I. Giới thiệu về công nghệ MEMS và cảm biến gia tốc
Công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là một công nghệ tích hợp các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và điện tử trên một nền Silicon. Công nghệ này sử dụng các phương pháp vi chế tạo như ăn mòn và phủ lớp vật liệu để tạo ra các cấu trúc có kích thước micromet. Cảm biến gia tốc là một trong những ứng dụng phổ biến của công nghệ MEMS, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, ô tô, và thiết bị y tế. Cảm biến gia tốc có thể được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động như cảm biến kiểu tụ điện, kiểu áp trở, kiểu áp điện và kiểu quang học.
1.1. Công nghệ MEMS
Công nghệ MEMS bao gồm hai phương pháp chính: vi cơ bề mặt và vi cơ khối. Vi cơ bề mặt sử dụng các lớp màng mỏng được lắng đọng và ăn mòn để tạo ra các cấu trúc vi cơ. Vi cơ khối liên quan đến việc ăn mòn sâu vào vật liệu nền như Silicon để tạo ra các cấu trúc ba chiều. Công nghệ MEMS đã được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, và đầu phun mực.
1.2. Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc là thiết bị đo gia tốc, được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Có hai loại chính là cảm biến kiểu tụ điện và kiểu áp trở. Cảm biến kiểu tụ điện có độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong khi cảm biến kiểu áp trở có cấu tạo đơn giản nhưng độ nhạy thấp hơn. Cảm biến gia tốc được sử dụng trong nhiều ứng dụng như túi khí ô tô, thiết bị định hướng, và thiết bị y tế.
II. Thiết kế và chế tạo chip cảm biến gia tốc
Quy trình thiết kế và chế tạo chip cảm biến gia tốc dựa trên công nghệ MEMS bao gồm nhiều bước phức tạp, từ việc lựa chọn cấu trúc hình học đến thiết kế bộ mask và quy trình chế tạo. Cấu trúc chip cảm biến gia tốc thường bao gồm một khối nặng Silicon dao động giữa hai điện cực Pyrex được phủ vàng, tạo thành hai cặp tụ điện đối xứng. Quy trình chế tạo bao gồm các bước như phủ lớp mỏng, ăn mòn, và hàn các phiến Silicon và Pyrex.
2.1. Lựa chọn cấu trúc hình học
Việc lựa chọn cấu trúc hình học của chip cảm biến gia tốc là bước quan trọng đầu tiên. Cấu trúc được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến kiểu tụ điện, với khối nặng Silicon dao động giữa hai điện cực Pyrex. Cấu trúc này đảm bảo độ nhạy cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
2.2. Thiết kế bộ mask
Bộ mask được thiết kế để xác định các vùng cần ăn mòn và phủ lớp vật liệu trên phiến Silicon và Pyrex. Bộ mask được tạo ra bằng phần mềm thiết kế chuyên dụng như L-Edit, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình chế tạo.
III. Quy trình chế tạo chip cảm biến gia tốc
Quy trình chế tạo chip cảm biến gia tốc bao gồm các bước chính như chế tạo phiến Pyrex, chế tạo phiến Silicon, và hàn hai phiến lại với nhau. Mỗi bước đều yêu cầu độ chính xác cao và sử dụng các thiết bị chuyên dụng như máy quang khắc, máy ăn mòn, và máy hàn. Quy trình này đảm bảo rằng chip cảm biến gia tốc đạt được các thông số kỹ thuật yêu cầu.
3.1. Chế tạo phiến Pyrex
Phiến Pyrex được chế tạo bằng cách phủ lớp Titan và vàng lên bề mặt, sau đó sử dụng bộ mask để quang khắc và ăn mòn các vùng cần thiết. Quá trình này tạo ra các điện cực cần thiết cho cấu trúc tụ điện của chip cảm biến gia tốc.
3.2. Chế tạo phiến Silicon
Phiến Silicon được chế tạo bằng cách phủ lớp SiO2, quang khắc, và ăn mòn để tạo ra cấu trúc dao động. Quá trình này sử dụng các dung dịch hóa chất như KOH để ăn mòn dị hướng, tạo ra các rãnh và lỗ trên phiến Silicon.
3.3. Hàn phiến Silicon và Pyrex
Hai phiến Silicon và Pyrex được hàn lại với nhau bằng phương pháp hàn Anodic, tạo ra cấu trúc hoàn chỉnh của chip cảm biến gia tốc. Quá trình hàn đảm bảo độ kín và độ bền của cấu trúc.
IV. Đánh giá và ứng dụng của chip cảm biến gia tốc
Sau khi chế tạo, chip cảm biến gia tốc được đo kiểm và đánh giá để đảm bảo đạt được các thông số kỹ thuật yêu cầu. Các phương pháp đo kiểm bao gồm đo điện dung, điện trở, và độ nhạy của chip. Chip cảm biến gia tốc có nhiều ứng dụng thực tế, từ thiết bị điện tử tiêu dùng đến các hệ thống an toàn trong ô tô và thiết bị y tế.
4.1. Đo kiểm và đánh giá
Chip cảm biến gia tốc được đo kiểm bằng các thiết bị như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và máy đo điện dung. Các thông số như độ nhạy, độ tuyến tính, và độ ổn định được đánh giá để đảm bảo chip đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
4.2. Ứng dụng thực tế
Chip cảm biến gia tốc được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy đo, và hệ thống túi khí ô tô. Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng trong các thiết bị y tế để theo dõi cử động của bệnh nhân.
