Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ, CHẾ TẠO CHIP CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU TỤ BẰNG CÔNG NGHỆ VI CƠ KHỐI DESIGN AND FABRICATION OF ACCELEROMETER SENSOR DEVICE USING BULK-MICROMACHINING TECHNIQUE KS Bùi Quang Vinh, TS Dương Minh Tâm, ThS Trương Hữu Lý, CN Trương Văn Phát, KS Dương Tấn Phước Trung tâm Nghiên cứu triển khai Khu Công nghệ cao TPHCM Lô I3, đường N2, Khu CNC, quận 9, Tp Hồ Chí Minh, www.shtplabs.org {vinh.buiquang@shtplabs.org; dmtam.shtp@tphcm.gov.vn; ly.truonghuu@shtplabs.org; phat.truongvan@shtplabs.org; phuoc.duongtan@shtplabs.org} TÓM TẮT Chip cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo công nghệ MEMS, có cấu trúc khối nặng Si dao động hai điện cực pyrex phủ vàng tạo thành hai cặp tụ điện đối xứng Dựa vào cấu trúc hình học chip cảm biến, báo thiết kế quy trình công nghệ, chế tạo chip cảm biến gia tốc công nghệ vi khối, sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt để tạo cấu trúc vi cảm biến Chip cảm biến gia tốc sau chế tạo đo kiểm, đánh giá phòng thí nghiệm đạt thông số phù hợp với yêu cầu kỹ thuật ban đầu đưa ra, hướng đến chế tạo hoàn thiện cảm biến gia tốc ứng dụng đo độ rung chấn số thiết bị Từ khóa: Chip cảm biến gia tốc, công nghệ MEMS, công nghệ vi khối, đo độ rung chấn ABSTRACT Acceleration sensors based on MEMS technology was designed with a Silicon block vibrating between two gold-coated pyrex electrodes, resulting in two symmetric capacitors Relying on this structure, research has been conducted to design the fabrication process and fabricate prototypes of the sensor utilizing the MEMS equipment in Vietnam The fabricated acceleration sensors were then tested and improved to meet the required technical specifications Keywords: Acceleration sensors, MEMS technology, bulk-micromachining technique GIỚI THIỆU Sự phát triển công nghệ MEMS thời gian gần cho thấy công nghệ không phát triển phục vụ cho ngành công nghệ vi mạch mà có sức ảnh hưởng nhiều ngành công nghệ chế tạo máy, tự động hóa, [1] Xu phát triển thiết bị ngày nhỏ gọn đòi hỏi ngành khí cần chế tạo linh kiện với kích thước nhỏ nhằm đáp ứng cho thị trường ngày khắt khe Và linh kiện cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc linh kiện chuyển đổi gia tốc, độ dịch chuyển độ nghiêng,… thành tín hiệu điện đầu nhờ vào thay đổi đặc tính điện trở cảm biến kiểu áp trở thay đổi điện dung cảm biến kiểu tụ điện Cảm biến gia tốc kiểu tụ báo gồm hai tụ song song có chung điện cực Điện cực chung khối nặng Si nằm cấu trúc Chip cảm biến treo bốn dầm ngăn cách với điện cực cố định lớp không khí mỏng, khoảng dao động khối nặng 20µm Khi có tác động từ bên ngoài, khối nặng nối làm điện cực chung dao động làm thay đổi điện dung hai tụ điện 552 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bài báo trình bày quy trình chế tạo chip cảm biến gia tốc kiểu tụ Mask công nghệ vi khối, sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt để tạo thành cấu trúc hình học có kích thước micromet, đồng thời kết sau chế tạo đo kiểm để so sánh với thông số yêu cầu ban đầu THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN Với mục tiêu sử dụng cảm biến gia tốc để đo rung chấn, ta cần xác định quy trình thiết kế, chế tạo cảm biến gia tốc theo trình tự cụ thể, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tránh lãng phí trình chế tạo, báo đưa quy trình tổng thể hình Hình Quy trình thiết kế, chế tạo cảm biến gia tốc đo rung chấn Để thiết kế cấu trúc hình học tối ưu cho chip cảm biến gia tốc, báo tiến hành mô đặc tính cơ, điện để kịp thời phát sai sót, chưa hợp lý trình thiết kế Cấu trúc cảm biến chế tạo nhằm mục đích đo dao động theo phương, ta sử dụng mô hình hệ bậc tự có giảm chấn, chịu ngoại lực kích tuần hoàn ngoại lực kích thích để tiến hành thiết kế tối ưu tham số 553 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mô hình toán học hệ bậc tự Phân tích mô hình toán học để tìm thông số ảnh hưởng ảnh hưởng đến đến hệ, từ xây dựng quy trình thiết kế tối ưu cấu trúc cảm biến hình Hình Quy trình thiết kế cấu trúc tối ưu cảm biến Việc tìm cấu trúc phù hợp thực cách kết hợp mô phần mềm Ansys workbench 14.0 đánh giá mô hình giải tích Với ba tiêu chí đầu, báo đề xuất hai mô hình giải tích cho cấu trúc cảm biến gia tốc kiểu tụ hình chữ thập Sau đó, dựa kết mô cấu trúc Ansys, xác định mô hình phù hợp 554 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các bước thực thể theo hình sau: Hai mô hình giải tich cho cấu trúc gia tốc kiểu tụ hình chữ thập MEMS Kết mô phần mềm Ansys Không thỏa Mô hình giải tích tối ưu Thỏa tiêu chí tạo Tiêu chí hệ số giảm chấn Chạy mô hình giải tích tối ưu Mô cấu trúc tìm với Ansys Thỏa Mô hình tối ưu Hình Quy trình mô tìm mô hình tối ưu chip cảm biến Do cấu trúc cảm biến hoạt động nguyên lý thay đổi tọa độ chuyển động tịnh tiến theo phương đo, từ làm thay đổi giá trị điện dung, số hướng chuyển vị hai hướng, số tụ thiết kế tối đa hai tụ (xét theo phương chuyển động) Việc phân tích so sánh cấu trúc tụ hai tụ cho nhìn xác ưu điểm loại Cấu trúc tụ: ∆C = C − Co =  ε ⋅εo ⋅ A ε ⋅εo ⋅ A ε ⋅εo ⋅ A  x − = ⋅  ⋅ k ⋅ π ⋅ (d − x) ⋅ k ⋅ π ⋅ (d ) ⋅ k ⋅ π  d ( d − x )  Cấu trúc hai tụ: = ∆C ε ⋅εo ⋅ A ε ⋅εo ⋅ A ε ⋅εo ⋅ A  ⋅ x   − = ⋅ ⋅ k ⋅ π ⋅ (d − x) ⋅ k ⋅ π ⋅ (d + x) ⋅ k ⋅ π  ( d − x )    Hình Hướng di chuyển tụ di động 555 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình So sánh độ nhạy độ phi tuyến cấu trúc tụ cấu trúc hai tụ.[2] Ta thấy cấu trúc hai tụ có ưu điểm cấu trúc tụ độ nhạy, độ tuyến tính không gây khó khăn cho trình chế tạo tính đối xứng Từ báo đưa cấu trúc hình học tối ưu chip cảm biến gia tốc hình Hình Mô hình khối rắn (a) không khí (b) cấu trúc tối ưu[2] (a) (b) Hình Kết phân hình ứng suất (a) chuyển vị (b) áp gia tốc 10g phần mềm Ansys cho cấu trúc tối ưu [2] CHẾ TẠO CẢM BIẾN Quy trình chế tạo Chip cảm biến gia tốc gồm ba phần chính: chế tạo hai phiến Pyrex để làm điện cực điện cực dưới; chế tạo phiến Si có cấu trúc khối nặng dao động Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật ăn mòn ướt dung dịch KOH nồng độ 35% khuấy nhiệt độ 800C [8] [9]; cuối hàn chúng lại với Vật liệu cho phiến Pyrex chọn thủy tinh phù hợp trình hàn Anod sau Điện cực chế tạo kim loại vàng, bạc, nhôm, crom, titan,… Tuy nhiên, để đảm bảo độ dẫn điện cấu trúc bề mặt dễ chế tạo 556 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV điện cực thường làm vàng, bạc hay kim loại có tính hoạt hóa thấp, hoạt động môi trường khí, lỏng mà không bị oxi hóa Vàng sử dụng nhờ đáp ứng tốt yêu cầu [3][4][5] Ngoài ra, để tăng cường độ bám dính điện cực thủy tinh, lớp kim loại mỏng trung gian sử dụng Yêu cầu kim loại phải có tính hoạt hóa thấp và, đặc biệt, có độ bám dính với bề mặt thủy tinh tốt vàng Ta sử dụng titan để làm lớp lót nhờ ưu điểm Làm Pyrex Pyrex Titan Phủ lớp đệm Titan Phủ lớp vàng Dùng mask để tạo điện cực vàng Pyrex Vàng Pyrex Pyrex Hình Quy trình chế tạo phiến Pyrex Trong trình chế tạo phiến Pyrex ta sử dụng phương pháp bốc bay vật liệu chùm tia điện tử (E-Beam Evaporator) model Auto 500 hãng Boc Ewards, sau tiến hành quang khắc để tạo điện cực cho phiến Pyrex Quá trình chế tạo phiến Si có cấu trúc dao động tiến hành Wafer Si inch dày 300 µm, phiến Si có khối dao động dày 260µm; treo dầm có độ dày 30 µm Hình 10 Quy trình chế tạo phiến Si có cấu trúc dao động 557 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Các bước thực sử dụng lặp lại trình quang khắc ăn mòn ướt dung dịch KOH để tạo cấu trúc hình học yêu cầu [6][7] Ta sử dụng Mask để mở cửa sổ ăn mòn lớp Do cấu trúc có tính đối xứng nên Mask thiết kế có điểm so chuẩn đo kiểm độ sâu sau bước ăn mòn Tiếp theo ta thực quy trình hàn hai phiến pyrex với phiến Si có cấu trúc dao động lại với để hoàn thành chip cảm biến gia tốc, phiến thủy tinh Pyrex kết nối với điện cực âm, phiến Silic kết nối với điện cực dương Dưới tác dụng nhiệt độ lực điện trường mạnh, Ion Na+ thủy tinh Pyrex bị hút phía điện cực âm Ion O- bị hút phía điện cực dương nơi có phiến Silic Phản ứng hóa học xảy lớp tiếp giáp Pyrex-Silic tạo lớp Si0 mỏng đủ mạnh để gắn hai phiến Silic-Pyrex lại với Hình 11 Quy trình hàn chip cảm biến gia tốc b) a) Hình 12 Chip cảm biến gia tốc sau chế tạo ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Vật liệu làm điện cực góp vai trò quan trọng cấu trúc chip cảm biến Ở độ dày lớp khoảng 200nm; thế, vật liệu dễ bị oxi hóa ảnh hưởng lớn đến hoạt động cảm biến Sự khác tính chất hai vật liệu ta thấy rõ hình 13 a) b) Hình 13 Vật liệu điện cực sử dụng Al (a); Au (b) 558 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Quá trình thực kỹ thuật ăn mòn ướt dung dịch KOH, không sử dụng kết hợp việc khuấy đảo môi trường nhiệt, xuất lỗi gây sai số kích thước độ dày, ảnh hưởng chất lượng bề mặt a) b) c) Hình 14 Hình chụp phiến Si không khuấy đảo KOH (a); có khuấy đảo môi trường nhiệt độ (b); đo kiểm độ dày lớp phủ (c) Bên cạnh việc khắc phục khuyết điểm trên, báo xây dựng quy trình đo kiểm kích thước sau chế tạo để đảm bảo yêu cầu hình học thiết kế Ngoài ra, báo thiết kế hệ đo nhằm phục vụ cho quy trình kiểm tra, so sánh chi tiêu thông số cảm biến chế tạo cảm biến thương mại Các chip cảm biến sau chế tạo có giá trị C đạt vùng thiết kế từ 10pF-30pF a) b) Hình 15 Hệ đo kiểm tra cảm biến gia tốc(a); giá trị C đạt yêu cầu thiết kế sau chế tạo (b) KẾT LUẬN Bài báo thiết kế, mô thành công cấu trúc chip cảm biến gia tốc kiểu hai tụ điện song song Cùng với cấu trúc hình học tối ưu, báo thiết kế quy trình, tiến hành chế tạo hoàn chỉnh chip cảm biến gia tốc đạt yêu cầu kích thước hình, khắc phục số vấn đề kỹ thuật trình chế tạo, tạo tiền đề phát triển cho nghiên cứu chế tạo sau TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://khcn.cinet.vn/articledetail.aspx?articleid=102#sthash.s4TBwFKK.dpbs [2] Nguyễn H D Khang, Dương Tấn Phước, Nguyễn Đăng Giang, Trương Hữu Lý, Nguyễn Ngọc Việt, Design and simulation for optimal structure of cross type capacitive acceleration MEMS sensor, International journal of mathematics and physical sciences research, 2014 [3] Faulkner, L.L., ed Microengineering, MEMS, and Interfacing, A Practical Guide 2006, Taylor & Francis Group, LLC 559 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [4] Hesketh, P.J., Nano/Microfabrication Methods for Sensors and NEMS/MEMS, in BioNanoFluidic MEMS 2008, Springer [5] Stephen Beeby, G.E., Michael Kraft, Neil White, MEMS Mechanical Sensors 2004, Artech House, Inc [6] Mohamed Gad-el-Hak and others, “MEMS: Design and Fabrication”, © 2006 by Taylor & Francis Group, LLC [7] Mark J.Jackson, Microfabrication and Nanomanufacturing, © 2006 by Taylor & Francis Group, LLC Website: [8] http://machine2twomachine.wordpress.com/2011/08/25/machine-2-machine-internet-ofthings-real-world-internet/ [9] http://www.cleanroom.byu.edu/KOH.phtml THÔNG TIN CÁ NHÂN KS Bùi Quang Vinh Email: vinh.buiquang@shtplabs.org ĐTDĐ: 0903774213 TS Dương Minh Tâm Email: dmtam.shtp@tphcm.gov.vn ĐTDĐ: 0903688762 ThS Trương Hữu Lý Email: ly.truonghuu@shtplabs.org ĐTDĐ: 0988883994 CN Trương Văn Phát Email: phat.truongvan@shtplabs.org ĐTDĐ: 0128089621 KS Dương Tấn Phước Email: phuoc.duongtan@shtplabs.org ĐTDĐ: 0979630754 560