design issues for MEMS 1

Hoàn chỉnh thiết kếứng dụng cụ thể ứng xử và đặc trưng Thiết kế và Thiết kế và xây dựng qui trình chế tạo Thực hiện chế tạo... Phân loại linh kiện theo mục tiêu thiết kế Thể hiện khía

Một thế iới ộ ở à ế ũ Một thế giới rộng mở và quyến rũ ( An fascinating and openning world )

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

II CƠ SỞ VỀ CƠ ĐIỆN /

ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND

III VẬT LIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO VI ĐIỆN TỬ/

MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES

V VI CHẾ TẠO VÀ PHÂN LOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/

MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY

VI CÁC LINH KIỆN MEMS ĐIỂN HÌNH/

TYPICAL MEMS DEVICES

1 Mở đầu/ Introduction

2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /

Scaling issues for MEMS g

3 Mô hình hóa và mô phỏng/

M d li d Si l ti

Modeling and Simulation

4 Thiết kế qui trình chế tạo/

Process integration

5 Kết luận/ Conclusions

Phân loại linh kiện theo mục tiêu thiết kế

) Thể hiện khía cạnh định hướng công nghệ

) Thể hiện khía cạnh làm công cụ nghiên cứu

) Thể hiện khía cạnh định hướng thị trường bằng thương phẩm

Ý nghĩa

) Đáp ứng nhu cầu và đánh giá tiềm năng của thị trường

) Tác động của sản phẩm được thiết kế với quá trình phát triển

) Xem xét tính cạnh tranh của sản phẩm được thiết kế để tìm ra phương án tối ưu cả về khía cạnh hiện thực hóa và đặc tính nổi trội nhất

) Sản phẩm có khả năng phù hợp với điều kiện công nghệ

) Khả năng sản xuất hàng loạt với số lượng lớn và giá thành hạ

Đánh giá tính

cạnh tranh

Khả năng chế tạo

Nhu cầu

thị trường Ý tưởng

sáng tạo

Khả năng công nghệ

sáng tạo

Đánh giá hoạt động

Thiết kế sản phẩm

Mô hình hóa

và phân tích

Hệ thống – tính chất động

Linh kiện

Kỹ sư thiết kế

Tính lặp lại

học của hệ, được mô tả bởicác phương trình vi phânmột biến (ordinarydiff i l i

hệ thống

Linh kiện

Mô phỏng

differential equations ODE) thông qua mô hìnhkhối tương đương (lumpedmodel)

-Qui trình

model)

Q i t ì h i t ì h hế t à thiết kế MASK

Qui trình – qui trình chế tạo và thiết kế MASK

Mô phỏng – khảo sát ứng xử của linh kiện trong điều kiện ảo tức là thực hiện giảicác phương trình vi phân (partial differential equations) để tìm nghiệm chính xác

(giải tích) hoặc gần đúng nhất (các pp giải số như sai phân hữu hạn/finitedifferential method – FDM, phần tử hữu hạn /finite element method - FEM)

Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do ụ g p ệ ậ ự

) ĐL 2 Newton: trong hệ CĐ, gia tốc sinh ra khi có ngoại lực tác động,

Thiết kế mô hình tổng thể của hệ

F = ma ⇔ cấu trúc mềm dẻo (rầm – beam) có phần tử tạo dao động (khốigia trọng - m) ⇒ tạo ra ứng suất trên beam ⇒ nhận biết bằng sự thay đổiđiện trở của áp điện trở

Mô hình khối tương đương

(lumped-model)

Mô tả toán học của mô hình

d

dx b x

k d

Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do

Thiết kế mô hình linh kiện

Khối gia trọng

Thanh dầm nhạy cơ

a z

Z=3’

Thanh dầm treo Khung ngoài

a x

a y

Y=2’

X=1’

Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do

Mô phỏng hoạt động của linh kiện

Giải phương trình:

F d

y EI

MASK 5 MASK 2

MASK 6

SiO 2

Boron doping layer

Al

1 Mở đầu/ Introduction

2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /

Scaling g i ssues for MEMS design g

3 Mô hình hóa và mô phỏng/

Modelling and Simulation

4 Thiết kế qui trình chế tạo/

Process integration

5 Kết luận/ Conclusions

Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học

Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness)

) Xét biến dạng của lò xo (phần tử đàn hồi)

dưới tác dụng của ngoại lực F có:

) ( uj uik

k

F = Δ = −

ª Theo ĐL 3 Newton ⇒ có cân bằng lực tại 2

vị trí của chuyển dời – nút (node) i và j, tức là:

ku ku

u u

k F

fi = − F = − k ( uj − ui ) = kui − ku j

j i

i j

w F

Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học

) Trường hợp beam bị uốn cong (bending):

3

w t

F

d

Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness)

S L

Ewt L

4

S

Sd d

d G GJ

Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học

Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học

Tần số dao động riêng

ối i h d đ

) Đối với hệ dao động cơ, có:

S S

S M

k M

M M

ª S càng nhỏ (giảm kích thước nhiều) ⇒ f càng lớn,

ª Cấu trúc cơ của linh kiện MEMS chịu đựng tác động cơ học lớn hơnnhiều lần so với hệ vĩ mô

nhiều lần so với hệ vĩ mô

Thu nhỏ kích thước và các quá trình nhiệt q ệ

Truyền nhiệt Đối lưu nhiệt Bức xạ nhiệt

T KA

4 2

4

(

S AT

T T

S

T T

Thu nhỏ kích thước và chất lưu

Cơ học chất lưu được đặc trưng bởi 3 hằng số: số Reynold, Knudsen và Webe

) Hằng số Reynold (Re): chỉ số chế độ dòng chảy theo lớp (laminar) hoặc

cuộn xoáy (turbulent ) xác định bằng tỉ số của lực quán tính và độ nhớtộ y ( ) ị g ự q ộ

ª Kích thước thu nhỏ ⇒ Re Ì ⇔ trong linh kiện MEMS độ nhớt chiếm ưu thế

) Hằng số Knudsen (Kn): thước đo dòng chảy chất khí xác định bằng tỉ

số của quãng đường tự do TB phân tử khí (λ) và độ dài đặc trưng (L)

Kn < 0 01: liên tục

0,01 < Kn < 0,1: trượt 0,1 < Kn < 10: chuyển tiếp

) Hằng số Webe (We): chỉ số về sự tăng ảnh hưởng của sức căng bề mặt khi

kích thước của hệ giảm, xác định bằng tỉ số của lực quán tính và sức căng

bề mặt.ặ

S L

v

σρ

Thu nhỏ kích thước và phần tử mạch điện

C ộ ả

Điện trở

S A

L

l

A N

L = μ 2 ∝

S g

A

C = ε ∝

S A

ρ

l g

Kích thước thu nhỏ Kích thước thu nhỏ

2

2 0

1 2

=

Năng lượng từ trường Kích thước thu nhỏ ⇒ wE Ì

Đại lượng MKS Hệ số nhân μMKS

) Tạp nhiễu Brown (dao động nhiệt): sinh ra trong hệ cơ điện

) Tạp nhiễu Brown (dao động nhiệt): sinh ra trong hệ cơ-điện khi các nguyên tử của vật liệu dao động làm suy giảm hoạt động của hệ.

) Hiệu ứng Paschen: Do khe (khoảng cách) giữa các chi tiết trong cấu trúc nhỏ ⇒ xuất hiện thế đánh thủng (breakdown voltage) làm hỏng linh kiện.

) Hiệu ứng điện tử chui ngầm (electron tunneling current): Là

hiệu ứng của vật lý lượng tử khi điện tử có thể chui ngầm khe năng lượng do tính bất định của sóng vật chất.

2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /

Scaling issues for MEMS g

3 Mô hình hóa và mô phỏng/

M d li d Si l ti

Modeling and Simulation

4 Thiết kế qui trình chế tạo/

Process integration