Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ VÀ HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN TRỞ TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN SILIC 1. Hệ vi cơ điện và các ứng dụng. Công nghệ MEMS. Vật liệu trong MEMS.
Hiệu ứng áp trở trong vật liệu silic. Mô tả toán học hiệu ứng áp trở. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mức độ pha tạp đến hệ số áp điện trở. Phân loại MEMS cảm biến áp suất.
Màng silicon vi cơ. Cảm biến áp suất áp trở. Cảm biến áp suất kiểu tụ điện. Cảm biến áp suất cộng hưởng.
Các kỹ thuật MEMS cảm biến áp suất khác. 33 Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ 2. Qui trình thiết kế. Thủ tục thiết kế.
Thiết kế cảm biến áp suất áp điện trở. Mạch cầu Wheatstone. Phân tích ứng suất bằng phương pháp giải tích. Phân tích áp điện trở bằng phương pháp giải tích.
Mô phỏng dùng phần mềm ANSYS. Giới thiệu phần mềm. 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Chỉ tiêu thực hiện bài toán mô phỏng.
Phân tích độ nhạy cảm biến dùng phương pháp phần tử hữu hạn. Thiết kế mặt nạ (mask). 58 Chương 3: XÂY DỰNG HỆ ĐO CẢM BIẾN ÁP SUẤT 3. Trang thiết bị hệ đo.
Giao tiếp nối tiếp RS-232. Kết nối sử dụng DB25 và DB9. Xây dựng hệ đo dùng chuẩn giao tiếp RS-232. Thiết lập hệ đo sử dụng chương trình LabView.
Khởi động chương trình. Xây dựng chương trình kiểu 1. Thiết lập các tham số cho cổng nối tiếp. Viết dữ liệu cho cổng nối tiếp.
Đọc và hiển thị dữ liệu. Kết thúc ứng dụng. Xây dựng chương trình kiều 2. 77 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.
Chế tạo cảm biến áp suất áp trở. Đặc tính cảm biến áp suất áp trở. Đặc tính đáp ứng. Sự phụ thuộc nhiệt độ vào đặc tính.
Cảm biến đối với nguồn cung cấp. 86 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 95 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -- 4 -- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 CAD Computer Aid Design Thiết kế với sự hỗ trợ máy tính 2 CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bốc bay hoá học 3 DAQ Data Acquisition Thu nhận dữ liệu 4 DCE Data Communications Thiết bị thông tin dữ Equipment liệu 5 DOF Degree Of Freedom Bậc tự do 6 DRC Design Rule Check Kiễm tra luật thiết kế 7 D - RIE Deep Reactive Ion Etching Ăn mòm phản ứng ion sâu 8 DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ liệu 9 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 10 IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp 11 ICP - RIE Inductively Coupled Plasma Ăn mòn phản ứng Reactive Ion Etching ion ghép plasma 12 KEYOPT Key Option Khóa tùy chọn 13 LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Lắng đọng bốc bay Deposition hoá học áp suất thấp 14 MEMS Micro Electro Mechanical Hệ vi cơ điện tử System 15 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 16 RIE Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion 17 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia điện tử 18 SOI Silicon On Insulator Silic trên chất cách li 19 VI Virtual Instrument Dụng cụ ảo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -- 5 -- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Mô tả Trang 1 Hình 1.
Vi cơ khối silicon. (a) ăn mòn đẳng hướng, (b) ăn 17 mòn bất đẳng hướng, (c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn ẩn phía dưới, (d) màng điện môi ăn mòn khối mặt sau. Các bước cụ thể xử lí vi cơ bề mặt 19 3 Hình 1. Kỹ thuật hàn tĩnh điện 20 4 Hình 1.
Xử lí LIGA 22 5 Hình 1. Mô tả về các thành phần ứng suất thẳng góc và 25 ứng suất trượt. Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và 27 vuông góc. Các góc Euler trong phép biến đổi các trục toạ độ 27 Đề-các 8 Hình 1.
Hệ số áp trở đối với nồng độ pha tạp lớp khuyếch 30 tán bề mặt 9 Hình 1. Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và 31 vuông góc vào định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100): (a) – silic loại p; (b) – silic loại n 10 Hình 1. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại p 11 Hình 1. Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp và nhiệt độ đối với Si loại n 12 Hình 1.
Màng silicon bị ăn mòn bất đẳng 33 13 Hình 1. Mặt cắt ngang và cách bố trí của sensor áp suất 35 cụ thể được vi cơ khối 14 Hình 1. Vị trí điện trở trên màng Boss 36 15 Hình 1. Cảm biến áp suất áp trở được liên kết hợp nhất 38 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cảm biến áp suất vi cơ bề mặt với a) màng 39 Nitride; b) màng polisilicon 17 Hình 1. Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b) 39 màng có bậc 18 Hình 1. Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc 40 19 Hình 1. Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân 43 Yokogawa 20 Hình 2.
Quy trình thiết kế linh kiện vi cơ điện tử 46 21 Hình 2. a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu 46 Wheatstone 22 Hình 2. Quá trình mô phỏng MEMS cảm biến cụ thể 48 23 Hình 2. Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp 49 điện trở dùng công cụ thiết kế của CADENCE 24 Hình 2.
Tự động kiểm tra luật thiết kế 50 25 Hình 2. Cảm biến áp suất được kết nối dùng 4 điện trở 50 cầu Wheatstone 26 Hình 2. Cấu trúc cảm biến áp suất 59 27 Hình 2. Mô hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp 60 điện trở 28 Hình 2.
Điều kiện biên và đặt tải của cảm biến áp suất áp 61 điện trở 29 Hình 2. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 62 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa 30 Hình 2. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 63 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng suất lớn nhất σx và σy theo mặt trên của màng cảm biến. Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa.Ứng suất tương đương theo Von Mises 32 Hình 2.
Kết quả tính toán phần tử hữu hạn của cảm biến 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -- 7 -- áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, và P = 100 KPa. Sự thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến. Chú ý áp điện trở được đặt tại vị trí có σs = 0. Vị trí các áp điện trở ở trên màng, tại đó ứng 65 suất được phân bố lớn nhất.
Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với 66 mật độ chia lưới khác nhau 35 Hình 2. Mối quan hệ giữa điện áp ngỏ ra và áp suất với 67 độ dày áp điện trở khác nhau 36 Hình 2. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi độ dày của 68 màng cảm biến 37 Hình 2. Độ nhạy điện áp ngỏ ra thay đổi bởi kích thước 68 của màng cảm biến 38 Hình 2.
Mối quan hệ giữa áp suất và điện áp ngỏ ra của 69 cảm biến với nguồn cung cấp khác nhau 39 Hình 2. Sơ đồ mặt nạ của cảm biến áp suất có kích 71 thước 2 mm x 2 mm 40 Hình 3. (a) Sắp xếp các áp điện trở và dây kết nối bên 74 trong của cảm biến áp suất, (b) mạch nữa cầu, (c) cầu Wheatstone, và (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu Wheatstone.2 Toàn bộ hệ thống đo lường: 1) bộ chuẩn áp suất 75 pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo Keithley 2000, 3) máy tính. Chức năng thông tin EIA232, và lọai đầu nối cho 76 máy tính cá nhân và modem.
Đầu nối thiết bị DB25 và DB9 76 44 Hình 3. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) và DCE 77 (modem hay thiết bị nối tiếp khác) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và 78 DCE (modem) 9 chân 46 Hình 3. Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 9 chân và 78 DCE (modem) 25 chân 47 Hình 3.
Sơ đồ kết nối giữa DTE (máy tính) 25 chân và 79 DCE (modem) 25 chân 48 Hình 3. Bộ chuyển đổi USB sang RS232 80 49 Hình 3. Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp 81 nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng bộ ký tự giữa máy tính và thiết bị MC100 và Keithley. Lưu đồ thuật toán 82 51 Hình 3.
Bảng hiển thị kết quả trong chương trình 83 LABVIEW 52 Hình 3. Màn hình làm việc ban đầu của LabView 83 53 Hình 3. Cửa sổ làm việc cho lập trình 84 54 Hình 3. Thiết lập các thông số cho cổng nối tiếp 85 55 Hình 3.
Viết dữ liệu tới cổng nối tiếp 86 56 Hình 3. Đọc và định dạng dữ liệu 86 57 Hình 3. Quá trình kết thúc ứng dụng 87 58 Hình 3. Hiển thị kết quả cuối cùng kiểu 1 87 59 Hình 3.
Thiết lập mã cho bộ lọc 88 60 Hình 4. Áp điện trở: (a) sau khi quang khắc; (b) sau khi 89 được khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc 61 Hình 4. Mặt trước và sau của cảm biến sau khi ăn mòn 90 khô 20 phút 62 Hình 4. Độ sâu mặt nghiên của màng bị ăn mòn được đo 90 bằng thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 và (b) 2x2 µm2 63 Hình 4.
Kích thước cảm biến được chế tạo tương ứng với 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -- 9 -- 1x1 và 2x2 mm2 64 Hình 4. Ảnh SEM 3D của linh kiện cảm biến được chế 91 tạo 65 Hình 4. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim 92 loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) trước khi thêu kết 66 Hình 4. Đặc tính của tiếp xúc (contact) giữa đường kim 92 loại nhôm (Al) và bán dẫn (áp điện trở loại p) sau khi thêu kết ở 4500 C trong Nitơ (N2) 67 Hình 4.
Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra vi sai của cảm 94 biến và áp suất với nguồn cung cấp 2 mA. Sự phụ thuộc của điện áp ngõ ra vi sai vào áp 95 suất sau cầu cân bằng 70 Hình 4. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và tải áp suất 96 phụ thuộc vào nhiệt độ.