Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng chế tạo hệ vi cơ – điện cảm biến áp suất (mems)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN VĂN TOÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CHẾ TẠO HỆ VI CƠ – ĐIỆN CẢM BIẾN ÁP SUẤT (MEMS) Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT Mã số: 60.44.03.2 Cán bộ hướng Khoa học: 1. TS. ĐINH SƠN THẠCH 2. TS. NGUYỄN VĂN HIẾU TP. HCM, tháng 11 năm 2009 LỜI CẢM ƠN Để có được thành quả như ngày hôm nay: Lời cảm ơn đầu tiên con xin gửi đến Cha mẹ và những người thân trong gia đình đã động viên và khích lệ con để cho con có thể vượt qua nhiều khó khăn và thử thách trong suốt khoảng thời gian qua. Tôi chân thành cảm ơn đến Thầy TS. Đinh Sơn Thạch và TS. Nguyễn Văn Hiếu đã hướng dẫn tận tình và chia sẻ trong những khó khăn trong suốt thời gian qua. Sự cởi mở và gần gũi của các Thầy giúp tôi thêm tự tin hơn trong trao đổi giải quyết những vấn đề khó khăn. Tôi chân xin cảm ơn đến nhóm MEMS tại Bộ môn Vật lý Điện Tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và nhóm Chế tạo tại Trung tâm Thiết kế Vi mạch ICDREC, Đại học Quốc gia Tp.HCM đã có những trao đổi và lời khuyên quí giá trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm cao học Điện Tử Kỹ Thuật khóa 17, Quý Thầy cô giảng dạy các môn học, quý đồng nghiệp bộ môn Vật lý Điện tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên và các bạn học viên cao học khóa 17 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn tôt luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! Tp.HCM, ngày tháng 12 năm 2009 Nguyễn Văn Toàn -i- -i- MỤC LỤC TRANG BÌA PHỤ Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU Chương 1 - GIỚI THIỆU 1.1. Tình hình nghiên cứu Hệ vi cơ – điện (MEMS) trong và ngoài nước nói chung và lĩnh vực đề tài nói riêng 1.1.1. Ngoài nước 1.1.2. Trong nước 1.2. Tổng quan MEMS và một số ứng dụng 1.2.1. Giới thiệu tổng quan MEMS 1.2.2. Lịch sử MEMS 1.2.3. Một số ứng dụng 1.3. Phòng sạch và một số thiết bị phòng sạch 1.3.1. Giới thiệu phòng sạch 1.3.2. Tiêu chuẩn phòng sạch 1.3.3. Một số thiết bị trong phòng sạch 1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 1.4.1. Mục tiêu 1.4.2. Nhiệm vụ -ii- Chương 2 - MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT MEMS 2.1. Một số công đoạn chế tạo 2.1.1. Vật liệu và cấu trúc tinh thể màng 2.1.1.1. Cấu trúc tinh thể 2.1.1.2. Chế tạo vật liệu bán dẫn 2.1.1.3. Chế tạo màng mỏng 2.1.1.4. Xác định trục tinh thể 2.1.1.5. Một số tính chất của vật liệu 2.1.2. Lắng đọng bốc bay vật lý (PVD) 2.1.2.1. Phương pháp bốc bay 2.1.2.2. Phương pháp phún xạ 2.1.3. Lắng đọng bốc bay hóa học 2.1.4. Công đoạn khắc 2.1.4.1. Khắc ướt 2.1.4.2. Khắc Plasma 2.1.5. Kỹ thuật quang khắc 2.2. Kỹ thuật MEMS 2.2.1. Vi cơ khối 2.2.1.1. Ăn mòn ướt 2.2.1.2. Ăn mòn khô 2.2.2. Vi cơ bề mặt 2.2.3. LIGA -iii- Chương 3 - GIỚI THIỆU CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.1. Giới thiệu 3.2. Một số ứng dụng của cảm biến áp suất 3.3. Phân loại cảm biến áp suất 3.3.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ 3.3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng 3.3.3. Cảm biến áp suất áp điện 3.3.3. Cảm biến áp suất áp trở 3.3.3.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại 3.3.3.2. Cấu tạo Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP SUẤT LOẠI ÁP TRỞ 4.1. Thiết kế mô hình 4.1.1. Các thông số cần quan tâm 4.1.2. Sự ảnh hưởng bởi hình dạng màng 4.1.3. Sự ảnh hưởng bởi áp trở 4.1.3.1. Ứng suất và sức căng 4.1.3.2. Sự thay đổi trong điện trở 4.1.3.3. Hiệu ứng áp trở trong vật liệu Silic 4.1.3.4. Cách phân bố áp trở trên màng 4.1.3.5. Mạch cầu Wheatstone 4.1.4. Tính toán thông số cho mô hình cảm biến với thông số quan tâm -iv- 4.1.4.1. Xác định thông số màng 4.1.4.1. Xác định thông số áp trở 4.2. Qui trình chế tạo 4.2.1. Qui trình chế tạo 4.2.2. Thiết kế mặt nạ - MASK Chương 5 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 5.1. Mô phỏng thuộc tính cảm biến 5.1.1. Mô phỏng thuộc tính cơ 5.1.1.1. Giới thiệu và đánh giá phần mềm mô phỏng 5.1.1.2. Phân tích độ uốn cong của màng và xét sự thay đổi của các yếu tố 5.1.1.3. Phân tích tần số cộng hưởng của màng 5.1.2. Mô phỏng đặc tính điện 5.1.2.1. Xét ảnh hưởng của việc chia lưới 5.1.2.2. Xét ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với điện thế ngõ ra 5.1.2.3. Xét phân bố áp trở trên màng 5.1.2.4. Mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra 5.1.2.5. Xét ảnh hưởng của áp trở 5.1.2.6. Đánh giá ảnh hưởng bởi điện thế nguồn nuôi 5.1.3. Mô phỏng đặc tính nhiệt 5.2. Mô phỏng chế tạo cảm biến 5.2.1. Chi tiết hóa qui trình chế tạo 5.2.2. Thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến -v- 5.2.3. Một số kế quả mô phỏng chế tạo bằng phần mềm Intellisuite 5.2.4. Đề suất bộ mặt nạ cho wafer 4 inch Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1. Kết luận 6.2. Kiến nghị DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC -vi- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 APCVD Atmospheric pressure CVD CVD ở áp suất không khí 2 CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi hóa học 3 D-RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion sâu 4 EDP Ethylene Diamine Pyrocatechol Ê-ti-len Điamin Pyrocatechol 5 EUV Extreme UltraViolet Tia tử ngoại cực ngắn 6 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữa hạn 7 IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp 8 LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi hóa học áp suất thấp 9 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường kim loại-ôxít-bán dẫn 10 MEMS Micro Electro Mechanical System Hệ thống vi cơ điện tử 11 PECVD Plasma Enhanced CVD Plasma tăng cường 12 PVD Physical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi vật lý. 13 PZR PiezoResistive Áp trở 14 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 15 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng Ion 16 SOI Silicon On Isulator Silic trên chất cách li. 17 TMAH Tetramethyl Ammonium Hydroxide Amôni hiđrôxit Têtramêthy 18 UV UltraViolet Tia tử ngoại 19 SHTP Saigon Hi-Tech Park Khu công nghệ cao Tp.HCM -vii- HEPA High Efficiency Particulate Air Máy lọc không khí hiệu quả cao ULPA Ultra Low Penetration Air Máy lọc tạp chất không khí ở bậc thấp ISO International Organization for Standardization Tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế -viii- DANH MỤC BẢNG TT Chú thích Trang 01 Bảng 2.2. Nhiệt độ tan chảy đối với các vật liệu khác nhau và dải nhiệt độ cần thiết cho nhiệt độ để tồn tại áp suất bay hơi ở 10 -3 torr. 02 Bảng 2.4. Hệ thống vật liệu của Kỹ thuật vi cơ bề mặt. 03 Bảng 3.1. Đánh giá các loại cảm biến. 04 Bảng 4.1. Bảng tỉ số a/b cho màng hình chữ nhật. 05 Bảng 4.2. Hệ số áp trở cho vật liệu đơn tinh thể Silicon tại nhiệt độ phòng hướng <100>. 06 Bảng 4.3. Trình bày các hệ số áp trở song song và vuông góc đối với một số hướng quan trọng trong đơn tinh thể Silic. 07 Bảng 4.4. Các thông số thiết kế cho cảm biến sử dụng màng vuông để thỏa (*). 08 Bảng 5.1. Bảng so sánh một số chức năng cơ bản của các phần mềm. 09 Bảng 5.2. So sánh giá trị tần số cộng hưởng lý thuyết và mô phỏng của màng vuông. 10 Bảng 5.3. So sánh độ nhạy khi thay đổi nồng độ pha tạp. 11 Bảng 5.4. So sánh độ nhạy khi thay đổi độ dài của áp trở. 12 Bảng 5.5. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều rộng của áp trở. 13 Bảng 5.6. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều sâu của áp trở. 14 Bảng 5.7. So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX10. [...]... vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS) Vi c nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế mô hình với thông số cụ thể cho một ứng dụng cụ thể Ngoài vi c mô phỏng đặc tính của mô hình với thông số đề ra, tác giả đồng thời cũng nghiên cứu đề suất qui trình chế tạo và mô phỏng quá trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở Nội dung của luận văn được trình bày tóm lược... hình nghiên cứu MEMS trong và ngoài nước nói chung và lĩnh vực đề tài nói riêng, tổng quan về MEMS, mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Chương 2: Giới thiệu về một số công đoạn chế tạo và kỹ thuật MEMS Chương 3: Giới thiệu và phân loại về các loại cảm biến áp suất được chế tạo theo công nghệ MEMS Chương 4: Xây dựng mô hình và qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở Chương 5: Mô phỏng đặc tính cảm biến. .. nhiệt lên điện thế offset Hình 5.36 Sự ảnh hưởng của nhiệt lên điện thế ngõ ra tại áp suất là 10Kpa Hình 5.37 Ảnh hưởng của nhiệt lên áp ứng ngõ ra của cảm biến thiết kế Hình 5.38 Ảnh hưởng của nhiệt lên áp ứng ngõ ra của cảm biến MPX10 84 Hình 5.39 Chi tiết qui trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở 85 Hình 5.40 Bộ mặt nạ cho đơn cảm biến áp suất áp trở Hình 5.41 Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng... phẩm điện tử Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và vẫn đang được được đầu tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào vi c phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Vi t Nam đến năm 2010”đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới, có triển vọng, đó là: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện. .. Các loại cảm biến áp suất kiểu áp trở 28 Hình 3.4 Mặt cắt ngang và cách bố trí áp trở trên màng cảm biến 29 Hình 4.1 Sơ đồ ứng dụng mô hình cảm biến áp suất thiết kế 30 Hình 4.2 Màng hình tròn 31 Hình 4.3 Màng hình chữ nhật 32 Hình 4.4 Hình khối vật liệu (L, W, H, ρ ) 33 Hình 4.5 Mô tả các thành phần ứng suất thẳng góc và ứng suất trượt 34 Hình 4.6 Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và vuông... biến - cơ, nhiệt và điện Đồng thời mô phỏng chế tạo và đề suất bộ mặt nạ cho quá trình chế tạo thử nghiệm tại phòng sạch Chương 6: Kết luận và kiến nghị Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn cho vi c nghiên cứu và phát triển đề tài được hoàn thiện hơn -i- 1 Chương 1 - GI I THI U 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN C U H VI CƠ - NGOÀI NƯ C NÓI CHUNG VÀ LĨNH V C I N (MEMS). .. phân bố ứng suất theo hướng xx và yy 66 Hình 5.22 Đồ thị biên độ (a) và pha (b) của màng vuông 67 Hình 5.23 Sơ đồ thuật giải trong ANSYS 68 69 70 71 72 Hình 5.24 Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và áp suất với mật độ chia lưới khác nhau Hình 5.25 Ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với áp ứng ngõ ra của cảm biến Hình 5.26 Một số kiểu bố trí áp trở trên màng vuông Hình 5.27 Mối quan hệ áp suất và điện thế ngõ... ứng suất trên bề mặt màng 55 Hình 5.11 Phân bố theo Von Mises 56 Hình 5.12 Ứng suất phân bố theo Von Mises 57 Hinh 5.13 Mối quan hệ giữa áp suất và ứng suất cực đại tại tâm các cạnh màng 58 Hinh 5.14 Phân bố ứng suất trượt 59 Hình 5.15 Mối quan hệ áp suất và độ biến dạng (P- D) xét tại màng 1000 x 15 μ m và quan sát được tăng lên 100 lần -xii- 60 61 62 63 64 Hình 5.16 Mối quan hệ giữa áp suất và. .. vi cơ i n (MEMS) [27] y u t vi i n t v i các vi c m bi n và các b vi kích ho t có và i u khi n Ngoài ra, MEMS còn m r ng kh năng thi t k và ng d ng Trong m t h th ng, s tích h p các y u t vi i n xem là “b não”, và MEMS tăng cư ng thêm kh năng như là “m t” và “tay” cho h th ng vi i n t , i u này cho phép vi h th ng nh n bi t và i u khi n h th ng theo môi trư ng Các c m bi n t p h p các thông tin t môi... ra: Xây d ng và tính toán thông s cho mô hình c m bi n áp su t lo i áp tr Xây d ng qui trình ch t o c m bi n áp su t lo i áp tr v i ng d ng c th Mô ph ng thu c tính c m bi n: Cơ – i n – Nhi t Mô ph ng ch t o c m bi n áp su t lo i áp tr xu t b m t n trên wafer 4 inch cho vi c ch t o th nghi m 16 Chương 2 – M T S 2.1 M T S CÔNG O N CH T O VÀ K THU T MEMS CÔNG O N CH T O 2.1.1 V t li u và c u trúc . của cảm biến áp suất 3.3. Phân loại cảm biến áp suất 3.3.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ 3.3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng 3.3.3. Cảm biến áp suất áp điện 3.3.3. Cảm biến áp suất áp trở. thiệu và phân loại về các loại cảm biến áp suất được chế tạo theo công nghệ MEMS Chương 4: Xây dựng mô hình và qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở Chương 5: Mô phỏng đặc tính cảm biến. tử mới, có triển vọng, đó là: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS). Vi c nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế mô hình với thông số cụ thể