Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

12 272 0
  • Loading ...
1/12 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 16/11/2016, 21:19

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PTN CÔNG NGHỆ NANO ***** ***** NGUYỄN HỮU KHÁNH NHÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CẢM BIẾN ÁP SUẤT KIỂU ÁP TRỞ CHẾ TẠO TRÊN CƠ SỞ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) Chuyên ngành : Vật Liệu Linh Kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Vũ Ngọc Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2008 LỜI CAM ĐOAN Luận văn đệ trình lên Trưởng Khoa Khoa Học Vật Liệu, Trường Đai Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, đơn vị liên kết đào tạo Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Công việc thực hướng dẫn Thầy PGS TS Vũ Ngọc Hùng Viện Đào Tạo Quốc Tế Về Khoa Học Vật Liệu, Số 01, Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam từ tháng năm 2007 Ngoại trừ thông số tiêu kỹ thuật linh kiện đưa ban đầu, lại tất kết có luận văn nổ lực làm việc tôi, hợp tác cá nhân Công việc thực luận văn chưa đệ trình để thực đầy đủ cấp độ hay Trường, Viện Thực Nguyễn Hữu Khánh Nhân LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin cảm ơn Thầy Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Vũ Ngọc Hùng tất thành viên nhóm MEMS viện ITIMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội, tin tưởng tạo điều kiện cho tiếp xúc, làm việc thú vị khảo sát thực nghiệm xử lí kết mô Tôi chân thành cảm ơn tới Thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng hướng dẫn tận tình chia thời gian thực luận văn Sự cởi mở gần gũi Thầy giúp thêm tự tin trao đổi, giải vấn đề khó khăn Trong trình làm luận văn, có hội tiếp xúc với học viên cao học ITIMS thành viên nhóm nghiên cứu Thầy, đặc biệt bạn Trịnh Quang Thông, Lê Văn Minh, Chu Mạnh Hoàng sẵn sàng trao đổi chia khó khăn chương trình mô thực nghiệm, có đóng góp tích cực trở ngại mà gặp phải Tôi xin chân thành bạn học viên lớp cao học nano khóa tổ chức đào tạo Thành Phố Hồ Chí Minh sẵn sàng chia tài liệu tham khảo, thông tin liên quan đóng góp tích cực Xin cảm ơn Quí Thầy Cô Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Ban Giám Đốc thành viên phòng thí nghiệm công nghệ Nano vượt qua khó khăn ban đầu tạo điều kiện tốt để hoàn tất khóa đào tạo Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng khu vực phía Nam nói chung Cuối xin cảm ơn gia đình bạn bè thân thiết khuyến khích, giúp đỡ hỗ trợ để biến giấc mơ thành thật Thành Phố HCM, 15-2-2008 Nguyễn Hữu Khánh Nhân DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Tiếng Anh CAD Computer Aid Design Tiếng Việt Thiết kế với hỗ trợ máy tính Lắng đọng bốc bay hoá học Thu nhận liệu Thiết bị thông tin liệu Bậc tự Kiễm tra luật thiết kế Ăn mòm phản ứng ion sâu Thiết bị đầu cuối liệu Phương pháp phần tử hữu hạn Mạch tích hợp Ăn mòn phản ứng ion ghép plasma Khóa tùy chọn Lắng đọng bốc bay hoá học áp suất thấp Hệ vi điện tử CVD Chemical Vapor Deposition DAQ DCE DOF DRC Data Acquisition Data Communications Equipment Degree Of Freedom Design Rule Check D - RIE Deep Reactive Ion Etching DTE Data Terminal Equipment FEM Finite Element Method 10 11 IC ICP - RIE 12 13 KEYOPT LPCVD 14 MEMS 15 16 RF RIE 17 SEM 18 SOI 19 VI Intergrated Circuit Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching Key Option Low Pressure Chemical Vapor Deposition Micro Electro Mechanical System Radio Frequency Tần số vô tuyến Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion Scanning Electron Microscope Kính hiển vi quét tia điện tử Silicon On Insulator Silic chất cách li Virtual Instrument Dụng cụ ảo DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Thứ tự Mô tả Trang Hình 1.1 Vi 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 Hình 1.2 Các bước cụ thể xử lí vi bề mặt 19 Hình 1.3 Kỹ thuật hàn tĩnh điện 20 Hình 1.4 Xử lí LIGA 22 Hình 1.5 Mô tả thành phần ứng suất thẳng góc 25 ứng suất trượt Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn hệ số áp trở song song 27 vuông góc Hình 1.7 Các góc Euler phép biến đổi trục toạ độ 27 Đề-các Hình 1.8 Hệ số áp trở nồng độ pha tạp lớp khuyếch 30 tán bề mặt Hình 1.9 Sự phụ thuộc hệ số áp trở song song 31 vuông góc vào định hướng tinh thể mặt phẳng (100): (a) – silic loại p; (b) – silic loại n 10 Hình 1.10 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp nhiệt độ Si loại p 11 Hình 1.11 Hệ số áp điện trở P(N,T) phụ thuộc vào mức độ 32 pha tạp nhiệt độ Si loại n 12 Hình 1.12 Màng silicon bị ăn mòn bất đẳng 33 13 Hình 1.13 Mặt cắt ngang cách bố trí sensor áp suất 35 cụ thể vi khối 14 Hình 1.14 Vị trí điện trở màng Boss 36 15 Hình 1.15 Cảm biến áp suất áp trở liên kết hợp 38 16 Hình 1.16 Cảm biến áp suất vi bề mặt với a) màng 39 Nitride; b) màng polisilicon 17 Hình 1.17 Điều kiện cạnh màng a) màng dát mỏng; b) 39 màng có bậc 18 Hình 1.18 Cảm biến áp suất tụ điện thạch anh bù gia tốc 40 19 43 20 Hình 1.19 Cảm biến áp suất cộng hưởng vi phân Yokogawa Hình 2.1 Quy trình thiết kế linh kiện vi điện tử 21 Hình 2.2 a) Cấu trúc cảm biến áp suất áp điện trở b) Cầu 46 46 Wheatstone 22 Hình 2.3 Quá trình mô MEMS cảm biến cụ thể 48 23 Hình 2.4 Trình bày layout linh kiện cảm biến áp suất áp 49 điện trở dùng công cụ thiết kế CADENCE 24 Hình 2.5 Tự động kiểm tra luật thiết kế 50 25 Hình 2.6 Cảm biến áp suất kết nối dùng điện trở 50 cầu Wheatstone 26 Hình 2.7 Cấu trúc cảm biến áp suất 59 27 Hình 2.8 Mô hình phần tử hữu hạn cuả cảm biến áp suất áp 60 điện trở 28 Hình 2.9 Điều kiện biên đặt tải cảm biến áp suất áp 61 điện trở 29 Hình 2.10 Kết tính toán phần tử hữu hạn cảm biến 62 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa 30 Hình 2.11 Kết tính toán phần tử hữu hạn cảm biến 63 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa.Ứng suất lớn σx σy theo mặt màng cảm biến 31 Hình 2.12 Kết tính toán phần tử hữu hạn cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa.Ứng suất tương đương theo Von Mises 32 Hình 2.13 Kết tính toán phần tử hữu hạn cảm biến 64 áp suất với L = 500 µm, H = 10 µm, P = 100 KPa Sự thay đổi ứng suất xoắn σs theo bề mặt màng cảm biến Chú ý áp điện trở đặt vị trí có σs = 33 Hình 2.14 Vị trí áp điện trở màng, ứng 65 suất phân bố lớn 34 Hình 2.15 Mối quan hệ điện áp ngỏ áp suất với 66 mật độ chia lưới khác 35 Hình 2.16 Mối quan hệ điện áp ngỏ áp suất với 67 độ dày áp điện trở khác 36 Hình 2.17 Độ nhạy điện áp ngỏ thay đổi độ dày 68 màng cảm biến 37 Hình 2.18 Độ nhạy điện áp ngỏ thay đổi kích thước 68 màng cảm biến 38 Hình 2.19 Mối quan hệ áp suất điện áp ngỏ 69 cảm biến với nguồn cung cấp khác 39 Hình 2.20 Sơ đồ mặt nạ cảm biến áp suất có kích 71 thước mm x mm 40 Hình 3.1 (a) Sắp xếp áp điện trở dây kết nối bên cảm biến áp suất, (b) mạch cầu, (c) cầu Wheatstone, (d) mạch chỉnh offset zero cho cầu 74 Wheatstone 41 Hình 3.2 Toàn hệ thống đo lường: 1) chuẩn áp suất 75 pneumatic MC100, 2) Nguồn cung cấp, 3) đồng hồ đo Keithley 2000, 3) máy tính 42 Hình 3.3 Chức thông tin EIA232, lọai đầu nối cho 76 máy tính cá nhân modem 43 Hình 3.4 Đầu nối thiết bị DB25 DB9 76 44 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) DCE 77 (modem hay thiết bị nối tiếp khác) 45 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) 25 chân 78 DCE (modem) chân 46 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) chân 78 DCE (modem) 25 chân 47 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối DTE (máy tính) 25 chân 79 DCE (modem) 25 chân 48 Hình 3.9 Bộ chuyển đổi USB sang RS232 80 49 Hình 3.10 Hệ đo modem rỗng (null modem) với giao tiếp 81 nối tiếp RS-232 cho truyền dẫn đồng ký tự máy tính thiết bị MC100 Keithley 50 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán 82 51 Hình 3.12 Bảng hiển thị kết chương trình 83 LABVIEW 52 Hình 3.13 Màn hình làm việc ban đầu LabView 83 53 Hình 3.14 Cửa sổ làm việc cho lập trình 84 54 Hình 3.15 Thiết lập thông số cho cổng nối tiếp 85 55 Hình 3.16 Viết liệu tới cổng nối tiếp 86 56 Hình 3.17 Đọc định dạng liệu 86 57 Hình 3.18 Quá trình kết thúc ứng dụng 87 58 Hình 3.19 Hiển thị kết cuối kiểu 87 59 Hình 3.20 Thiết lập mã cho lọc 88 60 Hình 4.1 Áp điện trở: (a) sau quang khắc; (b) sau 89 khuyếch tán; (c) hình thành tiếp xúc 61 Hình 4.2 Mặt trước sau cảm biến sau ăn mòn 90 khô 20 phút 62 Hình 4.3 Độ sâu mặt nghiên màng bị ăn mòn đo 90 thiết bị bước anpha: (a) kích thước cảm biến 1x1 µm2 (b) 2x2 µm2 63 Hình 4.4 Kích thước cảm biến chế tạo tương ứng với 91 1x1 2x2 mm2 64 65 Hình 4.5 Ảnh SEM 3D linh kiện cảm biến chế tạo Hình 4.6 Đặc tính tiếp xúc (contact) đường kim 91 92 loại nhôm (Al) bán dẫn (áp điện trở loại p) trước thêu kết 66 Hình 4.7 Đặc tính tiếp xúc (contact) đường kim 92 loại nhôm (Al) bán dẫn (áp điện trở loại p) sau thêu kết 4500 C Nitơ (N2) 67 Hình 4.8 (a) nối dây cho linh kiện; (b) đóng gói 93 68 Hình 4.9 Mối quan hệ điện áp ngõ vi sai cảm 94 biến áp suất với nguồn cung cấp mA 69 Hình 4.10 Sự phụ thuộc điện áp ngõ vi sai vào áp 95 suất sau cầu cân 70 Hình 4.11 Mối quan hệ điện áp ngõ tải áp suất 96 phụ thuộc vào nhiệt độ 71 Hình 4.12 Mối quan hệ điện áp ngõ tải áp suất 97 nhiệt độ 550C 72 Hình 4.13 Mối quan hệ điện áp offset nhiệt độ 98 73 Hình 4.14 Sự thay đổi tỉ số điện áp ngõ nhiệt độ 98 74 Hình 4.15 Mối quan hệ áp suất điện áp ngỏ 99 cảm biến với nguồn cung cấp khác 75 Hình 4.16 Sự phụ thuộc tỉ số điện áp ngỏ tải áp suất 99 với điện áp nguồn cung cấp cảm biến khác DANH MỤC CÁC BẢNG Thứ tự Mô tả Trang Bảng 1.1 Các hệ số áp trở song song vuông góc theo 29 hướng khác Bảng 1.2 Hệ số áp điện trở cụ thể cho vật liệu silic 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Hà Nội [2] Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu áp trở kích thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS Nguyễn Việt Hùng, PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật [4] GS.TS Nguyễn Văn Phái, GVC.TS Trương Tích Thiện, Ths Nguyễn Tường Long, Ths Nguyễn Định Giang (2003), Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật [5] Phan Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Nguyễn Hồng Sơn, Hoàng Đức Hải (2002), Kỹ thuật truyền số liệu, Nhà xuất Lao Động Xã Hội Tiếng Anh [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis and Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor, Department of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua university, Hsin Chu, Taiwan Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices theory and applications, Department for Micro and Nano Technology, DTU Fatikow, S and Rembold, U (1997), Microsystem technology and microrobotics, Springer, New York Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of silicon, Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551 Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for sensitivity and linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.8, No.4, December 1999 MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design Hanhbook”, Design Introduction, SensorNor Asia, All rights reserved MEMS Industry Group, Piezo-resister Pressure Sensor Cluster ENEE605 Final Project Report, Fall 2002, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Maryland [14] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), MEMS Mechanical Sensors, Artech House Inc, Boston, London [15] Stephen D.Senturia (2002), Microsystem Design, pp.485-486, Massachusetts Institute of Technology, Kluwer Academic Publishers, New York [16] Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS), Pennsylvania State University, USA [17] Shimbo, M., K Furukawa, K Fukuda, and K Tanzawa, Silicon-to-silicon direct bonding method Journal of Applied Physics, 1986 60(8): p 29872989 [18] Y Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol ED-29, pp 64-70 [19] S K Clark and K D Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched thin-diaphragm pressure sensors, IEEE Trans Electron Devices, vol ED26, pp 1887–1896, 1979 [20] Roark, Roarks formulas for stress and strain, p 464, Table 26 case McGraw Hill, edition [...]... THAM KHẢO Tiếng Vi t [1] Đinh Văn Dũng (2003), Nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở hiệu ứng áp trở, Luận án Tiến Sĩ Vật Lý, Trường Đại Học Bách Khoa, Hà Nội [2] Chu Mạnh Hoàng (2007), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến áp suất kiểu áp trở kích thước thu nhỏ, Luận văn Thạc sĩ khoa học vật liệu, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội [3] PGS.TS Nguyễn Vi t Hùng, PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS và mô. .. Vi t Hùng, PGS.TS Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật [4] GS.TS Nguyễn Văn Phái, GVC.TS Trương Tích Thiện, Ths Nguyễn Tường Long, Ths Nguyễn Định Giang (2003), Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật [5] Phan Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình... Publishers, New York [16] Vijay Varadan (2007), MicroElectroMechanical System (MEMS), Pennsylvania State University, USA [17] Shimbo, M., K Furukawa, K Fukuda, and K Tanzawa, Silicon-to-silicon direct bonding method Journal of Applied Physics, 1986 60(8): p 29872989 [18] Y Kanda (1982), A graphical representation of the piezoresistance coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol ED-29, pp 64-70... [13] Chih-Tang Peng, Ji-Cheng Lin, Chun-Te Lin, Kuo-Ning Chiang, Analysis and Validation of sensing sensitivity of a piezoresistive pressure sensor, Department of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua university, Hsin Chu, Taiwan Erick V Thomson, Jacob Richter (2005), Piezoresistive MEMS devices theory and applications, Department for Micro and Nano Technology, DTU Fatikow, S and Rembold, U... graphical representation of the piezoresistance coefficients, IEEE Trans, Electron devices, Vol ED-29, pp 64-70 [19] S K Clark and K D Wise, Pressure sensitivity in anisotropically etched thin-diaphragm pressure sensors, IEEE Trans Electron Devices, vol ED26, pp 1887–1896, 1979 [20] Roark, Roarks formulas for stress and strain, p 464, Table 26 case 8 McGraw Hill, 1 edition ... Springer, New York Kovas, G T A, Maluf, N I, Petersen, K E (1998), Bulk micromachining of silicon, Proc.IEEE, 86, (8), 1536-1551 Liwei Lin, Huey-Chin Chu and Yen Wen Lu, A simulation program for sensitivity and linear of Piezoresistive pressure sensors, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.8, No.4, December 1999 MultiMEMS Microsystems Manufacturing Cluster (2003), “Design Hanhbook”, Design
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) , Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) , Nghiên cứu mô phỏng và khảo sát cảm biến áp suất kiểu áp trở chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn