ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TOÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CHẾ
TẠO HỆ VI CƠ – ĐIỆN CẢM BIẾN ÁP SUẤT
(MEMS)
Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT
Mã số: 60.44.03.2 Cán bộ hướng Khoa học:


-i-
MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ Trang
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI MỞ ĐẦU
Chương 1 - GIỚI THIỆU
1.1. Tình hình nghiên cứu Hệ vi cơ – điện (MEMS) trong và ngoài nước
nói chung và lĩnh vực đề tài nói riêng
1.1.1. Ngoài nước
1.1.2. Trong nước
1.2. Tổng quan MEMS và một số ứng dụng
1.2.1. Giới thiệu tổng quan MEMS
1.2.2. Lịch sử MEMS
1.2.3. Một số ứng dụng
1.3. Phòng sạch và một số thiết bị phòng sạch
1.3.1. Giới thiệu phòng sạch
1.3.2. Tiêu chuẩn phòng sạch
1.3.3. Một số thiết bị trong phòng sạch
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.4.1. Mục tiêu
1.4.2. Nhiệm vụ -ii-
Chương 2 - MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT MEMS

3.3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng
3.3.3. Cảm biến áp suất áp điện
3.3.3. Cảm biến áp suất áp trở
3.3.3.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại
3.3.3.2. Cấu tạo
Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO CẢM BIẾN
ÁP SUẤT LOẠI ÁP TRỞ
4.1. Thiết kế mô hình
4.1.1. Các thông số cần quan tâm
4.1.2. Sự ảnh hưởng bởi hình dạng màng
4.1.3. Sự ảnh hưởng bởi áp trở
4.1.3.1. Ứng suất và sức căng
4.1.3.2. Sự thay đổi trong điện trở
4.1.3.3. Hiệu ứng áp trở trong vật liệu Silic
4.1.3.4. Cách phân bố áp trở trên màng
4.1.3.5. Mạch cầu Wheatstone
4.1.4. Tính toán thông số cho mô hình cảm biến với thông số quan tâm
-iv-
4.1.4.1. Xác định thông số màng
4.1.4.1. Xác định thông số áp trở
4.2. Qui trình chế tạo
4.2.1. Qui trình chế tạo
4.2.2. Thiết kế mặt nạ - MASK
Chương 5 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
5.1. Mô phỏng thuộc tính cảm biến
5.1.1. Mô phỏng thuộc tính cơ
5.1.1.1. Giới thiệu và đánh giá phần mềm mô phỏng


-vi-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1
APCVD
Atmospheric pressure CVD CVD ở áp suất không khí
2
CVD
Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi hóa học
3
D-RIE
Deep Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion sâu
4
EDP
Ethylene Diamine
Pyrocatechol
Ê-ti-len Điamin Pyrocatechol

PVD
Physical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi vật lý.
13
PZR
PiezoResistive Áp trở
14
RF
Radio Frequency Tần số vô tuyến
15
RIE
Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng Ion
16
SOI
Silicon On Isulator Silic trên chất cách li.
17
TMAH
Tetramethyl Ammonium
Hydroxide
Amôni hiđrôxit Têtramêthy
18
UV
UltraViolet Tia tử ngoại
19
SHTP
Saigon Hi-Tech Park Khu công nghệ cao Tp.HCM -vii-

HEPA

Bảng 4.2. Hệ số áp trở cho vật liệu đơn tinh thể Silicon tại nhiệt độ
phòng hướng <100>.

06
Bảng 4.3. Trình bày các hệ số áp trở song song và vuông góc đối
với một số hướng quan trọng trong đơn tinh thể Silic.

07
Bảng 4.4. Các thông số thiết kế cho cảm biến sử dụng màng vuông
để thỏa (*).

08
Bảng 5.1. Bảng so sánh một số chức năng cơ bản của các phần
mềm.

09
Bảng 5.2. So sánh giá trị tần số cộng hưởng lý thuyết và mô phỏng
của màng vuông.

10
Bảng 5.3. So sánh độ nhạy khi thay đổi nồng độ pha tạp.

11 Bảng 5.4. So sánh độ nhạy khi thay đổi độ dài của áp trở.
12
Bảng 5.5. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều rộng của áp trở.

13
Bảng 5.6. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều sâu của áp trở.

14 Bảng 5.7. So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX10.

16 Hình 2.7. Thiết bị PECVD tại SHTP.
17 Hình 2.8. Quá trình khắc ướt.
18 Hình 2.9. Sơ đồ buồng chân không.
19 Hình 2.10. Thiết bị DRIE tại SHTP.
20 Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống quang khắc.
21 Hình 2.12. Thiết bị Mask Aligner tại SHTP. -x-
22
Hình 2.13. Vi cơ khối silicon. a) ăn mòn đẳng hướng, b) ăn mòn bất
đẳng hướng, c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn.

23 Hình 2.14. Tiến trình vi cơ bề mặt.
24 Hình 2.15. Công nghệ LIGA.
25
Hình 3.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ.

26
Hình 3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng.

27
Hình 3.3. Các loại cảm biến áp suất kiểu áp trở.

28
Hình 3.4. Mặt cắt ngang và cách bố trí áp trở trên màng cảm biến.

29 Hình 4.1. Sơ đồ ứng dụng mô hình cảm biến áp suất thiết kế.
30 Hình 4.2. Màng hình tròn.
31 Hình 4.3. Màng hình chữ nhật.

thiết kế mặt nạ.

43
Hình 4.15. Tính toán bù trừ cho lớp dưới của quá trình khắc đẳng
hướng.

44 Hình 4.16. Mô hình thiết kế bộ MASK dự kiến.
45 Hình 5.1. Một số Module của phần mềm Intellisuite.
46 Hình 5.2. Một số Module của phần mềm CoventorWare.
47 Hình 5.3. Một số công cụ của ANSYS.
48
Hình 5.4. Độ biến dạng của màng được phóng lớn 10
4

lần –
CoventorWare.

49 Hình 5.5. Độ biến dạng của màng – ANSYS.
50 Hình 5.6. Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng của màng.
51
Hình 5.7. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi độ
dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng vuông.

52
Hình 5.8. Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <110>
theo trục xx.

53
Hình 5.9. Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <100>
theo trục xx.

màng chữ nhật.

64
Hình 5.20. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước hoặc thay
đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng chữ nhật.

65 Hình 5.21. Sự phân bố ứng suất theo hướng xx và yy.
66 Hình 5.22. Đồ thị biên độ (a) và pha (b) của màng vuông.
67 Hình 5.23. Sơ đồ thuật giải trong ANSYS.
68
Hình 5.24. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và áp suất với mật độ
chia lưới khác nhau.

69
Hình 5.25. Ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với đáp ứng ngõ ra của cảm
biến.

70
Hình 5.26. Một số kiểu bố trí áp trở trên màng vuông.

71
Hình 5.27. Mối quan hệ áp suất và điện thế ngõ ra đối với các kiểu
bố trí điện trở khác nhau.

72
Hình 5.28. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi
độ dày của màng vuông đối với đáp ứng điện thế ngõ ra.

73 Hình 5.29. Ảnh hưởng của yếu tố nồng độ.
74 Hình 5.30 . Ảnh hưởng của yếu tố chiều dài.

86
Hình 5.41. Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng phần mềm
Intellisuite.

87
Hình 5.42. Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm Intellisuite.

88 Hình 5.43. Bộ mask đề suất cho wafer 4 inch.

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), việc
phát minh ra các linh kiện mới có kích thước vô cùng nhỏ với tính năng ứng dụng cao
đã trỏ thành một xu thế tất yếu của công nghệ điện tử hiện đại. Các linh kiện đã được
tích hợp theo quy trình sản xuất theo công nghệ cao góp phần thu gọn các sản phẩm
điện tử. Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và vẫn đang
được được đầu tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào việc
phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó. Trong “Chiến lược phát
triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010”đã đưa ra một số hướng cơ điện
tử mới, có triển vọng, đó là: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS).
Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế
mô hình với thông số cụ thể cho một ứng dụng cụ thể. Ngoài việc mô phỏng đặc tính
của mô hình với thông số đề ra, tác giả đồng thời cũng nghiên cứu đề suất qui trình chế
tạo và mô phỏng quá trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở.
Nội dung của luận văn được trình bày tóm lược thành các phần như sau:

vực MEMS từ 2004 đến 2007 [41].
Số liệu từ hình 1.1 cho thấy
rằng: lợi nhuận thu được từ các sản
phẩm như Sensor pressure, inertial
sensor, inkjet head… tăng từ gần 5
tỉ USD năm 2004 lên đến 8.5 tỉ
USD năm 2007. Đặc biệt, sản phẩm
cảm biến áp suất (Pressure sensor)
có sự phát triển khá mạnh, giá trị lợi
nhuận năm 2004 từ sản phẩm này là
hơn 1 tỉ USD đã phát triển lên tới
gần hơn 2 tỉ USD năm 2008.

2

1.1.2. Trong nước
Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm
2010”[12] đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới, có triển vọng, như: hệ vi cơ điện tử
(MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã trở thành
điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài. Trong số đó có không ít công ty hàng
đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ MEMS. Có thể thấy
điều này ở những điển hình như Canon Inc đã mở ra một nhà máy tại khu công nghiệp
Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 và một tại Khu công nghiệp Quế Võ, Bắc Ninh sản
xuất máy in phun với số vốn đầu tư gần 100 triệu USD, công suất 700.000 sản
phẩm/tháng dành cho xuất khẩu, doanh thu dự kiến là 400 triệu USD/năm[13]. Một
trong những chi tiết quan trọng trong thiết bị máy in là bộ phận phun mực được chế tạo
bằng công nghệ MEMS. Trong ngành ô tô là Honda với một nhà máy ở Vĩnh Phúc,
Toyota với một nhà máy trung tâm ở Mê Linh và một ở khu công nghiệp Thăng Long
cùng hệ thống các nhà máy vệ tinh ở nhiều địa phương, Ford với một nhà máy hoàn
chỉnh tại Hải Dương. Một số lượng lớn các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ

1.2.1. Giới thiệu tổng quan MEMS
MEMS (viết tắt của cụm từ MicroElectroMechanical Systems) là hệ thống vi cơ-
điện. MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ (mechanical elements), cảm biến(sensors),
bộ kích hoạt (actuators) và các yếu tố điện chung (electronics) trên cùng một chip bằng
công nghệ vi chế tạo (micro-fabrication tech) [40].
Trong khi những thành phần có thuộc tính điện tử (electronics) được chế tạo dùng
công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần
vi cơ (micro-mechanical components) được chế tạo dùng quá trình vi cơ (micro-
machining) phù hợp đó là loại bỏ có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào
những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.
4Hình 1.2. Hệ thống vi cơ điện (MEMS) [27].
MEMS hứa hẹn cách mạng
hóa các loại sản phẩm bằng cách
mang các yếu tố vi cơ điện lại với
nhau trên một nền Silicon cơ bản
theo công nghệ vi cơ, bằng cách
tạo ra các hệ thống trên chip hoàn
chỉnh (systems on chip). MEMS
là một công nghệ cho phép phát
triển các sản phẩm thông minh,
tăng khả năng tính toán của các
yếu tố vi điện tử với các vi cảm
biến và các bộ vi kích hoạt có và điều khiển. Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng
thiết kế và ứng dụng.
Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS
tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho
phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển hệ thống theo môi trường. Các cảm biến tập

xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn.
 Trong những năm 1970 và 1980. Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu
bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động.
 Năm 1982. Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề “Si như là một vật
liệu cơ ” (Silicon as a mechanical material) trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện
theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng
mà công nghệ MEMS mang lại.
6

 Năm 1984. Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi
cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ
MEMS. Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS.
 Năm 1989. Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ
đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện.
 Trong những năm 1990. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công
nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang
tiếp tục.
 Năm 1991. Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi
Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công vi bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể
được tập hợp lại, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều.
1.2.3. Một số ứng dụng

Hình 1.3. Một số ứng dụng của MEMS trong công nghiệp ô tô [27].
7

Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp đang
phát triển mạnh mẽ tại thời điểm những năm 90: ngành công nghiệp ô tô. Thiết bị đầu
tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể
hạt đường. Ngoài lợi thế về kích thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá
thành. Ban đầu một gia tốc kế khối nối với một mạch điện tử có giá thành là 50$, thì

lại không nhanh hơn và hạt mực Laser lớn hơn. Tuy nhiên, ứng dụng đầu mực in phun
có thể phun trên bất kỳ dung môi hay loại giấy in nào. Các loại mực khác nhau, bao
gồm DNA, chất cảm quang, phát sáng hữu cơ. Công nghệ này mở ra một hướng đi
mới cho phương pháp tạo vi mạch không dùng mask, cải thiện về tốc độ phun, đóng
vai trò quan trọng trong sản xuất đại lượng của công nghệ vi mạch.

Hình 1.6. MEMS trong hệ thống truyền quang [27].
Vi hệ thống hiện nay cũng đang được phát triển mạnh mẽ từng ngày trong lĩnh
vực viễn thông di động, các thế hệ di dộng được tung ra liên tục với các tính năng mới,
tích hợp ngày một nhiều các chức năng nhưng lại luôn có xu hướng thu nhỏ lại. Các
9

thiết bị passive và active được tích hợp như chuyển mạch, điện dung, điện cảm, bộ
cộng hưởng, bộ lọc, nhằm tăng tần số sử dụng, chọn lọc và giảm nhiễu parasit, nâng
cao chất lượng cuộc thoại, mở rộng băng tần làm việc. Không những thế, một chiếc
điện thoại di động trong tương lai gần có thể được trang bị có ổ cứng mini, máy ảnh số,
máy quay số, hệ thống sinh trắc học.
Công nghệ MEMS được sử dụng thành công trong công nghệ Switch quang học,
micro-mirror có thể xoay đổi hướng chiều laser trong viễn thông, có thể dùng trong hệ
thốngchiếu sáng.
MEMS có mặt hầu hết trong một hệ thông viễn thông hình 1.7.

Hình 1.7. MEMS trong hệ thống viễn thông [28].

Trích đoạn Xét phân bố áp trở trên màng Mô phỏng chế tạo cảm biến

---