nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm chip cảm biến áp suất nhằng hướng tới ứng dụng trong các thiết bị dân dụng

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đo đạc, đóng gói và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng các thiết bị hiện có tại Việt Nam. Trong phần thiết kế - mô phỏng, nhóm đã sử dụng phần mềm Ansys kết hợp với Matlab để tính toán các thông số của chip cảm biến áp suất đảm bảo độ bền cơ và độ nhạy, cũng nh thiết kế mạch đóng gói chip cảm biến. Từ các thông số thu được, chúng tôi lựa chọn cấu trúc hợp lý để chế tạo. Phần chế tạo chip cảm biến được thực hiện bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) sử dụng các thiết bị phòng sạch SHTP. Nhóm đã thành công trong việc chế tạo chip cảm biến áp suất với các ngưỡng áp suất làm việc và độ nhạy khác nhau. Chúng tôi đã phát triển lên thành mô đun cảm biến, và ứng dụng thành công trong việc đo chiều cao cột nước, nhằm có thể sử dụng trong các thiết bị gia dụng như máy giặt, huyết áp kế, đo ngập lụt. I SUMMARY OF RESEARCH CONTENT In this project, we perfomed the design, simulation, fabrication, measurement, packaging and trial application of the capacitor type pressure sensor, using existing equipments and facilities in Vietnam. In the design – simulation part, we used ANSYS and Matlab soft- wares to calculate the parameters of the pressure sensor chips for ensuring the mechanical durability and electrical sensitivity, as well as an adequate operation of the circuit of the sensor packaging. From the obtained parameters, we chose the suitable structures for the fabrication. The chips were fabricated by Microelectromechanical (MEMS) technology using SHTP’s clean room. Our group has successfully fabricated pressure sensor chips for different working pressure ranges and sensitivities. We also have developed the sen- sor to measure level, and we applied in the measurement of water column height. These sensors will be able to use in household appliances such as washing machines water level controllers, blood pressure monitors, flooding detectors. II Mục lục Tóm tắt đề tài (gồm tiếng Việt và tiếng Anh) . . . . . . . . . . . I Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV Danh mục các từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V Danh sách bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI Danh sách hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII PHẦN MỞ ĐẦU 1 1 Thông tin về đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Mục tiêu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 Nội dung nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu theo hợp đồng đã ký) . . . . . . . . . . . 3 1 TỔNG QUAN 5 1.1 Tình hình ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2 Tình hình trong nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU TỤ ĐIỆN 13 2.1 Quan hệ giữa điện dung, áp suất và độ chuyển vị . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Bài toán và phương pháp mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Nguyên lý thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Bộ tạo tín hiệu số DSG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Bộ xử lý tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Mối quan hệ giữa áp suất, điện dung và độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . 51 Mô phỏng bộ tạo tín hiệu số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3 CHẾ TẠO CHIP CẢM BIẾN ÁP SUẤT 63 3.1 Thiết kế bộ Mask cảm biến áp suất kiểu tụ điện . . . . . . . . . . . . . . 63 3.2 Quy trình chế tạo chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 III 3.2.1 Thao tác trên wafer Silic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.2 Thao tác trên wafer Pyrex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.2.3 Đóng gói phiến Silic và Pyrex thành cấu trúc chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3 Đánh giá quá trình chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.3.1 Tốc độ ăn mòn phiến silic trong KOH (etching rate) và độ dày màng 79 3.3.2 Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc . . . . . . . . . . . . . . . 79 4 KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT 81 4.1 Đánh giá hoạt động của chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.1 Chip cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.2 Kiểm tra hoạt động của Chip cảm biến. . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.1.3 Kết quả đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Cảm biến làm việc được trong dải áp suất cao 0-6 bar . . . . . . . . . . . 82 Cảm biến có độ nhạy cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.1.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động cảm biến áp suất 89 4.2 KẾT QUẢ CHẾ TẠO MÔ ĐUN CẢM BIẾN ÁP SUẤT . . . . . . . . . . 89 4.2.1 Mô đun chuyển đổi áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.2.2 Mô đun hiển thị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.2.3 Kiểm tra hoạt động của Mô đun cảm biến áp suất . . . . . . . . . 93 4.3 Đóng gói mô đun cảm biến áp suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.4 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 5.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.2 Kiến nghị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 TÀI LIỆU THAM KHÀO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 IV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt CPS Capacitive Pressure Sensor Cảm biến áp suất kiểu tụ điện IC Integrated Circuit Vi mạch MEMS MicroElectroMechanical Sys- tems Hệ thống vi cơ điện tử FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn Si Silicon Silic DSG Digital Signal Generator Bộ tạo dao động số DSP Digital Signal Processing Bộ xử lý tín hiệu số PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Lắng đọng hơi hóa học bằng plasma tăng cường HF Hydrofluoric acid Axit Flohydric V Danh sách bảng Số TÊN BẢNG SỐ LIỆU Trang 1.1 So sánh các đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất kiểu tụ và cảm biến áp suất kiểu áp trở. 9 1.2 Đặc tính kỹ thuật của cảm biến áp suất MPXM2010 D (Freescale Semiconductor) (Vs = 10 VDC, T = 25 0C). 11 2.1 Thông số đầu vào được sử dụng trong mô phỏng tính chất cơ 25 2.2 Cấu trúc cảm biến được sử dụng để khảo sát ứng suất tối đa và độ chuyển vị 45 4.1 Thông số kỹ thuật của mô đun cảm biến áp suất hoàn chỉnh 95 5.1 Cấu trúc các chip cảm biến chế tạo. 100 5.2 So sánh chip cảm biến chế tạo được với thuyết minh đăng ký đầu vào 100 VI Danh sách hình Số TÊN HÌNH ẢNH Trang 1.1 Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ năm 2011 đến 2017 5 1.2 Thị phần các loại linh kiện MEMS năm 2011. 6 1.3 Quy trình chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ. 7 1.4 Mặt cắt của cảm biến áp suất cộng hưởng. 8 1.5 Mặt cắt cảm biến áp suất áp điện. 8 1.6 Mặt cắt và mô hình cảm biến áp suất áp trở. 9 1.7 Cấu trúc của cảm biến áp suất kiệu tụ điện khi có và không có ứng suất. 10 2.1 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông 14 2.2 Sơ đồ cấu trúc màng Silic hình vuông có tâm cứng. 16 2.3 Độ chuyển chuyển vị của màng bình thường và có tâm cứng trong cùng điều kiện áp suất. 17 2.4 Độ chuyển vị của màng cấu trúc tròn biến dạng theo phương ứng suất. 18 2.5 Cấu trúc cảm biến áp suất kiểu tụ màng tròn khi có tâm cứng. 20 2.6 Quy trình mô phỏng và tối ưu kết cấu 21 2.7 Vòng tròn Mohr ứng suất của phân tố 26 2.8 Chia miền tính toán thành các vi phân diện tích 39 2.9 Mặt Gauss dựa trên biên dạng chuyển vị của điện cực trên 28 2.10 Chiều tăng của L và hướng của vector cương độ điện trường 29 2.11 Mô hình tích phân theo đường sức của điện trường 30 2.12 Mạch khuếch đại đảo theo lý thuyết 32 2.13 Cấu tạo một tầng khuếch đại 33 2.14 Mạch khuếch đại với tụ gắn trực tiếp ở ngõ vào 34 VII 2.15 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp vào mạch khuếch đại 35 2.16 Mạch khuếch đại với tụ mắc gián tiếp 37 2.17 Sơ đồ khối mô đun cảm biến áp suất. 38 2.18 Sơ đồ khối mô đun chuyển đổi áp suất sang mô đun hiển thị. 39 2.19 Mạch dao động RC 39 2.20 Dạng sóng của mạch dao động tại V1 40 2.21 Dạng sóng của mạch dao động tại V2 và Vout 41 2.22 Lược đồ thực hiện của chương trình cho PIC 43 2.23 Kết cấu của màng sau khi chia lưới tứ diện 44 2.24 Phần tử tứ diện được khảo sát theo ứng suất và chuyển vị 44 2.25 ’Phân bố ứng suất Von Mises khi chịu tải áp suất 6 Bar màng 4x4 mm 45 2.26 Phân bố ứng suất Tressca khi chịu tải áp suất 6 Bar. 46 2.27 Kết quả mô phỏng độ chuyển vị (a) của màng Si + điện cực, và (b) của điện cực Al (không hiển thị màng Si) khi chịu áp suất 6 Bar. 47 2.28 Độ chuyển vị của các điểm trên điện cực (3x3 mm) được khảo sát trong dãy áp suất [0-6 Bar]. 48 2.29 Phân bố ứng suất Von Mises khi chịu áp suất 6 Bar của màng Si +lớp điện cực. 48 2.30 Phân bố ứng suất Tressca khi chịu tải áp suất 6 Bar. 49 2.31 Kết quả mô phỏng độ chuyển vị của màng (a) và điện cực nhôm (b) khi chịu áp suất 6 Bar. 50 2.32 Độ chuyển vị của các điểm được khảo sát trong dãy áp suất [0-6Bar] 51 2.33 Đáp ứng P-C với các giá trị khoảng cách giữa hai bản cực khác nhau (màng 4x4 mm) 52 2.34 Đáp ứng P-C theo khoảng cách hai bản cực (điện cực 5x5 mm) 52 VIII 2.35 So sánh đáp ứng P-C của hai loại cấu trúc trong dải áp suất [0-6 bar] với gap =10 µm. 53 2.36 So sánh quan hệ gia số áp suất và độ nhạy theo dải áp suất [0-6Bar] 53 2.37 Cấu trúc màng cảm biến được chọn 54 2.38 Mạch đóng gói cảm biến áp suất kiểu tụ điện thiết kế 55 2.39 Mối quan hệ điện áp ngõ ra và điện dung 56 2.40 Giá trị điện dung của tụ bằng 10 pF 57 2.41 Giá trị điện dung của tụ bằng 20 pF 57 2.42 VO với C = 10 pF tại nhiệt độ 25oC và tần số 50 kHz. 58 2.43 VO với C = 10 pF tại nhiệt độ 50oC và tần số 50 kHz. 58 2.44 VO với C = 20 pF tại nhiệt độ 50oC và tần số 50 kHz 58 2.45 VO với C = 20 pF tại nhiệt độ 25oC và tần số 50 kHz. 59 2.46 Mạch mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R = 270kohm và C = 22pF 60 2.47 Kết quả mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R = 270kω và C = 22pF 60 2.48 Mạch mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R = 270kω và C = 25pF 61 2.49 Kết quả mô phỏng bộ tạo tín hiệu số với giá trị R = 270kω và C = 25p 61 2.50 Biểu đồ biểu diễn mối tương quan giữa C và f, với R = 270kω . 62 3.1 Bộ Mask dùng để chế tạo chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện 64 3.2 Quy trình chế tạo chip cảm biến áp suất. 65 3.3 Mô hình phiến Silic 66 3.4 Nguyên lý tạo màng SiO2 bằng thiết bị PECVD. 67 3.5 Mô hình phiến Silic được phủ màng SiO2 hai mặt; 68 3.6 Mô hình phiến Silic được phủ lớp cảm quang 68 3.7 Mô hình chiếu chùm UV 69 3.8 Mô hình sau khi hiện hình mask 1 70 3.9 Mô hình ăn mòn lớp SiO2 70 IX 3.10 Mô hình khắc lớp KOH 71 3.11 Mô hình chiếu tia UV với mask 2 71 3.12 Mô hình phiến Silic sau khi mở cửa sổ SiO2 72 3.13 Mô hình quang khắc sử dụng mask 3 73 3.14 Mô hình phiến Silic được mở cửa sổ SiO2 73 3.15 Mô hình phiến Silic được phủ 1 lớp đồng 74 3.16 Mô hình ăn mòn điện cực; b) Phiến Silic sau khi ăn mòn đồng. 74 3.17 Nguyên lý cắt phiến Silic. 75 3.18 Cấu trúc màng Si cảm biến áp suất với kích thước 12.5x10 mm: a) Mặt trước-điện cực; b) Mặt sau – tâm cứng. 75 3.19 Mô hình pyrex được phủ lớp đồng 76 3.20 Mô hình pyrex đã được ăn mòn lớp đồng 76 3.21 Pyrex đã đươc cắt ra từng Die với kích thước 12,5mm x 10mm 77 3.22 Quy trình hàn Silic và Pyrex tạo cấu trúc chip cảm biến gia tốc. 77 3.23 Mô hình hệ hàn anodic. 78 3.24 Chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện được chế tạo. 78 3.25 Kính hiển vi Olympus MX51 79 3.26 Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc chụp bằng optical profiler Veeco NT1100 cho độ ghồ ghề khoảng 30 nm; 80 3.27 ’Hình thái bề mặt màng Si sau khi khắc chụp bằng optical profiler Veeco NT1100 cho độ ghồ ghề khoảng 12 nm; 801 4.1 Chip cảm biến áp suất. a) cấu trúc màng 6mm x 6mm; b) màng 4mm x 4 mm. 81 4.2 Hệ đo cảm biến áp suất 82 4.3 Cấu trúc chip cảm biến có dải áp suất làm việc lớn 0-6 Bar. 82 4.4 Biểu đồ tương quan giữa điện dung và áp suất P-C. 83 X [...]... ra, chip MPX2100AP được sản xuất để đo áp suất khí quyển với dải áp suất hoạt động từ 0 đến 1Bar Thông qua việc khảo sát các sản phẩm cảm biến áp suất đã được thương mại hóa và ứng dụng trong các thiết bị dân dụng, nhóm thực hiện đề tài sẽ thực hiện thiết kế, mô phỏng, chế tạo và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất với dải ứng suất hoạt động từ 0 – 6 Bar 1.2 Tình hình trong nước Hiện nay, nghiên. .. các thiết bị y tế, xe hơi, Chính vì vậy, cảm biến áp suất có giá trị thương mại hết sức to lớn Cảm biến áp suất có thể phân thành bốn loại chính như sau: (1) cảm biến áp suất kiểu tụ (capacitive), (2) cảm biến áp suất cộng hưởng, (3) cảm biến áp suất áp điện (piezoelectric) và (4) cảm biến áp suất kiểu áp trở (piezoresistive) Có thể tóm tắt các ưu, khuyết điểm và khả năng ứng dụng của các loại cảm biến. .. dãi áp suất nằm trong khoảng dự kiến 0 - 6 Bar nhằm hướng đến ứng dụng trong các thiết bị dân dụng - Nghiên cứu chế tạo và đóng gói cảm biến áp suất với các thông số: dãi áp suất hoạt động dự kiến 0 - 6 Bar, nhiệt độ hoạt động 0-900C, độ nhạy khoảng 0.11 pF/pF.Bar bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) 1 3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cấu trúc và các tính chất cơ điện của chip cảm biến. .. 95 4.23 Vỏ hộp của mô đun cảm biến áp suất 95 4.24 Đóng gói vỏ hộp cho module cảm biến áp suất 96 4.25 Ứng dụng cảm biến áp suất đo mực nước 97 4.26 Đồ thị tín hiệu đường chuẩn và tín hiệu đo 97 XI XII PHẦN MỞ ĐẦU 1 1.1 Thông tin về đề tài Tên đề tài Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm chíp cảm biến áp suất nhằm ứng dụng trong các thiết bị dân dụng 1.2 Chủ nhiệm đề tài ThS Ngô Võ Kế... tích hợp cảm biến và mạch điện trực tiếp với nhau Cảm biến áp suất loại này thường được ứng dụng trong điện thoại 6 di động, các thiết bị y tế, trong công nghiệp và trong ngành xe hơi Sơ đồ chế tạo qui trình này được trình bày ở (hình 1.3) Hình 1.3: Quy trình chế tạo cảm biến áp suất kiểu tụ [3] • Cảm biến áp suất cộng hưởng Cảm biến áp suất cộng hưởng dựa trên nguyên tắc cơ bản là sự thay đổi áp suất. .. Đạt tiêu chuẩn chế tạo Chip cảm biến áp Chip cảm biến áp suất suất công nghệ MEMS Cảm biến áp suất Dải áp suất: 0 – 6 Bar kiểu tụ điện 1 bộ Hoàn thành 30 cái Hoàn thành Nhiệt độ làm việc: 0- 2 bộ Hoàn thành 90oC Điện áp nguồn nuôi: 3 – 6V Độ nhạy: > 0.11 pF/pF.Bar Bo mạch đã gắn Đủ các tiêu chí kỹ thuật Chip cảm biến áp để chạy cảm biến áp suất suất hướng tới ứng dụng trong dân dụng Quy trình đóng Trình... loại cảm biến được ứng dụng trong các lĩnh vực kiểm định chất lượng (cân điện tử) Cảm biến loại này có một số ưu điểm như: chế tạo không phức tạp, giá thành tương đối Tuy nhiên, một điểm bất lợi của loại cảm biến này là sai số lớn Hình 1.5 trình bày mặt cắt của cảm biến áp suất áp điện Hình 1.5: Mặt cắt cảm biến áp suất áp điện [5] • Cảm biến áp suất áp trở Cảm biến áp suất loại áp trở là một trong. .. vào màng trong khoảng từ 0-6 Bar Nội dung 4: Nghiên cứu thiết kế bộ mask phục vụ cho quá trình chế tạo chip cảm biến áp suất kiểu tụ điện Nội dung 5: Nghiên cứu thiết kế quy trình chế tạo chíp cảm biến áp suất kiểu tụ điện sử dụng phòng sạch SHTP Nội dung 6: Đóng gói chíp cảm biến áp suất chế tạo được Nội dung 7: Kiểm tra và đánh giá chíp cảm biến áp suất chế tạo được - 2 4 Sản phẩm của đề tài (đối chiếu... biến áp suất đã nêu trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy: cảm biến áp suất kiểu tụ điện và cảm biến áp suất loại áp trở là hai loại cảm biến có thể chế tạo được với điều kiện máy móc thiết bị cũng như nguồn kinh phí và nhân lực tại Việt Nam Cảm biến áp suất loại áp trở với các ưu điểm như chi phí chế tạo khá thấp, sử dụng quy trình chuẩn của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) cũng là một hướng nghiên cứu tốt... trình thiết kế Sử dụng phần mềm mô Tài và mô phỏng cảm phỏng MEMS như AN- CD-ROM biến áp suất kiểu SYS , dải áp suất 0-6 tụ điện Tình Bar Sử dụng phần mềm trạng liệu, Hoàn thành mô phỏng MEMS như Pspide , dải áp suất 0-6Bar Quy trình chế tạo Dự kiến 15 bước chế Tài liệu, Chip cảm biến áp tạo Độ đồng nhất >20 CD-ROM suất dải làm việc Hoàn thành chip/ wafer 0-6 Bar Bộ mask chế tạo Đạt tiêu chuẩn chế tạo . DUNG NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện việc thiết kế, mô phỏng, chế tạo, đo đạc, đóng gói và ứng dụng thử nghiệm chip cảm biến áp suất kiểu tụ sử dụng các thiết bị hiện. mạch đã gắn Chip cảm biến áp suất. Đủ các tiêu chí kỹ thuật để chạy cảm biến áp suất hướng tới ứng dụng trong dân dụng. 2 bộ Hoàn thành Quy trình đóng gói Chip cảm biến áp suất chế tạo được. Trình. của cảm biến áp suất cộng hưởng. 7 Hình 1.4: Mặt cắt của cảm biến áp suất cộng hưởng [4]. • Cảm biến áp suất áp điện Cảm biến áp suất áp điện dựa trên hiện tượng áp điện để đo áp suất bằng cách