Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở

Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Lời cảm ơn Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp với đề tài Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo đề suất ứng dụng công sức thân hướng dẫn nhiệt tình thầy huớng dẫn l Ts Trịnh Quang Thông Ts Đinh Văn Dũng, bảo giúp đỡ quí thầy cô Khoa vật lý Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts Trịnh Quang Thông Ts Đinh Văn Dũng qúi thầy cô khoa vật lý ủng hộ giúp đỡ trình nghiên cứu, tìm hiểu trình bày khóa luận Do lực nghiên cứu có hạn khóa luận chắn không tránh thiếu sót Rất mong bảo góp ý thầy cô giáo bạn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Tác giả khóa luận Đỗ Hữu Bình Đỗ Hữu Bình -1- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nghiên cứu khóa luận trung thực Khóa luận chưa công bố công trình Nếu lời cam đoan sai xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Tác giả khóa luận Đỗ Hữu Bình Đỗ Hữu Bình -2- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục .3 Mở đầu Lí chọn đề tài 4 Mục đích chọn đề tài Nhiệm vụ nghiên cứu .4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chương Giới thiệu chung cảm biến đo gia tốc 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Việc đo gia tốc kỹ thuật cảm biến đo gia tốc 1.3 Giới thiệu loại cảm biến đo gia tốc thông dụng Chương Cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến đo gia tốc silic kiểu áp trở 15 2.1 Vật liệu silic để chế tạo cảm biến 15 2.2 Cấu trúc 19 2.3 Nguyên lý hoạt động 22 Chương Tìm hiểu công nghệ chế tạo đề suất ứng dụng cảm biến 25 3.1 Các kỹ thuật công nghệ MEMS 25 3.2 Tìm hiểu qui trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc 28 3.3 Đề suất ứng dụng 35 Kết luận 37 Tài liệu tham khảo Đỗ Hữu Bình 38 -3- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Mở đầu lí chọn đề tài Ngy với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, ngành công nghệ vi điện tử đạt đỉnh cao Công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện linh kiện điện phát triển mạnh, gọi công nghệ chế tạo vi điện tử - MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems) MEMS công nghệ có khả cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả tính toán yếu tố vi điện tử với vi cảm biến vi kích hoạt có khả nhận biết điều khiển Ngoài ra, MEMS mở rộng khả thiết kế ứng dụng Nó tạo thay đổi mang tính cách mạng chế tạo linh kiện kích thước cỡ micô, ứng dụng lĩnh vực công nghiệp, điện tử dân dụng, quân v.v Trước phát triển công nghệ MEMS, sinh viên khoa Vật lí, nhận thấy tiềm lớn công nghệ MEMS muốn sâu vào tìm hiểu với hi vọng hiểu ngày chế tạo cảm biến gia tốc MEMS Được hướng dẫn bảo TS Trịnh Quang Thông TS Đinh Văn Dũng, thầy cô giáo khoa Vật lí, nên em định lựa chọn nghiên cứu đề tài: Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo đề suất ứng dụng để giúp thân đam mê công nghệ MEMS nói chung cảm biến nói riêng hiểu rõ thêm cảm biến gia tốc Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu hệ thống hoá kiến thức cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo đề suất vài ứng dụng cảm biến phương diện lí thuyết Đỗ Hữu Bình -4- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Đối tượng nghiên cứu Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến đo gia tốc kiểu áp trở, việc đo gia tốc kỹ thuật cảm biến đo gia tốc, giới thiệu loại cảm biến đo gia tốc thông dụng, công nghệ qui trình chế tạo cảm biến Đưa vài đề suất ứng dụng cảm biến gia tốc Phương pháp nghiên cứu : Thu thập tài liệu, tìm hiểu hệ thống hoá kiến thức cảm biến gia tốc kiểu áp trở Đỗ Hữu Bình -5- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Chương Giới thiệu chung cảm biến đo gia tốc 1.1 Giới thiệu chung Gia tc l đại lượng vật lí c trng cho s thay i ca vận tốc theo thời gian Nó l mt nhng i lng c bn dùng mô t chuyển động Gia tốc mối liên hệ lực khối lượng Mọi cảm biến gia tốc dựa tượng vật lí sử dụng mối quan hệ lực khối lượng để nhận đại lượng điện thông tin gia tốc cần đo Các cảm biến gia tốc thông dụng hoạt động dựa nguyên lí thay đổi học cấu trúc đặt hệ trạng thái chuyển động có gia tốc Cấu trúc cảm biến gia tốc gồm khối gia trọng gắn dầm Khi đặt cảm biến vào hệ chuyển động có gia tốc tác dụng lực quán tính đặt lên khối gia trọng dầm bị uốn cong Một cấu trúc điện thích hợp tích hợp lên cấu trúc, cho phép xác định chuyển vị khối gia trọng uốn cong dầm, gián tiếp thông tin gia tốc hệ Các cảm biến gia tốc chế tạo dựa công nghệ vi điện tử vi hệ thống thâm nhập cách mạnh mẽ hầu hết lĩnh vực y sinh, công nghiệp ôtô, điện dân dụng, khoa học không gian, hệ thống cảm nhận rung lắc thiết bị chống rung hệ thống vũ khí v.v Công nghệ MEMS công nghệ tiên tiến phát triển mạnh năm gần tính ưu việt công nghệ, cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện Việc phát triển công nghệ MEMS để chế tạo cảm biến đo gia tốc quan tâm nghiên cứu từ nhiều trung tâm khoa học công nghệ lớn giới Hiện nay, có nhiều loại cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện áp điện trở, cảm biến gia tốc nhiệt v.v Nhìn chung loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng cảm biến gia tốc kiểu áp trở thông dụng ưu Đỗ Hữu Bình -6- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý điểm vượt trội độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lí tín hiệu đơn giản v.v Với ứng dụng ngày trở lên tinh tế cảm biến gia tốc độ nhạy cao, kích thước nhỏ đặt 1.2 Việc đo gia tốc kỹ thuật cảm biến đo gia tốc Để đo gia tốc (là tín hiệu học dạng động), ta sử dụng cấu trúc có khối gia trọng gắn dầm Khi hệ chuyển động có gia tốc, khối gia trọng gắn dầm chịu tác dụng lực quán tính tỉ lệ với gia tốc hệ Kết dầm bị uốn cong với độ lệch tỉ lệ với tín hiệu cần đo Thông thường, dầm, giá đỡ khối trọng chế tạo từ vật liệu khối ban đầu Bằng cách gia công tách bỏ phần thích hợp khối vật liệu, phần lại tạo thành hệ dầm khối gia trọng Một cấu trúc điện thích hợp tích hợp phần tử nhạy để cảm nhận uốn cong chuyển đổi thành tín hiệu điện lối [1] Như vậy, cách đó, ta đo cách định lượng tín hiệu gia tốc cách đo tín hiệu điện lối thiết bị cảm biến Tuỳ theo mức gia tốc dải tần mà người ta phân biệt điều kiện thực nghiệm khác nhau: 1.2.1 Đo gia tốc chuyển động khối lượng (Máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuỷ v.v) chuyển động trọng tâm giữ tần số tương đối thấp (từ nhỏ vài trục Hz) thường liên quan đến gia tốc nhỏ Các cảm biến thích hợp dựa tượng cho phép đo xác đại lượng có tần số không tương ứng với giá trị liên tục đo, gọi cảm biến gia tốc khiên chế Đây cảm biến gia tốc đo dịch chuyển (cảm ứng, tụ điện, điện kế quang) cảm biến gia tốc đo biến dạng Cấp xác chúng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo thay đổi khoảng từ 10-4 đến [4] Đỗ Hữu Bình -7- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý 1.2.2 Đo gia tốc rung cấu trúc cứng cấu trúc có khối lượng lớn cần phải sử dụng cảm biến có dải tần đạt tới hàng trăm Hz đồng thời phải cho phép đo gia tốc không đổi gần không đổi với giảm rung thích hợp [4] Cảm biến gia tốc thường sử dụng loại từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại áp điện trở Cấp xác cỡ 10-2 lĩnh vực ứng dụng rộng rãi chúng cho phép đo đồng thời hai chế độ tĩnh động [4] 1.2.3 Đo gia tốc rung mức trung bình dải tần tương đối cao (~ 10kHz) thường tiến hành vật có khối lượng nhỏ nên đòi hỏi cảm biến gia tốc phải có độ xác cao, sử dụng loại áp trở áp điện, cấp xác 10-2 [4] 1.2.4 Khi đo va đập có gia tốc dạng xung mức độ cao đòi hỏi cảm biến gia tốc phải có dải thông rộng hai phía tần số thấp tần số cao [4] Cảm biến gia tốc thiết bị dùng để đo gia tốc Cảm biến vi loại cảm biến chế tạo theo công nghệ vi Nó sản phẩm phong phú đa dạng công nghệ MEMS Cảm biến gắn vật chủ cần đo vận tốc góc, tín hiệu lấy từ cảm biến đưa qua khuếch đại biên độ cho qua lọc, lọc tín hiệu cần thiết đưa qua máy tính xử lý tín hiệu cho kết đầu Hệ thống đo sơ đồ (hình 1) Đỗ Hữu Bình -8- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Hình Sơ đồ hệ đo gia tốc Cảm biến vi ngày nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ có độ tin cậy cao chưa có so với cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước Trong đề tài đặc biệt quan tâm đến khả ứng dụng cảm biến gia tốc vi điện tử 1.3 Giới thiệu loại cảm biến đo gia tốc thông dụng Dựa theo phương pháp đo, cảm biến gia tốc chia làm hai loại phương pháp đo dựa sở ứng suất phương pháp đo dựa sở chuyển vị Cả hai phương pháp đo dựa mối quan hệ tín hiệu lối gia tốc lối vào Phương pháp đo dựa sở ứng suất thường sử dụng hiệu ứng áp điện trở, piezojunction hay cộng hưởng, phương pháp đo dựa sở chuyển vị thường sử dụng hiệu ứng điện dung, cảm ứng, quang học, nhiệt hay hiệu ứng tunnel để thực việc chuyển đổi tín hiệu Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi điện tử có nhiều loại cảm biến đo gia tốc: kiểu tụ, áp điện áp trở, cảm biến gia tốc quang v.v Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện hay áp điện trở quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm công nghệ chế tạo đơn giản Tuy nhiên nhược điểm hoạt động phụ thuộc nhiều vào thay đổi nhiệt độ có độ nhạy cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, phụ thuộc vào nhiệt độ bị nhiễu Đỗ Hữu Bình -9- K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý mát lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm mạch điện tử phức tạp Hiện cảm biến gia tốc kiểu tụ ứng dụng rộng rãi Trong thực tế có loại cảm biến tiêu biểu sau: - Cảm biến gia tốc áp điện trở: Là cảm biến gia tốc chất rắn chế tạo hệ thống bao gồm cấu trúc học phần tử áp điện trở gắn lên Đối với loại này, phần tử áp điện trở đặt hệ dầm Khi cảm biến gia tốc áp điện trở chịu tác động gia tốc, khối gia trọng dịch chuyển lên xuống, gây phân bố ứng suất hệ dầm khiến phần tử áp điện trở thay đổi điện trở Do có mối liên hệ điện trở gia tốc Hình mô tả minh họa vị trí phần tử áp điện trở Trong hình này, phần tử áp điện trở gần bờ tăng điện trở phần tử áp điện trở gần khối gia trọng giảm điện trở, ngược lại, phụ thuộc vào hướng chuyển động khối gia trọng [2] Hình Thanh dầm cấy phần tử áp điện trở cảm biến gia tốc áp điện trở - Cảm biến gia tốc áp điện: Cảm biến gia tốc dựa hiệu ứng áp điện giống cảm biến gia tốc hiệu ứng áp trở Trên cảm biến gia tốc áp điện, phần tử áp điện cấy phủ lên hệ dầm, thay đổi ứng suất hệ dầm tác động gia tốc làm khối trọng chuyển động làm thay đổi điện áp phần tử áp điện (hình 3) [2] Đỗ Hữu Bình - 10 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Chương Tìm hiểu công nghệ chế tạo cảm biến Đề suất ứng dụng cảm biến 3.1 Các kỹ thuật công nghệ MEMS 3.1.1 Gia công vi khối Gia công vi khối lấy phần thể tích phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi Gọi gia công thực dùng phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo phiến lỗ sâu, rãnh, chỗ lõm v.v minh họa hình 18 hình 18 Qui trình công nghệ chế tạo Để hình thành chi tiết phần lại có hai cách phổ biến: Ăn mòn ướt: Thường dùng phiến vật liệu silic, thạch anh Đây trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo diện tích định sẵn nhờ mặt nạ( mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng silic dung dịch axit hỗn hợp axit HF, HNO3, CH3COOH, KOH Việc ăn mòn đẳng hướng (ăn mòn theo hướng) dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm) Đỗ Hữu Bình - 25 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Ăn mòn khô: Ăn mòn khô cách cho khí hoá chất tác dụng, thường nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng dùng điện để tăng tốc độ ion tức tăng tốc độ viên đạn bắn phá [1,10,11] 3.1.2 Gia công vi bề mặt Công nghệ liên quan đến trình tạo nên lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác vật liệu đế Có hai loại lớp vật liệu khác sử dụng để phủ lên bề mặt đế lớp vật liệu hi sinh (sacrifical layer) lớp vật liệu tạo cấu trúc Lớp vật liệu hi sinh lớp vật liệu phủ lên bề mặt theo hình dạng cấu trúc cần chế tạo bị loại bỏ trình tạo cấu trúc; thông thường lớp vật liệu oxit silic Lớp vật liệu tạo cấu trúc phủ lên lớp vật liệu hi sinh chúng không phản ứng với chất ăn mòn sử dụng đế tạo cấu trúc; vật liệu lớp đa tinh thể silic, silicon nitride Sau trình ăn mòn hình thành vi cấu trúc bề mặt đế ban đầu [8] Hình 19 Các giai đoạn tạo dầm đa tinh thể silic đầu cố định đầu tự Đỗ Hữu Bình - 26 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Thí dụ, để phiến silic cần tạo mộ dầm đa tinh thể silic đầu cố định, đầu tự do, ta làm theo giai đoạn sau ( hình 19): - Tạo lớp oxyt silic phiến silic - Dùng mặt nạ khoét (theo cách khắc hình) diện tích đế sau gắn vào đầu cố định dầm - Phủ lên toàn lớp đa tinh thể silic dùng mặt nạ để khắc hình khoét lớp silic đa tinh tự học, chừa lại dầm - Nhúng toàn vào loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng không hoà tan silic) ta có dầm đa tinh thể đầu bám vào phiến silic, đầu tự 3.1.1.1 Hàn Để tạo chi tiết vi (như ống dẫn, bể ngầm), thực việc gia công hai phiến hàn úp hai mặt gia công lại với Tạo hố bề mặt phiến cách ăn mòn thông thường hàn lên phiến khác để đậy hố lại Gọi hàn thực ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại dùng thêm lớp lót để tăng cường kết dính 3.1.1.2 Gia công tia laze Có thể dùng tia laze để tạo chi tiết vi theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công chậm, không gia công đồng lọat Vì công nghệ MEMS cách gia công laze thường dùng để làm khuôn Laze dùng laze eximơ đủ mạnh vật liệu dùng để gia công thường chất dẻo, polymer 3.1.1.3 Liga LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) hiểu quy trình công nghệ vi đúc (Micromolding) Thuật ngữ tiếng Đức có nghĩa quang khắc (lithography), mạ điện (electroplating), đúc (molding) Công nghệ sử dụng khuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ xác cao Đỗ Hữu Bình - 27 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý làm công cụ việc chế tạo vi cấu trúc Quy trình sử dụng cho việc sản xuất vi cấu trúc 3D, có tỷ số cạnh cao (high-aspectratio) với nhiều loại vật liệu khác kim loại, polymers, gốm (ceramics) thuỷ tinh (glasses) Hạn chế chủ yếu công nghệ LIGA cần phải có nguồn chuẩn trực sóng ngắn X-ray giống synchrotron Việc sử dụng quy trình vi đúc thu vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao, có nhiều ứng dụng bề mặt phản xạ cho thành phần quang học, vật liệu từ cho sensor/cơ cấu chấp hành điện từ Ngoài ra, độ dày cấu trúc có tỷ số cạnh cao lớn tạo độ cứng trục giao với đế lớn, làm tăng lực/ mômen xoắn cấu chấp hành tĩnh điện Các cấu trúc mạ Nikel (Ni), mạ đồng (Cu) cấu trúc hợp kim chứa kim loại cấu trúc kim loại dùng phổ biến; Cr, SiO2, polyimide, photoresist Ti thường dùng vật liệu hy sinh (sacrificial material) 3.2 Tìm hiểu qui trình công nghệ chế tạo cảm biến gia tốc 3.2.1 Các kỹ thuật công nghệ MEMS chế tạo cảm biến gia tốc 3.2.1.1 Xử lý bề mặt ( standard cleaning, SC) Trên bề mặt phiến Silic có nhiều tạp bẩn bao gồm tạp bẩn vật lý (bụi, dầu, mỡ, hợp chất hữu v.v) tạp bẩn hoá học (hợp chất Silic với oxi, sunphit, cacbonat, kim loại nặng đọng bề mặt) Do trình xử lý bề mặt mẫu cho phép loại trừ tạp bẩn Quá trình xử lý bề mặt tác dụng làm bề mặt bề mặt bán dẫn có tác dụng tẩy bỏ lớp hư hỏng gia công học trước Xử lý mẫu phương pháp hoá học chủ yếu dựa chế phản ứng oxi hoá khử Phiến Silic làm Đỗ Hữu Bình - 28 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý qui trình làm tiêu chuẩn SC (standard cleaning) theo bước sau: - Ngâm phiến Silic vào dung dịch HNO3 100%, thời gian 1o phút để tẩy rửa bụi bẩn hữu bám phiến - Rửa cách ngâm nước siêu phút, quay khô - Ngâm phiến Silic vào dung dịch HNO3 65%, thời gian 10 phút nhiệt độ 1200C để làm kim loại nặng - Rửa cách ngâm nước siêu phút, quay khô - Ngâm mẫu dung dịch HF 1% phút để tẩy lớp oxit tự nhiên ngâm HF:NH4F (1:6) phiến Silic có lớp oxi dày - Rửa cách ngâm nước siêu phút, quay khô [7] 3.2.1.2 Oxy hoá nhiệt SiO2 chất điện môi, có số điện môi 11, nên công nghệ vi điện tử sử dụng lớp cách điện Trong công nghệ vi cơ, lớp SiO2 sử dụng để làm lớp bảo vệ Silic tránh bị ăn mòn dung dịch KOH Có nhiều phương pháp để tạo lớp oxít oxi hoá anot, kết tủa nhiệt phân, oxi hoá nhiệt Nhưng phương pháp oxi hoá nhiệt sử dụng phổ biến không đòi hỏi phức tạp công nghệ mà khả khống chế bề dày lớp oxít tương đối xác Lớp SiO2 tạo O2 tiếp xúc với Si nhiệt độ cao lớp SiO2 hình thành phân biên Si-SiO3 Quá trình oxi hoá nhiệt xảy theo giai đoạn chính: - Hấp thụ tác nhân oxi hoá để tạo lớp SiO2 hình thành lớp phân biên Si-SiO3 - Khuếch hoá chất oxi hoá qua lớp SiO2 tạo thành trước - Phản ứng chất oxi hoá với Silic phân biên Si-SiO3 Đỗ Hữu Bình - 29 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý 3.2.1.3 Quang khắc Quang khắc (photolithography) trình truyền hình ảnh từ mask thuỷ tinh lên bề mặt phiến Silic Hình ảnh truyền từ mask lên vật liệu nhạy sáng phủ phiến Silic ánh sáng cực tím (UV) Dùng dung dịch để tẩy phần không cần thiết Vật liệu polymer nhạy sáng lại bề mặt phiến sử dụng lớp bảo vệ cho trình ăn mòn lớp oxít Vật liệu nhạy sáng (lớp cảm quang) tẩy trước tiếp tục công đoạn công nghệ sau * Mask: Một dụng quy trình chế tạo sensor mask Mask loại màng chắn ánh sáng có nhiệm vụ góp phần tạo lên hình dạng mong muốn phiến Silic Các mask thiết kế trực tiếp máy tính phần mềm thiết kế Corel Draw in máy có độ phân giải cao phim suốt Do đặc trưng công nghệ vi phải sử dụng hai mặt phiến Silic ăn mòn dị hướng lên mask việc thiết kế cấu trúc tạo sensor cần phỉa thiết kế lỗ so mask vạch định hướng Các lỗ so mask có tác dụng để chỉnh cấu trúc hai mặt phiến Silic nằm vị trí thiết kế * Cảm quang: Trong trình quang khắc, bề mặt phiến Silic phủ lớp có cấu tạo nhạy sáng đặc biệt gọi cảm quang (photoresist) Chất cảm quang hỗn hợp vật liệu nhạy quang, polymer dung môi Cảm quang phải đảm bảo hai tính chất: nhạy quang bền vững môi trường axít kiềm Có hai loại cảm quang: + Cảm quang dương: trướckhi chiếu sáng không hoà tan dung dịch Sau chiếu sáng hấp thụ xạ thay đổi cấu trúc hoá nên hoà tan Đỗ Hữu Bình - 30 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý + Cảm quang âm: ngược lại, hoà tan dung dịch trước chiếu sáng Khi chiếu sáng, hấp thụ lượng tạo thành chuỗi polymer dài, không hoà tan dung dịch Cảm quang dương dùng nhiều suất phân giải cao * Quá trình quang khắc: Các bước tình quang khắc điển hình trình bày hình 20 sau [7] Oxit Silic Si Phủ lớp cảm quang Chất cảm quang Oxit Silic Si Quang khắc Mask Si Hiện hình Oxit Silic Si Ăn mòn lớp oxit Oxit Silic Si Hình 20 Quá trình quang khắc 3.2.1.4 Ăn mòn dị hướng Để tạo dầm ta sử dụng phương pháp ăn mòn dị hướng Đây bước công nghệ để chế tạo séner vi Phương pháp ăn mòn hoá học ướt áp dụng Phương pháp ăn mòn hoá học dễ thực hiện, không đòi hỏi thiết bị phức tạp mà khả điều khiển mức độ ăn mòn Đỗ Hữu Bình - 31 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý tương đối xác Khi phiến Silic nhúng vào dung dịch ăn mòn xảy phản ứng dung dịch ăn mòn Do cấu trúc tinh thể Silic có tính chất dị hướng, phản ứng Silic với dung dịch ăn mòn theo hướng khác khác Tốc độ ăn mòn Silic loại (100) theo hướng [100] lớn khoảng 400 lần so với tốc độ ăn mòn Silic theo hướng [111] Vì góc hai mặt phẳng (100) (111) 54.74 nên hốc ăn mòn có dạng chữ V (hình 21) 54.740 Hình 21 Hình ảnh hốc ăn mòn dị hướng (góc hai mặt 54.740) Nếu cửa sổ ăn mòn có kích thước a, chiều sâu ăn mòn h, cạnh thu có kích thước là: b=a-2h.cotag , =54.740 Góc quan trọng để xác định kích thước cửa sổ ăn mòn để tạo cấu trúc có kích thước mong muốn tạo lỗ so mask Nếu kích thước cửa sổ nhỏ ăn mòn đến hai mặt [111] gặp trính ăn mòn diễn chậm theo hướng [111] (hình 22) [7] SiO2 Si 54,74O h Hình 22 Ăn mòn dị hướng Silic (100) 3.2.1.5 Kỹ thuật pha tạp Pha tạp để tạo điện trở sử dụng hai phương pháp cấy ion phương pháp khuếch tán nhiệt Phương pháp khuếch tán nhiệt không đòi hỏicông nghệ đại đạt kết mong muốn Đỗ Hữu Bình - 32 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý 3.2.1.6 Tạo dây dẫn kim loại Ta sử dụng nhiều loại vật liệu để tạo dây dẫn Au, Ag, Pt v.v Vật liệu thông dụng Al Al giá thành rẻ, nhiệt độ bốc bay không cao có độ dẫn điện tốt ta sử dụng phương pháp bốc bay chân không Ưu điểm phương pháp lớp Al nhận bốc bay chân không nên so với nắng đọng hoá học, chứa tạp chất Nhưng nhược điểm lớp Al không đồng trê diện tích lớn Tuy nhiên đường dẫn Al trình thực có kích thước nhỏ nên chấp nhận nhược điểm không ảnh hưởng nhiều tới kêt Phiến đưa vào buồng chân không, chạy bơm học bơm khuếch tán đến chân không bình đạt áp suất cỡ 10-6 mBar Sau ta cho dòng điện chạy qua sợi đốt đặt sẵn Al, sợi đốt nóng lên làm Al gắn bay Al bay bám vào phiến Sau quang khắc tạo dây dẫn, ăn mòn Al ta dây mong muốn [7] 3.2.1.7 Ch to Mask H mask s dng quy trỡnh ch to sensor gia tc cú cỏc chc nng nh cho phộp m ca s to cu trỳc dm, to cu hỡnh ỏp in tr cu Wheatstone cho bc cụng ngh khuch tỏn v to chõn in cc phc v cho vic bc bay nhụm to dõy dn ly tớn hiu ngoi Cỏc mask c thit k trờn mỏy tớnh nh phn mm CorelDraw vi t l kớch thc 1:1 (phn mm ny cho phộp thit k chớnh xỏc cỏc chi tit nh ti 1m), sau ú bn thit k b mask c in laze trc tip t mỏy tớnh lờn mt phim nha en trng bng mỏy in chuyờn dng cng vi t l 1:1, cui cựng mi tm phim tng ng vi mask ca mi cụng on ch to c dỏn lờn mt tm kớnh thu tinh thnh b mask theo yờu cu cụng ngh Đỗ Hữu Bình - 33 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý 3.2.2 Qui trình công nghệ chế SC tạo ễxi hoỏ nhit Vt liu: Mu c s dng ch to vi sensor ỏp tr dm l cỏc M ca s du so mask phin Silic loi n, nh hng [100], n mũn to du so mask dy 380 10m, in tr sut 15 .cm M ca s mng H mask: Cn mask quy trỡnh ch to vi sensor ỏp tr cu trỳc n mũn to mng dm: M ca s hc dm - Mask 1: ca s du so mask v ca s mng; n mũn hc to dm - Mask 2: ca s ng rónh; M ca s in tr - Mask 3: ca s in tr; - Mask 4: ca s vựng tip xỳc Ohmic Khuch tỏn in tr chõn cỏc in tr; - Mask 5: ca s tip xỳc in cc; M ca s tip xỳc - Mask 6: ng dn v in cc Al Bc bay Al Quy trỡnh cụng ngh ch to vi sensor ỏp tr gm cỏc bc sau (Hỡnh 23): To in cc - X lý b mt mu(SC) - To lp bo v chng n mũn: Oxi úng gúi hoỏ m ln - M ca s n mũn to mng v to du so mask: Quang khc mask Hỡnh23 Cỏc bc cụng ngh c bn ch to vi cm bin gia tc chiu kiu ỏp tr - To du so mask v to mng:n mũn Si KOH theo ca s mask Đỗ Hữu Bình - 34 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý - X lý b mt mu sau n mũn - M ca s cỏc ng rónh: Quang khc mask ( gii phúng cu trỳc dm t do,cn to cỏc ng rónh trờn mng va ch to Cỏc ng rónh ny to thnh cỏc khe lm gii phúng t cu trỳc dm) - To ng rónh: n mũn (ln 2) theo ca s mask to ng rónh trờn cu trỳc mng silic, gii phúng cu trỳc dm - X lớ b mt mu sau n mũn - To lp bo v khuch tỏn: Oxi hoỏ m ln - M ca s in tr: quang khc mask - To in tr: Khuch tỏn ln - M ca s khuch tỏn tip xỳc: Quang khc mask - To vựng tip xỳc Ohmic: Khuch tỏn ln - M ca s tip xỳc in cc: Quang khc mask - To mng kim loi: Bc bay Al - To in cc Al: Quang khc mask v n mũn Al - Ct phin to sensor - úng gúi linh kin: Hn cỏc dõy dn, ph bo v v úng gúi linh kin [7] 3.3 Đề suất ứng dụng cảm biến Cảm biến gia tốc vi nhanh chóng thay loại cảm biến gia tốc thông thường trước nhiều ứng dụng ứng dụng rộng rãi lĩnh vực thí nghiệm kiểm định cầu, kiểm định chất lượng cọc đóngv.v Mục tiêu cảm biến đo độ rung động cấu kiện cần khảo sát, từ đánh giá mức độ biến dạng ảnh hưởng khác Một vài ứng dụng điển hình cảm biến gia tốc vi - Cảm biến góc Roll Pitch - Định hướng 3D không gian Đỗ Hữu Bình - 35 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý - Sensor gia tốc gyroscope: Túi khí ôtô, thiết bị định hướng tên lửa phương tiện vận tải - Phát va chạm: thông tin gia tốc, vận tốc độ dịch chuyển giúp phân biệt va chạm việc không xảy va chạm - Đo điều khiển mức rung - Đo số thông số sinh học thể người * Với kết tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến gia tốc mems kiểu áp trở này, thấy ứng dụng việc : - Điều chỉnh dự đoán khả làm việc máy móc, thiết bị + Trong điều chỉnh: Cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu áp trở có khả cảm nhận đô (sự) dịch chuyển Trong vài thiết bị máy móc hoạt động đòi hỏi yên tĩnh (không có rung thiết bị) người ta gắn cảm biến lên thiết bị để cảm nhận rung thiết bị Khi có rung động cảm biến tạo tín hiệu bao động từ người ta có điều chỉnh kịp thời + Dự đoán: Trong chế tạo máy móc, thiết bị ta kiểm tra khả chịu va đập máy móc thiết bị nhờ vào cảm biến đo gia tốc Ta gắn cảm biến lên thiết bị cần kiểm tra, cho thiết bị hoạt động đo gia tốc va đập người ta xác định mức giới hoạt động máy móc, thiết bị Đỗ Hữu Bình - 36 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Kết luận Các kết đạt từ khoá luận Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở: cấu trúc, nguyên lí hoạt động, công nghệ chế tạo đề suất ứng dụng cho phép rút số kết luận sau: Tìm hiểu hệ thống hoá kiến thức cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu áp trở bao gồm cấu trúc, nguyên lý hoạt động cảm biến Tìm hiểu hệ thống hoá kiến thức vật liệu chế tạo, công nghệ chế tạo qui trình chế tạo loại cảm biến Đã tìm hiểu ứng dụng đề suất ứng dụng cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở Đỗ Hữu Bình - 37 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý Tài liệu tham khảo [1] .V Dng, V.N Hựng, L.V.D Khng, T.Q Thụng, N.D Chin (6/2000), K thut gii bi toỏn lch mng v kho sỏt mt s thụng s vt lý c bn ca sensor ỏp sut kiu ỏp tr bng phng phỏp s, Tạp chí khoa học công nghệ, số 38+39/2002, tr 52- 56 [2] Đinh Văn Dũng, Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật lý [3] Marc Madou (1997), Fundamentals of Microfabrication, CRC Press LLC, USA [4] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến(2000), Giáo trình cảm biến, Trường ĐH Bách Khoa HN Tr 173-174 [5] D.V.Dung, T.Q Thong, V.N Hung, N.D Chien (9/2001), Design and fabrication of four-terminal silicon pressure sensor, Communications in Physics, ISSN 0868-3166, vol 11, no 3, pp 169 174 [6] Dzung Viet Dao (2003), Study on Silicon Piezoresistive Six-Degree of Freedom Micro Force-Moment Sensors and Application to Fluid Mechanics, Doctoral Program in Science and Engineering Ritsumeikan University [7] Đinh Quang Hoà, nghiên cứu mô hoạt động vi cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở xây dưng quy trình công nghệ chế tạo thử nghiệm, Luận văn thạc sĩ chất rắn (2008) [8] Prime Faraday Technology Watch, An Introduction to MEMS,IBSN 184402-007X, January 2002 [9] Internet, Chapter 11 Material Property Đỗ Hữu Bình - 38 - K31A Khóa luận tốt nghiệp Khoa Vật lý [10] Nguyn Vit Hựng, Nguyn Trng Ging (2003), ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Nh xut bn Khoa hc K thut, H Ni [11] V.N Hựng, .V Dng, T.Q Thụng, N. Chin (12/2001), Nghiờn cu thit k sensor ỏp sut kiu cu in tr, Hội nghị Khoa học lần thứ 19Trường ĐHBK Hà Nội, Tuyển tập Công trình Khoa học 2001, Phân ban Vật lý Kỹ thuật, Tr 33-37 Đỗ Hữu Bình - 39 - K31A [...]... Khoa Vật lý Chương 2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo gia tốc silic kiểu áp trở 2.1 Vật liệu silic để chế tạo cảm biến: Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở là cảm biến gia tốc kiểu áp trở được chế tạo bằng công nghệ MEMS Cấu trúc bao gồm cấu cơ học và các phần tử áp điện trở được gắn trên nó Cấu trúc cơ học là hệ thống gồm khối gia trọng được gắn trên một hệ thống thanh dầm Thanh dầm... chạm - Đo và điều khiển mức rung - Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người * Với những kết quả đã tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc mems kiểu áp trở này, tôi thấy nó có thể ứng dụng trong việc : - Điều chỉnh và dự đo n khả năng làm việc của máy móc, thiết bị + Trong điều chỉnh: Cảm biến đo gia tốc MEMS kiểu áp trở có khả năng cảm nhận được đô (sự) dịch chuyển... tốt nghiệp Khoa Vật lý Hình 4 Cảm biến gia tốc nhiệt - Cảm biến gia tốc kiểu tụ: Cảm biến gia tốc kiểu tụ hoạt động dựa phương pháp chuyển vị Cấu trúc cảm biến bao gồm điện cực trên khối trọng và bản điện cực trên đé cố định Hai bản điện cực được thiết kế cách nhau một khe hẹp tạo thành một tụ điện Tụ điện này có một bản di động và một bản cố định Khi chịu tác dụng của gia tốc bên ngoài, khối trọng dịch... khối gia trọng dịch chuyển và do đó gia tốc được xác định [2] Hình 6 Cấu trúc cảm biến gia tốc điện từ - Cảm biến gia tốc quang học: Các cảm biến gia tốc dựa trên nguyên lý quang học, đó là sự thay đổi về cường độ ánh sáng nhờ sự dịch chuyển của khối gia trọng đóng vai trò như một cửa chớp hoặc do sự thay đổi bước sóng phản xạ bằng việc sử dụng một cách tử Bragg đối với sóng phẳng Hình 7 mô tả cảm biến. .. Hình 3 Cấu trúc cảm biến gia tốc áp điện (a) Cấu trúc cảm biến áp điện màng dày (b) ảnh SEM - Cảm biến gia tốc cộng hưởng: Dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng của vi cầu (micro brigde) dưới tác động của ứng suất kéo hay nén Bằng cách đặt các vi cầu cộng hưởng lên hệ thanh dầm, tần số cộng hưởng thay đổi so với dịch chuyển của khối trọng và do vậy thay đổi so với gia tốc - Cảm biến gia tốc nhiệt: Theo... vị của của khối trọng tỷ lệ với gia tốc, nên ta có mối quan hệ giữa điện dung và gia tốc Hình 5 mô phỏng cảm biến gia tốc kiểu tụ Hình 5 Cm bin gia tc ADXL202 - Cảm biến gia tốc điện từ: Cảm biến bao gồm hai cuộn dây phẳng, một nằm trên khối gia trọng và một nằm trên đế cố định (hình6) Một trong hai cuộn được sử dụng phát từ trường xoay chiều Do đó, một hiệu điện thế cảm ứng Đỗ Hữu Bình - 12 - K31A... mỏng hoặc cấu trúc thanh dầm Trong các cảm biến gia tốc áp điện trở thì độ dịch chuyển của khối gia trọng sẽ làm thanh dầm biến dạng và các điện trở được cấy trên các thanh dầm sẽ biến đổi tỷ lệ thuận với gia tốc tác dụng lên khối gia trọng Việc cấy tạp chất nồng độ cao sẽ tạo ra áp điện trở trên cấu trúc thanh dầm treo vật nặng Yêu cầu khắt khe đối với các cảm biến nhiều bậc tự do là độ tuyến tính... người ta gắn cảm biến lên thiết bị để cảm nhận sự rung của thiết bị Khi có rung động thì cảm biến tạo ra tín hiệu bao động từ đó người ta sẽ có sự điều chỉnh kịp thời + Dự đo n: Trong chế tạo máy móc, thiết bị ta có thể kiểm tra được khả năng chịu được va đập của máy móc và thiết bị nhờ vào cảm biến đo gia tốc Ta gắn cảm biến lên thiết bị cần kiểm tra, cho thiết bị hoạt động hoặc đo gia tốc trong va... dụng cảm biến Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng và được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thí nghiệm kiểm định cầu, kiểm định chất lượng cọc đóngv.v Mục tiêu của cảm biến là đo độ rung động của cấu kiện cần khảo sát, từ đó đánh giá được mức độ biến dạng cũng như các ảnh hưởng khác Một vài những ứng dụng điển hình của cảm. .. 13 Cảm biến áp điện trở nhìn từ trên xuống: (a), (b)Thanh dầm chữ chi; (c)- Thanh dầm đối xứng Khi cảm biến chịu tác dụng của gia tốc tịnh tiến theo phương z thì khối gia trọng sẽ chuyển động lên xuống (hình 14- b) z z y y x x Ax(Ay) Az (a) (b) (c) Hình 14 Độ dịch chuyển của cấu trúc khi tác dụng các gia tốc tuyến tính: (a)Cân bằng; (b)- Khi tác dụng gia tốc theo phương Z; (c)- Khi tác dụng gia tốc ... Cảm biến đo gia tốc mems kiểu áp trở Nhiệm vụ nghiên cứu Tìm hiểu cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến đo gia tốc kiểu áp trở, việc đo gia tốc kỹ thuật cảm biến đo gia tốc, giới thiệu loại cảm. .. nguyên lý hoạt động cảm biến đo gia tốc silic kiểu áp trở 2.1 Vật liệu silic để chế tạo cảm biến: Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở cảm biến gia tốc kiểu áp trở chế tạo công nghệ MEMS Cấu trúc bao... có nhiều loại cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện áp điện trở, cảm biến gia tốc nhiệt v.v Nhìn chung loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng cảm biến gia tốc kiểu áp trở thông dụng