THIẾT KẾ MỚI NÂNG CAO ĐỘ NHẠY CHO CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS KIỂU ÁP TRỞ DỰA TRÊN GIẢI PHÁP TẠO MÀNG CÓ 4 GÓC MỎNG Đinh Văn Dũng 1 Bài báo trình bày một thiết kế mới đối với cảm biến áp suất MEMS kiểu áp trở, trong đó sử dụng màng có 4 góc mỏng thay cho màng phẳng. Đối với các cảm biến áp suất kiểu áp trở, một cầu điện trở gồm 4 áp điện trở đặt ở gần trung điểm 4 cạnh màng thường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ áp suất sang độ lệch thế. Để cải thiện phân bố ứng suất trong khu vực đặt các áp điện trở, chúng tôi đề xuất cấu trúc cảm biến mới sử dụng màng có 4 góc mỏng thay cho màng vuông truyền thống. Với thiết kế này, khu vực đặt các áp điện trở sẽ có phân bố ứng suất vừa lớn hơn vừa đồng đều hơn. Điều đó làm cho khả năng chuyển đổi tín hiệu từ cơ sang điện của cảm biến tốt hơn, nâng cao độ nhạy cho cảm biến. Bài toán mô phỏng hoạt động của cảm biến đã được thực hiện dựa trên phần mềm ANSYS. Kết quả cho thấy, dưới cùng một tải áp suất, độ lệch cực đại và ứng suất cực đại trên màng 4 góc mỏng là lớn hơn, đồng thời phân bố ứng suất trong vùng đặt các áp điện trở cũng đồng đều hơn so với màng phẳng. Độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng là cao hơn độ nhạy của cảm biến màng phẳng khoảng 15%, trong khi độ nhạy cảm biến áp suất màng phẳng chỉ đạt 36,9 mV/V.atm thì độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng đạt được là 42,7 mV/V.atm. 1. Mở đầu Cảm biến áp suất MEMS sử dụng nguyên lí áp trở, một trong các linh kiện được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), đang được phát triển mạnh mẽ do khả năng ứng dụng rộng rãi cũng như các tính năng ưu việt của cảm biến so với các loại cảm biến khác cùng chức năng [1, 2, 3]. Trên thế giới, nhiều thế hệ linh kiện này đã ra đời với các tính năng ngày càng được cải thiện. Cấu trúc phổ biến đối với loại cảm biến áp suất này gồm một màng silic có dạng hình vuông, hoặc hình chữ nhật, hoặc hình tròn với độ dày đồng đều để chuyển đổi tín hiệu áp suất tác dụng lên màng thành độ biến dạng màng, một cầu điện trở gồm 4 áp điện trở được cấy ở các vị trí thích hợp trên màng để chuyển đổi độ biến dạng màng thành tín hiệu điện. Khi có áp suất tác dụng lên màng cảm biến, màng sẽ bị uốn cong. Các áp điện trở được cấy tại các vị trí nhạy ứng suất trên màng sẽ thay đổi giá trị, làm xuất hiện độ lệch thế trên lối ra cầu điện trở. Thông qua việc đo độ lệch thế trên lối ra cầu điện trở, áp suất tác dụng lên màng cảm biến được xác định [4, 5]. Cấu trúc màng cảm biến dạng hình tròn có ưu điểm về phân bố đối xứng trục trong độ lệch màng và ứng suất, nhưng gặp khó khăn trong công nghệ chế tạo. Trong công nghệ MEMS khối dạng ướt, phiến silic được ăn mòn trong dung dịch hóa chất thích hợp (KOH hoặc TMAH) để tạo ra các cấu trúc cảm biến 3 chiều. Tốc độ ăn mòn silic theo các hướng tinh thể khác nhau là 1 Trường ĐHSP Hà Nội 2 khác nhau. Vì vậy, nếu chỉ sử dụng kĩ thuật ăn mòn ướt, rất khó ăn mòn để tạo được màng cảm biến dạng hình tròn. Kĩ thuật ăn mòn ướt cho phép dễ dàng tạo ra các cấu trúc màng cảm biến hình chữ nhật và hình vuông. Tuy nhiên, do cấu trúc màng dạng vuông hay dạng chữ nhật không có tính đối xứng đều theo trục trong phân bố độ lệch màng và ứng suất như màng tròn, nên vùng làm việc tuyến tính của các cảm biến màng chữ nhật và màng vuông là không lớn. Ngoài ra, độ nhạy của các cảm biến dạng màng vuông và màng chữ nhật chưa thật sự cao. Để cải thiện phân bố ứng suất và vùng làm việc tuyến tính của cảm biến, đồng thời nâng cao độ nhạy cho các cảm biến áp suất MEMS kiểu áp trở, chúng tôi đề xuất một thiết kế cảm biến mới trong đó sử dụng cấu trúc màng vuông có 4 góc mỏng thay cho màng phẳng truyền thống. Trong bài báo này, sau khi phân tích và đề xuất phát triển cấu trúc cảm biến mới, các kết quả mô phỏng và thảo luận về phân bố độ lệch, phân bố ứng suất, vùng làm việc tuyến tính và độ nhạy của cảm biến được trình bày. 2. Thiết kế mới cho cảm biến áp suất kiểu áp trở Trước tiên, ta xét tác dụng của tải áp suất lên màng cảm biến dạng hình vuông độ dày đồng đều. Áp suất có tính đẳng hướng và phân bố đều, nên áp lực do áp suất gây ra cũng phân bố đều trên màng cảm biến. Màng cảm biến có dạng vuông với 4 cạnh như 4 biên cố định, nên khả năng chịu tải tại các vị trí khác nhau là khác nhau. Tải áp suất sẽ làm màng bị uốn cong với độ lệch và ứng suất khác nhau tại các vị trí khác nhau. Vùng tâm màng và vùng lân cận trung điểm các cạnh màng xuất hiện ứng suất lớn nhất và hiệu ứng áp trở lớn nhất. Tại vùng tâm màng, trên một diện tích có kích thước cạnh cỡ khoảng 1/3 cạnh màng, ứng suất có giá trị lớn và chênh lệch về phân bố ứng suất tại các vị trí khác nhau là nhỏ. Vùng lân cận điểm giữa cạnh màng có ứng suất lớn hơn, tuy nhiên miền này chỉ phân bố trong một dải hẹp nằm sát cạnh màng với kích thước khoảng 1/3 cạnh màng và 1/6 cạnh màng, đồng thời chênh lệch về phân bố ứng suất tại các vị trí khác nhau trong vùng này là lớn [4]. Vùng gần trung điểm các cạnh màng thường được lựa chọn để cấy các áp điện trở do hiệu ứng áp trở tại đây là lớn nhất và không phải làm các đường dẫn điện trở đi qua màng [5]. Vì các áp điện trở là có kích thước và được cấy trên vùng có phân bố ứng suất khác nhau tại các vị trí khác nhau, nên sự thay đổi giá trị của các áp điện trở khi thay đổi áp suất là không hoàn toàn tuyến tính theo áp suất. Do đó, tín hiệu điện lối ra cũng thay đổi nhưng không hoàn toàn tuyến tính theo áp suất. Phân tích về phân bố ứng suất trên màng cảm biến dưới tác dụng của áp suất cũng cho thấy, các vị trí gần trung điểm bốn cạnh màng và gần tâm màng có phân bố ứng suất lớn nhất, trong khi đó tại khu vực 4 góc màng phân bố ứng suất có giá trị nhỏ hơn rất nhiều [2, 4]. Như vậy, nếu ta giảm độ dày tại khu vực 4 góc màng thì khả năng chịu tải áp suất của màng có thể chỉ giảm chút ít, nhưng các tính chất khác của màng Hình 1. Sơ đồ cảm biến áp suất MEMS áp trở màng 4 góc mỏng: (a)- Cấu trúc màng; (b)- Cấu trúc cầu điện trở. Đế Màng Si (a) (b) Màng cảm biến 2 1 3 4 R 1 R 3 R 4 R 2 h 1 h a a 2 a 1 cảm biến như độ đồng đều trong phân bố ứng suất tại khu vực trung điểm các cạnh màng, giá trị ứng suất cực đại trên màng, độ nhạy cảm biến v.v sẽ được tăng lên đáng kể. Trên cơ sở các phân tích trên, chúng tôi phát triển và đề suất một cấu trúc cảm biến mới có dạng như sau: Trên cảm biến áp suất dạng màng vuông, thay cho màng phẳng đều, một màng cảm biến có 4 góc mỏng được sử dụng. Các áp điện trở vẫn được đặt tại các vị trí trung điểm các cạnh màng. Bốn áp điện trở được mắc theo kiểu cầu Wheatstone để lấy tín hiệu điện lối ra. Sơ đồ cấu trúc cảm biến được trình bày trên hình 1. 3. Kết quả mô phỏng và thảo luận Để đánh giá ưu điểm của mô hình đề xuất so với các mô hình truyền thống, chúng tôi tiến hành mô phỏng các đặc trưng hoạt động của cảm biến và so sánh kết quả với cảm biến theo mô hình truyền thống có kích thước tương tự. Phần mềm ANSYS, một phần mềm được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu MEMS [2, 4, 5, 6], được sử dụng để thực hiện bài toán mô phỏng. Các thông số được sử dụng trong bài toán mô phỏng như sau: - Các thông số tính chất vật liệu: Vật liệu silic đơn tinh thể loại n, định hướng bề mặt (100), khối lượng riêng 2,33 x 10 -6 kg/ mm 3 , mô đun Young E = 1,689 x 10 12 dyn/cm 2 , mô đun trượt G = 0,622 x 10 12 dyn/cm 2 , hệ số Poisson  = 0,28. - Kích thước màng cảm biến: Trong mô hình cảm biến áp suất MEMS của chúng tôi, theo xu hướng thu nhỏ kích thước linh kiện, chúng tôi lựa chọn màng vuông kích thước nhỏ 1 x 1 mm 2 . Trên nền màng vuông này, tại 4 góc màng được thiết kế với bề dày nhỏ hơn phần còn lại. Các phần được làm mỏng này có dạng các hình chữ nhật nằm trong diện tích màng vuông (hình 1), với các kích thước a 1 = 0,35 mm, a 2 = 0,15 mm. Với phạm vi áp suất được lựa chọn trong vùng 0 – 2 atm, bề dày màng vuông được lựa chọn là h = 0,01 mm, bề dày tại 4 góc được lựa chọn là h 1 = 0,005 mm. - Tải áp suất: được chọn trong phạm vi 0 – 2 atm. Phần tử được lựa chọn phù hợp với màng cơ silic là solid186. Đối với cầu điện trở, phần tử được sử dụng để mô phỏng là solid226. Điện áp nguồn nuôi cũng như độ lệch thế trên lối ra được xác định qua điện thế trên các nút 1, 2, 3 và 4. Nút 1 coi như nút nối đất, điện thế bằng 0, được sử dụng như điều kiện biên trong bài toán. Nút 4 được đặt theo điện áp nguồn nuôi. Độ lệch thế trên lối ra được xác định qua các nút 2 và 3 (hình 1). 3. 1. Độ lệch màng Dưới tác dụng của áp suất, màng cảm biến bị uốn cong. Các vị trí khác nhau sẽ bị lệch khác nhau. Tâm màng là vị trí có độ lệch lớn nhất. Độ lệch tại tâm màng cũng như tại các vị trí khác sẽ thay đổi khi thay đổi áp suất tác dụng lên màng. Hình 2 trình bày kết quả về sự phụ thuộc của độ lệch cực đại trên màng theo tải áp suất. Hình 2. Sự phụ thuộc của độ lệch cực đại trên màng cảm biến vào áp suất Kết quả cho thấy, trong vùng khảo sát, độ lệch cực đại trên màng tăng lên khi áp suất tác dụng tăng. Mối quan hệ có dạng tuyến tính. Kết quả này đúng cho cả màng phẳng và màng có 4 góc mỏng, phù hợp với các bài toán lí thuyết. Dưới cùng một áp suất tác dụng, độ lệch cực đại xuất hiện trên màng 4 góc mỏng là lớn hơn so với trên màng phẳng. Có thể lí giải điều này như sau: So với màng phẳng có độ dày đồng đều, màng 4 góc mỏng có độ dày màng tại các góc màng nhỏ hơn so với màng phẳng nên độ lệch màng tại các vị trí góc màng là lớn hơn, dẫn tới độ lệch màng tại các vị trí khác, trong đó có tâm màng, là lớn hơn so với màng phẳng. Tại áp suất 1 atm, độ lệch tại tâm màng đối với màng phẳng là 9,77 m, đối với màng 4 góc mỏng là 10,65 m. Còn tại áp suất 2 atm, độ lệch tại tâm màng đối với màng phẳng là 19,54 m và đối với màng 4 góc mỏng là 21,3 m. Như vậy, độ lệch màng theo áp suất của màng 4 góc mỏng đã cải thiện tốt hơn so với màng phẳng. 3. 2. Phân bố ứng suất Sự uốn cong của màng cảm biến dưới tác dụng của áp suất làm xuất hiện trên màng ứng suất. Để đánh giá sự cải thiện trong phân bố ứng suất tại khu vực đặt các áp điện trở của màng 4 góc mỏng so với màng phẳng, bài toán mô phỏng về phân bố ứng suất đối với cả 2 loại màng này được thực hiện. Kết quả mô phỏng được trình bày trên các hình 2 và 3, trong đó hình 2 mô tả phân bố ứng suất trên màng 4 góc mỏng và hình 3 mô tả phân bố ứng suất trên màng phẳng. Hình 3. Phân bố ứng suất Hình 4. Phân bố ứng suất 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 §é lÖch mµng cøc ®¹i (micro mÐt) ¸p suÊt (atm) Màng dày đều Màng 4 góc mỏng trên màng cảm biến 4 góc mỏng trên màng cảm biến phẳng Kết quả cho thấy, tại khu vực gần trung điểm các cạnh màng, xuất hiện ứng suất lớn nhất. Kết quả này đúng cho cả 2 loại màng. Khu vực có ứng suất lớn gần trung điểm các cạnh màng trên màng 4 góc mỏng được mở rộng hơn so với trên màng phẳng. Đồng thời, sự chênh lệch trong phân bố ứng suất trong khu vực gần các trung điểm cạnh màng đối với màng 4 góc mỏng là thấp hơn so với trên màng phẳng. Điều này có nghĩa là phân bố ứng suất trong vùng gần trung điểm các cạnh màng đối với màng 4 góc mỏng là đồng đều hơn so với màng phẳng. Có thể lí giải như sau: 4 góc màng đã được thiết kế mỏng hơn, độ lệch màng tại các góc màng tăng lên, làm cho khu vực có ứng suất lớn nằm gần trung điểm các cạnh màng được mở rộng cả về phía tâm màng cả về phía các góc màng. Điều này dẫn tới vùng biến đổi tuyến tính của các điện trở tăng và làm tăng vùng làm việc tính tính cho cảm biến. Xét giá trị cực đại của ứng suất xuất hiện trên màng. Khi thay đổi áp suất tác dụng lên màng thì ứng suất cực đại cũng thay đổi. Hình 5 trình bày kết quả sự phụ thuộc của ứng suất cực đại trên màng theo áp suất. Kết quả cho thấy, khi áp suất đặt vào màng tăng thì ứng suất tăng, sự phụ thuộc này có dạng tuyến tính đối với cả hai cấu trúc màng. Dưới cùng một áp suất tác dụng, ứng suất cực đại trên màng 4 góc mỏng là lớn hơn so với trên màng phẳng. Tại áp suất 2 atm ứng suất cực đại xuất hiện trên màng 4 góc mỏng là 0,785 x 10 -3 N/m 2 trong khi trên màng phẳng chỉ là 0,673 x 10 -3 N/m 2 . Hình 5. Sự phụ thuộc của ứng suất cực đại vào áp suất Hình 6. Sự phụ thuộc của độ lệch thế trên cầu điện trở vào áp suất 3. 3. Độ nhạy cảm biến Để chuyển đổi từ tín hiệu áp suất sang tín hiện điện, một cầu điện trở Wheatstone được thiết kế gồm 4 điện trở có giá trị tĩnh như nhau đặt tại khu vực trung điểm 4 cạnh màng. Hai điện trở song song với cạnh màng có chiều dài là 100 m, hai điện trở kiểu chữ  vuông góc với cạnh màng có chiều dài là 50 m. Chiều rộng các điện trở được chọn như nhau là 10 m. Độ sâu lớp khuếch tán điện trở được chọn là 2 m. Với các thông số này, các áp điện trở có giá trị tĩnh khoảng 500  , cầu điện trở được thiết kế như vậy phù hợp với điện áp nguồn nuôi là 5V một chiều [2]. Với mỗi áp suất đặt vào cảm biến, màng cảm biến bị uốn cong tới một vị trí cân bằng xác định. Các áp điện trở cấy trên màng cảm biến sẽ thay đổi đến một giá trị xác định, làm xuất hiện độ lệch thế trên lối ra cầu điện trở đến một giá trị xác định. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 øng suÊt cùc ®¹i (N/micro-m2) ¸p suÊt (atm) Màng dày đều Màng 4 góc mỏng 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 §é lÖch thÕ lèi ra (mV/V) ¸p suÊt (atm) Màng dày đều Màng 4 góc mỏng Chương trình mô phỏng trong ANSYS cho phép xác định độ lệch thế trên cầu điện trở tại mỗi tải áp suất. Kết quả mô phỏng được trình bày trên hình 6. Kết quả cho thấy, trong vùng áp suất khảo sát 0 – 2 atm, sự phụ thuộc của thế hiệu lối ra theo áp suất có dạng tuyến tính. Kết quả này đúng cho cả cảm biến màng 4 góc mỏng và cảm biến màng phẳng. Dưới mỗi áp suất tác dụng, độ lệch thế trên lối ra cầu điện trở đối với cảm biến màng 4 góc mỏng luôn có giá trị cao hơn đối với cảm biến màng phẳng. Tại áp suất 2 atm, độ lệch thế trên cầu điện trở đối với cảm biến màng 4 góc mỏng là 85,4 mV, trong khi đối với cảm biến màng phẳng chỉ đạt 73,8 mV (ứng với mỗi điện áp nguồn nuôi 1 V). Việc tăng giá trị độ lệch thế lối ra có ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu cảm biến: để xử lí các tín hiệu điện lớn, không cần đòi hỏi cao về các thiết bị đo, trong khi vẫn đạt được yêu cầu xử lí thông tin chính xác. Gọi V in là điện áp đặt vào cầu điện trở, V out là độ lệch điện áp ra trên cầu điện trở khi có áp suất p tác động lên màng. Độ nhạy cảm biến S được xác định như sau: pV V S in out .  (1) Xử lí kết quả mô phỏng, độ nhạy của cảm biến cấu trúc màng 4 góc mỏng và cảm biến cấu trúc màng phẳng được xác định lần lượt là 42,7 mV/V.atm và 36,9 mV/V.atm. Kết quả cho thấy, độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng đã được nâng lên 5,8 mV/V.atm, tức là nâng lên khoảng 15% so với cảm biến sử dụng cấu trúc màng phẳng truyền thống. 4. Kết luận Kết quả nghiên cứu cho thấy, màng cảm biến 4 góc mỏng có các đặc trưng đáp ứng cơ học dưới tải áp suất được cải thiện tốt hơn so với màng phẳng. Dưới cùng một tải áp suất tác dụng, độ lệch cực đại và ứng suất cực đại trên màng 4 góc mỏng là lớn hơn so với màng phẳng, đồng thời phân bố ứng suất trong vùng đặt các áp điện trở cũng đồng đều hơn so với màng phẳng. Độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng là cao hơn độ nhạy của cảm biến màng phẳng, trong khi độ nhạy cảm biến áp suất màng phẳng chỉ đạt 36,9 mV/V.atm thì độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng đạt được là 42,7 mV/V.atm, tức là được nâng lên khoảng 15%. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng chuẩn bị cho nghiên cứu công nghệ và thực nghiệm chế tạo cảm biến. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Marc Madou (1997), Fundamentals of Microfabrication, CRC Press LLC, USA. 2. Đinh Văn Dũng (2004), Nghiên cứu chế tạo cảm biến vi cơ trên cơ sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến sĩ Vật lí, Thư viện Quốc gia Hà Nội. 3. V. N. Hung, N. D. Chien, D. V. Dung, T. Q. Thong, N.P. Thuy (2002), “Silicon michromachined piezoresistive sensor: Development and application”, The Pacific Rim Workshop on Transducers and Micro/Nano Technologies, Xiamen, China, pp. 481 - 484. 4. Đ. V. Dũng, V. N. Hùng, N. Đ. Chiến , P. V. So, N. Đ. Dũng, L. T. K. Thanh (2005), “Mô phỏng tính chất cơ của cảm biến áp suất MEMS sử dụng phần mềm ANSYS”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, ISSN 0868 – 3980, Các trường Đại học Kĩ thuật, số 53/2005, tr. 30 - 34. 5. Đ. V. Dũng, L. T. K. Thanh, V. N. Hùng, N. Đ. Chiến, N. Đ. Dũng (2005), “Mô phỏng đặc trưng chuyển đổi tín hiệu cơ - điện của cảm biến áp suất MEMS kiểu áp trở”, Hội nghị vật lí toàn quốc lần thứ VI, Các báo cáo tại các tiểu ban Vật lí hạt nhân, Vật lí thiên văn và Vật lí địa cầu, Vật lí kĩ thuật, Giảng dạy và truyền bá Vật lí, Hà Nội, tr. 775 – 778. 6. Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang (2006), Giải bài toán cơ kĩ thuật bằng chương trình ANSYS, Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội. THE NEW DESIGN RAISING SENSOR SENSITIVITY FOR MEMS PIEZORESISTIVE PRESSURE SENSOR BASED ON A MEMBRANE OF 4 THINNER CORNERS Dinh Van Dung Abstract A new design of MEMS piezoresistive pressure sensor in which a membrane of 4 thinner corners is used to replace the flat membrane of the sensor has been suggested. For the traditional flat membrane, stress at the 4 corners of the membrane is lower than the one at other places on the membrane. In the suggested structure, the thickness at the 4 corners of the membrane is designed to be thinner than the thickness of the rest of membrane. With this design the region where piezoresistors are located gets a higher stress and more uniform stress distribution. The simulation results based on ANSYS software show that, the mechanical response of the membrane of 4 thinner corners is better than the one of the flat membrane. At the same applied pressure, the maximum displacement and stress on the membrane of 4 thinner corners is higher and the stress distribution is more uniform compared to the one on the flat membrane. The sensor sensitivity of the new structure is about 15% higher than the sensitivity of the traditional structure with the values of 42.7 mV/V.atm and 36.9 mV/V.atm, respectively . THIẾT KẾ MỚI NÂNG CAO ĐỘ NHẠY CHO CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS KIỂU ÁP TRỞ DỰA TRÊN GIẢI PHÁP TẠO MÀNG CÓ 4 GÓC MỎNG Đinh Văn Dũng 1 Bài báo trình bày một thiết kế mới đối với cảm biến áp suất. suất MEMS kiểu áp trở, trong đó sử dụng màng có 4 góc mỏng thay cho màng phẳng. Đối với các cảm biến áp suất kiểu áp trở, một cầu điện trở gồm 4 áp điện trở đặt ở gần trung điểm 4 cạnh màng. ứng suất trong vùng đặt các áp điện trở cũng đồng đều hơn so với màng phẳng. Độ nhạy của cảm biến màng 4 góc mỏng là cao hơn độ nhạy của cảm biến màng phẳng, trong khi độ nhạy cảm biến áp suất