MEMS cảm biến áp suất cụ thể sử dụng màng nhƣ thành phần cảm biến. Đây là do sự tƣơng thích với quá trình xử lí vi cơ bề mặt và vi cơ khối. Phƣơng pháp chế tạo chung nhất là ăn mịn ƣớt silic dị hƣớng, mà cho phép dễ dàng điều khiển kích thƣớc của màng và khả năng xử lí theo đợt cho việc sản xuất hàng trăm linh kiện đồng thời thơng qua từng nhĩm phiến silic. Khi chúng ta kết hợp với hƣớng phiến (100), chẳng hạn ăn mịn ƣớt hydroxyt Kali, sinh ra màng hình chữ nhật với một mặt dốc mà sau đĩ là mặt phẳng (111). Mặt cắt của một màng cụ thể đƣợc trình bày ở (hình 1.12). Độ dày của màng cĩ thể đƣợc kiểm sốt trong suốt thời gian ăn mịn hay cách chính xác hơn dùng pha tạp Bo hay dừng ăn mịn điện hĩa.
Hình 1.12. Màng silicon bị ăn mịn dị hướng
Kỹ thuật vi cơ bề mặt đang trở thành ứng dụng rộng rải hơn do nĩ cĩ xu
Khi mơ phỏng các cấu trúc vi cơ phức tạp dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM). Do màng cĩ dạng hình chữ nhật, phƣơng trình đặc tính của màng cho độ lệch và ứng suất lớn nhất cĩ dạng sau [20]. Ở đây a là chiều rộng của màng, P áp suất đồng nhất, h độ dày màng, E modun đàn hồi và ν tỉ số Poission .
4 2 max Pa3 1 w Eh (1.15) yy max 2 2 Pa h (1.16)
Đối với màng hình chữ nhật, hệ số α phụ thuộc vào tỉ số chiều dài cạnh
màng và vị trí quan tâm. Xét màng cĩ dạng hình vuơng [14], = 0.0151 và =
0.378 cho ứng suất lớn nhất xảy ra dọc theo cạnh màng và α = 0.1386 cho ứng suất lớn nhất ở trung tâm màng.
Màng cĩ phần lồi cũng cĩ thể đƣợc chế tạo sử dụng cả ăn mịn đẳng hƣớng và dị hƣớng. Các cấu trúc này cĩ thể mơ phỏng dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Tính động học của màng vi cơ cũng cĩ các đặc tính thỏa đáng theo lý thuyết bản phẳng tuyến tính (linear plate theory). Tần số cộng hƣởng khơng đàn hồi (undamped) của màng cĩ độ dày và vật liệu đồng nhất phần bị xén đƣợc cho bởi [14]. 2 1/ 2 2 1.654 1 n E h f a (1.17)
Giá trị đàn hồi thể hiện sẽ khơng chỉ phụ thuộc vào thiết kế màng mà cịn phụ thuộc kỹ thuật đĩng gĩi và các thành phần xung quanh. Tần số cộng hƣởng của màng cụ thể khoảng 80 KHz cho linh kiện 1 bar, tới 575 KHz cho linh kiện 40 bar. Linh kiện tần số cao đã đƣợc triển khai, chẳng hạn Entran EPIH cĩ series cảm biến áp suất tần số cao yêu cầu tần số lớn nhất 1.7 MHz cho linh kiện 20 bar. Đối với series này, mơi trƣờng áp suất kết nối trực tiếp với cấu trúc silic vi cơ, và cho nên nĩ chỉ thích hợp cho khí khơ hay một vài ứng dụng cho chất lỏng khơng ăn mịn. Màng làm bằng thép khơng rỉ cĩ tần số cộng hƣởng thấp hơn khoảng 45 KHz cho linh kiện 17 bar.
Áp điện trở của silic cĩ đƣợc bằng cách pha tạp hay cấy vào các điện trở là kỹ thuật đơn giản cho việc đo lƣờng ứng suất trong màng silic vi cơ. Trƣớc tiên hiệu ứng áp trở silic đƣợc lợi dụng bằng việc liên kết strain gauge silic với màng cảm biến, nhƣng điều này gần nhƣ khơng thỏa mãn cho thích ứng nhiệt giữa kim loại, lớp bám dính và silic. Trƣớc tiên màng vi cơ đƣợc đƣa vào silic bằng sự ăn mịn tia lửa điện cơ học và ăn mịn ƣớt đẳng hƣớng. Điều này khơng thể thực hiện một loạt và do đĩ chi phí linh kiện rất cao. Sử dụng ăn mịn dị hƣớng, kỹ thuật hàn tĩnh điện và hổn hợp nung chảy, cấy ion strain gauge, và vi cơ bề mặt sẽ làm giãm kích thƣớc và cải thiện đƣợc tính chính xác của cảm biến áp suất áp điện trở.
Mặt cắt ngang và cách bố trí của cảm biến áp suất áp điện trở silic cụ thể dùng ăn mịn dị hƣớng đƣợc trình bày (hình 1.13). Màng bị ăn mịn đƣợc mơ tả nhƣ trên và điện trở đƣợc đặt dọc theo cạnh của màng, mỗi một điện trở thì ở một cạnh. Tất cả các điện trở đƣợc đặt cùng hƣớng, và do đĩ cĩ hai điện trở
song song với ứng suất lớn nhất (Rl) và cĩ hai điện trở vuơng gĩc (Rt). Sự thay
đổi của mỗi giá trị điện trở đƣợc tính bởi:
R l l t t
R
(1.18)
Ở đây l và t là hệ số áp trở theo chiều dọc và chiều ngang, và l và t là ứng
suất tƣơng ứng. Hệ số áp trở kết hợp với những điện trở này sẽ phụ thuộc vào hƣớng phiến silic và màng, loại và số lƣợng pha tạp, và nhiệt độ.
Màng silicon bị ăn mịn Pha tạp Ngỏ áp suất vào được ăn mịn Màng silicon bị ăn mịn Pha tạp Ngỏ áp suất vào được ăn mịn
Hình 1.13. Mặt cắt ngang và cách bố trí của cảm biến áp suất cụ thể được vi cơ khối
Chọn hƣớng phiến (100), cạnh của màng sẽ là hƣớng (110). Hệ số áp trở của silic loại n và loại p đƣợc thể hiện ở bảng 1 . Xét pha tạp loại p, nĩ sinh ra
hiệu ứng áp trở lớn nhất và tuyến tính nhất, l và t bằng nhau và trái dấu nhau.
Theo cách bố trí (hình 1.13) dƣờng nhƣ hƣớng các cặp điện trở đối diện thì bằng nhau. Hai cặp điện trở tạo thành mạch cầu đầy đủ do đĩ giá trị điện trở lớn nhất của cảm biến tƣơng ứng với áp suất đặt lên màng gia tăng. Ứng suất cĩ thể đƣợc tính từ (1.16) và đối với mạch cầu thì sự xắp sếp các điện trở nhƣ vậy là phổ biến và ngõ ra của nĩ đƣợc tính bởi:
/ / 2 / / l t l t R R R R V V R R R R (1.19)
Cảm biến áp suất áp trở đƣợc mơ tả ở trên đã đƣợc sử dụng trong thƣơng mại nhiều năm nay. Các cảm biến áp suất đã đƣợc ứng dụng vào cơng nghiệp tự động. Chẳng hạn nhƣ linh kiện đƣợc triển khai bởi Motorola, mặc khác những ứng dụng tự động hiện nay đƣợc xây dựng trên cơ sở cảm biến áp điện trở bao gồm áp suất phun xăng và hệ thống tuần hồn dẫn khí.
Hình 1.14. Vị trí điện trở trên màng Boss
Việc bổ sung cấu trúc màng cơ bản đã đƣợc nghiên cứu tỉ mỉ để cải thiện độ tuyến tính và độ nhạy của cảm biến. Màng cĩ phần lồi (boss) đã đƣợc chế tạo dùng xử lí ăn mịn dị hƣớng mà cĩ phần trung tâm cố định đƣợc xem nhƣ là màng truyền thống, bố cục của nĩ đƣợc mơ tả ở (hình 1.14). Các cặp điện trở bên trong và bên ngồi cĩ ứng suất đặt lên là bằng nhau. Sự xắp sếp này cải thiện đƣợc mức độ khơng tuyến tính của màng trong cả hai hƣớng, thích hợp cho những ứng dụng khác nhau. Một kiểu thiết kế khác dùng hai phần lồi ở giữa
màng, linh kiện này đƣợc thực hiện rất chuẩn đƣợc ăn mịn dị hƣớng từ phía sau và lấy kiểu phần lồi và bên sƣờn mặt trƣớc của màng. Các điện trở đƣợc bố trí theo dạng (hình 1.14) và đƣợc đặt trên bề mặt đỉnh của sƣờn, điều này làm gia tăng ứng suất. Phần lồi làm vùng dọc theo mỗi cạnh của màng cứng thêm và độ cứng này giảm dần về giữa nhƣ màng kiểu chuẩn.
Các điện trở uốn khúc cũng đƣợc sử dụng cho những màng cĩ phần lồi và màng cơ bản. Sự uốn khúc kết hợp với các mức pha tạp khác nhau theo mỗi hƣớng, sao cho điện trở cĩ độ nhạy ứng suất lớn nhất. Kiểu uốn khúc làm gia tăng độ dài của điện trở, và điều này cải thiện đƣợc độ nhạy so với điện trở chuẩn.
Ảnh hƣởng nhiệt độ thì hiển nhiên gây trở ngại tới áp trở silic. Việc giá trị điện trở thay đổi do nhiệt độ sẽ thƣờng lớn hơn khi thực hiện đo lƣờng. Do đĩ cĩ nhiều kỹ thuật đƣợc áp dụng để bù vào khi nhiệt độ thay đổi. Kỹ thuật đầu tiên là sử dụng mạch cầu với các điện trở đƣợc sắp xếp nhƣ (hình 1.13). Với sự sắp xếp này ảnh hƣởng của nhiệt độ lên các điện trở là đồng thời, và do đĩ ảnh hƣởng của nhiệt độ sẽ bị loại bỏ. Tuy nhiên, do dung sai trong sản xuất, hệ số nhiệt trong mỗi điện trở khác nhau chút ít.
Kết hợp cảm biến nhiệt trên chip cảm biến cĩ thể cho phép bù nhiệt. Tuy nhiên, để đáp ứng đƣợc yêu cầu nhiệt độ trong phạm vi rộng và xác định mức áp suất, thì mất nhiều thời gian và tốn kém. Cĩ thể dùng kỹ thuật khác, tạo một cầu giả trên chip cảm biến, hơn nữa cầu này nhạy áp suất. Các điện trở giả này đặt cách cạnh màng tối thiểu 100 µm để bảo đảm nĩ khơng gây ra bất kỳ ứng suất nào. Kỹ thuật bù này đã đƣợc áp dụng với những điện trở giả đƣợc sắp xếp cả mạch cầu hay nửa mạch cầu. Nhiệt độ giới hạn cho pha tạp áp điện trở khoảng
120 0C do giới hạn của mối nối p-n. Nhiệt độ giới hạn này cĩ thể đƣợc tăng lên
bằng cách dùng pha tạp điện trở silic đa tinh thể trên bề mặt màng. Tuy nhiên, các điện trở silic đa tinh thể này ít nhạy hơn khi cĩ ứng suất đặt vào.
Nhiều năm qua, sự phát triển vật liệu và xử lí chế tạo cũng ảnh hƣởng tới cảm biến áp suất áp trở. Chẳng hạn, việc liên kết hợp nhất (fusion) silic cũng cĩ thể làm giãm kích thƣớc chip bằng cách cho phép các phiến đƣợc liên kết với
mặt sau của hốc bị ăn mịn dị hƣớng nhƣ trình bày (hình 1.15). Sử dụng phiến SOI cải thiện đƣợc nhiều cách, các lớp oxide cĩ thể hoạt động nhƣ các điểm dừng ăn mịn, chế tạo thuận lợi và điều khiển độ dày màng chính xác hay nhƣ một lớp cách điện, cĩ thể hoạt động ở nhiệt độ cao.
Hình 1.15. Cảm biến áp suất áp trở được liên kết hợp nhất (fusion)
Hoạt động nhiệt độ cao của cảm biến áp suất áp trở đã đƣợc triển khai dùng cacbua silicon vi cơ. Màng bị ăn mịn bằng cách xử lí quang điện hĩa trong dung dịch ăn mịn HF lỗng. Linh kiện nguyên mẫu đã đƣợc chứng minh hoạt
động ở 600 0C và đƣợc ứng dụng làm tuốc-bin khí. Cuối cùng màng silicon
Nitride đã đƣợc thực hiện bằng ăn mịn ƣớt dị hƣớng. Màng mỏng Nitride đƣợc hình thành bằng ăn mịn ƣớt thơng qua silic từ mặt sau của phiến. Điểm dừng ăn mịn nhờ vào thành phần của Nitride, và áp trở đƣợc bảo vệ do cấy Bo liều lƣợng cao. Màng mỏng nitride thì tốt hơn màng silic tƣơng ứng nhƣng cĩ thể mất chất lựơng khi xác định sức căng do quá trình lắng đọng.
Xu hƣớng giảm kích thƣớc linh kiện, làm giảm chi phí sản xuất, điều này dẫn đến sử dụng vi cơ bề mặt để chế tạo các thành phần cảm biến hĩa học và các điện trở. Hơn nữa để giảm kích thƣớc, cơng nghệ vi cơ bề mặt thích hợp hơn với cơng nghệ chế tạo IC. Sự linh động trong chế tạo cho phép màng đƣợc chế tạo từ những loại vật liệu lắng động nhƣ silic đa tinh thể và silic nitride. Trong cả hai trƣờng hợp lớp hy sinh bên dƣới thì bị loại bỏ. Đối với màng silic, vật lịêu hy sinh là silic dioxide và sử dụng ăn mịn ƣớt để loại bỏ nĩ, màng nitride sử dụng vật liệu hy sinh là polysilicon. Trong cả hai trƣờng hợp kích thƣớc phần bên của màng đƣợc xác định bằng hình mẫu của oxide trƣớc đĩ hay sự pha tạp
polysilicon. Cả hai linh kiện dùng điện trở polysilicon cĩ cảm nhận dự tác động của màng. Cả hai là cảm biến áp suất thuần túy do quá trình CVD dùng Nitride lắng đọng để xi lên các lỗ ăn mịn lớp hy sinh. Do đĩ chân khơng dùng trong quá trình CVD dùng để chặn số lƣợng xi dƣới màng. Mặt cắt của mỗi linh kiện đƣợc trình bày ở (hình 1.16). Ví dụ khác về cảm biến áp suất áp trở vi cơ bề mặt nhƣ cảm biến áp suất tim mạch dùng để đo lƣờng áp suất máu trong động mạch vành. Điều này dựa trên cơ sở màng polysilicon vuơng với chiều dài cạnh 103 µm, với chân khơng đƣợc xi phía dƣới. Một điện trở polysilicon dùng kiểm tra độ cong của màng, điện trở giả thứ hai dùng cho bù nhiệt độ.
Điện trở polySi
SiN PolySi
Kết nối dùng Al Màng PolySi Điện trở PolySi
a) b)
Điện trở polySi
SiN PolySi
Kết nối dùng Al Màng PolySi Điện trở PolySi
a) b)
Hình 1.16. Cảm biến áp suất vi cơ bề mặt với a) màng Nitride; b) màng polisilicon
Nhƣ đã thảo luận và phân tích trƣớc đây, điều kiện biên của màng sẽ đĩng vai trị quan trọng trong việc quyết định đặc tính của màng. Trong vi cơ bề mặt cĩ nhiều thay đổi để giữ chặt cạnh của màng. Phụ thuộc vào mơ tả lớp hy sinh, màng cĩ thể đƣợc dát mỏng dọc theo tồn chiều dài (hình 1.17a) hay cĩ thể thực hiện ở bƣớc mà ở đĩ vật liệu của màng đƣợc lắng đọng trên lớp hy sinh (hình .17b). Màng phẳng đã đƣợc thiết kế, nĩ thích hợp hơn cho những cấu trúc cĩ bậc thể hiện tính chất lấp đầy ở bên dƣới.
Hình 1.17. Điều kiện cạnh màng a) màng phẳng; b) màng cĩ bậc
1.3.3. Cảm biến áp suất tụ điện
Cảm biến áp suất tụ điện cụ thể dựa trên việc sắp xếp bản cực song song, ở đĩ một điện cực cố định và điện cực kia linh động. Khoảng cách hai điện cực
giảm và điện dung tụ tăng do điện cực linh động cong xuống dƣới tác động áp suất.
Cảm biến áp suất tụ điện đầu tiên phát triển cuối năm 1970 và đầu năm 1980. Những linh kiện trƣớc đây bao gồm màng silic bị ăn mịn dị hƣớng với điện cực cố định làm bằng khuơn (die) kim loại hay bằng thủy tinh chịu nhiệt tốt
7740C. Khuơn silic đƣợc liên kết với nhau dùng kỹ thuật hàn tĩnh điện ở mức die
(khuơn). Linh kiện này chứng minh tính hấp dẫn chính của cảm biến tụ điện, nĩ cĩ độ nhạy áp suất cao, tiêu thụ cơng suất thấp, độ nhạy nhiệt độ thấp. Sự kết hợp của vật liệu và tính liên kết cơ học minh chứng cho sự tồn tại chọn lựa phổ biến cảm biến áp suất tụ điện. Tất cả linh kiện silic chế tạo bằng liên kết nung chảy silic và liên kết nấu chảy một phần thủy tinh cũng đã đƣợc báo cáo, với nhiều linh kiện vi cơ bề mặt, mà đã đƣợc thảo luận dƣới đây. Chẳng hạn linh kiện liên kết nung chảy hồn tồn silic là một cảm biến chân khơng đã đƣợc triển khai bởi NASA. Cảm biến này dùng màng hình trịn và thể hiện độ nhạy
khoảng 1 pF mbar-1.
Thạch anh cũng cĩ thể đƣợc sử dụng để thực hiện vi cơ cảm biến tụ điện. Cơng nghệ này sử dụng thành phần thạch anh đƣợc nung chảy kết hợp với hàn bằng laser, và điện cực cố định là màng khác mà nĩ cĩ độ uốn cong tự do nhƣng khơng chịu tác động bất kỳ áp suất nào (hình 1.18). Điều này cĩ nghĩa nĩ bị uốn cong tự do dƣới tác động gia tốc và do đĩ nĩ dịch chuyển trong cùng một cách nhƣ màng nhạy áp suất. Kỹ thuật này làm giảm rất nhiều độ nhạy ngang do gia tốc.
Áp suất
Gia tốc Áp suất
Gia tốc
Hạn chế chính trong việc kết hợp với phƣơng pháp tụ điện thì vốn đã cho cảm biến cĩ ngõ ra khơng tuyến tính và sự phức tạp của cấu trúc điện tử (so với cầu điện trở). Việc xem xét sự lệch hƣớng song song trong màng linh hoạt, sự thay đổi điện dung thì tỉ lệ nghịch với chiều cao khe hở. Do đĩ, màng sẽ khơng dài hơn song song với điện cực cố định và điều này thể hiện rỏ độ phi tuyến ở ngỏ ra cảm biến áp suất. Sử dụng màng lồi (boss) sẻ giãm bớt ảnh hƣởng này một vài độ. Để cĩ đƣợc độ tuyến tính thì hình dạng điện cực nhƣ thành phần