Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng MỤC LỤC Phần I: TỔNG QUAN Giới thiệu MEMS MEMS(micro electro mechanical systems, nghĩa hệ thống vi điện tử) thuật ngữ thường dùng để hệ thống điện tử có thêm phận chuyển động có kích thước cỡ micromet thiết kế Silicon Công nghệ chế tạo MEMS công nghệ sử dụng kỹ thuật giống kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ công nghệ quang khắc, chùm ion hội tụ ) Tuy nhiên không giống linh kiện IC tạo từ lớp cấu trúc 2D, sản phẩm công nghệ MEMS linh kiện có cấu trúc không gian chiều thực Hiện nay, sản phẩm MEMS tham gia vào tất ngành: công nghiệp, truyền thông, y tế, giáo dục… MEMS tạo nên phát triển mạnh mẽ sản phẩm thông minh, sản phẩm có độ an toàn cao Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Hình 1.1: Các sản phẩm sử dụng ứng dụng MEMS Các sản phẩm MEMS chia làm loại Sensor Actuator Sensor chuyển từ tín hiệu nhiệt, lực, áp suất, gia tốc… tín hiệu điện Còn actuator chuyển từ dao động dòng điện thành di chuyển Si Hình1 2: Sensor Actuator Tài nguyên thiên nhiên Trái Đất dần cạn kiệt, đối mặt với việc thiếu lượng trầm trọng Từ ta thấy việc phát triển ngành MEMS có ứng dụng lớn kích thước nhỏ vô quan trọng Giới thiệu sensor đo lực 2.1 Nguyên lý sensor đo lực Sensor đo lực sản phẩm phổ biến công nghệ MEMS Nó ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sống Sensor đo lực sử dụng nguyên lý cân lực cần đo với lực đối kháng cho lực tổng momen tổng Phải có vật trung gian chịu tác động lực cần đo bị biến dạng ( nguyên nhân lực đối kháng) Biến dạng đo trực tiếp đầu đo biến dạng qua tính chất điện vật liệu phụ thuộc biến dạng 2.2 Các hiệu ứng phổ biến sử dụng sensor đo lực  Hiệu ứng tĩnh điện Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng  Hiện ứng áp điện  Hiệu ứng áp điện trở 2.3 Một số mô hình sensor lực 2.3.1 Sensor lực sử dụng hiệu ứng áp điện bậc tự Ưu điểm:  Kết cấu đơn giản dễ chế tạo  Dải đo lực rộng  Kết cấu vững, có tuổi thọ cao Nhược điểm: Hạn chế khả đo lực( đo lực theo phương vuông góc với mặt tiếp xúc) 2.3.2 Sensor đo lực sử dụng hiệu ứng tĩnh điện bậc tự Ưu điểm:  Độ nhạy cao  Dải đo rộng  Kết cấu vững Nhược điểm:  Mạch đo phức tạp  Dễ bị nhiễu 2.3.3 Sensor đo lực sử dụng hiệu ứng áp điện trở Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Ưu điểm:  Cảm biến có độ nhạy cao  Trở kháng lối cầu điện trở thấp nên dễ dàng nhận biết đo đạc tín hiệu Nhược điểm:  Độ trễ lớn trình sử dụng dài hạn  Dễ bị mỏi ảnh hưởng nhiệt độ 2.4 Đề xuất mô hình Dựa vào yêu cầu chế tạo sensor lực bậc tự tham khảo kết cấu trước Nhóm chúng em thống ý tưởng mô sau : Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Phần II: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG Nhắc lại hiệu ứng tĩnh điện Là xuất điện tích trái dấu trị số phần đối diện bề mặt vật dẫn chất cách điện, đặt chúng trường tĩnh điện Lực tĩnh điện sử dụng máy móc thông thường lực thường nhỏ để gây chuyển vị, trừ điện áp sử dụng rât lớn Với thu nhỏ cấu trúc khí, lực tĩnh điện trở nên tương đối lớn Vì lực tĩnh điện có ứng dụng rộng rãi vi cảm biến thiết bị vi kích hoạt Cảm ứng điện dung ứng dụng máy móc thông thường Vì dễ bị nhiễu điện từ cần mạch điều khiển tín hiệu xác cho hai mảng đo lường tín hiệu tuyến tính Do đặc tính thu nhỏ thuận lợi, phát triển kĩ thuật cảm biến CMOS, tích hợp vi vi điện tử, đặc tính khác cảm ứng điện dung Vì cảm ứng điện dung sử dụng phổ biến cảm biến vi hệ thống khác Lý thuyết bao trùm lĩnh vực lực tĩnh điện cảm ứng điện dung không nhiều so với lý thuyết tĩnh điện có từ lâu Tuy nhiên xem xét cách đặc biệt việc thực ứng dụng nó, có điểm đáng ý sau • Đối với vi kiến trúc, lực tĩnh điện so sánh với lực đàn hồi cấu trúc khí lực cản không khí xung quanh Vì tất lực phải xem xét hầu hết trường hợp • Lực tĩnh điện lực phi tuyến chuyển vị Tổng hợp lực tĩnh điện lực đàn hồi gây đứt gãy ổn định cho hệ • Tín hiệu điều khiển cần thiết cho cảm ứng điện dung gây lực tĩnh điện lớn để gây thay đổi điện dung cho phép Hiệu ứng cần phải loại bỏ hệ thống điện khí • Do khoảng cách phận khí kích thước kết cấu khí gần hiệu ứng tĩnh điện vùng biên cần phải xem xét nhiều trường hợp Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Tính toán Trong phần mô hình xem xét cách đơn giản để cung cấp nhìn tổng quan hiệu ứng khai thác để ứng dụng vào cảm biến lực Vì độ xác có phần hạn chế thực tế khoảng cách cực đáng kể so với kích thước chúng Ở ta xem xét kích thước cực lớn so với khoảng cách chúng 2.1 Tính toán sức bền, chuyển vị 2.1.1 Tính lực tối đa mà hệ thống đo Mô hình hóa hệ cho hệ dầm sau: Hình 2.1 : Mô hình hóa hệ thống Hệ dầm mô hình hóa thành nút phần tử sau: Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Hình 2.2 : Mô hình hóa phần tử Bảng ghép nối phần tử: Bậc tự phần tử phần tử phần tử phần tử phần tử phần tử phần tử phần tử 3i-2 1 13 19 25 25 3i-1 3i 3j-2 4 10 14 15 16 20 21 22 25 25 26 27 13 26 27 19 Bảng 2.3 : Bảng ghép nối phần tử 3j-1 5 11 17 23 26 26 14 20 3j 6 12 18 24 27 27 15 21 Mỗi nút phần tử có hai chuyển vị theo x,y góc xoay Ta ký hiệu véctơ chuyển vị nút phần tử bởi: q =[ q1 , q2 , q3 , q4, q5, q6]T Ta qui ước hệ toạ độ địa phương (x’, y’) cho x’ hướng dọc theo phần tử khung với cosin phương l = cosα m = sinα Trong hệ toạ độ địa phương, véctơ chuyển vị nút xác định bởi: Q’=[ q’1 , q’2 , q’3 , q’4, q’5, q’6]T Ta tìm biểu thức quan hệ q q’: q' = Lq Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng đó: Tổng hợp độ cứng theo vị trí cần có, ta xác định ma trận độ cứng phần tử khung sau: Ma trận độ cứng phần tử hệ toạ độ chung (x, y) K= Áp dụng điều kiện biên, cuối ta thu hệ phương trình PTHH: KQ = F cho phép tính chuyển vị điểm khung chịu lực Áp dụng với E=170 (GPa)=0.170 (N/) A=30.10=300() diện tích mặt cắt ngang dầm J = 2500, l1=350), l2=300) Ta tìm ma trận độ cứng hệ cỡ 27x27: Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Bảng 2.4 : Ma trận độ cứng phần tử Giải hệ phương trình phần tử hữu hạn : K.Q=F Trong : K ma trận độ cứng Q vecto chuyển vị nút F lực nút Ma trận độ cứng Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Bảng 2.5 : Ma trận độ cứng K1 Xét điều kiện biên nút 2,4,6,8 chuyển vị góc xoay nên ta có : Q4,5,6=Q10,11,12=Q16,17,18=Q22,23,24=0 Bỏ hàng cột tương ứng 4,5,6,10,11,12,16,17,18,22,23,24 Vecto lực nút F=[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0.00058, 0, ]T Từ giải hệ 15 phương trình 15 ẩn ta thu được: Q=[2.000, -0.0008 , 0.0040 , 0.0015 ,-0.0007, 0.0054 ,2.0004, -0.0008, -0.0040 0.0015,- 0.0007,-0.0054, 2.0013 , -0.000, -0.0000] Vậy lực tối đa mà kết cấu đo F=580) 2.1.1 Kiểm nghiệm bền Ta có mặt cắt dầm hình vẽ: Các thành phần nội lực trạng thái ứng suất • Xét điểm nguy hiểm A: 10 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc ; GVHD: TS Phạm Hồng (3) Trong : -,: momen lớn dầm - lực kéo, nén - =, = : momen chống uốn - = GPa: độ bền silicon • Xét điểm nguy hiểm E: (4) Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất, ta có: (5) • Xét điểm nguy hiểm D: (6) Theo thuyết bền ứng suất tiếp lớn ta có: (7) Khi đặt lực 580 N ta thu ứng suất mặt cắt nguy hiểm thỏa mãn điều kiện bền Bảng giá trị γ ,α β 2.2 Mạch đo điện áp đầu ∆ Vout 2.2.1 Điện dung ban đầu Co hai cặp tụ Kích thước tụ sau: 11 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Hình 2.6 : Kích thước tụ a) Xét thay đổi điện dung thay đôi khoảng cách tụ : Ta có điện dung tụ điện phẳng tính sau: C= Với số điện môi số điện môi môi trường không khí A diện tích đối xứng hai tụ g khoảng cách hai tụ Nếu có n=140 cặp tụ điện dung tổng là: Co= (pF) 2.2.2 Mạch đo Hình 2.7 : Sơ đồ bố trí mạch đo điện áp Trong Cp điện dung ký sinh Ci điện dung đầu vào khuếch đại đệm Các mạch điều khiển hai nguồn ngược pha Vr –Vr hai tin hiệu hình sin có biên độ.Khi Cr Cs giống hệt nhau, điện áp đầu vào khuếch đại 12 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Vr = V1Sinωt -Vr = -V1Sinωt Từ điều kiện dòng điện vào khuếch đại đệm không ta có : (Vr − Vi)Csω = (Vr + Vi)Crω + Viω (Cp + Ci ) + ( AVi )C fbω Vi = Từ suy : (Cs − Cr )Vr Cs + Cr + Cp + Ci + (1 + A1 )C fb Trong A1 hệ số khuếch đại khuếch đại Suy điện áp Vout tính sau : Vout = AVi = A1 (C s − CR )Vr Cs + Cr + Cp + Ci + (1 + A1 )C fb Chọn hệ số khuếch đại A1 đủ lớn ta có kết xấp xỉ : Vout = C s − Cr Vr C fb Gọi điện dung ban đầu Co, giả sử độ dịch chuyển tụ chịu tác dụng ngoại lực x, ta có : Cs = εε o S εε S ; Cr = o d−x d+x εε o S d εε S 1 = o = Co d d−x d 1− x − x% d εε S d εε S 1 Cr = o = o = Co d d+x d 1+ x + x% d Cs = Với x%là độ dịch chuyển tương đối Thay tất vào công thức tính Vout ta 13 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc Vout = GVHD: TS Phạm Hồng 2Co x% Vr C fb (1 − x% ) Vout lớn 36mV 2.2.3 Hàm Vout theo lực đặt F Ta có: x= F= Fl2 (2l2 + 3l12 ) x%= EJd Ta rút Thay vào biểu thức Vout ta hàm theo F : Vout = 12 FEJCo dl2 (2l2 + 3l12 ) C fb (36 E J d − F 2l2 (2l2 + 3l12 )2 ) Đồ thị quan hệ F Vout Mô 14 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Hình 3.1: Ứng suất dầm chịu tác dụng lực Hình 3.2: Chuyển vị nặng chị tác dụng lực 15 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Phần III: LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO 1.Chuẩn bị wafer Tấm wafer chuẩn bị cho trình gia công wafer SOI có độ dày lơp sau:  Si ( lớp làm việc): dày 48 μm  SiO2: dày khoảng ÷ μm  Si substrate : dày 400 μm 16 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng 2.Hệ mask sử dụng cho trình gia công Để gia công cảm biến yêu cầu, ta sử dụng mask sau + Mask 1: Tạo cấu trúc điện cực ( để đưa dây ngoài) Mask + Mask 2: tạo cấu trúc dầm, lược nặng Mask + Mask : Ăn mòn mặt sau phiến 17 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Mask Quy trình chế tạo cảm biến chung sau  Phủ chất cảm quang lên bề mặt wafer  Quang khắc tạo điện cực 18 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng  Bốc bay nhôm hình thành điện cực  Tạo cấu trúc dầm lược  Lật wafer ăn mòn mặt sau phiến Bước 1: Xử lí bề mặt Để thực quy trình này, phiến wafer ngâm dung dich HNO3 để tẩy chất hữu , kim loại oxit kim loai Sau công đoạn rửa nước ion quay khô li tâm Bước 2: Tạo cấu trúc điện cực 19 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng + Phủ lớp cảm quang âm dương (photoresist) lên bề mặt wafer + Thực quang khắc việc chiếu tia cực tím (UV) cường độ lớn qua mask thiết kế xuống lớp wafer.Lớp cảm quang dương nơi điện cực chiếu sáng bị hòa tan, tạo thành cấu trúc điện cực + Phủ nhôm lên bề mặt phương pháp bốc bay chân không, nguyên tử kim loại bám lên bề mặt wafer + Tẩy lớp cảm quang( liff of) rửa ion kiểm tra kính hiển vi đạt yêu cầu chưa + Ủ nhiệt để tăng độ bám dính thành phần kim loại lên lớp Si →Kết Bước 3: Tạo cấu trúc dầm, lược nặng 20 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng + Phủ lớp cảm quang âm lên bề mặt wafer + Thực trình quang khắc với mask + Dùng phương pháp ăn mòn hoạt hóa sâu DRIE etching với hỗn hợp khí Ăn mòn đến lớp SiO SF6 C4 F8 / SiO2 + Kết sau: Bước 4: Ăn mòn mặt sau phiến + Lật wafer lên, phủ cảm quang dương lên bề mặt + Thực quang khắc với mask + Sử dụng phương pháp drie etching ăn mòn đến lớp SiO2 + Dùng phương pháp wet etchig( dung dịch HF 1%) để ăn mòn qua lớp 21 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng →Kết Phần IV: KẾT LUẬN 1.Kết đạt 22 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Sau trình thiết kết phương án cho cảm biến lực sử dụng hiệu ứng điện dung nhóm chúng em nhận thấy có điểm đạt chưa đạt điểm sau :  Điểm đạt được: • Độ nhạy cao • Dải đo rộng • Kết cấu vững • Dễ chế tạo  Điểm chưa đạt được: • Chi phí chế tạo lớn • Mạch đo phức tạp • Dễ bị nhiễu 2.Hướng phát triển hoàn thiện ứng dụng Qua trình tìm hiểu học tập, nhóm chúng em nhận thấy sensor lực sử dụng điện dung ứng dụng phát triển mạnh mẽ số lĩnh vực như:  Trong khí: dùng để đo biến dạng bề mặt chi tiết khí, mô men xoắn trục  Trong sinh học: áp dụng cho tách dòng, cung cấp thông tin dò lực lực tiếp tuyến sinh  Trong giao thông vận tải: ứng dụng thêm cho xác định tải trọng để đảm bảo bền vững kết cấu Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Hồng Phúc tận tình dẫn để nhóm hoàn thành báo cáo 23 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng TÀI LIỆU THAM KHẢO • Bài giảng môn học “Nhập môn vi điện tử ” “Thiết kế hệ thống vi điện tử ” Ts Phạm Hồng Phúc, Bộ Môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và Robot, Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội • Report“A MEMS Vertical Fringe Comb Capacitive Pressure Sensor for Biomedical Application”K Shah, H Thumu, V Vibhute, J Singh and H P Le (center of Telecommuication and Microelectronics Victoria University,P.O.Box 14428,Melbourne City MC8001,Victoria, Australia) • Report “A bulk microfabricated multi-axis capacitive cellular force sensor using transverse comb drives” Yu Sun1, Bradley J Nelson1, David P Potasek1 and Eniko Enikov2 24 ... ăn mòn qua lớp 21 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng →Kết Phần IV: KẾT LUẬN 1.Kết đạt 22 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Sau trình thiết kết phương án cho... quan hệ F Vout Mô 14 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng Hình 3.1: Ứng suất dầm chịu tác dụng lực Hình 3.2: Chuyển vị nặng chị tác dụng lực 15 Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc... 2.1.1 Tính lực tối đa mà hệ thống đo Mô hình hóa hệ cho hệ dầm sau: Hình 2.1 : Mô hình hóa hệ thống Hệ dầm mô hình hóa thành nút phần tử sau: Thiết kế hệ thống vi điện tử Phúc GVHD: TS Phạm Hồng