Luận án tiến sĩ: Thiết kế và chế tạo cảm biến áp suất sử dụng nhôm nitrua

• Tác giả: Trang Hoang
• Người hướng dẫn: Philippe Benech
• Trường học: Universite Joseph Fourier - Grenoble
• Chuyên ngành: Radio-Fréquence
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến áp suất bằng nhôm nitrua
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Grenoble

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ACOUSTIC WAVE DEVICES
• 1.1. Thickness Shear Mode (TSM) resonator
• 1.2. Surface Acoustic Wave Device
• 1.2.1. SAW excitation and detection
• 1.2.2. SAW perturbation mechanisms
• 1.3. Acoustic Plate Mode (APM) devices
• 1.4. Flexural Plate Wave (FPW) or Lamb wave device
• 1.5. Comparation between four sensors
• 1.6. SAW sensor and the application pressure sensor in this research
• 1.6.1. SAW pressure sensor with one port IDT
• 1.6.2. SAW pressure sensor with two ports IDT
• 1.7. Aluminum Nitride (AlN) and its applications in SAW devices
• 1.7.1. Piezoelectric materials and the choice of AlN
• 1.7.2. General Information of AlN
• 1.8. Modelling SAW devices
• 1.8.1. Why Equivalent Circuit model is chosen?
• 1.8.2. The Finite Element Model (FEM)
• 1.9. Micromachining process, the choice of surface micromachining
• 2. CHAPTER 2: SAW PARAMETERS ANALYSIS AND EQUIVALENT CIRCUIT OF SAW DELAY LINE
• 2.1. Calculation of SAW properties
• 2.1.1. Wave velocity, coupling factor in AlN/Si structure
• 2.1.2. Wave velocity, coupling factor in AlN/SiO2/Si structure
• 2.1.3. Wave velocity, coupling factor in AlN/Mo/Si structure
• 2.2. Equivalent circuit for SAW delay line based on Mason model
• 2.2.1. Equivalent circuit for IDT including N periodic sections
• 2.2.2. Equivalent circuit for propagation path
• 2.2.3. Equivalent circuit for SAW delay line
• 2.3. Equivalent Circuit for IDT Based On The Coupling-Of-Mode Theory
• 2.3.1. COM equation for particle velocities
• 2.3.2. Equivalent circuit for IDT based on COM theory
• 2.3.3. Equivalent circuit for propagation path based on COM theory
• 2.3.4. Equivalent circuit for SAW delay line based on COM theory
• 2.3.5. Comparison of Equivalent circuit of SAW device based on Mason model and COM theory
• 3. CHAPTER 3: DESIGN OF SAW PRESSURE SENSOR DEVICES
• 3.1. Temperature compensated structure for SAW device
• 3.1.1. Temperature dependence of Si, SiO2, AlN properties
• 3.1.2. Temperature Coefficient of Frequency (TCF) and temperature compensated structure for SAW sensor
• 3.2. Pressure dependence of frequency and phase in SAW delay line
• 3.2.1. Mechanical analysis of membrane under pressure
• 3.2.2. Pressure-dependence of frequency by pressure dependence of AlN elastic properties
• 3.2.3. Pressure-dependence of frequency by delay line
• 3.2.4. Pressure-dependence of phase shift
• 4. CHAPTER 4: FABRICATION PROCESS
• 4.1. Trench, counter masque, hole, and PSG layers
• 4.2. Metal AlCu and polyimide layers
• 4.3. Creating the stop wall of etching SiO2 - Trench
• 4.4. Non-selective epitaxy
• 4.5. COUNTER MASK lithography, etching Si and CMP process
• 4.6. HF Etching of the sacrificial layer
• 4.7. Depositing AlN as the piezoelectric layer and its properties
• 4.7.1. Influence of substrate roughness on crystal quality of AlN
• 4.7.2. Dependence of FWHM of AlN on AlN thickness
• 4.7.3. Dependence of FWHM of AlN on using bottom Mo layer
• 4.7.4. AlN at high temperature
• 4.8. Metal layer AlCu for IDT and probes
• 4.9. Polyimide as absorber
• 5. CHAPTER 5: CHARACTERIZATION OF SAW DEVICE
• 5.1. The Square Resistance: Van Der Pauw
• 5.2. Isolation and continuity
• 5.3. Measuring under etching
• 5.4. Mask for parametric test
• 5.4.1. Propagation losses measurement
• 5.4.2. Piezoelectric coupling factor extraction
• 5.4.3. Comparison between experiment and simulation
• 5.4.4. Effect of Mo layer on performance of AlN/Si SAW device
• 5.4.5. Effect of thin Polyimide film
• 5.4.6. Device under pressure
• PHỤ LỤC
• appendix A. Properties of Si, SiO2, AlN and Mo
• appendix B. Development of calculation for equivalent circuit of SAW device
• appendix C. Equipments used to control each fabrication step and to characterise device
• LIST OF PUBLICATION PAPER
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• CONCLUSION AND PERSPECTIVE

I. Giới thiệu

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến áp suất bằng nhôm nitrua (AlN) là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ cảm biến hiện đại. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một cảm biến áp suất sử dụng công nghệ sóng âm bề mặt (SAW) với vật liệu nhôm nitrua. Các nghiên cứu lý thuyết, thực hiện và đặc trưng hóa cảm biến áp suất trên các cấu trúc SAW khác nhau đã được trình bày. Việc mô hình hóa cảm biến được thực hiện bằng cách sử dụng mạch tương đương dựa trên mô hình Mason và phương pháp Coupling-Of-Mode. Các thông số của sóng bề mặt được tính toán và phân tích cho các cấu trúc như AlN/SiO2/Si, AlN/Si và AlN/Mo/Si.

1.1. Tính toán và phân tích các thông số SAW

Trong phần này, tốc độ sóng và hệ số ghép nối được tính toán cho các cấu trúc khác nhau. Kết quả cho thấy tốc độ sóng cũng như hệ số ghép nối có thể phụ thuộc vào môi trường truyền sóng. Đối với mỗi cấu trúc sử dụng nhôm nitrua, phạm vi độ dày của lớp AlN được xác định, trong đó tốc độ sóng và hệ số ghép nối có sự phụ thuộc yếu vào độ dày của lớp AlN. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế cảm biến áp suất chính xác và hiệu quả.

II. Thiết kế cảm biến áp suất SAW

Thiết kế cảm biến áp suất SAW yêu cầu sự chú ý đặc biệt đến độ dày của các lớp khác nhau. Việc lựa chọn độ dày này phải tính đến độ chính xác của quy trình sản xuất để giảm thiểu các hiệu ứng phân tán trên các đặc tính của cảm biến. Phân tích cơ học của màng dưới áp suất cũng được thực hiện để suy ra độ nhạy của cảm biến. Các hiệu ứng của biến đổi nhiệt độ trên cấu trúc SAW cũng được nghiên cứu, nhằm đề xuất phương pháp giảm thiểu các tác động của biến đổi nhiệt độ trong các ứng dụng đo áp suất.

2.1. Phân tích cơ học và độ nhạy của cảm biến

Phân tích cơ học cho thấy rằng độ nhạy của cảm biến áp suất có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa thiết kế màng. Các yếu tố như độ dày và vật liệu nền ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng lớp Mo dưới AlN có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến áp suất. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các cảm biến chính xác hơn trong tương lai.

III. Quy trình chế tạo

Quy trình chế tạo cảm biến áp suất bao gồm nhiều bước quan trọng như khắc bề mặt, lắng đọng lớp AlN và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng công nghệ vi xử lý bề mặt cho phép đạt được kích thước chính xác của các màng sử dụng trong cảm biến áp suất. Các lớp AlN được đặc trưng trong quá trình chế tạo, và các yếu tố như độ nhám của nền ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể của AlN. Nghiên cứu cho thấy rằng để cải thiện hành vi piezoelectric của AlN, có ba phương pháp khả thi: sử dụng lớp Mo dưới AlN, giảm độ nhám của lớp dưới AlN và tăng độ dày của AlN.

3.1. Đặc trưng hóa và kiểm tra chất lượng

Quá trình đặc trưng hóa bao gồm việc đo lường các thông số như hệ số ghép nối và tổn thất truyền dẫn. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng lớp Mo có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất của cảm biến áp suất. Các thí nghiệm cho thấy rằng độ nhạy áp suất đo được của thiết bị là rất hứa hẹn, mở ra khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và y tế.

IV. Kết luận và triển vọng

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc thiết kế và chế tạo cảm biến áp suất bằng nhôm nitrua có thể mang lại những kết quả khả quan. Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cảm biến áp suất có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của cảm biến áp suất trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Các ứng dụng của cảm biến áp suất trong công nghiệp và y tế đang ngày càng được mở rộng. Việc phát triển các cảm biến thông minh có thể giúp cải thiện độ chính xác trong việc đo lường và giám sát các thông số quan trọng. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần vào sự phát triển của công nghệ cảm biến trong tương lai.