Công nghệ MEMS

1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) 1. Khái niệm và đặc trưng MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro-Electro-Mechanical System hay ngắn gọn hơn là Microsystem. Trong tiếng Việt, MEMS có nghĩa là Hệ Vi Cơ-Điện tử, nghĩa là một hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động dưới dạng điện và cơ với nhau ở kích thước dưới milimet (submillimetre) như được minh họa ở hình 1. Nguyên tử Tế bào (DNA) Virus Vi khuẩn Hạtbụi Tóc Cơ thể con người Hệ vĩ môHệ vi mô Hệ trung gian Công nghệ nano Nguyên tử Tế bào (DNA) Virus Vi khuẩn Hạtbụi Tóc Cơ thể con người Hệ vĩ môHệ vi mô Hệ trung gian Công nghệ nano Hình 1: Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên MEMS được hiểu như là một hệ thông minh thu nhỏ chứa đựng các chức năng nhạy với tác động bên ngoài (sensing), xử lý (processing) và điều khiển (actuating.). Đó có thể được coi như một môi trường đặc biệt thu nhận thông tin và tác động trở lại (Input/Output – I/O) với thế giới vật lý bên ngoài (hình 2). 2 Thế giới vậtlý Tín hiệu không điện Tín hiệu điện Bộ chuyển đổi: cảmbiến, truyền động Vi xử lý, khuếch đại,, bộ nhớ, bộ điềukhiển, … Thế giới vậtlý Tín hiệu không điện Tín hiệu điện Bộ chuyển đổi: cảmbiến, truyền động Vi xử lý, khuếch đại,, bộ nhớ, bộ điềukhiển, … Hình 2: Đặc trưng của hệ vi cơ-điện tử (MEMS) Một hệ MEMS có thể là tập hợp một số lượng rất lớn các linh kiện chứa các yếu tố điện, cơ, quang, hóa, sinh, hoặc từ, được tích hợp trong một mảng (hình 3) hay một Chip vi điện tử duy nhất (on chip). Các linh kiện này vẫn có thể thực hiện các chức năng đơn giản một cách riêng rẽ ở mức độ vi mô trong khi vẫn được kết hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở mức độ vĩ mô [1-3]. Out In Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Silicon substrate Silicon substrate Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Vi xử lý CảmbiếnTruyền động Bộ nhớ Out In Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Silicon substrate Silicon substrate Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Nhiệt Điện Cơ Quang Hóa Sinh Vi xử lý CảmbiếnTruyền động Bộ nhớ Hình 3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ-điện tử tích hợp trong một chip Như thế, một hệ vi cơ-điện tử có các đặc trưng cơ bản như sau: - Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng, 3 - Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, - Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một thiết bị hoàn chỉnh, - Có tính lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt. 2 Lịch sử phát triển Thời điểm được coi như cột mốc đầu tiên cho sự ra đời các linh kiện MEMS là vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge). Tiếp sau đó là ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được đề xướng bởi Richard P. Feymann trong bài thuyết trình nổi tiếng có tên gọi “Plenty of Room at the Bottom” vào cuối năm 1959. Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đã đánh dấu những thành công trong các nghiên cứ u triển khai đưa đến sự ra đời của 2 nhánh công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ-điện tử là công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử (Integrated Circuit - IC) với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Th ập kỷ 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành thương phẩm trên thị trường, mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông. Bên cạnh đó là các nghiên cứu mới về cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc truyền động (actuator) làm các động cơ. Những năm cu ối thế kỷ 20, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn i-ôn hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn 4 đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ hóa linh kiện (hay tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử. Bảng 1: Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình Tên sản phẩm Giai đoạn Phát minh Giai đoạn Hoàn thiện Giai đoạn Cải tiến Thương phẩm phổ biến Quá trình phát triển (năm) Cảm biến áp suất 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990 36 Cảm biến gia tốc 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998 24 Đầu phun mực 1978-1984 1984-1990 1990-2002 2002 24 Chuyển mạch quang 1980-1993 1993-1998 1998-2008 2003 23 Cảm biến vận tốc góc 1984-1990 1990-1996 1996-2006 2006 22 Cảm biến khí 1986-1994 1994-1998 1998-2005 2005 19 Cảm biến sinh- hóa 1992-1994 1994-2000 2000-2010 2010 18 Bộ thu phát tần số vô tuyến (RF) 1994-1998 1998-2001 2001-2008 2008 14 Kể từ đó, các sản phẩm của công nghệ vi cơ điện tử đã tiếp tục được hoàn thiện và mở rộng, đưa đến sự ra đời của các kết cấu hết sức tinh vi theo xu hướng thu nhỏ kích thước đáng kể. Đó là các cảm biến áp suất và gia tốc có tích hợp vi mạch điện tử để xử lý tín hiệu kích thước chỉ từ 1 đến vài mi- li-mét vuông, các vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện (rotary electrostatic micromotor), các khớp nối vi cơ (micromachined hinge) sử dụng cho cấu trúc giả 3 chiều (pseudo-3D structures) hay dây chuyền lắp 5 ráp, linh kiện vi gương số (Digital Micromirro Device - DMD) sử dụng trong các máy chiếu và xử lý ánh sáng số, các hệ vi vận tải (microtransport) kích thước vài cen-ti-mét vuông, các thiết bị tí hon có vai trò như một phòng thí nghiệm phân tích gọi là Lab on chip sử dụng cho lĩnh vực y-sinh v…v… Cũng theo đà phát triển tiến trình phát triển từ ý tưởng đến sản phầm cụ thể đã được ngày càng rút ngắn về thời gian như được chỉ ra ở bảng 1. Hiện nay, trên thế giới có trên 6000 trung tâm nghiên cứ u phát triển vể MEMS tại các 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 khoảng 1 tỉ USD [6]. Châu Âu nổi tiếng với Laboratoire d’electronic et de Technologie d’Instrumentation (LETI) ở Pháp; Interuniversitair Micro- Elektronica Centrum (IMEC) ở Bỉ; viện nghiên cứu (Insititut fur Festkoerpertechnik -IFT) và các phòng thí nghiệm R&D của các tập đoàn công nghiệp Siemen/Infinion, Bosch, Aktiv-sensor ở Đức; MESA+ research institute, Delf ở Hà Lan; Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) của Thụy Sĩ. Nhật nổi bậ t với các trung tâm nghiên cứu R&D công nghiệp như Toyota Central Research and Development Laboratory, Nippondenso Research Laboratories, okogawa Electric Corporation, Matsushita Research Institute, Nissan Motor Company Central Engineering Laboratories, Fuji Electric Company, Hitachi bên cạnh các trung tâm nghiên cứu điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University. Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công nghệ Matsachuset (MIT), cơ quan hàng không-vũ trụ NASA, các cơ sở công nghiệp mạnh như Analog Devices, Motorola, Draper Lab Hàng năm, kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm của các trung 6 tâm nghiên cứu và của các công ty công nghiệp ở khắp nơi trên thế giới đã được công bố tại các hội nghị khoa học lớn tổ chức ở Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản cũng như trên hàng chục tạp chí uy tín như Sensor and Actuator A, B, và C, hay các ấn bản của tổ chức quốc tế IEEE về lĩnh vực kỹ thuật điện-điện tử… 3 Các kỹ thuật cơ bả n của công nghệ MEMS Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ-điện tử hệ thống gọi là công nghệ MEMS. Đây là loại hình khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản công nghệ này như quang khắc tạo hình (photolithography), khuếch tán (diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật liệu bằng các phương pháp vật lý hoặ c hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging). Bên cạnh đó là các kỹ thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế tạo ra các vi cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching) và hàn ghép phiến (silic to silic/ silic to glass bonding). Hiện tại, có 3 phân nhánh chính của công nghệ vi cơ-điện từ, gồm: - Công nghệ vi cơ khối: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, ăn mòn dị h ướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô i-ôn hoạt hóa trogn môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến… - Công nghệ vi cơ bề mặt: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô… 7 - Công nghệ LIGA dựa trên kỹ thuật nền tảng tạo khuôn bằng vật liệu polymer sử dụng kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng điện hóa. Dưới đây là một số kỹ thuật cơ bản cần thiết cho công nghệ MEMS. 3.1 Kỹ thuật quang khắc tạo hình 3.1.1 Chất cảm quang Chất cảm quang (photoresist) là vật liệu hữu cơ nhạy ánh sáng (thường là ánh sáng cực tím, Ultraviolet - UV, hoặc Deep UV - DUV) được sử dụng để tạo ra một hình ảnh mong muốn nào đó. Dưới tác động của ánh sáng, thành phần của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn đến có thể bị hòa tan (hoặc không hòa tan) trong các hóa chất thích hợp (gọi là vật liệu hiện hình – developer, thông thường là các dung dịch dạng kiềm). Trong công nghệ vi điện tử và MEMS, vật liệu cảm quang được sử dụng để sao chép hình d ạng các cấu trúc của linh kiện đã được thiết kế, chế tạo trên bộ mặt nạ (Mask) quang bằng kỹ thuật quang khắc (photolithography) và đóng vai trò làm lớp bảo vệ cho các vật liệu được che phủ ở phía dưới nó. Vât liệu cảm quang cấu tạo chủ yếu từ 3 thành phần chính: • Dung môi: làm cho cảm quang tồn tại dưới dạng dung dịch nhằm thuận lợi cho việc sử dụng khi ph ủ lên trên bề mặt các vật liệu khác. • Chất kết dính (nhựa – resin): thường là các hỗn hợp polymer tạo ra các liên kết làm nên các tính chất lý hóa cho vật liệu. • Chất nhạy sáng Có 2 loại vật liệu cảm quang chính, đó là: 8 • Cảm quang dương: là vật liệu mà vùng không được chiếu sáng trở nên bền vững trong khi vùng được chiếu sáng lại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu hiện hình (hình 4).  Ánh sáng UV Lớp cảm quang Lớ p ô-xít sili c Đế si-líc khối Phần chắn sáng trên mặt nạ quang Vùng cảm quang bị che sáng Vùng cảm quang được chiếu sáng  Vùng bị chắn sáng trở nên liên kết bền vững và không bi hòa tan trong dung dịch hiện hình L ớ p cảm quang Vùng được chiếu sáng dễ dàng bi hòa tan trong dung dịch hiện hình L ớ p ô-xít si-líc Đ ế si-líc kh ố i Hình 4: Minh họa cảm quang dương 9 Cảm quang dương thường có sẵn một cấu trúc liên kết (crosslinking) gọi là polymer Novolak bao gồm một loại polymer phenol-formaldehyde (dễ hòa tan) và một lượng nhỏ diazonaphthaquinone khó bị hòa tan trong các dung dịch hóa. Khi tương tác với ánh sáng (phonon - h ν ) trong quá trình chiếu sáng, một phản ứng quang hóa xảy ra, hình thành nên các nhóm a-xít carboxylic (hình 5). A-xít này là xúc tác chính để loại bỏ polymer khó hòa tan khi xử lý nhiệt. Kết quả là chỉ còn nhóm dễ hòa tan trong cấu trúc polymer dẫn đến quá trình hòa tan toàn bộ cấu trúc polymer trong dung dịch hiện hình. Hình 5: Sự biến đổi cấu trúc hóa học của vật liệu cảm quang dương khi được chiếu sáng • Cảm quang âm: là vật liệu mà vùng được chiếu sáng trở nên bền vững trong khi vùng không được chiếu sáng lại dễ dàng bị hòa tan trong vật liệu hiện hình (hình 6). Như vậy, cảm quang dương sẽ tạo ảnh trên đế si-líc khối giống như định dạng trên mặt nạ quang, và cảm quang âm tạo ả nh ngược lại định dạng trên mặt nạ quang. Mặt nạ quang khi đó tạo ra một trường sáng tối cho ánh sáng khi đi qua. Các bước sóng trong phạm vi ánh sáng UV được sử dụng với vật liệu cảm quang thường là bước sóng 365 nm gọi là i-line, bước sóng 405 nm là h-line, 10 và bước sóng 436 nm là g-line. Dải bước sóng từ 193 nm đến 248 nm tương ứng ánh sáng cực tím sâu - DUV (hình 1.7).  Ánh sáng UV Lớ p cảm quang Lớ p ô-xít silic Đ ế si-líc kh ố i Phần chắn sáng trên mặt nạ quang Vùng cảm quang bị che sáng Vùng cảm quang được chiếu sáng  Vùng được chiếu sáng trở nên liên kết bền vững và không bi hòa tan trong dung dịch hiện hình L ớ p cảm quang Vùng bị chắn sáng dễ dàng bi hòa tan trong dung dịch hiện hình L ớ p ô-xít si-líc Đ ế si-líc kh ố i Hình 6: Minh họa cảm quang âm Vật liệu cảm quang có các tính chất vật lý cơ bản quyết định chất lượng quá trình quang khắc như sau: • Độ phân giải và độ tương phản • Độ nhạy • Độ nhớt và độ bám dính [...]... thông tin áp suất lốp xe Hình 22: Ứng dụng linh kiện MEMS trong công nghiệp ô tô Hình 23: Linh kiện vi gương số MEMS (DMD) sử dụng trong máy chiếu 24 Tương ứng các ứng dụng, MEMS cũng được phân loại thành MEMS cơ, MEMS quang - MOEMS (hình 1.23), MEMS năng lượng - Power MEMS, MEMS vi lưu - Microfluidics, MEMS y sinh - BioMEMS, MEMS vô tuyến - RF MEMS (hình 24) Ăng-ten Bộ hiẻn thị đa màu Bộ chuyển mạch... phỏng, công nghệ, chế tạo thử nghiệm đã được thưc hiện tại ITIMS với 06 đề tài chính từ cấp Bộ đến cấp Nhà nước, bao gồm: - Nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng cảm biến vi cơ áp điện trở - Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B00-59-09 - Nghiên cứu công nghệ chế tạo sensor gia tốc - Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B2001-59-02 - Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ. .. và công nghệ cấp Bộ mã số B200359-09 - Nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (QCM) - Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ mã số B2005-28-205 - Nghiên cứu chế tạo một số loại cảm biến trên cơ sở công nghệ vi điện tử và vật liệu có cấu trúc na-nô – Đề tài nhánh thuộc thuộc đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Nhà nước mã số 81170 - Nghiên cứu công. .. thông số công nghệ và thời gian phún xạ Vì vậy, phương pháp này được dùng phổ biến trong các qui trình công nghệ chế tạo linh kiện Những điều kiện công nghệ có ảnh hưởng trong quá trình phún xạ nhôm chủ yếu là nhiệt độ đế, áp suất khí argon (Ar), chân không và tính chất phụ thuộc nhiệt độ của nhôm 15 3.3 Kỹ thuật ăn mòn khô Ăn mòn là công đoạn không thể thiếu trong công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) nhằm... kiện MEMS sử dụng trong điện thoại di động 5 Thị phần sản phẩm Cho tới nay, công nghệ chế tạo các linh kiện MEMS đang phát triển bùng nổ với một tốc độ rất nhanh Hầu hết các linh kiện MEMS đã được đưa ra sản xuất ở qui mô công nghiệp và trở thành thương phẩm phổ biến Kể từ những năm 90 của thế kỷ 20, ngành công nghiệp MEMS đã đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong các nền kinh tế Các linh kiện MEMS. .. bản về công nghệ MEMS về kỹ thuật ăn mòn ướt, kỹ thuật chế tạo vật liệu pha tạp làm nguồn khuếch tán SOD, kỹ thuật hàn a-nốt cho qui trình đóng vỏ hoàn thiện linh kiện - Tự thiết kế và chế tạo được các bộ MASK (mặt nạ) sử dụng trong qui trình công nghệ IC cho việc chế tạo các linh kiện kể trên - Tự xây dựng được tương đối hoàn chỉnh qui trình công nghệ chế tạo cho từng loại cảm biến theo công nghệ vi... dụng trong công nghiệp các linh kiện vi cơ điện tử MEMS 7 Kết luận Công nghệ vi cơ điện tử là lĩnh vực kỹ thuật cao và hiện đại, cho phép chế tạo ra các sản phẩm có tính năng đa dạng, đã và sẽ được ứng dụng trong mọi lĩnh vực công nghiệp Đây có thể coi như một cuộc cách mạng về ý tưởng và công nghệ đang làm thay đổi diện mạo đời sống nhân loại Vì thế tiến hành triển khai nghiên cứu công nghệ cũng như... các nghiên cứu về công nghệ MEMS tại ITIMS đều được đào tạo một cách bài bản và chất lượng cao tại các cường quốc về lĩnh vực này như Hà Lan, CHLB Đức, Nhật Bản, Đài Loan Ngoài ra, khoa Điện tử Viễn thông thuộc Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội cũng đã có một số định hướng nghiên cứu ban đầu về công nghệ này tập trung chủ yếu vào khả năng ứng dụng của một vài loại cảm biến MEMS như thử nghiệm... công nghệ cấp Nhà nước mã số 81170 - Nghiên cứu công nghệ vi cơ điện tử trên cơ sở vật liệu si-líc, tinh thể thạch anh và vật liệu gốm PZT để chế tạo một số loại linh kiện MEMS – Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Nhà nước mã số 405106 Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong hơn 40 bài báo đăng tại các Hội nghị và tạp chí khoa học -công nghệ trong nước và Quốc tế Các kết quả cụ thể đạt được... ngành công nghiệp khác nhau Tính đến năm 25 2007, doanh số các sản phẩm công nghệ MEMS đã đạt con số ước tính gần 20 tỉ USD, với tốc độ tăng trưởng hàng năm là từ 10 đến 15 % như được chỉ ra trên hình 25 Bộ vi lưu (27%) MEMS quang (22%) Các cảm biến khác (10%) Cảm biến áp suất (11%) Tỷ Đô-la Mỹ Cảm biến quán tính (22%) RF MEMS (3%) Các bộ truyền động (5%) Năm Hình 25: Thị phần các linh kiện MEMS và . điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University. Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công. NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS) 1. Khái niệm và đặc trưng MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro-Electro-Mechanical System hay ngắn gọn hơn là Microsystem. Trong tiếng Việt, MEMS có nghĩa là. nghệ MEMS Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ-điện tử hệ thống gọi là công nghệ MEMS. Đây là loại hình khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử nên công nghệ MEMS