Thiết kế vi cảm biến hay vi cấu trúc là một cơng việc đa ngành, các ý tƣởng đều xuất phát trên cơ sở theo yêu cầu của các chỉ tiêu hoạt động, một số hiệu ứng vật lý và dựa trên cơng nghệ cĩ sẵn. Để cĩ linh kiện MEMS hồn chỉnh thì phải đánh gía quá trình thiết kế liên tục. Chu trình thiết kế vi cảm biến trong MEMS gồm cĩ các bƣớc sau [12]:
Bƣớc 1: xác định các thơng số chi tiết cuả linh kiện
Chẳng hạn đối với cảm biến áp suất áp điện trở cần xác định các tham số sau :
- Độ nhạy
- Dãy đo áp suất
- Áp suất quá tải
- Nguồn cung cấp
- Độ ổn định (ngắn hạn, dài hạn)
- Tính chọn lọc
- Điều kiện xung quanh cho phép
- Thời gian hoạt động
- Hình thức ngõ ra
- Chi phí, kích thƣớc, trọng lƣợng
Bƣớc 2: Chọn lựa qui trình sản xuất phù hợp
Tùy theo điều kiện trang thiết bị, mà cĩ thể sử dụng cơng nghệ vi cơ khối (ƣớt hoặc khơ) hay cơng nghệ vi cơ bề mặt cho việc chế tạo linh kiện.
Bƣớc 3: Mơ phỏng linh kiện
Nhằm dự đốn trƣớc đƣợc các ứng xử của linh kiện trong điều kiện sử dụng thực tế, từ đĩ giúp tối ƣu hĩa cơng việc thiết kế. Nhờ vậy mà các chỉ tiêu kỹ thuật đƣợc thực hiện đầy đủ. Nĩ cho phép tính đƣợc :
- Kích thƣớc vật lí của màng cảm biến, tay địn .v…v…
- Mức ứng suất, vị trí lớn nhất .v…v…
- Nếu áp điện trở đƣợc dùng : kích thƣớc, vị trí.v…v…
- Xác định giá trị ngõ ra của cảm biến
- Độ nhạy
- Sự tuyến tính
- Những đáp ứng khác : nhiệt độ …v…v…
- Bao gồm cả kỹ thuật đĩng gĩi, nếu đƣợc yêu cầu.
Sự mơ phỏng linh kiện cĩ thể là dùng phép giải tích hay phép số. Những tính tốn phép giải tích chỉ cĩ thể thực hiện trong những trƣờng hợp đơn giản. Mơ phỏng bằng phép số bao gồm cả mơ phỏng tính cơ học và cả yêu cầu về đặc tính điện của linh kiện. Mơ phỏng tính cơ học thƣờng dựa trên mơ phỏng các phần tử hữu hạn (FEM). Phƣơng pháp mơ phỏng phần tử hữu hạn đƣợc dùng cho việc mơ phỏng áp suất, nhiệt, chất lỏng và tĩnh điện (chi tiết đƣợc đề cập ở phần sau). Mơ phỏng đặc tính điện thì thực hiện nhƣ mơ phỏng SPICE.
Bƣớc 4: Vẽ mask layout
Sau khi cĩ cấu trúc chi tiết đã đƣợc xác định ở bƣớc 3, tiến hành thiết kế sơ đồ (layout) để tạo mặt nạ (mask) cho việc quang khắc (photolithographic), đáp ứng cho việc xử lí chế tạo ở bƣớc 2. Để bảo đảm cho nhà sản xuất linh kiện, thiết kế layout phải tuân theo luật thiết kế DRC (design rule check).
Nguyên tắc vẽ mask layout cĩ thể dùng bất kỳ phần mềm đồ họa nào, tuy nhiên nên sử dụng phần mềm đĩng gĩi CAD chuẩn để thiết kế layout (hình 2.4), điều này làm cho việc kiểm tra luật thiết kế trở nên dể dàng hơn, và dữ liệu sau khi thiết kế đƣợc chuyển sang định dạng thích hợp (standard GDS II).
Mơ phỏ ng FEM
Áp suất Cấu trúc cơ
Thành phần cảm biến Ngõ ra điện M ơ phỏng FEM Mơ phỏng linh kiện Các t ham số Ứng suất
Hình 2.4. Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp điện trở dùng cơng cụ thiết kế của CADENCE.
Kiểm tra luật thiết kế layout (DRC – Design Rule Check)
Khi vẽ layout, nĩ phải tuân theo luật thiết kế theo cơng nghệ sử dụng. Nếu sử dụng các phần mềm CAD chuẩn, nĩ cĩ thể đƣợc lập trình để tự động kiểm tra luật thiết kế, để thực hiện điều này phải thực hiện định nghĩa các tập tin kỹ thuật (technology file), bao gồm các thơng tin sử dụng lớp phủ mặt nạ (mask layers) trong quá trình sản xuất, cấu trúc hình học cho phép và luật thiết kế chính nĩ.
Phần mềm CAD
Mask layout Công cụ kiểm
tra tự động DRC
Tập tin kỹ thuật
* Lớp (các mức mask) * Cấu trúc hình học
* Luật thiết kế (giới hạn kích thước trên cấu trúc hình học
Đúc khuôn
OK
Lỗi thiết kế
Hình 2.4 Tự động kiểm tra luật thiết kế