Trờn cơ sở lựa chọn đú, chỳng tụi nghiờn cứu, thiết kế đưa ra cấu trỳc cảm biến hoàn thiện như trờn Hỡnh 3.15.
Hỡnh 3.15. Cấu tạo của cảm biến khớ loại một mặt chế tạo bằng cụng nghệ MEMS.
Cấu tạo cảm biến gồm 3 phần chớnh: Lũ vi nhiệt được chế tạo bằng vật liệu Pt, được thiết kế bao quanh 2 điện cực Pt, 2 điện cực này nằm dưới lớp màng nhạy khớ SnO2. Việc sử dụng lũ vi nhiệt bằng Pt nhằm tạo độ ổn định cho cảm biến khi làm việc ở nhiệt độ cao. Mặt sau của cảm biến được ăn mũn đến lớp SiO2. Hai cực của lũ vi nhiệt được nối với hệ cấp nguồn, ứng với giỏ trị điện ỏp đầu vào xỏc định, lũ vi nhiệt sẽ cú nhiệt độ xỏc định tương ứng.
Tất cả quỏ trỡnh chế tạo cảm biến từ xử lý phiến, ụxi húa phiến rồi đến cỏc quỏ trỡnh quang khắc, phỳn xạ, ăn mũn…đều được chỳng tụi tiến hành trong phũng sạch tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS). Để chế tạo được linh kiện cảm biến như yờu cầu, từ phiến Silic ban đầu chỳng tụi đó thực hiện quy trỡnh qua cỏc bước cụng nghệ trung gian và
93
cuối cựng được hàng trăm linh kiện cảm biến cú cấu trỳc hoàn thiện trờn đế SiO2/Si/ SiO2. Quy trỡnh chế tạo loại điện cực này được mụ tả như trờn Hỡnh 3.16.
Hỡnh 3.16. Quy trỡnh chế tạo điện cực trờn cơ sở cụng nghệ MEMS.
Bước 1 là đế Si được xử lý bằng quy trỡnh tiờu chuẩn trong cỏc dung dịch HNO3 100 %, HNO3 65 % (110 oC), HF(1 %) và cuối cựng rửa bằng nước khử ion và quay khụ; Bước 2 là tiến hành tạo lớp SiO2 cú chiều dày khoảng 1 mm bằng phương phỏp ụxy húa trong thời gian hơn 15 giờ; Bước 3 là phủ cảm quang (photoresist) lờn bề mặt của phiến Si; Bước 4: tiến hành quang khắc tạo hỡnh điện cực và lũ vi nhiệt như đó thiết kế; Bước 5 là tiến hành chế tạo màng Cr/Pt bằng phương phỏp phỳn xạ với cụng suất 150 W, ỏp suất 2.10-3 torr và lớp Pt thu được trong khoảng từ 250-300 nm; Bước 6 là tiến hành tẩy (lift-off) lớp cảm quang mặt trước; Bước 7 là phủ lớp cảm quang lờn mặt sau của phiến Si; Bước 8 là tiến hành quang khắc và tạo hỡnh mặt sau; Bước 9 là ăn mũn mặt sau như đó thiết kế, trong bước này chỳng tụi sử dụng dung dịch axit HF 1% ăn mũn lớp SiO2 tại vựng mở cửa sổ. Sau đú chỳng tụi ăn
(1) (2) (3) (4) (6) (7) (8) (9) (5) (10)
94
mũn lớp Si bằng dung dịch KOH 30% trong 7 giờ ở nhiệt độ 80 oC; Cuối cựng là phủ vật liệu lờn điện cực và đem đi xử lý nhiệt. Quy trỡnh chế tạo cảm biến đó được hoàn thiện trờn phiến Si/SiO2 cú kớch thước 4 inch. Quy trỡnh chế tạo lũ vi nhiệt, điện cực, lớp nhạy khớ trờn cựng một mặt phiến gồm nhiều bước bằng cỏc cụng nghệ quang khắc, phỳn xạ, bốc bay, lift- off, xử lý nhiệt.
Hỡnh 3.17. Cảm biến được chế tạo hàng loạt trờn phiến SiO2/Si/SiO2;(a) mặt trờn phiến; (b) mặt sau phiến.
Sau đú ăn mũn mặt sau tạo cấu trỳc hoàn thiện. Với quy trỡnh trờn, chỳng tụi cú thể chế tạo được hàng trăm linh kiện trờn cựng một phiến (Hỡnh 3.17). Số lượng cảm biến trờn một phiến 4 inch là 362 cảm biến. Hỡnh 3.17 cho thấy cảm biến chế tạo được chớnh xỏc, phõn tỏch rừ ràng giữa lũ vi nhiệt, màng nhạy, phự hợp với cấu trỳc đó thiết kế. Bề mặt cảm biến sạch là một yếu tố quan trọng để khảo sỏt đặc trưng điện và nhạy khớ của cảm biến. Sau khi thực hiện quy trỡnh trờn cả phiến lớn, cỏc linh kiện được cắt tỏch riờng để tiến hành phủ vật liệu dõy nano nhằm hoàn thiện cảm biến và khảo sỏt cỏc đặc trưng nhạy khớ của chỳng.
Việc sử dụng cụng nghệ MEMS để chế tạo điện cực cho cảm biến khớ nhằm giảm cụng suất tiờu thụ của cảm biến. Loại cảm biến ụxit bỏn dẫn thường làm việc ở nhiệt độ cao. Vỡ vậy, chỳng tụi đó tiến hành khảo sỏt cụng suất tiờu thụ của cảm biến và lũ vi nhiệt. Để cỏc cảm biến chế tạo được cú thể ứng dụng để tạo cỏc thiết bị hoạt động với điện ỏp làm việc từ 2,5ữ10 V và cụng suất tiờu thụ của cảm biến nhỏ thỡ cảm biến phải cú lũ vi nhiệt với giỏ trị điện trở phự hợp.
Giỏ trị điện trở của lũ vi nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ làm việc của cảm biến. Chớnh vỡ vậy, việc khảo sỏt sự phụ thuộc của nhiệt độ với điện ỏp và nhiệt độ với cụng suất
95
của cảm biến là rất cần thiết. Cảm biến vừa phải cú cụng suất hoạt động thấp hơn 1 W, vừa phải đỏp ứng được nhiệt độ làm việc cho lớp màng nhạy với điện ỏp đầu vào khống chế từ 2,5 V đến 10 V. Từ việc khảo sỏt ta sẽ đưa ra được quy trỡnh cụng nghệ tối ưu nhất để khống chế bề dày điện cực và lũ vi nhiệt Pt trong quỏ trỡnh phỳn xạ cũng như bề dày lớp nhạy khớ SnO2.
Việc khảo sỏt giỏ trị điện trở của lũ vi nhiệt phụ thuộc vào điện ỏp và nhiệt độ được thực hiện theo cỏc bước sau:
Bước 1: Chỳng tụi tiến hành chuẩn nhiệt độ của cảm biến và điện trở của lũ vi nhiệt. Từ việc đo điện trở của cảm biến ở cỏc nhiệt độ khỏc nhau chỳng tụi đưa ra được đường đặc tuyến giữa điện trở và nhiệt độ lũ vi nhiệt của cảm biến như trờn Hỡnh 3.18a.
Hỡnh 3.18. Giỏ trị nhiệt độ lũ vi nhiệt phụ thuộc vào điện trở (a), điện ỏp (b) và cụng suất (c).
Bước 2: Chỳng tụi cấp cỏc điện ỏp khỏc nhau (từ 0,5 đến 9 V) và đo dũng điện chạy qua lũ vi nhiệt. Từ cỏc giỏ trị điện trở đo được chỳng tụi xõy dựng được đường phụ thuộc của nhiệt độ của lũ vi nhiệt vào điện ỏp và cụng suất tiờu thụ như trờn Hỡnh 3.18b.
Từ cỏc đặc tuyến ta thấy ứng với điện ỏp cấp cho lũ vi nhiệt của cảm biến từ 5-9 V thỡ nhiệt độ của lũ vi nhiệt sẽ biến thiờn từ 203 oC đến 362 oC và cụng suất tiờu thụ nhỏ hơn 0,7 W. Chỳng tụi khảo sỏt cỏc đặc trưng đỏp ứng cũng như độ nhạy khớ của cảm biến trong vựng điện ỏp này. Theo thiết kế của loại cảm biến này thỡ nhiệt độ của lũ vi nhiệt và nhiệt độ trong vựng nhạy khớ cú sự sai khỏc nhau nhất định. Tuy nhiờn, khoảng cỏch từ lũ vi nhiệt đến vựng nhạy khớ chỉ khoảng 40 àm, nờn sự sai khỏc về nhiệt độ giữa hai vựng này là khụng đỏng kể. Chớnh vỡ vậy, nhiệt độ của lũ vi nhiệt cũng chớnh là nhiệt độ hoạt động của cảm biến.
100 200 300 400 60 80 100 120 R (O h m) T (oC) (a) 0 2 4 6 8 10 50 100 150 200 250 300 350 400 U (V) (b) 0.0 0.2 0.4 0.6 50 100 150 200 250 300 350 400 T( o C) P (W) (c)
96