thiết kế hệ thống cơ điện tử cảm biến gia tốc áp điện trở 6 DOF

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CẢM BIẾN GIA TỐC BẬC TỰ DO Sinh viên thực hiện: Phan Tiến Dũng 20140825 Nguyễn Kim Duy 20140732 Đinh Trường Giang 20141213 Chu Văn Hồng 20141739 Văn Đình Quý 20143723 GVHD: TS Phạm Xuân Khải ThS Vũ Văn Quang Hà Nội, 12/12 Thiết kế hệ thống vi điện tử Page MỤC LỤC Tổng quan 1.1 MEMS MEMS (Micro Electro Mechanical System) hệ vi điện tử bao gồm cảm biến chấp hành có kích thước nhỏ cỡ micro milimet Các linh kiện MEMS chế tạo dựa sở công nghệ vi điện tử Trong công nghệ MEMS người ta sử dụng kỹ thuật ăn mòn dị hướng để Thiết kế hệ thống vi điện tử Page tạo cấu trúc chiều chuyển động Các sản phẩm MEMS bao gồm cảm biến áp suất, điều khiển chất lỏng, cảm biến quán tính chuyển mạch quang học MEMS lĩnh vực quan tâm nhiều lý khác xong chúng có đặc điểm chung định có kích thước nhỏ hơn, tích hợp nhiều cơng nghệ tiêu thụ lượng đồng thời độ tin cậy cao, giá thành vừa phải khiến cho ngành công nghiệp MEMS trở nên phát triển Bằng việc sử dụng thiết bị MEMS tạo hệ thống có kích thước nhỏ hơn, khối lượng nhỏ tiêu thụ lượng hơn, thơng minh MEMS hứa hẹn tạo cách mạng cho lọai sản phẩm, cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả kết hợp yếu tố vi điện tử với vi cảm biến kích hoạt, tạo khả nhận biết điều khiển 1.2 Cảm biến gia tốc 1.2.1 Khái niệm Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Để khảo sát trạng thái chuyển động vật cần biết thông số động học: vị trí, vận tốc gia tốc Các thơng số biến đổi qua lại cho phép tốn đạo hàm tích phân Tuy nhiên thực tế người ta thường sử dụng rộng rãi phép tốn tích phân đem lại hiệu tốt có nhiễu tắt dần Vì người ta xác định gia tốc để khảo sát chuyển động vật Để máy hiểu thơng số gia tốc sử dụng tốn tự động hóa ta cần cảm biến gia tốc Ngày nay, 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 ô tô, điện tử dân dụng, khoa học không gian Cảm biến gia tốc chế tạo MEMS thay dần cảm biến Thiết kế hệ thống vi điện tử Page gia tốc chế tạo phương pháp truyền thống có kích thước nhỏ đặc tính đo lường tốt 1.2.2 Phân loại cảm biến Có loại cảm biến bao gồm: cảm biến áp điện trở, cảm biến áp điện cảm biến điện dung Trong cảm biến gia tốc áp điện trở sử dụng phổ biến có nhiều ưu điểm giá thành rẻ, thiết kế đơn giản mang lại hiệu cao 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Đây mơ hình cảm biến gia tốc Khoang chứa hình trụ gắn liền với vật thể cần đo gia tốc, bóng di chyển phương dọc theo khoang chứa Khi vật thể chuyển động, lực quán tính khiến cho bóng chuyển động, nhờ vào độ giãn lò xo ta đo lực quản tính Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nếu muốn đo theo phương: Ta bố trí cảm biến gia tốc đặt theo chiều X, Y Z Mơ hình cảm biến gia tốc bậc tự Khi đầu vào gia tốc khối gia trọng dịch chuyển kéo theo dầm biến dạng thay đổi ứng suất Các áp điện trở cấy bề mặt dầm Sự thay đổi điện trở biến đổi thành tín hiệu điện Thiết kế hệ thống vi điện tử Page nhờ sử dụng mạch điện xử lý bên ngồi mạch cầu Wheaston Từ ta xác định Vout gia tốc phương Ứng dụng cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực 1.2.4 kỹ thuật, công nghiệp, y sinh, định vị, giao thông, thiết bị điện tử cá nhân Ứng dụng cảm biến gia tốc túi khí tơ, xác định thay đổi đột ngột gia tốc phương tiện để xác định có va chạm xảy mức độ nghiêm trọng va chạm Ứng dụng cảm biến gia tốc việc xoay hình điện thoại Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Ứng dụng cảm biến gia tốc tuabin Ứng dụng nghiên cứu sinh học Cơ sở lý thuyết 2.1 Hiệu ứng áp điện trở Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Định nghĩa: Điện trở vật liệu thay đổi tác dụng ngoại lực Với vật liệu khối: Sự thay đổi điện trở: Thay đổi tương đối: Điện trở biến đổi do: - Thay đổi kích thước a, l - Thay đổi điện trở suất  2.2 Hệ số đo (gauge factor) K: hệ số đo biến dạng - Kim loại Kmax = - Vật liệu bán dẫn Kmax = 150 -200 + Áp điện trở dọc: biến dạng dài điện trở chiều ngoại lực tác dụng lên vật liệu cần đo biến dạng hệ số đo K dọc + Áp điện trở ngang : biến dạng dài điện trở trực giao chiều ngoại lực tác dụng lên vật liệu cần đo biến dạng hệ số đo K ngang Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 2.2 Hệ số áp điện trở + Khi dòng điện chạy qua điện trở có: với Si có: + Bán dẫn có K lớn thay đổi điện trở suất, tức là: hay: ứng suất song song ứng suất vng góc Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 10 Bước 2: Ơxi hố nhiệt- q trình chế tạo mạch tích hợp người ta thường phải dùng lớp SiO2 bề mặt tinh thể Si Lớp SiO2 có hệ số dãn nở nhiệt gần hệ số giản nở nhiệt Si, với số điện mơi ε~ 4, có tác dụng bảo vệ bề mặt linh kiện bán dẫn tác dụng mơi trường bên ngồi, che chắn bề mặt Si trình khuếch tán định xứ tạp chất P B Ngoài lớp SiO2 sử dụng làm cực (gate) cửa cho bóng bán dẫn (transistor) Có nhiều phương pháp tạo lớp SiO2 phương pháp sử dụng rộng rãi để nhận lớp SiO2 phương pháp ơxy hố nhiệt độ cao (khoảng 1000oC -1100 oC) Phiến silic Silicon-OnInsulator (SOI) đánh bóng hai mặt loại n-(100) có lớp ơxýt silic đệm với bề dày μm sử dụng Cấu trúc loại phiến tạo lớp silic, lớp có độ dày 10 μm sử dụng để tạo cấu trúc dầm nhạy lớp lại có độ dày 500 μm để tạo khung cứng cho linh kiện Quy trình công nghệ chế tạo linh kiện bắt đầu với q trình ơxy hố nhiệt để tạo lớp ơxýt silic (SiO2) với bề dày cỡ 300 nm hai mặt phiến SOI nhiệt độ 1100 oC Q trình Oxi hóa nhiệt có hai dạng oxi hóa khơ ẩm với chế phản ứng hóa học sau: - Oxi hóa khơ: - Oxi hóa ẩm: Si + O2 → SiO2 Si + H 2O → SiO2 + H Bước :Thực trình quang khắc để tạo định dạng vị trí gắn áp điện trở bề mặt phía có lớp Si mỏng phiến SOI Các điện trở định hướng theo phương tinh thể silic [110]  - - Sơ lược trình quang khắc: Mục đích: tập hợp q trình quang hóa nhằm thu phần tử có kích thước hình dạng xác định Quang khắc quy trình gia cơng quan trọng MEMS Cơ chế: Bề mặt đế sau xử lý bề mặt phủ hợp chất hữu gọi chất cảm quang (photoresist), có tính chất nhạy quang (tức tính chất bị thay đổi chiếu xạ thích hợp), đồng thời lại bền mơi trường kiềm hay axit Cảm quang có vai trò bảo vệ chi tiết vật liệu khỏi bị ăn mòn tác dụng ăn mòn tạo khe rãnh có hình dạng chi tiết cần chế tạo Cảm quang thường phủ lên bề mặt kỹ thuật quay phủ (spin-coating) Cản quang phân làm loại: Cảm quang dương: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau ánh sáng chiếu vào bị hòa tan dung dịch tráng rửa Cảm quang âm: Là cảm quang có tính chất biến đổi sau ánh sáng chiếu vào khơng bị hòa tan dung dịch tráng rửa Một hệ quang khắc bao gồm nguồn phát tia tử ngoại, chùm tia tử ngoại khuếch đại sau chiếu qua mặt nạ (photomask) Mặt nạ chắn sáng in chi tiết cần tạo (che sáng) để che không cho ánh sáng chiếu vào vùng cảm quang, tạo hình ảnh chi tiết cần tạo cảm quang biến đổi Sau chiếu qua mặt nạ, bóng chùm sáng có hình dạng chi tiết cần tạo, sau hội tụ bề mặt phiến phủ cảm quang nhờ hệ thấu kính hội tụ Sau quang khắc dùng chất rửa để tẩy phần photoresist bị phân hủy, ta tẩy bỏ lớp cảm quang dung dịch Remover 106 Sau rửa hồn tồn dung dịch pihara Sấy khô chuẩn bị cho bước sau  Phủ cảm quang: Thực phủ lớp cảm quang dương lên bề mặt SOI phía có lớp Si mỏng phương pháp quay ly tâm Ở giai đoạn đế quay máy quay li tâm môi trường chân không Các thông số kĩ thuật giai đoạn này: tốc độ quay (3000 - 6000 vòng/phút), thời gian quay (15 - 30 s), độ dày lp ph (0.5 ữ 15 àm) Cụng thc thc nghim để tính độ dày lớp phủ cảm quang: kp t= w với k: số thiết bị quay li tâm (80-100) ,p: hàm lượng chất rắn chất cảm quang (%) ,w: tốc độ quay máy quay li tâm (vòng/1000) Tấm đế Wafer sau phủ cảm quang:  So khuôn chiếu sáng: + Chiếu tia sáng UV qua thấu kính có gắn mặt nạ sau: + Chất cảm quang phủ lên chất cảm quang dương nên phần cảm quang bị tia sáng UV chiếu vào bị hòa tan,phần cảm quang mặt nạ che sáng giữ lại.Ta có cấu trúc sau: + Pattern SiO2 by HF and remove photoresist: rửa trơi cảm quang lại đồng thời khắc sâu lớp SiO2: + Tấm SOI nhìn từ xuống sau bước thứ 3: Bước : Khuếch tán Boron tạo điện trở : Các điện trở định hướng theo phương tinh thể silic [110] chế tạo kỹ thuật khuếch tán hai bước sử dụng dung dịch SOD boron (tạo silic loại p) làm nguồn khuếch tán theo trình.Trước tiên trình khuếch tán sơ mơi trường khí N2 nhiệt độ khoảng 1050oC để tạo điện trở loại p bề mặt mẫu Sơ lược trình khuếch tán: - Mục đích: nhằm tạo vùng bán dẫn, loại dẫn khác nhau, thông thường dùng khuếch tán nhiệt độ cao - Cơ chế: trình đổi chỗ nguyên tử cạnh nguyên tử dịch chuyển nút mạng Có hai loại bán dẫn p n, để tạo miền bán dẫn loại p cần khuếch tán tạp boron, để tạo miền bán dẫn loại n cần khuếch tán tạp photpho Các yếu tố ảnh hưởng trình gồm nồng độ chất khuếch tán, nhiệt độ, môi trường khuếch tán Tấm wafer sau khuếch tán Boron: Sau trình khuếch tán sâu (deep drive-in) nhằm đẩy tạp sâu vào đế môi trường O2 nhiệt độ khoảng 1050oC Tấm wafer sau bước công nghệ thứ nhìn từ xuống: Bước 5: Tạo đường dẫn nhôm: Tạo đường dẫn nhôm kỹ thuật phún xạ (Sputtering) quang khắc Ion Ar+ với lượng khoảng keV môi trường plasma bắn phá target kim loại (Al, W, Cu), nguyên tử kim loại bật bám lên bề mặt wafer Phần bị phủ trở thành dây dẫn Sử dụng quang khắc để tạo cấu hình dây dẫn mong muốn Kết thúc trình tạo cấu trúc điện Một quy trình xử lý nhiệt để có tiếp xúc ohmic nhôm vào silic Bề dày dây nhôm khống chế khoảng 0,6μm.Như kết thúc trình tạo cấu trúc điện cho áp cảm biến gia tốc áp điện trở bậc tự • Giai đoạn tạo cấu trúc cho cảm biến: Bước : Thực trình quang khắc ăn mòn hoạt hóa sâu DRIE bề mặt trước phía lớp Silic mỏng:Ta thực trình phủ cảm quang,so gương,chiếu sáng với mặt nạ có dạng hình vẽ: Sau thực q trình quang khắc,rửa trơi cảm quang ăn mòn nhờ cơng nghệ ăn mòn khơ hoạt hóa sâu (DRIE) mơi trường plasma thiết bị chuyên dụng SAMCO RIE-10iP dùng hỗn hợp khí ăn mòn SF6/Ar/C4F8.Ta thu rãnh bề mặt sau: Sơ lươc cơng nghệ ăn mòn khơ hoạt hóa sâu (DRIE): - - Mục đích: Là nhiều loại ăn mòn khơ dị hướng thường sử dụng phổ biến quy trình gia cơng MEMS với hệ số tỷ lệ dị hướng cao D-RIE bước đột phá phát triển quy trình gia cơng cơ, ta tạo hình xun suốt wafer với độ xác cỡ vài trăm nm Cơ chế: Đầu tiên q trình ăn mòn silicon việc sử dụng khí SF6 Đặc điểm khí SF6 tạo thành luồng plasma để bắn vào bề mặt silicon, tác dụng với silicon tạo thành cản phẩm bay lên, đồng thời tỏa nhiệt Sản phẩm phản ứng bay lên có thiết bị hút Sau bắn phá bề mặt silicon tạo thành rãnh lõm Các phản ứng là: Các phản ứng phân ly: Các phản ứng ion hóa: − − − e + SF6 → SF5 + F + e e + SF6 → SF + + F + 2e− e − + SF5 → SF4 + F + e − e − + SF6 → SF + + F2 + F + 2e − e − + SF4 → SF3 + F + e − e − + SF4 → SF + + F + 2e − Các phản ứng thu là: e − + SF6 → SF −5 + F e − + SF4 → SF −3 + F e− + SF4 → SF + + F + 2e− Flo tự từ trình phân ly ăn mòn silicon: SiFx + F → SiFx +1 với x = C4 F8 Quá trình lắng đọng polyme Phun khí (ổn định hình thái hốc ăn mòn (thẳng vách phẳng, mịn) vào bề mặt, chất tạo thành lớp bảo SF6 vệ Sau phủ xong tiếp tục bắn phá Tuy nhiên bắn phá, khí (SF6:chất ăn mòn chính) đục mặt nạ đáy, đục mặt nạ luồng tia plasma khơng có tác dụng, đục xuống đáy đục thủng lớp nhựa bảo vệ tạo thành, giữ lại thành bên Các trình lặp lặp lại tạo nên thành bậc nhỏ Thời gian cho hai bước là: 5-12s Q trình mòn dừng lại gặp bề mặt SiO2 Bước : Thực q trình quang khắc ăn mòn hoạt hóa sâu DRIE bề mặt sau phía lớp Silic dày: Bước 3: Tẩy bỏ SiO2 công nghệ RIE: Sơ lược cơng nghệ ăn mòn khơ (RIE): - Mục đích: ăn mòn lớp nền, lớp phủ khơng mong muốn Cơ chế: kỹ thuật ăn mòn khơ, silicon đưa vào buồng chân khơng, sau hỗn hợp khí dùng cho ăn mòn đưa vào buồng phản ứng Ở chân khơng thích hợp, tác dụng nguồn cao tần, khí ăn mòn bị ion hoá thu hỗn hợp plasma khí nói bao gồm ion F+ SiO2 Si … bị ăn mòn tạo sản phẩm phản ứng tương ứng Cảm biến nhìn từ xuống sau bước 3: Một góc nhìn khác để ta thấy rõ dầm: Bước 4: Ăn mòn thủy tinh pyrex bên cho phù hợp với cấu trúc dầm gia trọng: Bước 5:Liên kết thủy tinh pyrex với wafer trình anodic bonding: Sơ lược trình anodic bonding: - Mục đích: liên kết vật liệu khác thành khối hoàn chỉnh Cơ chế: Đặt wafer thủy tinh Pyrex vị trí mong muốn Làm nóng đến khối thủy tinh Pyrex trở nên mềm sử dụng hiệu điện wafer khối thủy tinh Pyrex ( khoảng 1000V) Dòng điện khiến nguyên tử O2+ di chuyển tới bề mặt liên kết kết hợp với Si tạo thành SiO2 Khi hai liên kết với ta làm lạnh vòng vài phút để tạo liên kết bền vững