4.1.4.1. Xác định thông số màng Màng vuông Để có độ nhạy lớn hơn hoặc bằng 5 mV/Kpa (* ), từ phương trình 4.39 ta có: 2 0.308 5 (1 ) ( , )( ) 2 out l t S V L P N T V P υ π π H ≤ = − − (*0) Trong đó : - Nồng độ pha tạp là 1e19 cm-3 . - Hằng số possion là 0.064 (phụ lục 2) - Tại nhiệt độ phòng hệ số P(N,T) = 0.68. - VS = 5 V. Suy ra điều kiện cần thiết là 86 L H ≥ (*1) Tính chất của silic ta có[30]: - Sức căng phá hủy vật liệu là σs _ ri f act eur =7GPa
- Sức căng an toàn là σs _ afei s =500MPa
Thay các giá trị vào biểu thức 4.5 và để thỏa điều kiện (*) ta có được điều kiện:
147 L H ≤ và PSi_ rf act eur ≈2MPa (*2) Từ (*1) và (*2) có điều kiện cho đáp ứng độ nhạy của cảm biến thiết kế: 86 L 147 H ≤ ≤ (*3)
Màng chữ nhật
Chọn màng chữ nhật có tỉ số a/b = 4, sau khi tính toán, ta có tỉ số điều kiện như
sau :
21 b 115
t
≤ ≤ (*4)
Màng tròn
Để có độ nhạy lớn hơn hoặc bằng 5 mV/Kpa, tương tự các tính toán trên, ta cũng có biểu thức điều kiện sau : 18 R 94 t ≤ ≤ (*5) 4.1.4.2. Xác định thông số áp trở (*6) Ta có biểu thức: ( , , ) wt l l R R l A A ρ ρ ρ = = = Điện trở suất tại nồng độ pha tạp là 1019 và 1018 là: 0.0088 .ΩCm và 0.408 .Cm Ω [37].
Sau khi tham khảo một số bài báo thực nghiệm [19, 23, 31] và thực hiện một số
tính toán để thỏa yêu cầu (*), tác giả quyết định chọn giá trị t = 0.25 µm, w = 10 µm
và l = 100 µm. 100 0.0088 3.52 wt 10x0.25 l R=ρ = = KΩ Với điện thế nguồn nuôi là Vs = 5 V thì dòng tín hiệu là : 1.42 mA Từ (*3), (*4), (*5) và (*6) ta có bảng thông số sau:
Bảng 4.4. Các thông số thiết kế cho cảm biến sử dụng màng vuông để thỏa (*)
Thành phần Thông số Màng vuông Màng chữ nhật Màng tròn
L, b, và R (µm) 1300 – 2200 350 - 1700 300 - 1400
Màng
Chiều dài (µm) 100 100 100 Chiều rộng (µm) 10 10 10 Áp trở Chiều sâu (µm) 0.25 0.25 0.25 4.2. QUI TRÌNH CHẾ TẠO 4.2.1. Qui trình chế tạo
Qui trình thiết kế MEMS nói chung như sau:
Hình 4.12. Qui trình thiết kế MEMS [14].
Sau khi tham khảo một số bài báo [18, 20] và một số luận văn [17, 34] về chế tạo cảm biến áp suất, bên cạnh đó tác giả cũng đã khảo sát, quan sát tình hình thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm công nghệ cao SHTP tại Thủ Đức. Tác giả mạnh dạn đề suất quy trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở với các thông số yêu cầu (*) như sau:
Đề suất qui trình chế tạo MEMS cảm biến áp suất loại áp trở
Hình 4.13. Sơđồ qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở.
Tạo lớp bảo vệ và mở cửa sổ tạo pads MASK 3
Tạo lớp bảo vệ và lớp dừng khắc (SiO2 cho silic đơn tinh thể)
Khuấy tán Bo tạo áp trở
Lớp vật liệu nền
(Silic đơn tinh thể hoặc vật liệu SOI)
Mở cửa sổđể chuẩn bị khuấy tán Bo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
MASK 1
Phủ và khắc lớp kim loại Al
MASK 2
Khắc mặt đáy tạo độ dày cho màng
MASK 4
Đóng gói và hàn nối
4.2.2. Thiết kế mặt nạ - MASK [21]
Thiết kế mask là kết quả cuối cùng của người thiết kế MEMS, nó ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình của chế tạo. Trước khi thiết kế mask cần chú ý một số nguyên tắc như
sau:
Xác định kích thước linh kiện chế tạo.
Xác định kích cỡ của các pad điện, khoảng cách giữa hai pad điện và công nghệ chế tạo để có thể hàn nối dây ra ngoài.
Bề rộng của một đường dây nối.
Khoảng cách để Dicing line – khoảng cách tách các linh kiện chế tạo trên wafer.
Mask thì nên được thiết kế theo dạng hình vuông, chữ nhật hay các góc 900. Hạn chế thiết kế theo dạng đường tròn hay các dạng đa giác khác.
Hình 4.14.Một số dạng hình họcnên và không nên sử dụng trong thiết kế mặt nạ. Cần thiết để tính toán cho các kích thước bù cho quá trình khắc.
Hình 4.15. Tính toán bù trừ cho lớp dưới của quá trình khắc đẳng hướng. Chia wafer thành các vùng bằng nhau cho các linh kiện được chế tạo. Chú ý đến việc tạo các cấu trúc để kiểm tra sau mỗi quá trình.
Một số phần mềm có thểđược sử dụng cho việc thiết kế MASK L – edit Pro.
AutoCAD. CoventorWare. DW 2000.
Hay các phần mềm có thể tạo file có đuôi là DXF, CIF, và GDSII.
Tác giả thiết kế MASK trong luận văn này sử dụng phần mềm AutoCAD và mô hình thiết kế dự tính như sau:
Hình 4.16. Mô hình thiết kế bộ MASK dự kiến.
Với nội dung được trình bày ở 4.1 và 4.2 cho thấy ưu điểm của việc sử dụng màng vuông trong việc chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở vì tính đối xứng kết hợp với việc sử dụng cấu hình cầu Wheastone tạo ra sự phân bố nhiệt đều trên bề mặt cảm biến (màng vuông so với màng chữ nhật), bên cạnh đó với qui trình chế tạo được đề ra trong mục 4.2.1, một số ràng buộc trong mục 4.2.2 và thuộc tính vật liệu trong quá trình khắc bất đẳng hướng sử dụng KOH làm cho việc sử dụng cấu hình màng tròn trở
nên vô nghĩa (màng vuông so với màng tròn). Vì thế trong luận văn này sẽ tập trung trong việc trình bày và mô phỏng sử dụng cấu hình màng vuông.
Chương 5 – MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
5.1. MÔ PHỎNG THUỘC TÍNH CẢM BIẾN
5.1.1. Mô phỏng thuộc tính cơ
5.1.1.1. Giới thiệu và đánh giá phần mềm mô phỏng [35, 38, 39]
Với những yêu cầu đặt ra về mô phỏng đặc tính của cảm biến áp suất loại áp trở
và mô phỏng chế tạo cho cảm biến này, tác giả đã tìm hiểu và nhận thấy có rất nhiều phần mềm có thể sử dụng cho việc mô phỏng các yêu cầu trên. Trong đó nổi trội hơn là CoventorWare, Intellisuite, Ansys, SoftMems…
Sơ lược về phần mềm Intellisuite: Phần mềm của hãng: IntelliSense (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chức năng:Thiết kế và Mô phỏng các quá trình chế tạo, mô phỏng các tính chất như nhiệt, điện..của thiết bị trong lĩnh vực Mems.
Hình 5.1. Một số Module của phần mềm Intellisuite.
Ưu điểm:
Chuyên về thiết kế, sử dụng Giao diện đồ họa dễ sử dụng, Gồm nhiều công cụ hổ trợ cho từng phần riêng: IntelliFab, Intellimask,Microfluidic,SYNPLE,
ThermoElectroMechanical…
Chuyên dùng để mô tả quá trình Fabrication của MEMS.
Khuyết điểm:
Thư viện vật liệu còn ít.
Chưa liên kết được giữa khắc bất
đẳng hướng và mô hình.
Sơ lược về phần mềm CoventorWare: Phần mềm của hãng: Coventor
Chức năng:Thiết kế và Mô phỏng các quá trình chế tạo, mô phỏng các tính chất của thiết bị trong lĩnh vực Mems.
Theo đánh giá hiện nay thì Convetor là phần mềm cho MEMS tốt nhất hiện nay, không chỉ về mô phỏng chế tạo mà còn cả về mô phỏng thuộc tính.
Hình 5.2. Một số Module của phần mềm CoventorWare.
Sơ lược về phần mềm ANSYS:
Công ty ANSYS trụ sở chính ở Mỹ phát triển dòng sản phẩm phần mềm ANSYS. ANSYS là một trong nhiều chương trình phần mềm Công nghiệp sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý-cơ học, chuyển các phương trình
vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa về gần đúng để giải. Đã và đang được sử dụng trên toàn thế
giới trong hầu hết các lĩnh vực kĩ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, tĩnh điện, điện từ, tương tác giữa các hệ vật lý. Bên cạnh đó con sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp vũ trụ, hàng không, công nghiệp ô tô, y sinh, xây dựng, cầu đường, điện tử và thiết bị, MEMS…
Nhờ ứng dụng phương pháp Phần tử hữu hạn, các bào toán kỹ thuật về cơ nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây dưng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự do lớn.
ANSYS/Multiphysics là sản phẩm tổng quát nhất của ANSYS, nó chứa tất cả các khả năng của ANSYS và bao trùm tất cả các lĩnh vực kỹ thuật.
Hình 5.3. Một số công cụ của ANSYS.
Ưu điểm:
Có thể thiết kế và mô phỏng cấu trúc theo câu lệnh.
Có thể thay đổi tính chất vật liệu một cách linh hoạt để phù hợp với yêu cầu. Rất phù hợp để mô phỏng các cấu trúc phức tạp.
Việc chia lưới cấu trúc giúp ta dễ dàng tác động lên từng phần tử của cấu trúc và quan sát được kết quảđáp ứng lại của từng phần tử.
Khuyết điểm:
Không thể mô phỏng được quá trình sản xuất, chỉ mô phỏng các hiệu ứng. Không thể thiết kế Mask.
Các vật liệu không có điểm gião và điểm tới hạn. Không chuyên về thiết kế MEMS.
Bảng 5.1. Bảng so sánh một số chức năng cơbản của các phần mềm.
Hạng mục Intellisuite ANSYS CoventorWare SoftMEMS (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tính chuyên
nghiệp Chuyên Không Chuyên Trung bình
Sử dụng Trung bình Phức tạp Trung bình Trung bình
Mask Có Không Có Liên kết với
IC design Fabrication Tốt Không Tốt Có Mô phỏng tính chất : + Mechanical +Thermal +Magnetic +Fluidic Tốt Tốt Tốt Tốt
Thư viện dữ liệu Nhiều Trung bình Nhiều Trung bình Thuộc tính vật liệu Tích hợp sẵn Không tích hợp Tích hợp sẵn Tích hợp sẵn Mô phỏng tính điện (Sơđồ điện) Có Không Có Có
Kết quả Số và dạng sóng Số và dạng sóng Số và dạng sóng Số và dạng sóng Quan sát 3D Có Có Có Có Điểm gẫy vật liệu Không Không Có Phương Pháp Phần tử hữu hạn Sử dụng Sử dụng Sử dụng Sử dụng Liên kết với các thiết kế mô phỏng ngoài MEMS Không Dùng mô phỏng trong cầu đường, hàng không… Có: IC Có: IC
Phân tích nhiễu Không Không Có Có
Từ những phân tích đánh giá các phần mềm trên, tác giả quyết định chọn phần mềm ANSYS, Coventorware và intellisuite cho mô phỏng thuộc tính cảm biến, phần mềm Intellisuite cho mô phỏng chế tạo.
5.1.1.2. Phân tích độ uốn cong của màng và xét sự thay đổi của các yếu tố
Màng vuông Mối quan hệ giữa độ biến dạng và áp suất Xét màng có kích thước 1500 x 1500 x 15. Hình 5.4. Độ biến dạng của màng được phóng lớn 104lần – CoventorWare. Hình 5.5. Độ biến dạng của màng – ANSYS.
Kết quả tính toán lý thuyết là Dmax = 1.22 µm. Kết quả mô phỏng bằng CoventorWare (hình 5.4) là Dmax = 1.40 µm. Kết quả mô phỏng bằng ANSYS (hình 5.5) là Dmax =1.221 µm. Hình 5.6. Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng của màng.
Tại tâm màng có độ uốn cong lớn nhất, để an toàn cho màng thì điều kiện là Dmax phải nhỏ hơn một nửa bề dày của màng và L < H/4[30].
Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc vào kích cỡ chia lưới, chia lưới càng nhỏ thì phân tích kết quả càng chính xác, tuy nhiên kích cỡ chia lưới phụ thuộc vào cấu hình máy tính mô phỏng.
Hình 5.4 và hình 5.5 biểu diễn độ biến dạng tối đa tại tâm của màng sử dụng phần mềm mô phỏng CoventorWare với kích thước chia lưới EZSIZE = 100 và phần mềm mô phỏng ANSYS với kích thước chia lưới EZSIZE = 50. Sựảnh hưởng của việc chia lưới cấu trúc được trình bày rõ hơn ở mục 5.1.2.1.
Hình 5.6 biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng của màng, khi có áp suất tác động vào màng, chỉ có hướng z thay đổi lớn, các hướng còn lại có sự thay đổi không đáng kể.
Xét sự thay đổi của yếu tố kích thước và yếu tố bề dày
Hình 5.7. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng vuông.
Sự phân bốứng suất trên bề mặt (100) màng vuông hướng <100> và <110>.
Hình 5.8. Phân bốứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <110> theo trục xx.
Hình 5.9. Phân bốứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <100> theo trục xx.
Ứng suất lớn nhất tại cạnh màng có giá trị là 27 Mpa đối với hướng <110> và 22 Mpa đối với hướng <100>.
Khi xét màng với hướng <110>, hệ số possion nhỏ 0.064 (phụ lục 2) nên tại tâm cạnh màng ứng suất theo hướng yy coi như bằng không (σyy =υσxx).
Khi xét màng với hướng <100>, hệ số possion lớn khoảng 0.28 (phụ lục 2) nên hướng yy vẫn còn tồn tại một ứng suất khá lớn 8,1 Mpa.
Việc xác định phân bố ứng suất trên bề mặt màng là rất quan trọng vì nó sẽ giúp ta trong việc xác định vị trí đặt áp trở, để có điện thế ngõ ra lớn, độ nhạy và độ tuyến tính cao.
Đồ thị hình 5.10 biểu diễn sự phân bố ứng suất trên bề mặt màng <110> theo xx và yy, ngoài ra ta cũng có thể nghiệm lại mối quan hệứng suất theo hướng xx và yy tại tâm cạnh màng tỉ lệ với hằng số possion (tại cạnh màng ứng suất hướng yy nhỏ 1.7 Mpa).
Khi lấy hiệu hai ứng suất này, ta sẽ có sự phân bốứng suất trên bề mặt màng bằng không một dải khá rộng và chỉ tồn tại giá trị tại các cạnh màng.
Đồ thị hình 5.10 có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc xác định vị trí đặt điện trở trên màng. Điện trở nên được đặt tại những vị trí có ứng suất lớn nhất trên bề mặt màng - từđồ thị này điện trở nên được đặt tại tâm các cạnh màng.
Stress xx biểu diễn ứng suất theo hướng x, Stress yy biểu diễn ứng suất theo hướng y. Theo lý thuyết tại tâm các cạnh màng thì σyy =υσxx (υ là hệ số possion) so sánh với kết quả mô phỏng thu được là sấp sỉ.
Stress xx – Stress yy biểu diễn ứng suất phân bố tại một điểm trên màng. Đồ thị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
biểu diễn ứng suất tại nhưng điểm nằm trong khoảng (-500,500) ứng suất khá nhỏ, ứng suất được phân bố lớn tại các cạnh màng.
Điện trở nên trọn đặt tại khoảng từ (-600, -750) và (600, 750) đối với màng 1500 x 1500 x 15 µm. Khi đó điện trở sẽ thay đổi lớn nhất, tạo sự tuyến tính cũng nhưđộ
nhạy của cảm biến cao.
Hình 5.11. Phân bố theo Von Mises[43]. Hình 5.12. Ứng suất phân bố theo Von Mises.
Hình 5.12 biểu thị sự phân bốứng suất theo Von Mises, phân bố theo dạng hình ellipse (hình 5.11). Như kết quả đã phân tích ứng suất hướng xx tăng và ứng suất yy
giảm khi điểm quan sát tiến về tâm cạnh màng, do đó tạo thành dạng ellipse. Bên cạnh
đó, do tính đối xứng, tại tâm các cạnh màng dạng vuông có ứng suất bằng nhau.
Hinh 5.13. Mối quan hệ giữa áp suất và
ứng suất cực đại tại tâm các cạnh màng.
Hinh 5.14. Phân bốứng suất trượt.
Ứng suất trượt hay còn gọi là ứng suất cắt, được tạo ra khi lực tác động lên bề mặt màng gây ra một biến dạng trượt của vật liệu trên một mặt phẳng song song với hướng tác động của lực áp vào.
Thực ra áp trở còn phụ thuộc vào ứng suất trượt trên bề mặt màng (hình 5.14), tuy nhiên việc chọn vị trí đặt áp trở tại tâm các cạnh màng có thể làm triệt tiêu ứng suất trượt, như thế điện trở chỉ phụ thuộc vào ứng suất kéo (ứng suất ngang và ứng suất dọc) và việc tính toán cho thiết kếđược đơn giản hơn.
Kết luận::
Cần chọn kích thước màng phù hợp với yêu cầu bài toán đặt ra.
Chọn hướng <110> vì có sự phân bốứng suất lớn nhất tại tâm cách cạnh màng Chọn vị trí đểđặt áp trở tại tâm các cạnh màng.
Màng tròn
(a) (b)
Hình 5.15. Mối quan hệ áp suất và độ biến dạng (P- D) xét tại tâm màng tròn với cấu hình1000 x 15 µm và quan sát được tăng lên 100 lần.
(a). Quan sát từ trên xuống. (b). Quan sát mặt cắt ngang. Kết quả tính toán lý thuyết là Dmax = 3.0 µm