Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

-ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO ***** ***** NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) Chuyên ngành : Vật Liệu Linh Kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Vũ Ngọc Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 10 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục bảng Mục lục Giới thiệu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRỞ TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN SILIC 1.1 Hệ vi điện ứng dụng 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Công nghệ MEMS 1.1.3 Vật liệu MEMS 1.2 Hiệu ứng áp trở vật liệu silic 1.2.1 Mơ tả tốn học hiệu ứng áp trở 1.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ mức độ pha tạp đến hệ số áp điện trở 1.3 Phân loại MEMS cảm biến áp suất 1.3.1 Màng silicon vi 1.3.2 Cảm biến áp suất áp trở 1.3.3 Cảm biến áp suất kiểu tụ điện 1.3.4 Cảm biến áp suất cộng hưởng 1.3.5 Các kỹ thuật MEMS cảm biến áp suất khác Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ 2.1 Giới thiệu 2.1.1 Qui trình thiết kế 2.1.2 Thủ tục thiết kế 2.2 Thiết kế cảm biến áp suất áp điện trở 2.2.1 Mạch cầu Wheatstone 2.2.2 Phân tích ứng suất phương pháp giải tích 2.2.3 Phân tích áp điện trở phương pháp giải tích 2.3 Mơ dùng phần mềm ANSYS 2.3.1 Giới thiệu phần mềm 3 12 14 14 20 22 22 23 28 31 33 35 35 36 39 39 41 43 45 45 11 2.3.2 Chỉ tiêu thực tốn mơ 2.3.3 Phân tích độ nhạy cảm biến dùng phương pháp phần tử hữu hạn 2.4 Thiết kế mặt nạ (mask) Chương 3: XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3.1 Trang thiết bị hệ đo 3.2 Giao tiếp nối tiếp RS-232 3.2.1 Tổng quát 3.2.2 Kết nối sử dụng DB25 DB9 3.3 Xây dựng hệ đo dùng chuẩn giao tiếp RS-232 3.4 Thiết lập hệ đo sử dụng chương trình LabView 3.4.1 Khởi động chương trình 3.4.2 Xây dựng chương trình kiểu 3.4.3 Thiết lập tham số cho cổng nối tiếp 3.4.4 Viết liệu cho cổng nối tiếp 3.4.5 Đọc hiển thị liệu 3.4.6 Kết thúc ứng dụng 3.4.7 Xây dựng chương trình kiều Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Chế tạo cảm biến áp suất áp trở 4.2 Đặc tính cảm biến áp suất áp trở 4.2.1 Đặc tính đáp ứng 4.2.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính 4.2.3 Cảm biến nguồn cung cấp Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC A PHỤ LỤC B 47 55 58 62 64 64 66 69 70 72 73 73 74 75 76 77 78 82 82 84 86 89 90 91 93 95 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CAD Computer Aid Design Thiết kế với hỗ trợ máy tính CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bốc bay hoá học DAQ Data Acquisition Thu nhận liệu DCE Data Equipment DOF Degree Of Freedom Bậc tự DRC Design Rule Check Kiễm tra luật thiết kế D - RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòm phản ứng ion sâu DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối liệu FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 10 IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp 11 ICP - RIE Inductively Coupled Plasma Ăn mòn phản ứng Reactive Ion Etching ion ghép plasma 12 KEYOPT Key Option 13 LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Lắng đọng bốc bay Deposition hoá học áp suất thấp 14 MEMS Micro Electro System Mechanical Hệ vi điện tử 15 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 16 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion 17 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia điện tử 18 SOI Silicon On Insulator Silic chất cách li 19 VI Virtual Instrument Dụng cụ ảo Communications Thiết bị thơng tin liệu Khóa tùy chọn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Mơ tả Trang Hình 1.1 Vi khối silicon (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn 17 mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mịn ẩn phía dưới, (d) màng điện mơi ăn mịn khối mặt sau Hình 1.2 Các bước cụ thể xử lí vi bề mặt 19 Hình 1.3 Kỹ thuật hàn tĩnh điện 20 Hình 1.4 Xử lí LIGA 22 Hình 1.5 Mơ tả thành phần ứng suất thẳng góc 25 ứng suất trượt Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn hệ số áp trở song song 27 vng góc Hình 1.7 Các góc Euler phép biến đổi trục toạ độ 27 Đề-các Hình 1.8 Hệ số áp trở nồng độ pha tạp lớp khuyếch 30 tán bề mặt Hình 1.9 Sự phụ thuộc hệ số áp trở song song 31 vng góc vào định hướng tinh thể mặt phẳng (100): (a) – silic loại p; (b) – silic loại n 10 Hình 1.10 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp nhiệt độ Si loại p 11 Hình 1.11 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp nhiệt độ Si loại n 12 Hình 1.12 Màng silicon bị ăn mịn bất đẳng 33 13 Hình 1.13 Mặt cắt ngang cách bố trí sensor áp suất 35 cụ thể vi khối 14 Hình 1.14 Vị trí điện trở màng Boss 36 15 Hình 1.15 Cảm biến áp suất áp trở liên kết hợp 38 16 Hình 1.16 Cảm biến áp suất vi bề mặt với a) màng 39 Nitride; b) màng polisilicon 17 Hình 1.17 Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b) 39 màng có bậc 18 Hình 1.18 Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc 40 19 43 20 Hình 1.19 Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân Yokogawa Hình 2.1 Quy trình thiết kế linh kiện vi điện tử 21 Hình 2.2 a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu 46 46 Wheatstone 22 Hình 2.3 Q trình mơ MEMS cảm biến cụ thể 48 23 Hình 2.4 Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp 49 điện trở dùng cơng cụ thiết kế CADENCE 24 Hình 2.5 Tự động kiểm tra luật thiết kế 50 25 Hình 2.6 Cảm biến áp suất kết nối dùng điện trở 50 cầu Wheatstone 26 Hình 2.7 Cấu trúc cảm biến áp suất 59 27 Hình 2.8 Mơ hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp 60 điện trở 28 Hình 2.9 Điều kiện biên đặt tải cảm biến áp suất áp 61 điện trở 29 Hình 2.10 Kết tính tốn phần tử hữu hạn cảm biến 62 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa 30 Hình 2.11 Kết tính tốn phần tử hữu hạn cảm biến 63 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa.Ứng suất lớn σx σy theo mặt màng cảm biến 31 Hình 2.12 Kết tính tốn phần tử hữu hạn cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa.Ứng suất tương đương theo Von Mises 32 Hình 2.13 Kết tính toán phần tử hữu hạn cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa Sự thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến Chú ý áp điện trở đặt vị trí có σs = 33 Hình 2.14 Vị trí áp điện trở màng, ứng 65 suất phân bố lớn 34 Hình 2.15 Mối quan hệ điện áp ngỏ áp suất với 66 mật độ chia lưới khác 35 Hình 2.16 Mối quan hệ điện áp ngỏ áp suất với 67 độ dày áp điện trở khác 36 Hình 2.17 Độ nhạy điện áp ngỏ thay đổi độ dày 68 màng cảm biến 37 Hình 2.18 Độ nhạy điện áp ngỏ thay đổi kích thước 68 màng cảm biến 38 Hình 2.19 Mối quan hệ áp suất điện áp ngỏ 69 cảm biến với nguồn cung cấp khác 39 Hình 2.20 Sơ đồ mặt nạ cảm biến áp suất có kích 71 thước mm x mm 40 Hình 3.1 (a) Sắp xếp áp điện trở dây kết nối bên 74 cảm biến áp suất, (b) mạch cầu, (c) cầu Wheatstone, (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu Wheatstone 41 Hình 3.2 Tồn hệ thống đo lường: 1) chuẩn áp suất 75 pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo Keithley 2000, 3) máy tính 42 Hình 3.3 Chức thông tin EIA232, lọai đầu nối cho 76 máy tính cá nhân modem 43 Hình 3.4 Đầu nối thiết bị DB25 DB9 76 44 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) DCE 77 (modem hay thiết bị nối tiếp khác) 45 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) 25 chân 78 DCE (modem) chân 46 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) chân 78 DCE (modem) 25 chân 47 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) 25 chân 79 DCE (modem) 25 chân 48 Hình 3.9 Bộ chuyển đổi USB sang RS232 80 49 Hình 3.10 Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp 81 nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng ký tự máy tính thiết bị MC100 Keithley 50 Hình 3.11 Lưu đồ thuật tốn 82 51 Hình 3.12 Bảng hiển thị kết chương trình 83 LABVIEW 52 Hình 3.13 Màn hình làm việc ban đầu LabView 83 53 Hình 3.14 Cửa sổ làm việc cho lập trình 84 54 Hình 3.15 Thiết lập thông số cho cổng nối tiếp 85 55 Hình 3.16 Viết liệu tới cổng nối tiếp 86 56 Hình 3.17 Đọc định dạng liệu 86 57 Hình 3.18 Quá trình kết thúc ứng dụng 87 58 Hình 3.19 Hiển thị kết cuối kiểu 87 59 Hình 3.20 Thiết lập mã cho lọc 88 60 Hình 4.1 Áp điện trở: (a) sau quang khắc; (b) sau 89 khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc 61 Hình 4.2 Mặt trước sau cảm biến sau ăn mòn 90 khơ 20 phút 62 Hình 4.3 Độ sâu mặt nghiên màng bị ăn mòn đo 90 thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 (b) 2x2 µm2 63 Hình 4.4 Kích thước cảm biến chế tạo tương ứng với 91 1x1 2x2 mm2 64 65 Hình 4.5 Ảnh SEM 3D linh kiện cảm biến chế tạo Hình 4.6 Đặc tính tiếp xúc (contact) đường kim 91 92 loại nhôm (Al) bán dẫn (áp điện trở loại p) trước thêu kết 66 Hình 4.7 Đặc tính tiếp xúc (contact) đường kim 92 loại nhôm (Al) bán dẫn (áp điện trở loại p) sau thêu kết 4500 C Nitơ (N2) 67 Hình 4.8 (a) nối dây cho linh kiện; (b) đóng gói 93 68 Hình 4.9 Mối quan hệ điện áp ngõ vi sai cảm 94 biến áp suất với nguồn cung cấp mA 69 Hình 4.10 Sự phụ thuộc điện áp ngõ vi sai vào áp 95 suất sau cầu cân 70 Hình 4.11 Mối quan hệ điện áp ngõ tải áp suất 96 phụ thuộc vào nhiệt độ 71 Hình 4.12 Mối quan hệ điện áp ngõ tải áp suất 97 nhiệt độ 550C 72 Hình 4.13 Mối quan hệ điện áp offset nhiệt độ 98 73 Hình 4.14 Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ nhiệt độ 98 74 Hình 4.15 Mối quan hệ áp suất điện áp ngỏ 99 cảm biến với nguồn cung cấp khác 75 Hình 4.16 Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ tải áp suất 99 với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự Mô tả Trang Bảng 1.1 Các hệ số áp trở song song vng góc theo 29 hướng khác Bảng 1.2 Hệ số áp điện trở cụ thể cho vật liệu silic 30 12 GIỚI THIỆU Công nghệ vi chế tạo, đƣợc biết đến công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) công nghệ tiến tiến cho phép chế tạo linh kiện vi hệ thống điện tử Bao gồm dạng vi cấu trúc cơ, cảm nhận tín hiệu (sensor), chấp hành (actuator) Sản phẩm công nghệ MEMS đƣợc ứng dụng rộng rãi công nghiệp ô tô, y sinh học, điều khiển tự động, đo lƣờng, thông tin viễn thông …v…v… Trong ngành công nghiệp, cảm biến áp suất đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp lƣợng, nhƣ đóng vai trò quan trọng lĩnh vực y sinh học để đo nhịp tim, huyết áp Ngồi thay xúc giác ngƣời (nhƣ da nhân tạo) cần xác định hình dạng hay lực cầm nắm vật Trên thực tế, để đáp ứng nhu cầu đa dạng địi hỏi cảm biến áp suất phải đáp ứng cách tốt cho trƣờng hợp cụ thể Chính cảm biến áp suất kiểu áp trở, đáp ứng phần độ nhạy khả đo áp suất phạm vi rộng Cảm biến áp suất cụ thể đƣợc chế tạo vào năm 1960, sau nhiều nhà nghiên cứu giới tập trung nghiên cứu lĩnh vực Đặc biệt có xuất công nghệ vi cơ, mở khả việc chế tạo linh kiện có kích thƣớc thu nhỏ Ngày nay, cảm biến áp suất silic đƣợc thƣơng mại hóa, mức độ sử dụng tồn giới đạt hàng trăm triệu linh kiện hàng năm với ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Trong ứng dụng, nhu cầu kích thƣớc thu nhỏ tiêu chí đặt lên hàng đầu công nghệ MEMS thật đáp ứng Do đó, luận văn tập trung vào đặc tính vật liệu silic đơn tinh thể, vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến linh kiện MEMS đặc biệt đặc tính áp điện trở 98 đƣợc xác định tƣơng tự với giá trị αS = - 6.059x10-4 mV/kPa/K sở đƣờng biểu diễn (hình 4.14) 35 o At 55 C The first measuring time The second measuring time The third measuring time 30 Vout (mV) 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Pressure (kPa) Hình 4.12 Mối quan hệ điện áp ngõ tải áp suất nhiệt độ 55 0C Do đó, cảm biến khơng bù nhiệt, mối quan hệ điện áp ngỏ vi sai VDIFF áp suất P nhiệt độ T là: VDIFF = VOS + TαVOS + P(STroom + TαS) Với VOS điện áp vi sai điện áp nguồn cung cấp khơng đổi, khơng có áp suất đặt vào, nhiệt độ chuẩn S độ nhạy cảm biến nhiệt độ gốc 4.2.3 Cảm biến nguồn cung cấp Nhƣ biết nguồn điện nguyên nhân ảnh hƣởng khơng tốt đến kết đo Hình 4.13 trình bày kết khảo sát với nguồn cung cấp khác Chúng ta thấy nguồn cung cấp tăng, điện áp ngỏ cảm biến tăng tuyến tính Mối liên hệ điện áp ngỏ vi sai áp suất tải tăng theo nguồn cung cấp Kết đƣợc trình bày (hình 4.14) Từ tính đƣợc sai số nguồn cung cấp gây việc định tới độ nhạy cảm biến 1.99 % cách tính 99 sai số trung bình cuả nguồn cung cấp Giá trị lớn nhiều so với giá trị đo đƣợc (0.53 %) -14.0 2V Feed Source Linear Fit (y = -0.09865*x + 15.48498) -14.5 VOS (mV) -15.0 -15.5 -16.0 -16.5 -17.0 300 305 310 315 320 325 330 Temperature (Kelvin) Hình 4.13 Mối quan hệ điện áp offset nhiệt độ 0.342 2V Feed Source Linear Fit (y = -6.05932E-4*x + 0.52462) 0.340 Sensitivity (mV/kPa) 0.338 0.336 0.334 0.332 0.330 0.328 0.326 0.324 300 305 310 315 320 325 330 Temperature (Kelvin) Hình 4.14 Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ nhiệt độ 100 35 0.25 V 0.50 V 0.75 V 1.00 V 1.25 V 1.50 V 1.75 V 2.00 V 2.25 V 2.50 V 30 Vout (mV) 25 20 15 10 0 20 40 60 80 100 Pressure (kPa) Hình 4.15 Mối quan hệ áp suất điện áp ngỏ cảm biến với nguồn cung cấp khác 0.35 Experience value Linear Fit (y = 0.13606*x + 0.00504) V/P (mV/kPa) 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Supply source (V) Hình 4.16 Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ tải áp suất với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác 101 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mục đích nghiên cứu luận văn cung cấp tổng quan lí thuyết mô hiệu ứng áp điện trở silic Trên sở khảo sát, thiết kế thực nghiệm cho linh kiện cảm biến áp suất áp điện trở Trong chƣơng tóm lƣợt điểm nghiên cứu đề xuất kiến nghị cho công việc tƣơng lai lĩnh vực KẾT LUẬN Áp điện trở thay đổi điện trở suất áp suất hay ứng suất tác động vào Nó có nhiều ứng dụng sở vật liệu silic để chế tạo MEMS cảm biến khác Có nhiều thử thách việc xem xét mối liên quan thiết kế, mô thực nghiệm Các kết nghiên cứu có đƣợc luận văn tóm lƣợc nhƣ sau:  Thiết kế vi cảm biến áp suất áp điện trở sở dùng phƣơng pháp giải tích Chúng ta tính tham số thiết kế cho cảm biến áp suất tùy theo tham số kỹ thuật yêu cầu Trƣớc tiên, Cấu hình cầu Wheatstone đƣợc chọn cho kết nối áp điện trở Để tính đƣợc độ nhạy linh kiện, phải xuất phát từ mối liên hệ ứng suất điện áp ngỏ sau mối liên hệ áp suất tải đặt vào với ứng suất Kết hợp hai điều có đƣợc mối liên hệ áp suất với độ nhạy ngỏ linh kiện  Mô đặc tính học màng cảm biến dùng phần mềm ANSYS sở phân tích dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, nhằm xác định đƣợc phân bố ứng suất có tải áp suất tác động vào Từ tìm đƣợc vị trí có ứng suất lớn để đặt áp điện trở  Dùng phần mềm ANSYS xây dựng tốn mơ tƣơng tác trƣờng vật lý, ứng suất độ nhạy điện áp ngỏ Việc mô giúp khảo sát đƣợc tham số nhƣ nhiệt độ, kích thƣớc áp điện trở, cấu trúc hình học màng cảm biến ảnh hƣởng đến độ nhạy ngỏ linh kiện 102  Trên sở thiết kế mô phỏng, tiến hành thiết kế mặt nạ để phục vụ trình chế tạo linh kiện  Sau linh kiện đƣợc chế tạo, tiến hành xây dựng hệ đo, với thiết bị đo lƣờng đƣợc kết nối thông qua chuẩn giao tiếp RS232 Sự hỗ trợ phần mềm LabView, truy xuất đƣợc đại lƣợng cần đo kết đo đƣợc từ thực nghiệm phản ánh tƣơng quan với thiết kế mô  Vi cảm biến áp suất áp điện trở đƣợc chế tạo hoạt động tuyến tính dãy áp suất -> 100 KPa Độ nhạy ngỏ linh kiện đo đƣợc 0.186 mV/V/KPa KIẾN NGHỊ Thông qua tốn thiết kế mơ nhƣ thực nghiệm, thấy đƣợc ảnh hƣởng tham số đến độ nhạy ngỏ linh kiện Tuy nhiên có vài tham số ảnh hƣởng lớn đến ngỏ linh kiện mà chƣa xét đến chẳng hạn nhƣ nhiệt độ, điện áp offset Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hệ số áp điện trở, nhƣ q trình đóng gói linh kiện cung cấp sở cho việc mô dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn tƣơng lai, cách thực tốt để diễn đạt tham số đo thực nghiệm Vấn đề bù nhiệt bù offset toán cần phải xem xét sau Hệ vi điện tử MEMS bao gồm thành phần vi vi điện tử để tăng độ nhạy ngỏ hay điều chỉnh đƣợc giá trị offset linh kiện, cần phải có mạch điện tử cảm biến đƣợc tích hợp phiến silic Điều thách thức mặt công nghệ hứa hẹn cho nghiên cứu sau -o0o - 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý, Trƣờng Đại Học Bách Khoa, Hà Nội [2] Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu áp trở kích thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật [4] GS.TS Nguyễn Văn Phái, GVC.TS Trƣơng Tích Thiện, Ths Nguyễn Tƣờng Long, Ths Nguyễn Định Giang (2003), Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật [5] Phan Hồ, Phan Quốc Phơ (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Đức Hải (2002), Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất Lao Động Xã Hội Tiếng Anh [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis and Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor, Department of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua university, Hsin Chu, Taiwan Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices theory and applications, Department for Micro and Nano Technology, DTU Fatikow, S and Rembold, U (1997), Microsystem technology and microrobotics, Springer, New York Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of silicon, Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551 Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for sensitivity and linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.8, No.4, December 1999 MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design Hanhbook”, Design Introduction, SensorNor Asia, All rights reserved MEMS Industry Group, Piezo-resister Pressure Sensor Cluster ENEE605 Final Project Report, Fall 2002, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Maryland Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), MEMS Mechanical Sensors, Artech House Inc, Boston, London Stephen D.Senturia (2002), Microsystem Design, pp.485-486, Massachusetts Institute of Technology, Kluwer Academic Publishers, New York 104 [16] Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS), Pennsylvania State University, USA [17] Shimbo, M., K Furukawa, K Fukuda, and K Tanzawa, Silicon-to-silicon direct bonding method Journal of Applied Physics, 1986 60(8): p 29872989 [18] Y Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol ED-29, pp 64-70 [19] S K Clark and K D Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched thin-diaphragm pressure sensors, IEEE Trans Electron Devices, vol ED26, pp 1887–1896, 1979 [20] Roark, Roarks formulas for stress and strain, p 464, Table 26 case McGraw Hill, edition 105 PHỤ LỤC A CHƢƠNG TRÌNH ANSYS CHO PHÂN TÍCH TÍNH CƠ HỌC CỦA MÀNG CẢM BIẾN /BATCH /COM, PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSOR /COM, AUTHOR: NGUYEN HUU KHANH NHAN /COM, DATE: 03/12/2007 /PREP7 /TITLE,PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSOR !Parameter H=10 ! The thickness of diaphram unit: um L=500 ! The Length of diaphram unit: um TK=500 FR=250 SIDENS=2.329e-15 !Material properties !Mechanical Properties ET,1,SOLID186 MP,DENS,1,SIDENS c11=1.674e5 ! parameters for the independent c12=0.652e5 ! modulus of elasticity c44=0.796e5 TB,ANEL,1,1 TBDATA,1,c11,c12,c12,0,0,0 TBDATA,7,c11,c12,0,0,0,c11 TBDATA,13,0,0,0,c44,0,0 TBDATA,19,c44,0,c44 ! Creat geometry BLC5,,,L+2*FR,L+2*FR,TK BLC5,,,L,L,TK VSBV,1,2 BLC5,,,L,L,H VGLUE,3,1 LOCAL,11,0,,,,45 !Meshing MSHAPE,0,3D MSHKEY,1 ESYS,11 ESIZE,50 VMESH,1 MSHAPE,0,3D MSHKEY,1 ESYS,11 ESIZE,50 VSWEEP,2 106 -/SOLU ANTYPE,STATIC !Boundary condictions DA,14,ALL,0 !LOAD PRESSURE SFA,2,,PRES,0.01 SOLVE !SFA,2,,PRES,0.02 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.03 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.04 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.05 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.06 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.07 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.08 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.09 !SOLVE !SFA,2,,PRES,0.1 !SOLVE FINISH /POST1 PLNSOL,S,EQV -o0o - 107 PHỤ LỤC B CHƢƠNG TRÌNH ANSYS CHO PHÂN TÍCH TƢƠNG TÁC CƠ ĐIỆN CHO ĐỘ NHẠY NGỎ RA CỦA CẢM BIẾN ÁP SUẤT ÁP ĐIỆN TRỞ /COM, PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSOR /COM, AUTHOR: NGUYEN HUU KHANH NHAN /COM, DATE: 29/12/2008 /PREP7 /TITLE,PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSOR !Parameter H=10 ! The thickness of diaphram unit: um L=1000 ! The Length of diaphram unit: um TK=500+H FR=250 SIDENS=2.329e-15 !The mass density of Silicon ! Piezoresistive parameters D=10 ! Distance from the edge of piezoresistive element to the edge of diaphragm Silicon PW=2 PLLONG=30 PLPI=30 PADP=6 PH=1.85 DPI=0 Vs=5 !V !Vung chia luoi nho co dien tro LEM=50 !Electrode parameters LE=3 WE=3 HE=0.3 !Material properties !new ! Properties of Structrual Material- Type *SET,c11,1.94e5 ! parameters for the independent *SET,c21,0.35e5 ! modulus of elasticity *SET,c31,0.64e5 *SET,c22,1.94e5 *SET,c32,0.64e5 *SET,c33,1.66e5 *SET,c44,0.80e5 *SET,c55,0.80e5 *SET,c66,0.51e5 ET,1,SOLID186 MP,DENS,1,SIDENS TB,ANEL,1,1 !TB,ANEL,MAT,TEMP TBDATA, 1, C11, C21, C31, 0, 0, TBDATA, 7, C22, C32, 0, 0, 0, C33 TBDATA, 13, 0, 0, 0,C44, 0, TBDATA, 19,C55, 0, C66 !new ! Properties of Piezoresistive Material- Type 108 -! Piezoresistive Properties P11=72E-5 P12=-66E-5 P13=-1E-5 P66=8E-5 rho= 7.8e-8 ET,2,SOLID226,101 TB,PZRS,2,,,0 TBDATA,1,P11,P12,P13 TBDATA,7,P12, TBDATA,15,P13 TBDATA,36,P66 !Electrical Resistivity MP,RSVX,2,rho !Mechanical Properties MP,DENS,2,SIDENS MP,EX,2,169E3 MP,EY,2,169E3 MP,NUXY,2,0.06 ! Stop Properties of Piezoresistive Material- Type ! Properties of Electrode Material- Type 3-Aluminum E3=70e3 ! Young modulus, unit: MPa NU3=0.35 RHOAL=1E-8/(337E3) ET,3,SOLID231 MP,EX,3,E3 MP,NUXY,3,NU3 MP,RSVX,3,RHOAL ! Stop Properties of Electrode Material- Type ! Creat geometry BLC5,L/2+FR/2,,FR,L+2*FR,TK BLC5,-(L/2+FR/2),,FR,L+2*FR,TK BLC5,,L/2+FR/2,L+2*FR,FR,TK BLC5,,-(L/2+FR/2),L+2*FR,FR,TK BLC5,,,L,L,H VSEL,S,VOLU,,1,5,1 VOVLAP,ALL VSEL,S,VOLU,,6,14,1 VGLUE,ALL CM,MSENSOR,VOLU ALLSEL,ALL ! 3D-Piezoresistive geometries !Long piezoresistors BLC5,L/2-D-PADP/2,,PW,PLLONG BLC5,L/2-D-PADP/2,(PLLONG+PADP)/2,PADP,PADP BLC5,L/2-D-PADP/2,(PLLONG+PADP)/2,LE,LE BLC5,L/2-D-PADP/2,-(PLLONG+PADP)/2,PADP,PADP BLC5,L/2-D-PADP/2,-(PLLONG+PADP)/2,LE,LE ASEL,S,AREA,,1,2,1 109 -ASEL,A,AREA,,6 VEXT,ALL,,,,,PH ASEL,S,AREA,,5 ASEL,A,AREA,,7 VEXT,ALL,,,,,-HE VSEL,S,VOLU,,1,5,1 VGLUE,ALL CM,LPIEZO1,VOLU !PI Piezoresistors BLC5,DPI+PADP/2,L/2-D-PADP-PLPI/2,PW,PLPI BLC5,DPI+PADP/2,L/2-D-PADP/2,PADP,PADP BLC5,DPI+PADP/2,L/2-D-PADP/2,LE,LE BLC5,DPI+PADP/2,L/2-D-PADP-PLPI-PADP/2,PADP,PADP BLC5,DPI+PADP/2,L/2-D-PADP-PLPI-PADP/2,LE,LE ASEL,S,AREA,,6 ASEL,A,AREA,,2 ASEL,A,AREA,,16 VEXT,ALL,,,,,PH ASEL,S,AREA,,15 ASEL,A,AREA,,20 VEXT,ALL,,,,,-HE ALLSEL,ALL VSEL,S,VOLU,,2,3,1 VSEL,A,VOLU,,17 VSEL,A,VOLU,,18,19,1 VGLUE,ALL CM,PIPIEZO1,VOLU ALLSEL,ALL CMSEL,S,LPIEZO1,VOLU VSYMM,X,ALL CMSEL,U,LPIEZO1,VOLU CM,LPIEZO2,VOLU ! Reflect the PI piezoresistor CMSEL,S,PIPIEZO1,VOLU VSYMM,Y,ALL CM,PIPIEZO2,VOLU ALLSEL,ALL CMSEL,S,MSENSOR,VOLU CMSEL,A,LPIEZO1,VOLU CMSEL,A,LPIEZO2,VOLU CMSEL,A,PIPIEZO1,VOLU CMSEL,A,PIPIEZO2,VOLU VOVLAP,ALL VSEL,S,VOLU,,30 CM,DIAPHRAGM,VOLU !STOP MODEL VSEL,S,LOC,Z,0,-HE CM,ELEC,VOLU VSEL,S,VOLU,,4 VSEL,A,VOLU,,18 CM,VINELEC,VOLU VSEL,S,VOLU,,19 VSEL,A,VOLU,,17 CM,OUT1ELEC,VOLU 110 -VSEL,S,VOLU,,22 VSEL,A,VOLU,,26 CM,GNDELEC,VOLU VSEL,S,VOLU,,27 VSEL,A,VOLU,,5 CM,OUT2ELEC,VOLU ALLSEL,ALL CMSEL,S,LPIEZO1,VOLU CMSEL,A,LPIEZO2,VOLU CMSEL,A,PIPIEZO1,VOLU CMSEL,A,PIPIEZO2,VOLU CMSEL,U,ELEC,VOLU CM,PIEZO,VOLU ALLSEL,ALL ! Meshing !LOCAL,11,0,,,,45 !ESYS,11 !MESHING ELECTRODES TYPE,3 MAT,3 MSHAPE,0,3D MSHKEY,1 ESIZE,1 CMSEL,S,ELEC,VOLU VMESH,ALL ALLSEL,ALL !MESHING PIEZORESISTORS TYPE,2 MAT,2 MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 ESIZE,1 CMSEL,S,PIEZO,VOLU VMESH,ALL ALLSEL,ALL !MESHING STRUCTURES TYPE,1 MAT,1 MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 ESIZE,25 CMSEL,S,DIAPHRAGM,VOLU VMESH,ALL ESIZE,200 CMSEL,A,MSENSOR,VOLU VMESH,ALL ALLSEL,ALL !Creat the Wheaston bridge !Setting the supply voltage CMSEL,S,VINELEC,VOLU NSLV,S,1 CP,1,VOLT,ALL *GET,VOLTS,NODE,0,NUM,MIN D,VOLTS,VOLT,Vs 111 -!Setting the ground voltage CMSEL,S,GNDELEC,VOLU NSLV,S,1 CP,2,VOLT,ALL *GET,GND,NODE,0,NUM,MIN D,GND,VOLT,0 !Setting the first output voltage CMSEL,S,OUT1ELEC,VOLU NSLV,S,1 CP,5,VOLT,ALL *GET,VOUT1,NODE,0,NUM,MIN !Setting the second output voltage CMSEL,S,OUT2ELEC,VOLU NSLV,S,1 CP,6,VOLT,ALL *GET,VOUT2,NODE,0,NUM,MIN ALLSEL,ALL /SOLU ANTYPE,STATIC !Mechanical boundary condictions ASEL,S,LOC,Z,TK DA,ALL,ALL,0 !LOAD PRESSURE ALLSEL,ALL ASEL,S,AREA,,26 ASEL,A,AREA,,65 ASEL,A,AREA,,61 ASEL,A,AREA,,57 ASEL,A,AREA,,69 SFA,ALL,,PRES,0.07 ALLSEL,ALL SOLVE FINISH /POST1 VOLTOUTPUT1=VOLT(VOUT1)*1E3 VOLTOUTPUT2=VOLT(VOUT2)*1E3 !The voltage between VOUT1 and VOUT2 UOUT=ABS(VOLT(VOUT1)-VOLT(VOUT2))*1E3 -o0o - -ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO ***** ***** NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) Chuyên ngành : Vật Liệu Linh Kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Vũ Ngọc Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 ... số áp điện trở 1.3 Phân loại MEMS cảm biến áp suất 1.3.1 Màng silicon vi 1.3.2 Cảm biến áp suất áp trở 1.3.3 Cảm biến áp suất kiểu tụ điện 1.3.4 Cảm biến. .. vi chấp hành với công suất ngõ cao Công nghệ vi trở thành công nghệ cho chế tạo linh kiện vi điện tử đặc biệt cảm biến chấp hành thu nhỏ Silic thuận lợi 15 cho cơng nghệ vi cơ, cho phép chế. .. hiểu cơng nghệ chế tạo MEMS, với phƣơng pháp nhƣ vi khối vi bề mặt Trên sở hai phƣơng pháp cho thấy đƣợc ứng dụng cơng nghệ vào chế tạo cho phù hợp với ứng dụng cụ thể Để chế tạo MEMS cảm biến áp