Sau khi hồn thành các khối, chúng ta sẽ nối dây chúng lại với nhau nhƣ (hình 3.18). Việc hiển thị cĩ thể tối ƣu hĩa để cĩ kết quả tốt hơn, chúng ta cĩ thể chọn „CONTROL/ DECORATES‟ cho các tùy chọn khác nhau. Tỉ lệ hiển thị đồ họa cũng cĩ thể sử dụng biểu tƣợng điều khiển cho bất cứ mức nào đƣợc đo trong ứng dụng. Kết quả đo sau cùng đƣợc lƣu nhƣ „control pressure and acquire voltage data‟ nhƣ trong (hình 3.19).
Hình 3.18. Quá trình kết thúc ứng dụng
3.4.7. Xây dựng chƣơng trình kiểu 2
Các bƣớc tuần tự giống nhƣ kiểu 1, nhƣng ở đây chúng ta sử dụng lệnh thiết lập giá trị áp suất theo các dữ liệu nối tiếp thêm vào và xây dựng chức năng bộ lọc. Chức năng này lọc nhiễu điện áp mà nĩ nhận đƣợc từ bộ Keithley đƣa đến, ở (hình 3.20) trình bày chức năng cuả bộ lọc. Chúng đƣợc thêm vào mạch vịng và thanh ghi để lƣu dữ liệu. Cuối cùng dữ liệu đƣợc tính trung bình nhƣ trong tốn học.
Hình 3.20. Thiết lập mã cho bộ lọc
Nhƣ chúng ta biết nhiễu cĩ thể phát ra từ nguồn điện, âm thanh, hay nhiễu lƣợng tử,…nhiễu đơi khi cũng cĩ ích và cĩ tác hại. Nĩ sẽ gây ra trong kỹ thuật mã hĩa tín hiệu. Để đánh giá nhiễu trong truyền dẫn tín hiệu, thơng qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N [6].
S original S
N N
Tĩm lại trong chƣơng này chúng ta đã thiết lập hệ đo cảm biến áp suất, thơng qua tìm hiểu chuẩn giao tiếp RS232 để kết nối các thiết bị trong hệ đo, trên cơ sở đĩ xử lí các tín hiệu đo đƣợc sao cho kết quả hiển thi cĩ độ chính xác cao. Chúng ta sử dụng phần mềm LabView nhƣ là cơng cụ để thiết lập các tham số theo yêu cầu trên cơ sở 2 kiểu đo sử dụng 2 loại lệnh. Chƣơng trình phần mềm cũng cung cấp những thơng tin cần thiết cho yêu cầu của cảm biến với các giá trị áp suất khác nhau, ngồi ra các yếu tố ảnh hƣởng tới kết quả đo nhƣ nhiễu gây ra cũng đƣợc xem xét. Chƣơng sau chúng ta sẽ tập trung thảo luận kết quả cũng nhƣ các đặc tính của cảm biến.
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP SUẤT ÁP TRỞ
Tùy theo thiết kế layout, chế tạo cĩ hai quá trình chính, phụ thuộc vào quang khắc là khuyếch tán ion Bo (Boron) và quá trình D-RIE. Hơn nữa áp điện trở cĩ kích thƣớc rất nhỏ và nĩ đƣợc đặt cách với cạnh màng 10 µm, ở đĩ hiệu ứng áp điện trở là lớn nhất.
Hình 4.1. Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi được khuyếch tán; (c) hình thành contact
Để kiểm tra quá trình quang khắc, phải thơng qua ảnh quang học của áp điện trở (hình 4.1). Thơng qua ảnh này, chúng ta thấy đƣợc hình dạng của nĩ sau khi đƣợc quang khắc và nĩ đƣợc thực hiện đồng nhất trên tất cả phiến
Kết quả mơ phỏng cho thấy độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào chiều dày màng. Để tạo màng cảm biến, mặt nạ (mask) nhơm đƣợc sử dụng để bảo vệ trong quá trình D-RIE. Kết quả kiểm tra ăn mịn đƣợc trình bày trong (hình 4.2).
Kích thƣớc đƣợc ăn mịn là 500 x 500 µm2 và 1500 x 1500 µm2. Độ sâu của mặt
nghiên đƣợc đo bằng thiết bị bƣớc anpha nhƣ (hình 4.3). Độ sâu ăn mịn mong muốn thực hiện giá trị khoảng 20 µm thời gian ăn mịn khoảng 5 phút. Độ ghồ ghề của mặt đáy vẫn cịn, nhƣng điều này cĩ thể loại bỏ bằng quá trình dừng ăn mịn ở lớp oxide nằm phía dƣới phiến SOI.
Hình 4.4 và 4.5 là ảnh mặt trên và ảnh SEM (kính hiển vi quét điện tử) của linh kiện cảm biến đƣợc chế tạo. Từ những hình này cĩ thể bảo đảm kết nối về điện và kích thƣớc của linh kiện cảm biến. Thơng qua các dây dẫn nhơm, các điện trở bán dẫn đƣợc nối với nhau để hình thành cầu Wheatstone và chân tiếp xúc để kết nối điện.
Hình 4.2. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mịn khơ 20 phút
Hình 4.3. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mịn được đo bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 và (b) 2x2 µm2
Các điện trở đặt trên màng, cĩ hai điện trở song song cịn hai cái kia thì vuơng gĩc với hƣớng dịng điện. Do đĩ hai cặp điện trở này cĩ giá trị thay đổi ngƣợc nhau. Khi cĩ áp suất tác động vào thì các cặp điện trở này mất giá trị cân bằng.
Hình 4.6 là đặc tính I-V của áp điện trở sau khi hình thành dây nhơm dày 0.5 µm bằng bốc bay chân khơng, quang khắc, và quá trình ăn mịn. Sau quá trình này,
tiếp xúc (contact) giữa dây nhơm và áp điện trở vẫn chƣa cĩ dịng điện, điện trở contact vẫn cịn rất lớn. Cho nên phải thực hiện bƣớc kế tiếp gọi là quá trình thêu kết (sintering). (Hình 4.7) thể hiện sự tuyến tính giữa I và V khi đƣợc thêu
kết trong Nitơ khơ ở 4500 C khoảng 30 phút. Điều này cĩ nghĩa là tiếp xúc omic
đã đƣợc hình thành sau khi thêu kết.
Hình 4.4. Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với 1x1 và 2x2 mm2
-3.20E-04 -2.20E-04 -1.20E-04 -1.99E-05 8.01E-05 -2 -1 0 1 2 V (Volt) I (A)
Hình 4.6. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim loại nhơm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi thêu kết
-2 -1 0 1 2 -4 -2 0 2 4 I( m A ) U(V)
Hình 4.7. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim loại nhơm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu kết ở 4500 C trong Nitơ (N2)
4.2. ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN ÁP SUẤT ÁP TRỞ 4.2.1. Đặc tính đáp ứng 4.2.1. Đặc tính đáp ứng Chip Circiut board Holder Epoxy resin (a) (b)
Hình 4.8. (a) nối dây cho linh kiện; (b) đĩng gĩi
Trên cơ sở hệ đo đã đƣợc thiết lập, các kết quả khảo sát cảm biến đƣợc trình bày (hình 4.9). Đây là điện áp ngõ ra vi sai phụ thuộc vào mức áp suất từ 0 đến 100 kPa (chẳng hạn từ 0 đến 1atm). Từ biểu đồ chúng ta cĩ thể thấy đặc tính hiển thị của cảm biến là tuyến tính, đáp ứng đƣợc yêu cầu trong mức áp suất khảo sát. Mức khơng tuyến tính là 0.88 %, độ nhạy của cảm biến đạt đƣợc là 0.186 mV/V/kPa.
Kết quả của các lần đo 1, 2, 3 ở cùng điều kiện nhƣ nguồn cung cấp, nhiệt độ,…v…v…là tất cả giống nhau với sai số 0.53 % giữ đúng kích thƣớc thực. Việc so sánh tín hiệu đƣợc lọc và khơng lọc, chúng ta thấy rằng đặc tính khơng lọc thì sự tuyến tính khơng dài hơn, sự khơng tuyến tính chỉ đạt tới 10.03 %.
Nguyên nhân cĩ thể do nhiễu gây ra nhƣ chúng ta đã thấy trong phần xây dựng hệ đo. Nguyên nhân chính ở đây cĩ thể là do khi thực hiện thiết kế mạch và thiết kế vật lí (analog layout), các hạt mang điện đi xuyên qua tiếp giáp giữa bán dẫn lọai p (áp điện trở) và dây dẫn nhơm, nguồn điện, và ứng suất cơ thay đổi gây ra bởi quá trình đĩng gĩi.
0 20 40 60 80 100 -5 0 5 10 15 20 25 30 Unfiltered
Filtered: the first measuring time the second measuring time the third measuring time Linear fit ( y = 0.29974*x + 0.00138)
V out
(mV)
Pressure (kPa)
Hình 4.9. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA.
Chúng ta cũng thấy rằng việc thực hiện trung bình qua 15 mẫu thì hồn tồn khơng cịn nhiễu. Phƣơng pháp thực hiện trung bình này cho kết quả tuyệt vời trong quá trình thực hiện phép đo.
Tuy nhiên, trong các ứng dụng ở đây điều kiện cảm biến bị giới hạn về nguồn hay áp suất thay đổi một cách tƣơng đối, thực hiện riêng lẻ khơng cho kết quả tốt đƣợc. Trong trƣờng hợp này, kết hợp với bộ lọc RC và số mẫu giới hạn cho kết quả tốt nhất.
Hình 4.10 trình bày đặc tính của cảm biến sau khi cầu cân bằng. Điện áp offset cĩ độ lớn giãm từ 7.5 mV tới 0.68 mV. Kết quả cũng đƣợc đo trong 3 lần với sai số 0.226 % trong điều kiện giữ đúng kích thƣớc thực.
0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 V out (mV) Pressure (kPa) Time 1 2 3 Linear Fit (y = 0.23172*x + 2.9937*10-4)
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp suất sau cầu cân bằng
4.2.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính.
Đặc tính khác của cảm biến là sự ảnh hƣởng của nĩ dƣới sự thay đổi nhiệt độ. Điện trở suất và hệ quả là hiệu ứng áp điện trở của silic phụ thuộc vào nhiệt độ. Điện trở suất thay đổi do sự dịch chuyển của mức offset zero, chẳng hạn sự thay đổi điện áp ngõ ra do thay đổi nhiệt độ khi khơng cĩ tải áp suất đặt vào. Thứ hai, thay đổi hệ số áp điện trở sẽ ảnh hƣởng đến độ nhạy. May thay, trong luận văn này, áp điện trở đƣợc nối thành cầu Wheatstone, mà nĩ cĩ đặc tính bù nhiệt rất tốt; Vì thế vấn đề thứ nhất về mặt lý thuyết sẽ đƣợc lờ đi. Tuy nhiên, trong thực tế, rất khĩ đạt đƣợc tính đồng nhất hồn tồn về áp điện trở của mỗi điện trở trong cầu Wheatstone, vì vậy sự dịch chuyển nhỏ vẫn cĩ thể xảy ra. Kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày trong (hình 4.11) về điện áp ngõ ra vi sai phụ
0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30 35 V out (mV) Pressure (kPa) 30 0C 40 0C 50 0C 55 0C
Hình 4.11. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ.
Trong hình vẽ này, chúng ta tạm thời khơng quan tâm sự phụ thuộc của
điện áp VOFFSET vào nhiệt độ và sự phụ thuộc này sẽ đƣợc thảo luận ở hình sau
này. Từ (hình 4.11), chúng ta cĩ thể thấy rằng đặc tính của Vout phụ thuộc vào áp
suất ở nhiệt độ khác nhau thì vẫn tuyến tính trong dãy áp suất khảo sát. Ở khía cạnh khác, sự ổn định của cảm biến cũng đƣợc kiểm tra và kết quả thể hiện ở (hình 4.12). Sai số trong số lần đo là 0.22 % ở ngõ ra giữ đúng giá trị thực.
Thơng qua việc khảo sát thể hiện đặc tính cảm biến đối với nhiệt độ, chúng ta cũng cĩ thể xác định sự thay đổi Offset nhƣ là chức năng làm sai lệch từ nhiệt độ tham chiếu và làm thay đổi độ nhạy đối với nhiệt độ. Kết quả đƣợc trình bày ở (hình 4.13) và (hình 4.14).
Ở hình 4.13, chúng ta cĩ thể thấy rằng việc dịch offset-zero thì hơi nhỏ hơn so với điện áp ngõ vào và với nhiệt độ. Trên cơ sở các đƣờng biểu diễn,
chúng ta sẽ xác định hệ số nhiệt độ offset (αVOS = - 0.098 mV/K) đĩ là hệ số gĩc
đƣợc xác định tƣơng tự với giá trị αS = - 6.059x10-4 mV/kPa/K trên cơ sở đƣờng biểu diễn ở (hình 4.14). 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30 35 V out (mV) Pressure (kPa) At 55 oC
The first measuring time The second measuring time The third measuring time
Hình 4.12. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất ở nhiệt độ 550C
Do đĩ, đối với cảm biến khơng bù nhiệt, mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra
vi sai VDIFF đối với áp suất P và nhiệt độ T là:
VDIFF = VOS + TαVOS + P(STroom + TαS)
Với VOS là điện áp vi sai ở điện áp nguồn cung cấp khơng đổi, khơng cĩ áp suất
đặt vào, và ở nhiệt độ chuẩn và S là độ nhạy của cảm biến ở nhiệt độ gốc.
4.2.3. Cảm biến đối với nguồn cung cấp
Nhƣ chúng ta biết nguồn điện là một trong những nguyên nhân ảnh hƣởng khơng tốt đến kết quả đo. Hình 4.13 trình bày các kết quả khảo sát với các nguồn cung cấp khác nhau. Chúng ta thấy rằng khi nguồn cung cấp tăng, thì điện áp ngỏ ra của cảm biến cũng tăng tuyến tính. Mối liên hệ giữa điện áp ngỏ ra vi sai và áp suất tải cũng tăng theo nguồn cung cấp. Kết quả này đƣợc trình bày trong (hình 4.14). Từ đây chúng ta cĩ thể tính đƣợc sai số do nguồn cung cấp gây ra trong việc quyết định tới độ nhạy cảm biến là 1.99 % bằng cách tính
sai số trung bình cuả nguồn cung cấp. Giá trị này lớn hơn nhiều so với giá trị đo đƣợc (0.53 %). 300 305 310 315 320 325 330 -17.0 -16.5 -16.0 -15.5 -15.0 -14.5 -14.0 V OS (mV) Temperature (Kelvin) 2V Feed Source Linear Fit (y = -0.09865*x + 15.48498)
Hình 4.13. Mối quan hệ giữa điện áp offset và nhiệt độ
300 305 310 315 320 325 330 0.324 0.326 0.328 0.330 0.332 0.334 0.336 0.338 0.340 0.342 Sensitivity (mV/kPa) Temperature (Kelvin) 2V Feed Source
Linear Fit (y = -6.05932E-4*x + 0.52462)
0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30 35 V out (mV) Pressure (kPa) 0.25 V 0.50 V 0.75 V 1.00 V 1.25 V 1.50 V 1.75 V 2.00 V 2.25 V 2.50 V
Hình 4.15. Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 V/ P (mV/kPa) Supply source (V) Experience value Linear Fit (y = 0.13606*x + 0.00504)
Hình 4.16. Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ ra và tải áp suất với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác nhau
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Mục đích nghiên cứu luận văn này cung cấp tổng quan về lí thuyết và mơ phỏng hiệu ứng áp điện trở của silic. Trên cơ sở khảo sát, thiết kế và thực nghiệm cho linh kiện cảm biến áp suất áp điện trở. Trong chƣơng này tĩm lƣợt những điểm chính đã nghiên cứu và đề xuất những kiến nghị cho cơng việc tƣơng lai trong lĩnh vực này.
1. KẾT LUẬN
Áp điện trở là sự thay đổi điện trở suất do áp suất hay ứng suất tác động vào. Nĩ cĩ rất nhiều ứng dụng trên cơ sở vật liệu silic để chế tạo ra các MEMS cảm biến khác nhau.
Cĩ rất nhiều thử thách trong việc xem xét mối liên quan giữa thiết kế, mơ phỏng và thực nghiệm. Các kết quả nghiên cứu cĩ đƣợc trong luận văn này cĩ thể tĩm lƣợc nhƣ sau:
Thiết kế vi cảm biến áp suất áp điện trở trên cơ sở dùng phƣơng pháp giải
tích. Chúng ta tính các tham số thiết kế cho cảm biến áp suất tùy theo các tham số kỹ thuật yêu cầu. Trƣớc tiên, Cấu hình cầu Wheatstone đƣợc chọn cho kết nối các áp điện trở. Để tính đƣợc độ nhạy của linh kiện, chúng ta phải xuất phát từ mối liên hệ giữa ứng suất và điện áp ngỏ ra và sau đĩ mối liên hệ giữa áp suất tải đặt vào với ứng suất. Kết hợp hai điều này chúng ta cĩ đƣợc mối liên hệ giữa áp suất với độ nhạy ngỏ ra của linh kiện.
Mơ phỏng đặc tính cơ học của màng cảm biến dùng phần mềm ANSYS
trên cơ sở phân tích dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, nhằm xác định đƣợc sự phân bố ứng suất khi cĩ tải áp suất tác động vào. Từ đĩ tìm đƣợc vị trí cĩ ứng suất lớn nhất để đặt áp điện trở.
Dùng phần mềm ANSYS xây dựng bài tốn mơ phỏng sự tƣơng tác các
trƣờng vật lý, ứng suất và độ nhạy điện áp ngỏ ra. Việc mơ phỏng này giúp chúng ta khảo sát đƣợc các tham số nhƣ nhiệt độ, kích thƣớc áp điện trở, cấu trúc hình học của màng cảm biến ảnh hƣởng đến độ nhạy ngỏ ra của linh kiện.
Trên cơ sở thiết kế và mơ phỏng, chúng ta tiến hành thiết kế mặt nạ để phục vụ quá trình chế tạo linh kiện.
Sau khi linh kiện đƣợc chế tạo, tiến hành xây dựng hệ đo, với các thiết bị
đo lƣờng đƣợc kết nối thơng qua chuẩn giao tiếp RS232. Sự hỗ trợ phần mềm LabView, chúng ta truy xuất đƣợc các đại lƣợng cần đo và kết quả đo đƣợc từ thực nghiệm phản ánh sự tƣơng quan với thiết kế và mơ phỏng.
Vi cảm biến áp suất áp điện trở đƣợc chế tạo hoạt động tuyến tính trong
dãy áp suất 0 -> 100 KPa. Độ nhạy ngỏ ra của linh kiện đo đƣợc 0.186