Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế qui trình và bộ MASK chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở ba bậc tự do có kích thước thu nhỏ với việc áp dụng một kỹ thuật tiên tiến, là ăn mòn khô hoạt hóa sâu (DRIE), để tạo cấu trúc ba chiều phức tạp của linh kiện. Các đặc trưng lối ra của cảm biến sau chế tạo đã được đo đạc và so sánh với các kết quả tính toán cho thấy cảm biến đã có những đáp ứng như mong đợi.
TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP ĐIỆN TRỞ BA BẬC TỰ DO KÍCH THỨỚC THU NHỎ TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ KHỐI ÁP DỤNG KỸ THUẬT ĂN MÕN KHƠ HOẠT HĨA SÂU (DRIE) DESIGN AND FABRICATION OF MEMS MINISTURIZED 3-DOF PIEZORESISTIVE ACCELERATION SENSORS USING DEEP REACTIVE ION ETCHING TECHNOLOGY Vũ Ngọc Hùng, Nguyễn Văn Minh, Lê Văn Minh, Trịnh Quang Thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc ba bậc tự kích thước thu nhỏ sở công nghệ vi khối Cảm biến thiết kế có kích thước ngồi 1x1x0,45 mm Phần tử nhạy cảm biến gồm khối gia trọng treo bốn dầm đối xứng có kích thước 340x60x10 μm giữ cố định khung cứng bên sử dụng vật liệu silic Các áp điện trở silic dạng mỏng có kích thước 3x30 μm tạo dầm Qui trình chế tạo cảm biến gia tốc thực sở áp dụng công nghệ vi điện tử để tạo áp điện trở loại p dây điện cực, công nghệ vi chế tạo sử dụng kỹ thuật ăn mòn khơ ion hoạt hoá sâu (DRIE) để tạo cấu trúc cảm biến Trong nghiên cứu chúng tơi, q trình ăn mòn vật liệu Si thực theo phương pháp Bosch sử dụng hỗn hợp khí SF6 C4F8 Cảm biến chế tạo xác định đồng thời ba thành phần gia tốc Ax, Ay Az dải tần số hoạt động 100 Hz Độ nhạy theo phương X (Y) Z đạt giá trị tương ứng 30,5 V/g 22,9 V/g ABSTRACT This paper presents the design and the fabrication of a miniaturized three-degree-of-freedom piezoresistive acceleration sensor based on bulk MEMS technology The outer dimension of designed sensor is 1x1x0,45 mm The mechanical sensitive part includes a seismass suspended by four symetrical thin beams which have the dimension of 340x60x10 μm This structure is contrained by a silicon rigid frame The thin film resistors have the dimension of 3x30 μm The sensor fabrication process consists of two stages dealing with IC compatible technology to form the diffused layer p- type silicon piezoresistors as well as electrical wiring, and with micromachining using deep reactive ion etching (DRIE) to make the sensor structure In our study, the silicon etching process is performed by Bosch method using the gas mixture of SF6 and C4F8 The fabricated piezoresistive acceleration sensor can detect simultaneously three components of the linear acceleration at the frequency bandwidth 100 Hz The net sensitivities for direction components X (Y) and Z without amplifier are 30.5 V/g, and 22.9 V/g, respectively Keywords: MEMS, accelerometer, Deep RIE I MỞ ĐẦU Nguyên lý biến đổi gia tốc tác động lên cảm biến thành tín hiệu điện thường dựa hiệu ứng áp điện trở với cấu hình cầu điện trở Wheatstone, biến đổi điện dung [4, 5] So với cảm biến gia tốc kiểu điện dung, cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở có ưu điểm trở kháng lối cầu điện trở thấp nên dễ dàng nhận biết đo đạc tín hiệu Cảm biến gia tốc MEMS thuộc chủng loại cảm biến quán tính silic ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực kỹ thuật [13] Linh kiện tích hợp điều khiển túi khí an tồn hệ thống treo thăng lắp đặt phổ biến ô-tô đại điều khiển triệt tiêu ảnh hưởng rung chấn với thiết bị điện tử điện thoại di động máy tính xách tay Cảm biến gia tốc MEMS có ưu điểm trội độ nhạy cao, kích thước nhỏ nhẹ, thế, chúng ứng dụng lĩnh vực chế tạo thiết bị y tế người máy Các cố gắng nhằm giảm thiểu kích thước nâng cao độ nhạy cảm biến xác định gia tốc đa chiều cho phép tăng số lượng linh kiện phiến khả tích hợp cao 74 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế qui trình MASK chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở ba bậc tự có kích thước thu nhỏ với việc áp dụng kỹ thuật tiên tiến, ăn mòn khơ hoạt hóa sâu (DRIE), để tạo cấu trúc ba chiều phức tạp linh kiện Các đặc trưng lối cảm biến sau chế tạo đo đạc so sánh với kết tính tốn cho thấy cảm biến có đáp ứng mong đợi lớn dầm vng góc với phương thành phần gia tốc Trên sở tính tốn lý thuyết, cấu hình hệ thống chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện gồm ba cầu Wheatstone thiết lập từ 16 áp điện trở loại p (hình 2) Hệ thống cho phép xác định ba thành phần gia tốc tịnh tiến cách độc lập hạn chế hiệu ứng tác động đan xen thành phần Trong cấu hình trên, tám áp điện trở R-Az, bốn áp điện trở R-Ax bốn áp điện trở R-Ey phân bố bốn dầm treo Các áp điện trở chế tạo bề mặt dầm theo hướng [110] phiến silic n(100) Cấu hình bố trí áp điện trở cho phép giảm thiểu ảnh hưởng nhiệt độ tới thông số vật lý áp điện trở, giúp cải thiện đặc trưng lối cảm biến II THIẾT KẾ CẢM BIẾN Yêu cầu đặt thiết kế cảm biến gia tốc ba bậc tự cần có độ nhạy cao hiệu ứng ảnh hưởng đan xen (cross-talk) thành phần gia tốc phải nhỏ Để đáp ứng yêu cầu đó, chúng tơi đưa mơ hình cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu áp trở trình bày hình Trong thiết kế, phần tử nhạy sử dụng vật liệu silic bao gồm khối gia trọng treo bốn dầm đối xứng Các dầm có kích thước 340x60x10 μm3 giữ cố định khung cứng Các áp điện trở silic dạng mỏng có kích thước 3x30 μm2 tạo dầm Kích thước ngồi cảm biến 1x1x0,45 mm3 Khối gia trọng Thanh dầm treo Thanh dầm nhạy Khung ngồi Hình Sơ đồ bố trí áp điện trở Bảng trình bày quy luật tăng giảm giá trị điện trở áp điện trở đặt tải gia tốc lên cấu trúc cảm biến Hình Mơ hình cảm biến gia tốc Khi đặt tải gia tốc lên cảm biến, cấu trúc dầm bị biến dạng gây thành phần gia tốc pháp tuyến (Az) tạo chuyển động thẳng đứng khối gia trọng, thành phần gia tốc theo phương x (Ax) theo phương y (Ay) Sự biến dạng gây thành phần gia tốc dẫn tới thay đổi ứng suất dầm Sự thay đổi dẫn tới thay đổi giá trị điện trở áp điện trở Tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu điện sở mạch cầu Wheastone kích thích khơng cân Các kết nghiên cứu mơ cho thấy trường hợp cảm biến chịu tác dụng thành phần gia tốc Ax Ay, ứng suất dọc có giá trị Bảng Quy luật thay đổi điện trở áp điện trở đặt tải lên cảm biến III CHẾ TẠO CẢM BIẾN Cảm biến gia tốc kiểu áp trở chế tạo sở cơng nghệ MEMS gồm hai bước công nghệ IC để tạo cấu trúc điện công nghệ vi khối để tạo cấu trúc linh kiện 75 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 không quang khắc bước 4, kết thúc trình tạo cấu trúc điện Một qui trình xử lý nhiệt thực để có tiếp xúc ohmic nhơm silíc (hình 5) Bước qui trình tạo cấu trúc cảm biến bao gồm dầm khối gia trọng nhờ cơng nghệ ăn mòn khơ hoạt hóa sâu (DRIE) môi trường plasma thiết bị chuyên dụng SAMCO RIE-10iP dùng hỗn hợp khí ăn mòn SF6/Ar/C4F8 Cuối cùng, lớp SiO2 tẩy bỏ qui trình ăn mòn khô RIE Ảnh chụp cảm biến sau chế tạo được trình bày hình SiO2 Ôxy hoá nhiệt Phiến SOI wafer Quang khắc tạo mẫu áp đ i ệ n t r Si loại p Khuếch Khuếchtán tánBoB Dây Al Tạo dây đ i ệ n Lớp SiO2 đ ệ h ô n c ự c m m Ă t r n e òn m o v k D h R ố I i E g t i a t o r d ọ n ầ m g Tẩy lớp SiO2 RIE Hình Ảnh chụp áp điện trở sau bước cơng nghệ -4 Hình Sơ đồ quy trình chế tạo cảm biến gia tốc 2.0x10 Trong nghiên cứu này, phiến silic Silicon-On-Insulator (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 450 μm để tạo khung cứng cho linh kiện Quy trình cơng nghệ chế tạo linh kiện (hình 3) bắt đầu với q trình ơxy hố nhiệt để tạo lớp ơxýt silic (SiO2) với bề dày cỡ 300 nm hai mặt phiến SOI nhit 1100 oC 1.5x10 Dòng điện (A) -4 -4 1.0x10 -5 5.0x10 0.0 -5.0x10 -5 -1.0x10 -4 -6 -4 -2 6 §iƯn ¸p (V) (a) Kỹ thuật quang khắc thực bước để mở cửa sổ tạo định dạng điện trở bề mặt phía có lớp Si mỏng phiến SOI Các điện trở có dạng hình chữ I, 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 đó, trước tiên q trình khuếch tán sơ mơi trường khí N2 nhiệt độ 1050 oC 60 phút để tạo điện trở loại p bề mặt mẫu Sau q trình khuếch tán sâu (deep drive-in) nhằm đẩy tạp sâu vào đế môi trường O2 nhiệt độ 1050 oC 30 phút Hình ảnh chụp áp điện trở sau bước thứ qui trình chế tạo Các đường dẫn nhôm tạo kỹ thuật bốc bay chõn 0.006 Dòng điện (A) 0.004 0.002 0.000 -0.002 -0.004 -0.006 -6 -4 -2 Điện áp (V) (b) Hình Đặc trưng I-V áp điện trở với điện cực nhơm trưóc (a) sau xử lý nhiệt (b) 76 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 70 - 2009 700 Giá trị mô điện áp theo gia tôc Az Giá trị thực nghiệm điện áp theo gia tôc Az Giá trị thực nghiệm điện áp theo gia tôc Ax Điện áp [mV] 600 500 400 300 200 100 Hình Ảnh chụp cảm biến gia tốc sau chế tạo Để đánh giá khả hoạt động cảm biến, đặc trưng điện áp phụ thuộc vào gia tốc khảo sát Phương pháp đo đặc trưng động sở thiết bị rung hoạt động tần số 50 Hz sử dụng Điện áp nguồn cung cp cho cm bin l V Điện áp [mV] Biên độ [dB] 200 25 100 1000 c trưng tần số cảm biến có vai trò quan trọng cho phép xác định độ rộng dải tần làm việc linh kiện Đặc trưng tần số mode dao động ngang dao động vng góc trình bày hình hình 10 Kết cho thấy độ rộng dải tần cảm biến gia tốc chế tạo có giá trị cỡ 100 Hz Biên độ giảm tần số cao suy hao lớn gây hiệu ứng trượt lớp khí dọc bề mặt cảm biến 400 20 30 Hình Đặc trưng biên độ - tần số mode dao động ngang cảm biến gia tốc 600 15 25 TÇn sè [Hz] 800 10 20 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 10 Giá trị mô điện áp theo gia tôc Ax Giá trị thực nghiệm điện áp theo gia tôc Ax Giá trị thực nghiệm điện ¸p theo gia t«c Az 15 Hình Sự phụ thuộc điện áp vào gia tốc tịnh tiến Az Kết thu cho thấy điện áp cảm biến phụ thuộc tuyến tính vào tải gia tốc Ax Az dải giá trị từ đến 30g (hình hình 8) Độ nhạy cảm biến gia tốc thành phần gia tốc Ax/Ay Az đạt giá trị tương ứng 30,5 V/g 22,9 V/g Mặt khác, kết khảo sát cho thấy đo phụ thuộc tín hiệu vào thành phần gia tốc theo phương x z, độ lớn tín hiệu thành phần vng góc tương ứng z x nhỏ Điều khẳng định ảnh hưởng hiệu ứng đan xen (cross- talk) cảm biến không đáng kể 10 Gia tèc theo ph-¬ng Az [g] IV CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA CẢM BIẾN 1000 30 Gia tèc theo ph-¬ng Ax [g] Hình Sự phụ thuộc điện áp vào gia tốc tịnh tiến Ax 77 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HC K THUT S 70 - 2009 Biên độ [dB] V KẾT LUẬN Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở ba bậc tự thiết kế chế tạo thành công sở công nghệ vi khối sử dụng kỹ thuật ăn mòn khơ DRIE Cảm biến với kích thước thu nhỏ 1x1x0,45 mm3 đạt độ nhạy cao xác định ba thành phần gia tốc tịnh tiến với hiệu ứng đan xen thấp -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 10 100 Lời cảm ơn 1000 TÇn sè [Hz] Nghiên cứu thực khuôn khổ đề tài cấp nhà nước mã số KC 02.15/06-10 Hình 10 Đặc trưng biên độ - tần số mode dao động vng góc cảm biến gia tốc TÀI LIỆU THAM KHẢO N Yazdi, F Ayazi, and K Najafi; Micromachined Inertial sensors; Proceeding of the IEEE, vol 86, No 8, (1998), p 1640 W J Fleming; Overview of automotive sensors; Sensors Journal, IEEE, Vol 1, Issue (2001), p 296 – 308 Jon S Wilson; Sensor Technology Handbook Elsevier Inc., Burlington-Oxford, 2005 T Mineta, S Kobayashi, Y Watanabe, S Kanauchi, I Nagakawa, E Suganuma, M Esashi; Three-axis capacitive accelerometer with uniform axial sensitivities; Transducer 95, Stokholm, Sweden (1995), p 544-577 S Middelhoek; Micro mechanical transducers, Handbook of sensors and actuators; Vol 8, edited by M -H Bao, Elsevier, 2000 Địa liên hệ: Vũ Ngọc Hùng - Tel: 0915.396.901, email: hungvungoc@itims.edu.vn Viện Đào tạo quốc tế khoa học vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 78 ... đổi điện trở áp điện trở đặt tải lên cảm biến III CHẾ TẠO CẢM BIẾN Cảm biến gia tốc kiểu áp trở chế tạo sở công nghệ MEMS gồm hai bước cơng nghệ IC để tạo cấu trúc điện công nghệ vi khối để tạo. .. & CƠNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THU T SỐ 70 - 2009 Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế qui trình MASK chế tạo cảm biến gia tốc kiểu áp trở ba bậc tự có kích thước thu nhỏ với vi c áp. .. phụ thu c điện áp vào gia tốc tịnh tiến Ax 77 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THU T S 70 - 2009 Biên độ [dB] V KT LUN Cảm biến gia tốc MEMS kiểu áp trở ba bậc tự thiết kế chế