CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS

Môi trường đặc biệt thu nhận thông tin và tác động trở lại Input/Output – I/O với thế giới vật lý bên ngoàiThế giới Bộ chuyển đổi: Vi xử lý, khuếch đại,, vật lý cảm biến, truyền động bộ

Một thế giới rộng mở và quyến rũ

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

INSTITUTE OF ENGINEERING PHYSICS

Dr -Ing Trinh Quang Thong

Principal Researcher of MEMS Laboratory

101 - C10

Dai Co Viet Road No 1 Hanoi - Vietnam Tel : +84(0)4 8693350

Email:

thongtq@itims.edu.vn thongtq97@yahoo.com

Tel.: +84(0)4 8693350 Fax: +84(0)4 8693498 Mobile: +84 (0)916081691 http://www.itims.edu.vn

1

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS

KẾ HOẠCH LÊN LỚP + ĐÁNH GIÁ

HANDOUT + GRADING

1 Dự giờ giảng (Lectures) : 30 tiết/10%

2 Thực hiện báo cáo chuyên đề (Presentation) : 12 - 15 tiết/20%

3 Kiểm tra (Midterm Exam) : 1 tiết/20%

3 Kiểm tra (Midterm Exam) : 1 tiết/20%

4 Thi (Final Exam) : 2 tiết/50%

2

1. Microsystem Design, Ed by Stephen D Senturia, Kluwer Academic

1. Microsystem Design, Ed by Stephen D Senturia, Kluwer Academic

Publisher, 2001, ISBN:0-306-47601-0

2. Micro Electro Mechanical System Design, by Jame Allen, © 2005 by Taylor

& Francis Group LLC

& Francis Group, LLC

3 Micro Mechanical Transducer - Pressure Sensors, Accelerometers and Gyroscopes, by Min-Hang Bao, Elsevier 2000.

4 MEMS - Design and Fabrication, The MEMS handbook series, Ed by

Mohamed Gad-el-Hak, CRC Press,Taylor & Francis Group, 2006, 8493-9138-5

ISBN:0-5 Fundamentals of Microfabrication, Marc J Madou, Second Ed., Publisher:

CRC Press, 2002, ISBN 0-8493-0826-7

6 MEMS Applications, The MEMS Handbook series, Ed by Mohamed

Gad-el-Hak, CRC Press – Taylor & Francis Group, 2006 3

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS

ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND

MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES

MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY

1.1 Khái niệm MEMS/ What is MEMS?

1.1 Khái niệm MEMS/ What is MEMS?

1.2 Đặc trưng của MEMS/ Why MEMS?

1 3 Lị h ử hát t iể ủ MEMS/

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS/ MEMS History

1.4 Phân loại và Ứng dụng của MEMS/

MEMS Category and Applications

1.5 Thị trường linh kiện MEMS / ị g ệ MEMS Market

1.6 Kết luận/ Conclusions

5

1.1 Khái niệm MEMS

• M M icro : Kích thước các chi tiết cấu trúc icro : Kích thước các chi tiết cấu trúc

(pham vi μm)

• E E lectro: Vai trò chức năng có tính điện/điện tử lectro: Vai trò, chức năng có tính điện/điện tử

• M echanical : Vai trò, chức năng có tính cơ

(do nguồn gốc ban đầu) Hiện nay có thể là quang, hóa, sinh hóa

• S ystems: một cơ cấu hoàn chỉnh

• S ystems: một cơ cấu hoàn chỉnh

(một hoặc nhiều thành phần)

6

Kích thước với MEMS

Cơ thể con người

Hệ vĩ mô

Hệ vi mô Hệ trung

gian Công nghệ nano

7

1.1 Khái niệm MEMS

Kích thước với MEMS

Hệ cơ điện/điện tử vĩ mô (Macroelectromechanics) 8

Kích thước với MEMS

Các tác phẩm điêu khắc nhỏ so

điêu khắc nhỏ so sánh với hạt gạo

1.1 Khái niệm MEMS

Kích thước với MEMS

Kích thước với MEMS

0,1 m =100 mm 0,01 m = 10 mm 11

1.1 Khái niệm MEMS

Kích thước với MEMS

Kích thước với MEMS

1.1 Khái niệm MEMS

) Môi trường đặc biệt thu nhận thông tin và tác động trở lại (Input/Output – I/O) với thế giới vật lý bên ngoài

Thế giới Bộ chuyển đổi:

Vi xử lý, khuếch đại,, vật lý

cảm biến, truyền động

bộ nhớ, bộ điều khiển,

… Tín hiệu không điện Tín hiệu điện

ª Sensor: cảm nhận các tác động từ thế giới vật lý bên ngoài.

ª Actuator: Nhận sự kích hoạt (drive) để truyền động (tạo ra chuyển động) với một cấu trúc cơ hoặc quá trình bơm và điều khiển các dòng chất lưu (lỏng khí) hoặc tạo ra các phản ứng hóa

khiển các dòng chất lưu (lỏng, khí) hoặc tạo ra các phản ứng hóa, hóa-sinh…

15

1.2 Đặc trưng của MEMS

Li h kiệ MEMS Vi hệ thố

Mảng chấp hành – truyền động

(Actuator array)

Mảng cảm biến

(Sensor array)

) Linh kiện MEMS: Vi hệ thống…

(Actuator array) (Sensor array)

Cảm biến

Chấp hành – truyền động

Tiền khuếch đại (Preamp)

Bộ chuyển đổi ADC

RAM µP ROM I/O

Cáp tín hiệu ra bên ngoài

(External bus) Kết nối theo chuẩn (Interface)

Vi ử lý Cảm biến Truyền động

) Linh kiện MEMS: Vi hệ thống…

Out In

Nhiệt Nhiệt

Bộ nhớ

Nhiệt Điện

Cơ Quang

1.2 Đặc trưng của MEMS

Ghép nối (Interface) (Sensors)

N ồ Nguồn (Power supply)

Đóng vỏ (Packaging)

18

) Sản phẩm MEMS: Một thiết bị hoàn chỉnh …

Ô tô siêu nhỏ DENSO do TOYOTA chế tạo theo công nghệ MEMS, bằng 1/1000 kích thước thật (dài 4,8 mm), trang bị động

cơ là một mô-tơ kích thước 0,67 mm, quấn dây đồng đường kính ộ , , q y g g

18 µm, hoạt động theo nguyên lý điện từ, sử dụng nguồn điện xoay chiều 3 V / 20 mA, khi chạy có thể đạt tốc độ 600 rpm ( ∼ 5÷6 mm/s) 19

1.2 Đặc trưng của MEMS

• Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ ⇒ tiện ích cho các ứng dụng

1 3 1 Thế kỷ 20

1.3.1 Thế kỷ 20

1954: Charles Smith tìm ra hiệu ứng Áp điện trở ở vật liệu

bán dẫn (Silicon - Si và Germanium - Ge)

21

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

Dâ điệ t ở ả h

y điện trở

Phần nhạy biến dạng

Dây điện trở mảnh

Kéo dãn

điện trở tăng điện trở tăng

Nén điện trở giảm

 12/1959 : Richard P Feymann có bài thuyết trình nổi tiếng “Plenty

of Room at the Bottom” đề cập ý tưởng vi chế tạo các linh kiện và

1.3.1 Thế kỷ 20

…As soon as I mention this, people tell me about

miniaturization, and how far it has progressed today They

of Room at the Bottom đề cập ý tưởng vi chế tạo các linh kiện và thiết bị …

tell me about electric motors that are the size of the nail on

your small finger And there is a device on the market, they

tell me, by which you can write the Lord's Prayer on the

head of a pin But that's nothing; that's the most primitive,

halting step in the direction I intend to discuss It is a

staggeringly small world that is below In the year 2000,

when they look back at this age, they will wonder why it

was not until the year 1960 that anybody began seriously to

move in this direction.

…Then I want to do something; but I can't do it at the present moment, because I haven't prepared the ground It is my intention to offer a prize of $1,000 to the first guy who can take the information on the page of a book and put it on an area 1/25 000 smaller in linear

Richard P Feynman

take the information on the page of a book and put it on an area 1/25,000 smaller in linear scale in such manner that it can be read by an electron microscope…I do not expect that such prizes will have to wait very long for claimants 23

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

sinh (sacrificial layer) giữa các lớp cấu trúc để chế tạo

 1967: Ra đời công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining)

24

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

26

1 3 1 Thế kỷ 20

 1977: Cảm biến áp suất kiểu tụ được chế tạo lần đầu tiên.

1.3.1 Thế kỷ 20

27

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

số ăn mòn ướt của vật liệu si-líc.

 1982: Thuật ngữ “ Micromachining ” được sử dụng cho qui trình chế tạo các cấu trúc cơ (màng hoặc thanh dầm mỏng) ở phạm vi kích thước micron của các vi cảm biến trên cơ sở vật liệu si-líc.

 1983: Các nghiên cứu thực nghiệm về sử dụng vật liệu si-líc đa g g g tinh thể (polysilicon) trong công nghệ vi cơ bề mặt được thực hiện.

 1984: Linh kiện MEMS trên cơ sở vật liệu polysilicon được chế

 1984: Linh kiện MEMS trên cơ sở vật liệu polysilicon được chế tạo lần đầu tiên.

29

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

1 3 1 Thế kỷ 20

 1986: Cảm biến gia tốc dùng vật liệu si-líc đa tinh thể (polysilicon) trên cơ sở công nghệ vi cơ bề mặt tích hợp với mạch

1.3.1 Thế kỷ 20

(polysilicon) trên cơ sở công nghệ vi cơ bề mặt tích hợp với mạch

tổ hợp được chế tạo lần đầu tiên.

 1987: Thuật ngữ MEMS chính thức được đưa ra và được thừa nhận để chỉ về một lĩnh vực công nghệ mới, kèm theo là các biến ậ ộ ự g g ệ , thể tương đương, MICROSYSTEM sử dụng ở châu Âu và

của ổ đĩa lần đầu tiên được chế tạo.

Vi cấu trúc của động cơ tĩnh điện

Vi động cơ Sợi tóc

31

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

1 3 1 Thế kỷ 20

Thập kỷ 90:

 1992: Khớp nối vi cơ (micromachined hinge) đầu tiên được tạo

ra mở ra khả năng ứng dụng làm cấu trúc giả 3 chiều (pseudo 3D

1 3 2 Thế kỷ 21

1.3.2 Thế kỷ 21

 2000: Các bộ chuyển mạch quang dùng sợi quang dẫn (MEMS fib it h) t ở thà h th hẩ à t đ d h ố lớ

fiber switch) trở thành thương phẩm và tạo được doanh số lớn.

 2001: phát triển MEMS năng lượng (Power MEMS) ứng dụng làm bộ nguồn điện (fuel cell) trong các thiết bị di động.

33

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

1 3 2 Thế kỷ 21

1.3.2 Thế kỷ 21

 2002: Đánh dấu giai đoạn các linhkiện MEMS được phát triển mạnh mẽtrong lĩnh vực y-sinh làm các bộ phântích hóa-sinh hoàn chỉnh siêu nhỏ(Lab on Chip) như hệ phân tích DNA

34

1 3 2 Thế kỷ 21

 2007: Hệ thống vi vận tải (Microtransportation) được chế tạo

1.3.2 Thế kỷ 21

35

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

Sản phẩm cấu trúc kiểu tụ điện chế tạo hoàn toàn theo công nghệ vi cơ bề mặt

36

ả ẩ Thời gian Thời gian Thời gian Thưong phẩm Thời gian

1.3.3 Tiến trình phát triển

Tên sản phẩm Thời gian phát minh Thời gian hoàn thiện Thời gian giảm giá Thưong phẩm phổ biến Thời gian phát triển

37

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

ể

) 6000 trung tâm nghiên cứu phát triển vể MEMS và NEMS tại các trường Đại học Viện nghiên cứu các Hãng công nghiệp với số tiền đầu

1.3.3 Trung tâm phát triển

trường Đại học, Viện nghiên cứu, các Hãng công nghiệp với số tiền đầu

tư mỗi năm vào các hoạt động nghiên cứu, chế thử ~ tỉ USD.

38

Châu Âu

1.3.3 Trung tâm phát triển

 Laboratoire d’electronic et de Technologie

 Centre Suisse d’Electronique et de

Microtechnique SA (CSEM) - Thụy Sĩ  Bosch 39

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

ể

Nhật Bản

1.3.3 Trung tâm phát triển

ậ

There are many present and future applications for almost

entirely on MEMS silicon microsensors in automobiles, with

requirements for low cost, high volume production, and high

reliabilit at the Toyota Central R&D Laboratory.

1.3.3 Trung tâm phát triển

43

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

• Solid-state Sensor and Actuator Workshop (small

1.3.5 Hoạt động trao đổi thông tin

Solid-state Sensor and Actuator Workshop (small, North American only)

• International Conference on Solid-State Sensors and

Actuators or Transducers (large, international

Actuators or Transducers (large, international

meeting held in Asia, North America or Europe, held

on alternate years 1995, 1997, … 2003 etc)

• Micro Electro Mechanical Systems Workshop or Micro Electro Mechanical Systems Workshop or

MEMS ( moderate sized international workshop, with focus on actuators and mechanical devices, held

annually)

• Micro Total Analysis Systems or µTAS (international,

focus on micromachined chemical systems, held

alternate years )

• Eurosensors (European, annually)

44

- Sensor and Actuator A (Physics)

1.3.5 Hoạt động trao đổi thông tin

( y )

- Sensor and Actuator B (Chemistry)

- Sensor and Actuator C (Materials)

IEEE Journal of Microelectromechanical Systems

- IEEE Journal of Microelectromechanical Systems

(JMEMS)

- Journal of Micromechanics and Microengineering

IEEE electron Device Letters

- IEEE electron Device Letters

- Journal of the Electrochemical Society

- Journal of the Vacuum Society

- Proceedings of the SPIE – International Society for

Optical Engineering

45

1.3 Lịch sử phát triển của MEMS

1.3.5 Hoạt động trao đổi thông tin

46

Photolithography Thin film deposition

LIGA process

47

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS cơ/ Mechanical MEMS

Hệ

Hệ vi vi bánh bánh răng răng ((Microgear Microgear))

48

MEMS cơ / Mechanical MEMS

Vi động cơ (Micromotor)

49

1.4 Phân loại và Ứng dụng

Hệ thống túi khí an toàn (air-bag) trên các ô tô hiện đại sử dụng bộ nhận biết lật xe trên cơ sở con quay vi cơ (gyroscope) và cảm biến gia tốc50

Cảm biến gia tốc điều khiển

hệ túi khí an toàn phía trước

Cảm biến

đ ứ

Cảm biến gia tốc điều khiển hệ túi khí an toàn cửa bên

Đầu phun si-líc ở

hệ phun nhiên liệu

hệ túi khí an toàn phía trước

Cảm biến âm thanh

để iả tiế ồ Cảm biến đo áp

quang đo mức nhiên liệu

để giảm tiếng ồn

p lực nhiên liệu

ệ điều khiển hệ thống

Cảm biến khí cho hệ thống

Cảm biến vận tốc

ó để đị h ị

Cảm biến RF cảnh báo va chạm

cho hệ thống ống xả

Cảm biến áp suất thông tin

51

1.4 Phân loại và Ứng dụng

52

¾ Con quay vi cơ ứng dụng trong các sản phẩm công nghệ

mới nhất của Apple để hỗ trợ cho kỹ thuật hiển thị hình ảnh.

53

MEMS quang/ Optical MEMS

Chuyển

Chuyển mạch mạch quang quang

(O ti l it h)

(O ti l it h) Vi Vi gương gương Bộ Bộ dập dập tắt tắt quang quang

(Optical switch) ((Micromiror Micromiror) ) (Variable (Variable optical attenuator) optical attenuator)

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS quang/ Optical MEMS

ế MEMS vô tuyến /RF MEMS

Vi chuyển mạch quang (optical micro switch)

57

Microphone Microphone tích tích hợp hợp siêu siêu nhỏ nhỏ (on (on chip) chip) Bộ

Bộ lọc lọc tần tần số số (filter) (filter) 58

S ô ế / S MEMS vô tuyến /RF MEMS

59

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS vô tuyến /RF MEMS

Linh kiện RF MEMS ứng dụng trong viễn thông

Bộ tụ -cuộn cảm biến đổi

Bộ lọc biến đổi

Mi hMicrophone

60

S ô ế / S

MEMS vô tuyến /RF MEMS

Linh kiện RF MEMS ứng dụng trong viễn thông

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS vô tuyến /RF MEMS

Linh kiện RF MEMS ứng dụng trong viễn thông

Công nghệ truyền dẫn thông tin không dây tốc độ cao

(Wireless Technology)

62

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS y sinh/Bio MEMS

64

MEMS y sinh/Bio MEMS

Ứng Ứng dụng dụng cảm cảm biến biến áp áp suất suất vi vi cơ cơ … …

MEMS y sinh/Bio MEMS

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS y sinh/Bio MEMS

68

MEMS y sinh/Bio MEMS

Lab on chip: PTN tích hợp

69

1.4 Phân loại và Ứng dụng

MEMS năng lượng /Power MEMS

70

MEMS năng lượng /Power MEMS

71

1.4 Phân loại và Ứng dụng

CN Ô tô

(Automotive)

CN điện tử (Electronics)

Y tế (Medical)

Truyền thông (Communication)

Quốc phòng (Defence)

Thiết bị chống Đầu đọc đĩa Hệ đo huyết áp Các đầu ghép nối hệ Hệ dẫn hướng

Hệ dẫn hướng quán tính

Cảm biến áp

suất cho hệ điều

Đầu phun mực máy in

Hệ thống vận chuyển thuốc

Bộ chuyển mạch quang

Kỹ thuật tên lửa đạn đạo

suất cho hệ điều

Đo nồng độ gluco cảnh báo

Hỗ trợ hiển thị hình ảnh trên màn hình

Kỹ thuật hàng không

g

Cảm biến đo

mức nhiên liệu

Thiết bị cảnh báo động đất

Thiết bị phân tích Lab on chip

Bộ tách và trộn sóng

Máy quay hồng ngoại

Hệ thông tin áp Hệ thống lưu Các chi tiết cấy Bộ cộng hưởng dò Thiết bị bắn tự

Hệ thông tin áp

suất lốp xe

Hệ thống lưu trữ dữ liệu

Các chi tiết cấy ghép

Bộ cộng hưởng, dò sóng, ăng-ten

Thiết bị bắn tự động

72

1.5 Thị trường MEMS

Doanh số cho các linh kiện cụ thể

74

Doanh số cho các lĩnh vực cụ thể

T ề ti khô dâ

Hàng không, quốc phòng, an ninh Điện tử y tế

Doanh số cho Bio-MEMS

77

1.5 Thị trường MEMS

ố

Dự báo doanh số 2009-2015

78

MEMS là ngành khoa học công nghệ và ứng dụng dựa trên công nghệ mạch tổ hợp với sự giao thoa của các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như cơ, quang, nhiệt, điện, điện tử, hóa, sinh, uậ c u ư cơ, qu g, ệ , đ ệ , đ ệ ử, ó , s , thiết kế công nghiệp, khoa học tính toán…

79

Hoàn chỉnh thiết kế

ứng dụng

cụ thể

ứng xử và đặc trưng)

Thiết kế và

Thiết kế và xây dựng qui trình chế tạo

Thực hiện chế tạo