay lithography là kỹ thuật thường được sử dụng trong công nghệ
bán dẫn và công nghệ vật liệu nhằm tạo ra các chi tiết của vật liệu, linh kiện với
hình dạng, kích thước xác định bằng cách sử dụng các bức xạ (ánh sáng, chùm điện
tử…) làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo
[3].
SiO2
Si

Ánh sáng

Mặt nạ
SiO2
Si

Cảm quang âm

SiO2

Cảm quang dương

SiO2

SiO2
Si

SiO2

SiO2

Si

Hình 1.1 Q trình quang khắc
Đây là cơng cụ được sử dụng phổ biến trong công nghệ nano để tạo ra các linh
kiện, chi tiết có kích thước nhỏ với độ chính xác cực cao.

4


Quy trình chung của quang khắc được mơ tả như sau: bề mặt của phiến silic
được phủ một lớp mỏng hợp chất hữu cơ gọi là chất cảm quang (resist), chất này có
tính nhạy cảm với điện tử chiếu vào, và sẽ bị thay đổi tính chất dưới tác dụng của
các chùm điện tử. Chùm điện tử được chiếu qua một lớp mặt nạ mang hình dáng
của linh kiện cần tạo, q trình này làm thay đổi tính chất của lớp cảm quang do q
trình quang hóa. Sự thay đổi có thể là nó sẽ bị hịa tan trong dung dịch tráng rửa
hoặc khơng bị hịa tan trong dung dịch tráng rửa. Cuối cùng linh kiện sẽ được tạo ra
nhờ các q trình ăn mịn.
a) Cảm quang
Cảm quang là một phần khơng thể thiếu của quang khắc, đóng vai trị cực kỳ
quan trọng quyết định chất lượng của quang khắc. Đây là hợp chất hữu cơ polymer
có khả năng thay đổi tính chất dưới sự tác dụng của ánh sáng hoặc bức xạ, sự thay
đổi tính chất ở đây thể hiện khả năng bị hòa tan hoặc trơ trong dung mơi tráng rửa.
Có thể phân ra hai loại cảm quang chính là cảm quang dương (positive resist) và
cảm quang âm (negative resist).
Cảm quang dương là loại cảm quang có thể bị rửa trôi sau khi chiếu bức xạ.
Loại cảm quang thứ hai được biết đến là cảm quang âm, có tính chất bị hịa tan
trong dung mơi tráng rửa, nhưng sau khi bị chiếu xạ thì phần bị chiếu xạ sẽ khơng
bị hịa tan. Ta hãy chú ý rằng tùy từng cảm quang mà sẽ có những chất tráng rửa và
chất hòa tan khác nhau, cũng như mỗi loại cảm quang có thể cho độ phân giải khác

nhau.
b) Quang khắc bằng ánh sáng - Photolithography
Đây là kỹ thuật sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp bán dẫn hiện nay
bằng cách sử dụng ánh sáng tử ngoại để chiếu hình trên cảm quang. Và mặt nạ để
tạo ra hình ảnh của linh kiện trên cảm quang là thủy tinh thạch anh, có phủ kim loại
(phổ biến là chromium, Cr) có khắc hình của linh kiện. Các hệ thống quang khắc
bằng ánh sáng bị ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ vì thế độ phân giải chỉ nằm
trong phạm vi vài trăm nm, hay nó chỉ tốt nhất cho các chi tiết lớn cỡ 1 µm trở lên.
c) Quang khắc bằng laze - Electron Beam Lithography
Với sự phát triển công nghệ nano công nghệ khắc laze ra đời (EBL - Electrio
Beam Lithography) để khắc phục nhược điểm về độ phân giải của công nghệ quang
5


khắc bằng ánh sáng. Nhìn chung quy trình xử lý của EBL giống với quang khắc
thông thường. Tuy nhiên công nghệ EBL sử dụng các chùm điện tử có bước sóng
cực ngắn, vì thế chúng dễ dàng có thể hội tụ thành điểm cực nhỏ, cho phép tạo ra độ
phân giải rất cao. Hơn nữa, chùm điện tử có thể dễ dàng điều khiển nhờ hệ thống
cuộn dây lái tia, do đó chúng có thể quét trực tiếp trên bề mặt cảm quang để tạo ra
bức hình bạn muốn mà không cần phải dùng đến bất kỳ một hệ thống mặt nạ cơ học
nào. Điều duy nhất phải làm là thiết kế mạch linh kiện mình muốn nhờ các phần
mềm chuyên dụng và đưa vào máy tính điều khiển. Máy tính sẽ sử dụng bức hình
này để điều khiển cuộn lái tia quét tương tự như TV trong nhà bạn tạo hình trên
màn hình. Tuy nhiên quá trình này chậm hơn rất rất nhiều so với công nghệ quang
khắc cổ điển, và giá của một hệ thống EBL có chi phí cao hơn Photolithography cả
trăm lần.
1.2.2 Vi cơ khối
Vi cơ khối là phương pháp lâu đời nhất trong kỹ thuật vi cơ, là q trình ăn
mịn một phần thể tích các phiến vật liệu để tạo các phiến, rãnh, lỗ sâu ở bên trong
nó. Từ đó hình thành nên các vật liệu hoặc chi tiết vi cơ [4].

Vi cơ khối được gia cơng bằng hai phương pháp ăn mịn ướt và ăn mịn khơ.
a) Ăn mịn ướt - Wet Etching
Ăn mòn ướt thường thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Đây là quá trình dùng dung dịch hố chất để ăn mịn theo những diện tích định sẵn
nhờ các mặt nạ (mask). Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các
dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH. Việc
ăn mịn có thể là đẳng hướng (ăn mịn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị hướng (có
hướng tinh thể ăn mịn nhanh, có hướng chậm). Hình 1.2 biểu diễn sản phẩm của
các q trình ăn mịn.
Ăn mịn đẳng hướng là ăn mòn theo mọi hướng với mức gần tương tự nhau
mà không phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu. Vì vậy sản phẩm tạo ra có hình dạng bán
cầu, trụ. Ăn mòn dị hướng thường được sử dụng để tạo ra các rành chữ V hoặc kim
tự tháp.

6


Hình 1.2 Các quy trình ăn mịn
(a) ăn mịn ướt dị hướng. (b) ăn mòn ướt đẳng hướng. (c) ăn mịn khơ
b) Ăn mịn khơ - Dry Etching
Ăn mịn khơ bằng cách cho khí hoặc hơi hố chất tác dụng thường là ở nhiệt
độ cao. Ăn mịn khơ được sử dụng để khắc sâu vào lớp chất nền (thường là Silic) và
để lại những vách bên thẳng đứng và độc lập với sự định hướng của tinh thể. Khả
năng này mở rộng tính đa dạng và sự hữu dụng vi cơ khối. Hình dạng, diện tích hố
ăn mịn được xác định theo mặt nạ đặt lên bề mặt phiến vật liệu. Để tăng cường tốc
độ ăn mịn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng
tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá. Sản phẩm của ăn mòn khơ được
thể hiện trong Hình 1.2c.
1.2.3 Vi cơ bề mặt
Khác với vi cơ khối, vi cơ bề mặt sử dụng các q trình lắng đọng các màng

mỏng, quang khắc có chọn lọc để tạo ra các lớp cấu trúc trên bề mặt chất nền. Lớp
chất nền lúc này chỉ đóng vai trò là điểm tựa để xây dựng các cấu trúc vật liệu phức
tạp trên nó [4].
Hình 1.3 biểu diễn quá trình tạo nên một dầm đa tinh thể poly-silic một đầu cố
định bằng phương pháp vi cơ bề mặt.

7


SiO2

Si

SiO2

Si

(a)

(d)

SiO2

SiO2

SiO2

Si

Si

(b)

(e)
SiO2

SiO2

Si

Si

(c)

(f)

Hình 1. 3 Quy trình chế tạo sử dụng vi cơ bề mặt
(a) Chất nền Silicon
(b) Tạo ra một lớp SiO2 trên phiến Si.
(c) Dùng mặt nạ khoét để tạo ra diện tích gắn dầm cố định.
(d) Phủ lên tồn bộ một lớp đa tinh thể poly-silic.
(e) Dùng mặt nạ 2 để ăn mòn lớp đa tinh thể, vừa đủ để chừa lại một dầm
gắn cố định vào lớp nền.
(f) Dùng axit ăn mịn hết SiO2 (khơng ăn mịn Si), ta thu được dầm đa tinh
thể với một đầu cố định.
1.2.4 LIGA
LIGA là từ ghép các chữ đầu của tiếng Đức cho Lithgraphie, Galvanofruning
và Abformung, nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn [5]. Công nghệ ngày
được phát triển vào năm 1982, đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ
không phải là hai chiều như ở các cách khắc hình bình thường. Trong cơng nghệ

LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm quang ở
mức độ mm. Chất cảm quang thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA.
Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm quang
theo những diện tích nhất định, những phần cảm quang này sẽ bị hồ tan trong
dung mơi tráng rửa. Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm
quang dày, và tia X mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chất cảm quang đến hàng
trăm, thậm chí hàng nghìn µm nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất
8


cảm quang bị hồ tan đi có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ khơng phải
là hai chiều như ở quang khắc thơng thường.

Hình 1. 4 Quy trình chế tạo bánh răng bằng cơng nghệ LIGA [6]
1.2.5 Hàn
Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, bể ngầm có thể
thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau. Tạo
một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mịn thơng thường rồi hàn lên trên
phiến đó một phiến khác để đậy hố lại. Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệt trực tiếp
hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính [4].
1.3 Ứng dụng của cảm biến MEMS
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) mới ra đời nhưng nó có rất nhiều ứng dụng
góp phần khơng nhỏ vào sự phát triển của đời sống xã hội.
Các ứng dụng phổ cập của MEMS:
Các ứng dụng phổ cập của công nghệ MEMS trong các ngành cơng nghiệp
hiện nay có thể tóm tắt như sau:
9


Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác

trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác.
Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ơtơ, thiết bị định hướng cho tên lửa
và các phương tiện vận tải.
Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gương cho các thiết bị
điện tử. Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in
laser đen trắng và mầu.
Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học.
Chuyển mạch cho thơng tin quang sợi: Internet, truyền hình và thơng tin giải
rộng dùng cáp quang. Vi van là các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van.
Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơ le trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều
và vô tuyến.
1.4 Kết luận chương
Trong chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử MEMS cùng
với lịch sử phát triển của nó. Đồng thời tìm hiểu về các cơng nghệ chế tạo sản phẩm
MEMS: Quang khắc, vi cơ khối, vi cơ bề mặt, liga, hàn. Các ứng dụng phổ cập của
công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp hiện nay như: sensor áp suất, sensor
gia tốc và gyroscope, hiển thị màn hình, đầu phun mực, sensor hóa học, chuyển
mạch cho thông tin quang sợi và chuyển mạch cơ điện.

10


CHƯƠNG 2
CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG
Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu về cảm biến áp suất, các loại cảm
biến áp suất: cảm biến áp suất áp trở và cảm biến áp suất kiểu tụ. Tìm hiểu về
nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến áp suất, sơ lược về cảm biến áp suất
điện dung.
2.1 Cảm biến áp suất
2.1.1 Khái niệm

Cảm biến áp suất là những thiết bị dùng để đo áp suất hoặc có liên quan đến
áp suất, chuyển đối áp suất sang tín hiệu điện được gọi là cảm biến áp suất. Những
nguồn áp suất cần kiểm tra là: áp suất hơi, áp suất chất lỏng, áp suất khí. Trong cảm
biến áp suất màng cảm biến được xem là bộ phận quan trọng nhất. Áp suất cần đo
sẽ tác động trực tiếp lên màng cảm biến sau đó sẽ được xử lý và đưa ra kết quả.
Áp suất là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích.
P=F/A

(2.1)

(P là áp suất; F: lực; A: diện tích tiếp xúc)
Đơn vị đo áp suất là Pascal (Pa)
Bảng 2. 1 Đổi đơn vị áp suất [7]
Đơn vị áp
pascal(Pa)
suất

bar(b)

kg/cm3

Atmotsphe
(atm)

mmH2 0

1

10-5

1,02.10-5

0,987.10-5

1,02.10-1 0,75.10-2

10-5

1

1,02

0,987

1,02.104

750

1 kg/cm2

1,02.10-5

1,02

1

0,986

104

735

1 atm

0,987.10-5

0,987

1,02.104

1

1,033.104

760

1mmH2O

1,02.10-1 0,75.10-2

104

1,033.104

1

0,0735

1mmHg

0,75.10-2

750

735

760

0,0735

1

10-2

103

9,80.102

1,013.103

0,098

1,33

1Pasca
1 bar

1mbar

11

mmHg


2.1.2 Phân loại cảm biến áp suất
a) Cảm biến áp suất áp trở
Nguyên lý làm việc của cảm biến loại này dựa trên sự biến dạng của cấu trúc
màng (khi có áp suất tác động đến) được chuyển thành tín hiệu điện nhờ cấy trên đó
các phần tử áp điện trở.
Khi lớp màng bị biến dạng uốn cong, các áp điện trở sẽ thay đổi giá trị. Độ
nhạy và tầm đo của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào màng và kích thước, cấu trúc,
vị trí các áp điện trở trên màng.

Cảm biến sức căng

R1

R4

Màn áp

R2

R3

Hình 2.1 Cảm biến áp suất áp trở
Màng sử dụng trong cảm biến là màng rất nhạy với tác động của áp suất. Bốn
điện trở được đặt tại 4 trung diểm của các cạnh màng, 2 cặp điện trở song song với
màng và 2 cặp điện trở vng góc với màng (để khi màng bị biến đổi thì 2 cặp điện
trở này có chiều biến dạng trái ngược nhau). Bốn điện trở trên được ghép lại tạo

thành cầu Wheatsone.
Khi khơng có áp suất tác động các điện trở ở trạng thái cân bằng, điện áp ngõ
ra bằng 0. Khi có áp suất tác động màng mỏng bị biến dạng , các giá trị điện trở
thay đổi, cụ thể giá trị các áp điện trở song song với cạnh màng giảm thì giá trị các
áp điện trở vng góc với cạnh màng tăng và ngược lại khi đó sẽ tạo điện áp ngõ ra

12


khác 0. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc và độ biến dạng của màng, vì vậy
bằng cách kiểm tra điện áp ngõ ra đó ta có thể tính tốn được áp suất cần đo.
b) Cảm biến áp suất kiểu tụ
Loại này có nguyên lý hoạt động đơn giản hơn dự vào giá trị của điện dung để
xác định áp suất. Điện dung của tụ được thay đổi bằng cách thay đổi khoảng cách
của cực tụ.

A
Cực cố định
ε

d

Bản cực
Di chuyển
A

Hình 2.2 Ngun lý áp kế điện dung
Khi có áp suất tác động vào lớp màng làm lớp màng bị biến dạng đẩy bản cực
lại gần với nhau hoặc kéo bản cực ra xa làm giá trị của tụ thay đổi, dựa vào sự thay
đổi điện dung này qua hệ thống xử lý người ta có thể xác định được áp suất cần đo.

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
Cảm biến cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo
của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử
lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra.

Áp suất

Cảm biến

Xử Lý

Ngõ ra

Hình 2.3 Sơ đồ khối cảm biến áp suất
+ Áp suất: ngồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng …

13


+ Cảm biến: là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử
lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng
tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện … về khối xử lý.
+ Khối xử lý: có chức năng nhận các tính hiệu từ khối cảm biến thực hiện
các xử lý để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực
đo áp suất như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20 mA( tín hiệu thường được sử dụng
nhất) , 0 ~ 5 VDC, 0 ~ 10 VDC, 1 ~ 5 VDC …
2.1.4 Ứng dụng của cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như ô tơ, sản
xuất, hàng khơng, đo lường sinh học, điều hịa khơng khí, thủy lực và các ngành
nghề đo lường khác. Một vài lĩnh vực nổi bật sử dụng cảm biến áp suất có thể kể

dưới đây:
a) Thiết bị màn hình cảm ứng cũng sử dụng cảm biến áp suất
Các thiết bị máy tính và điện thoại thơng minh có màn hình cảm ứng di động
chắc chắn đi kèm với cảm biến áp suất. Bất cứ khi nào có áp suất nhẹ được tác
động lên màn hình cảm ứng thơng qua một ngón tay hoặc bút stylus, cảm biến sẽ
xác định được vị trí chạm đến và tạo ra một tín hiệu điện báo cho bộ xử lý của máy.
Thông thường cảm biến áp suất này được đặt tại các góc của màn hình. Vì vậy khi
áp suất xảy ra, thường sẽ có 2 hoặc tất cả 4 cảm biến cùng hoạt động để cung cấp
thơng tin chính xác của vị trí.
b) Cơng nghiệp ơ tơ
Trong ngành cơng nghiệp ơ tơ, cảm biến áp suất tạo thành một phần không thể
tách rời của động cơ ơ tơ vì sự an tồn của chính nó. Trong động cơ, các cảm biến
giám sát dầu, áp suất làm mát và điều chỉnh công suất mà động cơ sẽ vận chuyển để
đạt được tốc độ phù hợp bất cứ khi nào máy gia tốc được ép hoặc phanh đưa vào xe.
Vì mục đích an tồn, cảm biến áp suất tạo thành một phần quan trong của hệ
thống chống bó cứng phanh ABS. Hệ thống này thích ứng với địa hình đường phố
và đảm bảo rằng trong trường hợp phanh ở tốc độ cao, lốp xe khơng bị khóa và xe
khơng bị trượt.
Hệ thống túi khí ở trước xe cũng sử dụng cảm biến áp suất để túi khí được
kích hoạt để đảm bảo sự an tồn cho hành khách mỗi khi có áp lực cao của xe.
14


c) Trong lĩnh vực y tế
Các dụng cụ như máy đo huyết áp, máy đo nhịp tim đều có cảm biến áp suất
để tối ưu hóa tình trạng sức khỏe của bệnh nhân.
d) Trong lĩnh vực hàng không
Trong máy bay, các cảm biến áp suất này là rất cần thiết để duy trì sự cân bằng
giữa áp suất khí quyển và các hệ thống điều khiển của máy bay. Điều này không chỉ
bảo vệ các mạch và các thành phần nội bộ khác nhau của máy bay mà còn cung cấp

dữ liệu chính xác cho hệ thống về mơi trường bên ngồi.
Như vậy, có thể thấy rằng trong tất cả các loại cảm biến thì cảm biến áp suất
được ứng dụng nhiều nhất trong đời sống hiện nay vào rất nhiều ngành nghề lĩnh
vực khác nhau.
2.2 Cảm biến áp suất điện dung
Cảm biến áp suất vi mô là phiên bản thu nhỏ của các đối tác vĩ mô của chúng.
Cảm biến cơ hồnh được thiết kế để đo đặc tính của màng chắn biến dạng do áp
suất được áp dụng. Hình dạng của cơ hồnh được nhìn từ phía trên là tùy ý, nhưng
thường có dạng hình vng hoặc hình trịn. Những hình dạng này hoạt động tương
ứng cho một áp lực nhất định. Trong bài mô phỏng này, ta tiến hành với cảm biến
có lớp màng hình vng.
Cảm biến áp suất điện dung MEMS bao gồm hai bản cực đặt song song được
cách nhau bởi một chất điện môi. Bản cực phía dưới được gắn cố định trên đế kim
loại, bản cực phía trên là một lớp màng mỏng. Mơ hình của vi cảm biến áp suất
được mơ tả trên Hình 2.4. Do tính đối xứng của cấu trúc cảm biến nên mơ hình
trong mơ phỏng chỉ thực hiện trên một phần tư của vi cảm biến (Hình 2.5). Kích
thước của cảm biến điện dung với lớp màng hình vuông là 0.5mm. Vật liệu cảm
biến được gắn với tấm kim loại thép tại 70℃. Do bản chất đối xứng của hình học, ta
chỉ xét một góc phần tư của cảm biến. Một phần tư của cảm biến áp suất được mơ
phỏng trong phần mềm Comsol thể hiện trong Hình 2.5.

15


Hình 2.4 Mơ hình ngun khối của cảm biến áp suất điện dung

Hình 2.5 Một phần tư mơ hình cảm biến áp suất điện dung
Mặt cắt ngang 2D của cảm biến áp suất điện dung được chỉ ra trong Hình 2.6.
Một màng mỏng được giữ ở một điện thế cố định là 1 V. Lớp màng được tách ra từ
lớp đất kín dưới khoang khơng khí có bề rộng 0.003mm. Cấu trúc cho thấy chất nền

silicon (hoặc Si3N4, hoặc SiC), khoang khơng khí và màng mỏng hoạt động như
một màng ngăn. Cách điện được cung cấp ở các cạnh của ngăn để ngăn sự liên kết
giữa màng và mặt phẳng mặt đất. Thép hợp kim AISI 4340 được xử lý bằng nhiệt
chứa crom, niken và molypden được sử dụng làm đế của cảm biến. Nó có độ bền
cao và sức chịu cao trong điều kiện xử lý nhiệt. Nó có mật độ 7850kg/𝑚3, điểm
nóng chảy cao (1427℃), tỷ lệ Poisson trong khoảng 0,27-0,30 và hệ số giãn nở
nhiệt là 12,3ppm/℃.
16