Đo đặc tính cảm biến MEMS điện dung: C-V, điện áp kéo sập và độ nhạy

Một cảm biến gia tốc vi cơ có điện dung nghỉ chỉ khoảng 1 pF, trong khi tín hiệu hữu ích khi nghiêng hay rung là thay đổi vài femtofarad. Một công tắc RF MEMS điện dung lại có thể “sập” xuống điện cực ở một ngưỡng điện áp xác định rồi không nhả ra nếu lớp điện môi đã tích điện. Đo đặc tính cảm biến MEMS điện dung vì vậy không chỉ là đọc một giá trị C: kỹ sư cần đường cong điện dung theo điện áp (C-V), điện áp kéo sập, điện áp nhả, độ trễ giữa hai chiều quét và độ nhạy điện dung, tất cả trong điều kiện điện dung ký sinh của pad và dây đo thường lớn hơn chính linh kiện.

Vì sao phải đo đặc tính cảm biến MEMS điện dung bằng C-V

Phần tử cảm biến MEMS điện dung gồm một bản cực cố định và một bản cực treo trên lò xo cơ học. Gia tốc, áp suất hoặc lực tĩnh điện làm bản treo dịch chuyển, khe hở thay đổi và điện dung thay đổi theo. Cùng một cấu trúc vừa là cảm biến vừa là bộ chấp hành tĩnh điện: điện áp phân cực dùng để đọc điện dung cũng tạo ra lực hút giữa hai bản. Khi điện áp đủ lớn, lực tĩnh điện thắng lực lò xo và bản treo sập xuống.

Đường C-V cho thấy cả hai mặt đó trên một đồ thị. Ở điện áp thấp, C tăng chậm theo V vì bản treo chỉ lệch nhẹ. Đến điện áp kéo sập (pull-in), C nhảy vọt lên giá trị của trạng thái bản chạm lớp điện môi. Khi giảm điện áp, C chỉ nhảy xuống ở điện áp nhả thấp hơn, tạo thành vòng trễ. Vì lực tĩnh điện tỉ lệ với V², hiện tượng này xảy ra ở cả cực dương và cực âm, nên đường C-V đầy đủ đối xứng hai phía và có trễ ở mỗi phía.

Nguyên lý: điện dung bản song song và điện áp kéo sập

Với mô hình bản song song, điện dung C = ε·A / g, trong đó A là diện tích bản cực và g = g₀ − x là khe còn lại sau khi bản treo dịch chuyển x. Lực tĩnh điện F = ε·A·V² / (2·g²) tăng nhanh khi khe hẹp lại, còn lực lò xo F = k·(g₀ − g) chỉ tăng tuyến tính. Bài giảng 6.777J của MIT (dựa trên giáo trình Microsystem Design của Senturia) chỉ ra rằng hệ mất ổn định khi khe còn 2/3 g₀, tức bản treo mới đi được 1/3 khe hở, và điện áp kéo sập là:

V_PI = √(8·k·g₀³ / (27·ε·A))

Công thức này có ba hệ quả thực hành. Thứ nhất, V_PI rất nhạy với khe hở g₀ (mũ 3/2), nên sai lệch chiều dày lớp hy sinh trong chế tạo hiện ngay trên phân bố V_PI của cả wafer. Thứ hai, MIT cũng ghi nhận điện áp cần để giữ bản đã sập thường thấp hơn nhiều so với V_PI, đó là nguồn gốc vòng trễ. Thứ ba, đạo hàm của C = ε·A/g cho dC/dx = C/g: độ nhạy điện dung tăng mạnh khi khe hẹp, cùng lý do khiến cấu trúc tiến gần tới kéo sập. Nghiên cứu thực nghiệm của Michalas và cộng sự (tạp chí Sensors, 2025) trên công tắc RF MEMS dùng đúng dạng công thức này với khe không khí khoảng 2 µm để so sánh V_PI đo được và tính toán.

Đo đường cong C-V: tín hiệu nhỏ chồng lên điện áp phân cực

Máy đo C-V dạng cầu tự cân bằng cấp đồng thời một tín hiệu AC nhỏ để đo trở kháng và một điện áp DC để phân cực linh kiện, theo mô tả trong ghi chú ứng dụng Keysight 5992-0153EN về cơ bản đo điện dung, tài liệu cũng liệt kê MEMS trong nhóm linh kiện cần phép đo này. Bốn đầu Hc, Hp, Lc, Lp được nối theo cấu hình four-terminal pair để tách đường dòng khỏi đường đo áp. Quét điện áp DC từng bước, ở mỗi bước đọc C (thường ở dạng Cp-G hoặc Cp-D) rồi vẽ C theo V.

Michalas và cộng sự đo điện áp kéo sập bằng C-V với tín hiệu nhỏ 1 MHz trên máy đo LCR, định nghĩa V_PI là điện áp cao nhất trước lần tác động đầu tiên. Họ chỉ lấy lần kéo sập đầu tiên của mẫu còn nguyên và bảo quản mẫu trong bình hút ẩm chân không qua đêm, vì các lần quét sau đã bị ảnh hưởng bởi tích điện điện môi. Nhóm Tyndall National Institute (hội thảo ESA năm 2010) mô tả đúng hai biểu hiện của tích điện trên đường C-V: cả đường cong bị dịch theo trục điện áp, và cửa sổ giữa kéo sập với nhả bị thu hẹp dần theo thời gian sử dụng.

Mức tín hiệu AC và tần số đo

Biên độ AC phải đủ nhỏ để bản treo không dao động theo tín hiệu đo. Mô-đun B1520A MFCMU của B1500A cho phép đặt từ 10 mVrms tới 250 mVrms, bước 1 mVrms, tần số 1 kHz tới 5 MHz. Tần số cao giúp trở kháng của điện dung pF đủ thấp để đo chính xác, nhưng cũng làm ảnh hưởng của cáp lớn hơn, nên phải bù đồ gá ở đúng tần số sẽ dùng.

Độ nhạy điện dung và bài toán điện dung ký sinh

Độ nhạy điện dung của cảm biến gia tốc thường biểu diễn bằng fF/g. Royo và cộng sự (Sensors, 2016) mô tả một gia tốc kế dạng lược vi gia công bề mặt có khe 2 µm, điện dung nghỉ C₀ = 1 pF, điện dung ký sinh C_p = 2 pF và độ nhạy 4,2 fF/g; nhóm tác giả nhấn mạnh biến thiên ΔC thường nhỏ hơn 1 fF. Ký sinh lớn gấp đôi điện dung cần đo là tình huống phổ biến, không phải ngoại lệ.

Từ đó suy ra giới hạn của phép đo tĩnh. Datasheet B1500A ghi độ chính xác của MFCMU ở 1 MHz là ±0,11% với 10 pF, tức khoảng ±11 fF, cùng bậc với tín hiệu 4,2 fF/g ở ví dụ trên. Máy đo LCR hay CMU vì vậy phù hợp nhất cho các phép đo C-V tĩnh, điện áp kéo sập, vòng trễ và trôi do tích điện. Độ nhạy theo gia tốc nên đánh giá bằng thay đổi tương đối trên cùng một cấu hình đo (quét lặp, lấy trung bình) hoặc bằng mạch chuyển đổi điện dung chuyên dụng trên bàn rung, theo trình tự thử của IEEE 1293-2018 cho gia tốc kế tuyến tính một trục (phụ lục của chuẩn có đề cập loại vi cơ).

Bù open, short và guard

Sổ tay đo trở kháng của Keysight (5950-3000) giải thích bù open loại bỏ dẫn nạp hở của đồ gá, bù short loại bỏ trở kháng nối tiếp, còn guard giảm ảnh hưởng của nhánh song song khi linh kiện có ba cực. Datasheet B1500A yêu cầu thực hiện bù open, short và load khi kéo dài cáp đo của MFCMU; bộ GSWU tự đóng đường hồi guard khi đo C-V và mở khi đo I-V. Trên wafer, phép bù open phải đo với kim đặt đúng vị trí trên một cấu trúc không có bản treo để trừ đúng điện dung pad.

Quy trình thực hành và các bẫy thường gặp

1. Kiểm tra rò trước khi đo C-V. Quét I-V giữa hai điện cực bằng SMU để chắc chắn không có đường dẫn rò hay chập do bụi, cặn ăn mòn. Dòng rò lớn làm sai thành phần G và khiến phép đo C kém tin cậy.
2. Chọn dải quét bao quanh V_PI dự kiến. Tính V_PI từ k, g₀, A thiết kế, rồi quét tới khoảng vài vôn trên giá trị đó; không quét quá xa để giảm tích điện.
3. Quét đi và về (double sweep). B1520A hỗ trợ quét kép tới 1.001 điểm, đủ để thấy rõ bước nhảy kéo sập khi tăng áp và bước nhảy nhả khi giảm áp trên cùng một lần đo.
4. Ghi lại lần quét đầu tiên riêng. Như nhóm Michalas, dùng lần kéo sập đầu tiên làm giá trị đặc trưng; các lần sau dùng để theo dõi dịch đường C-V do tích điện.
5. Quét cả hai cực tính. So sánh V_PI dương và âm: hai giá trị lệch nhau là dấu hiệu điện tích bị giữ trong lớp điện môi.
6. Kiểm soát môi trường. Đo cùng ngày, cùng thiết lập, nhiệt độ và độ ẩm ổn định; độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp tới tích điện bề mặt.

Về tiêu chuẩn, IEC 62047-5:2011 quy định thuật ngữ và phương pháp thử cho công tắc RF MEMS, áp dụng cho cả tiếp xúc điện dung và cơ cấu chấp hành tĩnh điện; IEC 62047-1:2016 là phần thuật ngữ chung. Bộ IEC 62047 không có phần riêng cho phép thử kéo sập của cảm biến điện dung, nên quy trình trên cần được viết thành thủ tục nội bộ và gắn với thiết bị đã hiệu chuẩn. Với nền tảng C-V của tụ MOS và cách trích tham số từ đường cong, xem thêm bài đo C-V MOS capacitor tần số cao.

Chọn thiết bị Keysight cho MEMS điện dung

• Máy phân tích thông số bán dẫn Keysight B1500A với mô-đun B1520A MFCMU: 1 kHz–5 MHz, DC bias tích hợp ±25 V và tới ±100 V khi dùng SMU qua bộ SCUU, chuyển I-V sang C-V không cần đấu lại. Có quasi-static C-V với bù dòng rò. Mỗi mainframe lắp được một MFCMU. Lựa chọn phù hợp khi V_PI vượt 40 V hoặc cần cả I-V lẫn C-V trên cùng một đầu kim.
• Máy đo LCR chính xác Keysight E4980A: 20 Hz–2 MHz, độ chính xác cơ bản 0,05%, 5,6 ms mỗi phép đo ở 1–2 MHz. Lưu ý DC bias tiêu chuẩn chỉ có ba mức 0 V, 1,5 V và 2 V; để quét C-V MEMS cần Option 001 cho dải −40 V tới +40 V.
• Bộ nguồn đo chính xác Keysight B2912C: hai kênh, ±210 V, phân giải đo và phát 10 fA/100 nV, dải dòng thấp nhất 10 nA. Dùng quét I-V rò điện cực trước C-V và làm nguồn phân cực khi cần điện áp cao hơn khả năng của máy đo LCR.
• Máy phân tích trở kháng Keysight E4990A: 20 Hz tới 10/20/30/50/120 MHz tuỳ option, DC bias tích hợp ±40 V và ±100 mA, quét được tần số, mức tín hiệu và DC bias. Phù hợp khi cần quét C-f hoặc Z-f có phân cực để xem đáp ứng tần số của cấu trúc.

Kết luận

Đo đặc tính cảm biến MEMS điện dung đáng tin cậy bắt đầu từ việc hiểu rằng tín hiệu đọc và lực chấp hành là cùng một điện áp. Đường C-V quét đi về ở cả hai cực tính cho ra điện áp kéo sập, điện áp nhả và dấu vết tích điện điện môi; còn độ nhạy điện dung cỡ fF chỉ đo được khi đã bù sạch điện dung ký sinh cỡ pF của đồ gá. Với linh kiện MEMS điện dung, sai số vài phần nghìn của máy đo đã tương đương cả tín hiệu cần tìm.

Vì thế máy đo LCR, CMU và SMU dùng cho MEMS cần được hiệu chuẩn định kỳ và có giấy chứng nhận truy xuất nguồn gốc. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy đo LCR, máy phân tích trở kháng và bộ nguồn đo, cùng tư vấn cấu hình đo C-V trên wafer. Liên hệ hotline 0908 173 345.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.