Hồ Chí Minh, www.shtplabs.org {vinh.buiquang@shtplabs.org; dmtam.shtp@tphcm.gov.vn; ly.truonghuu@shtplabs.org; phat.truongvan@shtplabs.org; phuoc.duongtan@shtplabs.org} TÓM T ẮT Chip
Trang 1THI ẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ, CHẾ TẠO CHIP C ẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU TỤ BẰNG CÔNG NGHỆ VI CƠ KHỐI
DESIGN AND FABRICATION OF ACCELEROMETER SENSOR DEVICE USING
BULK-MICROMACHINING TECHNIQUE
KS Bùi Quang Vinh, TS Dương Minh Tâm, ThS Trương Hữu Lý,
CN Trương Văn Phát, KS Dương Tấn Phước
Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao TPHCM
Lô I3, đường N2, Khu CNC, quận 9, Tp Hồ Chí Minh, www.shtplabs.org
{vinh.buiquang@shtplabs.org; dmtam.shtp@tphcm.gov.vn; ly.truonghuu@shtplabs.org;
phat.truongvan@shtplabs.org; phuoc.duongtan@shtplabs.org}
TÓM T ẮT
Chip cảm biến gia tốc kiểu tụ được chế tạo bằng công nghệ MEMS, có cấu trúc là khối
nặng Si dao động giữa hai điện cực pyrex được phủ vàng tạo thành hai cặp tụ điện đối xứng nhau Dựa vào cấu trúc hình học của chip cảm biến, bài báo đã thiết kế quy trình công nghệ, chế
tạo chip cảm biến gia tốc bằng công nghệ vi cơ khối, sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt để tạo cấu trúc vi cơ của cảm biến Chip cảm biến gia tốc sau khi chế tạo được đo kiểm, đánh giá tại phòng thí nghiệm và đạt được những thông số phù hợp với yêu cầu kỹ thuật ban đầu đưa ra, hướng đến
chế tạo hoàn thiện cảm biến gia tốc ứng dụng đo độ rung chấn trong một số thiết bị
Từ khóa: Chip cảm biến gia tốc, công nghệ MEMS , công ngh ệ vi cơ khối, đo độ rung ch ấn
ABSTRACT
Acceleration sensors based on MEMS technology was designed with a Silicon block vibrating between two gold-coated pyrex electrodes, resulting in two symmetric capacitors Relying on this structure, research has been conducted to design the fabrication process and fabricate prototypes of the sensor utilizing the MEMS equipment in Vietnam The fabricated acceleration sensors were then tested and improved to meet the required technical specifications
Keywords: Acceleration sensors, MEMS technology, bulk-micromachining technique.
1 GI ỚI THIỆU
Sự phát triển của công nghệ MEMS trong thời gian gần đây đã cho thấy công nghệ này không chỉ phát triển phục vụ cho ngành công nghệ vi mạch mà còn có sức ảnh hưởng rất nhiều đối với ngành công nghệ chế tạo máy, tự động hóa, [1] Xu thế phát triển các thiết bị ngày càng nhỏ gọn đòi hỏi ngành cơ khí cũng cần chế tạo những linh kiện với kích thước nhỏ
nhằm đáp ứng cho thị trường ngày càng khắt khe hơn Và một trong những linh kiện đó là
cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc là một linh kiện chuyển đổi gia tốc, độ dịch chuyển hoặc
độ nghiêng,… thành tín hiệu điện ở đầu ra nhờ vào sự thay đổi đặc tính điện trở đối với cảm
biến kiểu áp trở hoặc thay đổi điện dung đối với cảm biến kiểu tụ điện
Cảm biến gia tốc kiểu tụ trong bài báo này gồm hai tụ song song có chung một điện cực Điện cực chung là một khối nặng Si nằm ở giữa cấu trúc Chip cảm biến được treo bởi bốn thanh dầm và ngăn cách với các điện cực cố định bởi lớp không khí mỏng, khoảng dao động
của khối nặng là 20µm Khi có sự tác động từ bên ngoài, khối nặng được nối làm điện cực chung sẽ dao động làm thay đổi điện dung của hai tụ điện này
Trang 2kế, chế tạo cảm biến gia tốc theo những trình tự cụ thể, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tránh lãng phí trong quá trình chế tạo, vì thế bài báo đã đưa ra quy trình tổng thể như hình 1
Hình 1 Quy trình thi ết kế, chế tạo cảm biến gia tốc đo rung chấn
Để thiết kế được cấu trúc hình học tối ưu cho chip cảm biến gia tốc, bài báo tiến hành
mô phỏng các đặc tính cơ, điện để kịp thời phát hiện những sai sót, chưa hợp lý trong quá trình thiết kế Cấu trúc cảm biến được chế tạo nhằm mục đích đo dao động theo một phương,
do đó ta sử dụng mô hình cơ hệ một bậc tự do có giảm chấn, chịu ngoại lực kích tuần hoàn và ngoại lực kích thích bất kỳ để tiến hành thiết kế và tối ưu tham số
Trang 3Hình 2 Mô hình toán học cơ hệ 1 bậc tự do
Phân tích mô hình toán học trên để tìm các thông số ảnh hưởng ảnh hưởng đến đến cơ
hệ, từ đó xây dựng quy trình thiết kế tối ưu cấu trúc cảm biến như hình 3
Hình 3 Quy trình thi ết kế cấu trúc tối ưu cảm biến
Việc tìm ra cấu trúc phù hợp được thực hiện bằng cách kết hợp mô phỏng bằng phần
mềm Ansys workbench 14.0 và đánh giá bằng mô hình giải tích Với ba tiêu chí đầu, bài báo
đề xuất hai mô hình giải tích cho cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu tụ hình chữ thập Sau đó, dựa trên kết quả mô phỏng các cấu trúc trên Ansys, xác định mô hình phù hợp nhất
Trang 4phỏng bằng phần mềm Ansys Mô hình giải tích tối ưu
3 tiêu chí tạo
Thỏa
Mô phỏng cấu trúc tìm được với Ansys
Chạy mô hình giải tích tối ưu
Tiêu chí hệ
số giảm chấn
Mô hình tối ưu Thỏa
Hình 4 Quy trình mô phỏng tìm mô hình tối ưu chip cảm biến
Do cấu trúc cảm biến hoạt động trên nguyên lý sự thay đổi tọa độ của chuyển động tịnh
tiến theo phương đo, từ đó làm thay đổi giá trị điện dung, số hướng của chuyển vị là hai hướng, số tụ có thể thiết kế tối đa là hai tụ (xét theo phương chuyển động) Việc phân tích và
so sánh cấu trúc một tụ và hai tụ sẽ cho cái nhìn chính xác về ưu điểm của từng loại
Cấu trúc một tụ:
o
Cấu trúc hai tụ:
2
C
Hình 5 Hướng di chuyển của bản tụ di động
Trang 5Hình 6 So sánh độ nhạy và độ phi tuyến giữa cấu trúc một tụ và cấu trúc hai tụ.[2]
Ta thấy cấu trúc hai tụ có ưu điểm hơn cấu trúc một tụ về độ nhạy, độ tuyến tính và cũng không gây khó khăn cho quá trình chế tạo vì tính đối xứng Từ đây bài báo đưa ra cấu trúc hình học tối ưu của chip cảm biến gia tốc như hình 7
Hình 7 Mô hình kh ối rắn (a) và không khí (b) của cấu trúc tối ưu[2]
Hình 8 K ết quả phân hình ứng suất (a) và chuyển vị (b) khi áp gia tốc 10g bằng phần
m ềm Ansys cho cấu trúc tối ưu [2]
3 CHẾ TẠO CẢM BIẾN
Quy trình chế tạo Chip cảm biến gia tốc gồm ba phần chính: chế tạo hai phiến Pyrex để làm điện cực trên và điện cực dưới; chế tạo phiến Si có cấu trúc khối nặng dao động Quá trình chế tạo này sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt trong dung dịch KOH nồng độ 35% được khuấy đều ở nhiệt độ 800C [8] [9]; cuối cùng hàn chúng lại với nhau
Vật liệu nền cho phiến Pyrex được chọn là thủy tinh vì nó phù hợp trong quá trình hàn Anod sau này Điện cực có thể được chế tạo bằng bất kỳ kim loại nào như vàng, bạc, nhôm, crom, titan,… Tuy nhiên, để đảm bảo độ dẫn điện và cấu trúc bề mặt cũng như dễ chế tạo thì
Trang 6Hình 9 Quy trình ch ế tạo phiến Pyrex
Trong quá trình chế tạo phiến Pyrex ta sử dụng phương pháp bốc bay vật liệu bằng chùm tia điện tử (E-Beam Evaporator) model Auto 500 của hãng Boc Ewards, sau đó tiến hành quang khắc để tạo điện cực cho phiến Pyrex
Quá trình chế tạo phiến Si có cấu trúc dao động tiến hành trên Wafer Si 4 inch dày 300
µm, phiến Si có khối dao động dày 260µm; được treo bởi 4 thanh dầm có độ dày 30 µm
Hình 10 Quy trình chế tạo phiến Si có cấu trúc dao động
Pyrex
Pyrex
Pyrex
Titan
Vàng
Phủ lớp đệm Titan Phủ lớp vàng
Dùng mask 9 để tạo điện cực vàng
Trang 7Các bước thực hiện sử dụng lặp lại quá trình quang khắc và ăn mòn ướt trong dung dịch KOH để tạo cấu trúc hình học như yêu cầu [6][7] Ta sử dụng từng Mask để mở cửa sổ rồi ăn mòn từng lớp Do cấu trúc có tính đối xứng nên các Mask được thiết kế có các điểm so chuẩn
và đo kiểm độ sâu sau từng bước ăn mòn
Tiếp theo ta thực hiện quy trình hàn hai phiến pyrex với phiến Si có cấu trúc dao động lại
với nhau để hoàn thành chip cảm biến gia tốc, phiến thủy tinh Pyrex sẽ được kết nối với điện
cực âm, phiến Silic sẽ được kết nối với điện cực dương Dưới tác dụng của nhiệt độ và lực điện trường mạnh, các Ion Na+ trong tấm thủy tinh Pyrex sẽ bị hút về phía điện cực âm và các Ion
O- sẽ bị hút về phía điện cực dương nơi có phiến Silic Phản ứng hóa học sẽ xảy ra tại lớp tiếp giáp Pyrex-Silic và tạo ra một lớp Si02 mỏng đủ mạnh để gắn hai phiến Silic-Pyrex lại với nhau
Hình 11 Quy trình hàn chip c ảm biến gia tốc
Hình 12 Chip c ảm biến gia tốc sau khi chế tạo
4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Vật liệu làm điện cực góp vai trò rất quan trọng trong cấu trúc chip cảm biến Ở đây độ dày lớp chỉ khoảng 200nm; vì thế, nếu vật liệu dễ bị oxi hóa sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của cảm biến Sự khác nhau về tính chất giữa hai vật liệu ta thấy rõ trong hình 13
Hình 13 V ật liệu điện cực sử dụng Al (a); Au (b)
Trang 8
Hình 14 Hình chụp phiến Si khi không khuấy đảo trong KOH (a); có khuấy đảo trong
môi trường nhiệt độ (b); đo kiểm độ dày lớp phủ (c)
Bên cạnh việc khắc phục những khuyết điểm trên, bài báo đã xây dựng các quy trình đo
kiểm kích thước sau khi chế tạo để đảm bảo các yêu cầu hình học như thiết kế
Ngoài ra, bài báo cũng thiết kế hệ đo nhằm phục vụ cho quy trình kiểm tra, so sánh các chi tiêu thông số của cảm biến chế tạo và cảm biến đang được thương mại Các chip cảm biến sau khi chế tạo có giá trị C 0 đạt trong vùng thiết kế từ 10pF-30pF
Hình 15 H ệ đo kiểm tra cảm biến gia tốc(a);
giá trị C 0 đạt yêu cầu thiết kế sau chế tạo (b)
5 K ẾT LUẬN
Bài báo đã thiết kế, mô phỏng thành công cấu trúc chip cảm biến gia tốc kiểu hai tụ điện song song Cùng với cấu trúc hình học tối ưu, bài báo đã thiết kế quy trình, tiến hành chế tạo hoàn chỉnh chip cảm biến gia tốc đạt yêu cầu về kích thước hình, khắc phục được một số vấn
đề kỹ thuật trong quá trình chế tạo, tạo tiền đề phát triển cho những nghiên cứu chế tạo về sau
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] http://khcn.cinet.vn/articledetail.aspx?articleid=102#sthash.s4TBwFKK.dpbs
[2] Nguyễn H D Khang, Dương Tấn Phước, Nguyễn Đăng Giang, Trương Hữu Lý, Nguyễn
Ngọc Việt, Design and simulation for optimal structure of cross type capacitive acceleration MEMS sensor, International journal of mathematics and physical sciences
research, 2014
[3] Faulkner, L.L., ed Microengineering, MEMS, and Interfacing, A Practical Guide 2006,
Taylor & Francis Group, LLC
a)
b)
Trang 9[4] Hesketh, P.J., Nano/Microfabrication Methods for Sensors and NEMS/MEMS, in BioNanoFluidic MEMS 2008, Springer
[5] Stephen Beeby, G.E., Michael Kraft, Neil White, MEMS Mechanical Sensors 2004,
Artech House, Inc
[6] Mohamed Gad-el-Hak and others, “MEMS: Design and Fabrication”, © 2006 by Taylor
& Francis Group, LLC
[7] Mark J.Jackson, Microfabrication and Nanomanufacturing, © 2006 by Taylor & Francis Group, LLC
Website:
[8] http://machine2twomachine.wordpress.com/2011/08/25/machine-2-machine-internet-of-things-real-world-internet/
[9] http://www.cleanroom.byu.edu/KOH.phtml
THÔNG TIN CÁ NHÂN
1 KS Bùi Quang Vinh
Email: vinh.buiquang@shtplabs.org
ĐTDĐ: 0903774213
2 TS Dương Minh Tâm
Email: dmtam.shtp@tphcm.gov.vn
ĐTDĐ: 0903688762
3 ThS Trương Hữu Lý
Email: ly.truonghuu@shtplabs.org
ĐTDĐ: 0988883994
4 CN Trương Văn Phát
Email: phat.truongvan@shtplabs.org
ĐTDĐ: 0128089621
5 KS Dương Tấn Phước
Email: phuoc.duongtan@shtplabs.org
ĐTDĐ: 0979630754