Xét màng vuông có cấu hình 1500 x 1500 x 15 (µm).
Từ phương trình 4.7 thay các giá trị: E = 170 Gpa, ρ = 2329 Kg/m3 , υ=0.064 suy ra được tần số cộng hưởng lý thuyết và so sánh với kết quả mô phỏng như sau. Bảng 5.2. So sánh giá trị tần số cộng hưởng lý thuyết và mô phỏng của màng vuông.
Lý thuyết Mô phỏng
Đồ thị biên độ và pha
(a) (b)
Hình 5.22. Đồ thị biên độ (a) và pha (b) của màng vuông.
Tần số cộng hưởng của màng với cấu hình là 1500 x 1500 x 15 là sấp sỉ 90 KHz. Tại tần số cộng hưởng, độ biến dạng tối đa bề mặt của màng là 7.8 µm, vẫn có thể chấp nhận thỏa điều kiện (*).
Quan sát một số kiểu cộng hưởng trên bề mặt màng.
Kiểu cộng hưởng 1 Kiểu cộng hưởng 1 Kiểu cộng hưởng 1
5.1.2. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐIỆN
Quá trình phân giải trong ANSYS bao gồm các bước như sơđồ hình 5.23
Hình 5.23. Sơđồ thuật giải trong ANSYS.
5.1.2.1. Xét ảnh hưởng của việc chia lưới
Hình 5.24 cho thấy sự ảnh hưởng giữa điện áp ngõ ra và áp suất bởi mật độ chia lưới khác nhau với cùng một cấu trúc.
Kích thước chia lưới là ESIZE = 60 thì độ nhạy của cảm biến là 5.8 mV/Kpa. Kích thước chia lưới là ESIZE = 50 thì độ nhạy của cảm biến là 5.9 mV/Kpa. Hình 5.24 cho thấy đáp ứng có sự tuyến tính cao, tuy nhiên với kích thước khác nhau sẽảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến. Trong trường hợp này, sự sai lệch vềđộ
nhạy là 0.1 mV/Kpa. Kích thước chia lưới càng nhỏ thì kết quả càng chính xác nhưng do giới hạn của bộ nhớ máy tính nên việc chia lưới cũng sẽ giới hạn ở mức độ cho phép.
Hình 5.24. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và áp suất với mật độ chia lưới khác nhau.
5.1.2.2. Xét ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với điện thế ngõ ra
Hình 5.25. Ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với đáp ứng ngõ ra của cảm biến.
Đồ thị hình 5.25cho thấy khi tăng tỉ số L/H thì đáp ứng ngõ ra tăng theo hàm bậc 2 thỏa điều kiện lý thuyết đã đưa ra (phương trình 4.38). Tuy nhiên cần chú ý đến giới hạn của tỉ số này để thỏa điều kiện (*).
5.1.2.3. Xét phân bố áp trở trên màng
Bố trí các áp trở với các vị trí khác nhau trên màng cảm biến, mô phỏng màng có kích thước 1500 x 1500 x 15 µm và kích thước chia lưới EZSIZE = 100.
Kiểu 1: 4 điện trở song song với các cạnh màng. Kiểu 2: 4 điện trở vuông góc với các cạnh màng. Kiểu 3: 2 điện trở vuông góc, 2 điện trở song song. Kiểu 4: 4 điện trở nằm gần tâm màng.
Kiểu 5: 2 điện trở vuông góc gần tâm, 2 điện trở song song gần cạnh màng. Kiểu 6: 2 điện trở song song gần tâm, 2 điện trở vuông góc gần cạnh màng. Kiểu 7: 4 điện trởđược sắp nằm vuông góc với cạnh màng và nằm thẳng. Kiểu 8: 4 điện trởđược sắp nằm song song với cạnh màng và nằm ngang.
Kiểu 1 Kiểu 2 Kiểu 3 Kiểu 4
Kiểu 5 Kiểu 6 Kiểu 7 Kiểu 8
Hình 5.27. Mối quan hệ áp suất và điện thế ngõ ra đối với các kiểu bố trí điện trở khác nhau.
Ngoài việc xác định sự phân bốứng xuất trên bề mặt màng để xác định vị trí đặt áp trở, đồng thời tác giả cũng mô phỏng một số kiểu bố trí áp trở trên màng để tìm ra kiểu bố trí thích hợp nhất.
Quan sát hình 5.26 và 5.27, áp trở bố trí theo kiểu 3 cho điện thế ngõ ra có độ
tuyến tính cao, phù hợp với những điểm đã trình bày trên, phù hợp với phân bố ứng suất trên màng.
Quan sát hình 5.27 thấy xuất hiện một điện thế offset và có hai nguyên nhân chính (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
để lý giải điều này: thứ nhất là do sự chênh lệch về hình học của các áp trở, thứ hai là do sự sai khác về tính chất vật liệu của áp trở và màng, sựảnh hưởng của nhiệt độ (ảnh hưởng ngay cả trong nhiệt độ phòng).
5.1.2.4. Mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra
Xét mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra với các cấu hình màng vuông 1500 x 1500 x 15 µm và điện trở hình chữ nhật có thông số 100 x 10 x 0.25 µm.
Hình 5.28. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi độ dày của màng vuông đối với đáp ứng điện thế ngõ ra.
Đáp ứng ngõ ra của cảm biến phụ thuộc vào diện tích và bề dày của màng. Màng càng rộng, bề dày càng mỏng thì đáp ứng ngõ ra càng cao, độ nhạy càng cao. Tuy nhiên cần chọn màng có kích thước và độ dày thỏa (bảng 4.4).
Cảm biến thiết kế hoạt động trong dải áp suất thấp 0 – 10 Kpa, quan sát hình 5.28 ,
đáp ứng ngõ ra của cảm biến có độ tuyến tính cao, phù hợp với yêu cầu thông số trong (*).
5.1.2.5. Xét sựảnh hưởng của áp trở
Tác giả đã đánh giá được sự ảnh hưởng của kích thước màng và bề dày lên đáp
ứng ngõ ra. Tiếp theo sẽ xét sựảnh hưởng của áp trở lên đáp ứng cảm biến. Ở phần này, tác giả xét sựảnh hưởng của yếu tố nồng độ pha tạp, chiều dài, chiều rộng và chiều sâu của áp trở, giả sử không quan tâm đến yếu tố giá trịđiện trở và dòng tín hiệu ngõ ra.
Xét ảnh hưởng của yếu tố nồng độ pha tạp
Nồng độ pha tạp trong điện trở có ảnh hưởng rất lớn đến đáp ứng ngõ ra, độ nhạy của cảm biến. Tuy nhiên nồng độ pha tạp với công nghệ hiện nay phổ biến nằm trong khoảng từ 1018đến 1019 cm-3 [30].
Hình 5.29. Ảnh hưởng của yếu tố nồng độ.
Quan sát hình 5.29 , độ nhạy cũng nhưđiện thếđáp ứng ngõ ra thay đổi đáng kế
khi giảm nồng độ pha tạp. Tuy nhiên để làm được điều này thì phụ thuộc vào công nghệ hiện nay. Nồng độ pha tạp càng thấp điện thế ngõ ra càng cao, độ nhạy càng cao nhưng sẽ chịu ảnh hưởng lớn hơn của nhiệt độ môi trường (mục 4.1.3.5).
Bảng 5.3. So sánh độ nhạy khi thay đổi nồng độ pha tạp. Thông số Nồng độ pha tạp 1020 cm-3 Nồng độ pha tạp 1019 cm-3 Nồng độ pha tạp 1018 cm-3 Độ nhạy (mV/KPa) 1.7 5.9 8.3
Xét ảnh hưởng yếu tố chiều dài
Hình 5.30 . Ảnh hưởng của yếu tố chiều dài.
Độ dài càng giảm, thì độ nhạy càng tăng và ngược lại. Tuy nhiên độ dài cũng chỉ
có thể giảm đến một giới hạn và không được nhỏ hơn chiều rộng của điện trở. Bảng 5.4. So sánh độ nhạy khi thay đổi độ dài của áp trở.
Thông số 50x10x0.25 µm 100x10x0.25 µm 150x10x0.25 µm
Độ nhạy (mV/KPa) 6.2 5.9 5.5
Xét ảnh hưởng yếu tố chiều rộng
Khi chiều rộng áp trở thay đổi thì cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, sự
thay đổi này là khá nhỏ.
Bảng 5.5. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều rộng của áp trở.
Thông số 100x5x0.25 µm 100x10x0.25 µm 100x20x0.25 µm
Chiều rộng càng lớn, thì sẽ phải chịu thêm lực căng bề mặt càng lớn, tuy nhiên chiều rộng cũng không được quá nhỏ vì bị giới hạn bởi kỹ thuật công nghệ.
Hình 5.31. Ảnh hưởng của yếu tố chiều rộng.
Xét ảnh hưởng yếu tố chiều sâu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi chiều sâu của điện trở càng nhỏ, thì độ nhạy của cảm biến càng tăng. Tuy nhiên chiều sâu cũng bị giới hạn về mặt kỹ thuật công nghệ.
Bảng 5.6. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều sâu của áp trở.
Thông số 100x10x0.1 (µm) 100x10x0.25 (µm) 100x10x1 (µm)
Độ nhạy (mV/KPa) 5.997 5.913 5.33
Nếu độ sâu áp trở quá lớn, khi đó áp trở sẽ phải chịu thêm một ứng suất nén bên trong màng. Chiều sâu áp trở càng mỏng càng tốt.
Hình 5.32. Ảnh hưởng của yếu tố chiều sâu. Hình 5.33. Mô hình cải tiến - áp trở dạng U. Kết luận: Mục 5.2.3.1 đến mục 5.2.3.4 biểu diễn sựảnh hưởng của áp trở lên đáp ứng của của cảm biến. Trong đó, sự ảnh hưởng quan trọng nhất là sự ảnh hưởng của nồng độ
pha tạp, còn về yếu tố hình học thì ảnh hưởng không đáng kế phù hợp với những giả sử
ban đầu trong phần lý thuyết trình bày mục 4.1.3.2. Tuy nhiên, yếu tố nồng độ phụ
thuộc lớn vào công nghệ hiện có và nồng độ pha tạp thường nằm trong khoảng 1018
đến 1019 cm-3 [30].
Tác giảđã xét sựảnh hưởng của yếu tố màng: diện tích và độ dày, sựảnh hưởng của áp trở: nồng độ, chiều dài, chiều rộng, chiều sâu. Theo một số phân tích trên, ngoài những yếu tố bị giới hạn về mặt kỹ thuật công nghệ, tác giả nhận thấy để thực hiện mô hình cải tiến làm tăng độ nhạy cho cảm biến có thể tập trung vào yếu tố chiều dài của áp trở. Thay vì để áp trở có chiều dài là l, thì ta chia chiều dài này thành n phần với chiều dài là l
n (điều kiện l w
n > ) mắc nối tiếp nhau theo dạng chữ U, chữ M... Khi đó yếu tố chiều dài giảm mà lại không ảnh hưởng đến giá trị của điện trở, dòng tín hiệu ngõ ra. Thực hiện mô hình áp trở dạng chữ U để đánh giá sự ảnh hưởng của mô hình
cải tiến so với mô hình ban đầu – áp trở hình chữ nhật. Độ nhạy trong mô hình cải tiến tăng 0.159 mV/Kpa so với mô hình áp trở hình chữ nhật (hình 5.33).
5.1.2.6. Đánh giá ảnh hưởng bởi điện thế nguồn nuôi
Hình 5.34. Ảnh hưởng bởi thế nguồn nuôi.
Khi thay đổi thế nguồn nuôi Vs thì đáp ứng ngõ ra vẫn có độ tuyến tính rất cao, độ
nhạy không thay đổi. Tuy nhiên điện thế ngõ ra có sự thay đổi theo sự thay đổi của thế
nguồn nuôi.
Việc lựa chọn thế nguồn nuôi rất quan trọng, nếu thế nguồn nuôi quá nhỏ thì điện thế ngõ ra nhỏ, dòng tín hiệu nhỏ nên bịảnh hưởng mạnh bởi môi trường xung quanh, và ngược lại khi thế nguồn nuôi lớn thì điện thế ngõ ra lớn, dòng tín hiệu lớn những khi
đó sẽ sinh nhiệt lớn làm ảnh hưởng đến cảm biến.(hình 5.34).
Tùy vào loại ứng dụng và môi trường làm việc của cảm biến thiết kế mà cần có sự
5.1.3. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH NHIỆT
Hình 5.35. Sựảnh hưởng của nhiệt lên điện thế offset.
Hình 5.36. Sựảnh hưởng của nhiệt lên điện thế ngõ ra tại áp suất là 10Kpa. Khi nhiệt độ tăng thì điện thế offset tăng (hình 5.35).
Hình 5.37. Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp
ứng ngõ ra của cảm biến thiết kế.
Hình 5.38. Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp
ứng ngõ ra của cảm biến MPX10[42].
Đáp ứng ngõ ra bị ảnh hưởng bởi nhiệt của cảm biến thiết kế và cảm biến trên thị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trường hiện nay MPX 10 có dạng giống nhau, thêm phần khẳng định cho việc mô phỏng đúng hướng.
So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX 10 trên thị trường. Bảng 5.7. So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX10.
Thông số Cảm biến thiết kế Cảm biến MPX 10
Độ nhạy của cảm biến (mV/Kpa) 5.9 3.5
Điện thế offset (mV) 12.7 20
Full Scale Span (mV) 59 35
Nhiệt độ hoạt động (0C) -50 → 125 -40 → 125
Áp suất an toàn (Kpa) 162 75
5.2. MÔ PHỎNG CHẾ TẠO CẢM BIẾN 5.2.1. Chi tiết hóa qui trình chế tạo 5.2.1. Chi tiết hóa qui trình chế tạo
Chi tiết hóa cho qui trình được đề suất tại mục 4.2.1 cho việc chế tạo như sau:
Khối wafer n-Si 500µm ở mặt phẳng (100).
Oxi hóa bề mặt phía trên của wafer tạo lớp SiO2 dày khoảng 600 nm.
Lắng đọng 1 lớp n-Si dày 15 µm (bằng chiều dày của màng) hoặc dụng sẵn wafer SOI (SOI khá đắt tiền).
Dùng phương pháp PECVD lắng đọng mặt dưới 200 nm Si3N4.
Khắc khô:
+ Lithography Mask1(mask tạo hình dạng áp trở) ở mặt trên. + Dùng phương pháp RIE khắc SiO2ở mặt trên.
Cấy ion B+ tạo thành áp trở
Loại bỏ lớp oxide SiO2 phía trên dùng phương pháp khắc RIE.
Khắc kim loại:
+ Lithography Mask 2 (mask tạo hình dạng dây nối) ở mặt trên.
+ Khắc ướt Al và Ni để tạo thành dây nối và pad và hình thành mạch cầu Wheatstone (hoặc tạo cầu Wheatstone khi sử dụng cảm biến).
Dùng phương pháp PECVD để lắng đọng 400 nm SiO2 lên trên bề mặt.
Khắc SiO2đểđiểm tiếp xúc
+ Lithography Mask 3 (mask tạo hình dạng chân nối điểm tiếp xúc). + Loại bỏ lớp oxide để tạo lỗ thông chân nối điểm tiếp xúc.
Khắc mặt dưới đế:
+ Lithography Mask 4( mask tạo hình dạng màng cảm biến) ở mặt dưới đế. + Dùng phương pháp RIE khắc mặt dưới Si3N4 và SiO2.
Khắc bất đẳng hướng Si ở mặt dưới đế (sử dùng KOH ).
Tiếp tục khắc lớp SiO2 còn lại để tạo thành màng cảm biến như hình vẽ.
Hình 5.39. Chi tiết qui trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở. Trong đó:
Vật liệu SiO2 dùng để làm lớp dừng khắc hoặc lớp bảo vệ mặt trên của cảm biến bao gồm áp trở, dây dẫn, màng khỏi tác động của môi trường nhưđộẩm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vật liệu Si3N4 không bịăn mòn trong quá trình khắc Si nên dùng để bảo vệđế. Vật liệu Si dùng làm đế và màng nhạy của cảm biến áp suất.
Si pha tạp loại p dùng làm áp trở của cảm biến.
Lớp Ni có độ bám chắc nên dùng làm lớp đệm cho Nhôm bám tốt trên màng. Lớp Nhôm dùng làm dây dẫn nối các áp trở của cảm biến. Ngoài Al còn có thể
dùng Vàng (Au) làm dây dẫn rất tốt, nhưng do vàng có chi phí rất cao nên dùng Nhôm trong trường hợp này là hợp lý nhất.
Si3N4 Si bulk Ni
Al SiO2 Si dopped p+
5.2.2. Thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến
Mask 1: Mặt nạ 1 - tạo áp trở trên màng.
Mask 2: Mặt nạ 2 – tạo đường dây nối từ áp trở ra ngoài các pad ngoài để hàn nối
đến chân cảm biến.
Mask 3: Mặt nạ 3 – mở cửa sổđể hàn nối các pad sau khi đã được bảo vệ. Mask 4: Mặt nạ 4 – Tạo khoảng trống dưới lớp đáy.
Mask 1 Mask 2
Mask 3 Mask 4
5.2.3. Một số kết quả mô phỏng chế tạo bằng phần mềm Intellisuite
Hình 5.41. Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng phần mềm Intellisuite.
Khối vật liệu Silic Khối vật liệu SOI Khuếch tán Bo
Khắc kim loại Al Mặt sau cảm biến Mặt trước cảm biến
Mô phỏng chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở đã được thực hiện bằng phần mềm Intellisuite. Quá trình mô phỏng gồm 29 bước với 4 mặt nạđược sư dụng cho quá trình.
Kết quả mô phỏng vẫn còn một hạn chế là chưa thực hiện được mô phỏng quá trình khắc bất đẳng hướng mặt đáy sử dụng KOH, thay vào đó là quá trình RIE. (Do phần mềm chưa cập nhật được module tích hợp cho việc khắc bất đẳng hướng).
5.2.4. Đề suất bộ mặt nạ cho wafer 4 inch
Hình 5.43. Bộ mask đề suất cho wafer 4 inch.
Bộ mask đươc thiết kế bằng phần mềm AutoCAD, được thiết kế với 350 linh kiện và 10 cấu hình khác nhau cho việc chế tạo thử nghiệm lần đầu tiên.
Bộ mask được chia làm 3 vùng chính:
Vùng so mask – để so sánh giữa các lớp mask với nhau sau mỗi quá trình. Vùng kiểm tra sau một số công đoạn.
Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. KẾT LUẬN
Sau một thời gian, tìm hiểu và nghiên cứu nghiêm túc tác giảđã hoàn thành được những mục tiêu và nhiệm vụđề ra:
Tìm hiểu công nghệ MEMS – Cập nhật công nghệ tiên tiến hiện nay trên thế
giới.
Tìm hiểu về qui trình chế tạo MEMS. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tìm hiểu về các loại Cảm biến áp suất, đặc biệt là cảm biến áp suất loại áp