design issues for MEMS 1

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS Mộtthế iới ộ ở à ế ũ Một thế g iới r ộ ng m ở v à quy ế n r ũ (An fascinating and openning world) CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS Ýtưởng Tính toán Ý tưởng sản phẩm cho một ứ d Mô hình hóa mô phỏng (tiên đoán ứng xử và Hoàn chỉnh thiết kế ứ ng d ụng cụ thể ứng xử và đặc trưng) Thiếtkế và Thiết kế và xây dựng qui trình chế tạo Thực hiện chế tạo Thử nghiệm & đánh giá Thương phẩm hóa Ti ế ntrìnhcủa linh ki ệ nMEMSt ừ ý tưởn g đ ế nhi ệ nth ự c ệ ý g ệ ự Ộ CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS N Ộ I DUNG/CLASS I. MỞĐẦU/ INTRODUCTION II. CƠ SỞ VỀ CƠĐIỆN/ ELECTRO-MECHANICAL BACKGROUND III. VẬTLIỆU VÀ CÁC KỸ THUẬTCHẾ TẠOVIĐIỆNTỬ/ MATERIALS AND MICROELECTRONIC PROCESSES IV. THIẾTKẾ LINH KIỆNVÀXÂYDỰNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO/ MEMS DESIGN V. VI CHẾ TẠOVÀPHÂNLOẠI CÔNG NGHỆ MEMS/ MICROFABRICATION AND MEMS TECHNOLOGY VI. CÁC LINH KIỆNMEMSĐIỂNHÌNH/ TYPICAL MEMS DEVICES IV. Thiết kế trong MEMS 1. Mởđầu/ Introduction 2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước / Scalin g issues fo r MEMS g 3. Mô hình hóa và mô phỏng/ Mdli d Si l ti M o d e li ng an d Si mu l a ti on 4. Thiếtkế qui trình chế tạo/ Process integration 5. Kếtluận/Conclusions ế ế 4.1. Mở đầu 4.1.1.Vai trò và ý n g hĩa của thi ế t k ế 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 ẩ ế ế ể ) Xem xét tính cạnh tranh của sản ph ẩ m được thi ế t k ế đ ể 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 ế ế 4.1. Mở đầu 4.1.2. Độn g lực và qui trình thi ế t k ế 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 ấ 4.1. Mở đầu 4.1.3. Các c ấ p độ xâ y dựn g mô hình Hệ thống – tính chất động Linh kiện Kỹ sư thiết kế Tính lặp lại họccủahệ, đượcmôtả bởi các phương trình vi phân mộtbiến (ordinary diff i l i hệ thống Linh kiện Mô phỏng diff erent i a l equat i ons - ODE) thông qua mô hình khốitương đương (lumped model) Qui trình model) . Qi tì h i tì h hế t à thiết kế MASK Q u i t r ì n h –qu i t r ì n h c hế t ạov à thiết kế MASK Mô phỏng –khảosátứng xử của linh kiện trong điềukiện ảotứclàthựchiệngiải các phương trình vi phân (partial differential equations) để tìm nghiệm chính xác ầ ấ ố (giải tích) hoặcg ầ n đúng nh ấ t(các p pgiảis ố nh ư sai p hân hữuhạn/finite differential method – FDM, phầntử hữuhạn /finite element method - FEM). ấ 4.1. Mở đầu 4.1.3. Các c ấ p độ xâ y dựn g mô hình ấ 4.1. Mở đầu Ví d ụ thi ế t k ế cảm bi ế n g ia t ố c á p đi ệ n trở 3 b ậ c t ự do 4.1.3. Các c ấ p độ xâ y dựn g mô hình ụ g p ệ ậ ự ) ĐL 2 Newton: trong hệ CĐ,giatốc sinh ra khi có ngoạilựctácđộng, Thiết kế mô hình tổng thể của hệ F=ma⇔ cấutrúcmềmdẻo(rầm – beam) có phầntử tạodaođộng (khối gia trọng - m) ⇒ tạoraứng suất trên beam ⇒ nhậnbiếtbằng sự thay đổi điệntrở củaápđiệntrở Mô hình khối tương đương (lumped-model ) Mô tả toán học của mô hình (bài toán mộtchiều) F d dxb x k d xd 1 2 2 + − − = (bài toán một chiều) m dt mm dt 2 ấ 4.1. Mở đầu Ví d ụ thi ế t k ế cảm bi ế n g ia t ố c á p đi ệ n trở 3 b ậ c t ự do 4.1.3. Các c ấ p độ xâ y dựn g mô hình Thiết kế mô hình linh kiện ụ g p ệ ậ ự Khối gia trọng Thanh dầm nhạy cơ a z Z=3’ Thanh dầm treo Khung ngoài a x a y Y=2’ X=1’ [...]... MASK 4 MASK 1 MASK 5 MASK 2 MASK 3 MASK 6 4 .1 Mở đầu 4 .1. 3 Các cấp độ xây dựng mô hình ấ Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do Thiết kế qui trình chế tạo iế ế i ì ế 10 1 MASK 1 2 9 MASK 6 8 3 MASK 5 MASK 2 7 4 MASK 4 MASK 3 6 5 Si Buried SiO2 SiO2 Al Boron doping layer IV Thiết kế trong MEMS 1 Mở đầu/ Introduction 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước / Scaling issues for MEMS design g... kiện MEMS độ nhớt chiếm ưu thế 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ Thu nhỏ kích thước và chất lưu 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 = λ L Kn < 0 01: liên tục 0, 01: 0, 01 < Kn < 0 ,1: trượt 0 ,1 < Kn < 10 : chuyển tiếp Kn > 10 : Phân tử tự do Linh kiện MEMS: ... ⇒ C và L 1 1 2 Năng lượng điện trường wE = ε 0 E ∝ 2 Kích thước thu nhỏ ⇒ wE 2 S 2 Năng lượng từ trường 1 B ⎞ wH = ⎜ ⎟ ∝ S 0 2 ⎜ μ0 ⎟ ⎝ ⎠ Kích thước thu nhỏ ⇒ wE 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2.2 Sự thay 4 2 2 S th đổi đ vị đơn ị Đại lượng MKS Hệ số nhân μMKS Độ dài M 10 6 μM Lực N 10 6 μN Thời gian s 1 s Khối lượng Kg 1 Kg Áp suất (ƯS) N/M2 10 -6 μN/μM2 Khối lượng riêng ố Kg/M3 10 -18 Kg/μM3... hệ số thu nhỏ độ dài = 10 -3 ⇒ thể tích và khối lượng giảm 10 -9 lần ầ 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ Thu nhỏ kích thước và hình học Xét tỉ số: AS 1 A0 = VS S V0 Khi kích thước bị thu nhỏ ⇒ tỷ số A/V tăng ⇔ hiệu ứng vật lý liên quan tỉ số A/V sẽ khác với hệ vĩ mô 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật... thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học Tần số dao động riêng Đối với hệ dao động cơ, có: ối i h d đ f = 1 2π k ∝ M k ∝ M S 1 = S3 S S càng nhỏ (giảm kích thước nhiều) ⇒ f càng lớn, Cấu trúc cơ của linh kiện MEMS chịu đựng tác động cơ học lớn hơn nhiều lần so với hệ vĩ mô mô 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước... khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ Thu nhỏ kích thước và hình học Hệ số thu nhỏ độ dài hình học: cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng thu nhỏ kích thước với hệ vi mô Xét đ d i X0 đ độ dài được thu nhỏ xuống XS theo tỉ lệ (hệ số thu nhỏ) S (0 < S ≤ 1) , h h ố h l (h ố h h )... vị đơn ị Đại lượng MKS Hệ số nhân μMKS Độ dài M 10 6 μM Lực N 10 6 μN Thời gian s 1 s Khối lượng Kg 1 Kg Áp suất (ƯS) N/M2 10 -6 μN/μM2 Khối lượng riêng ố Kg/M3 10 -18 Kg/μM3 Điện tích C 10 12 pC Cường độ dòng A 10 12 pA Thế V 1 V Sai số tính toán gồm giới hạn chính xác của các dãy số kết quả (truncation error) và giới hạn chính xác của phép tính (round-off error) khi giải phương trình 4.2 Các hệ quả khi... (electron tunneling current): Là hiệu ứng của vật lý lượng tử khi điện tử có thể chui ngầm khe ể ầ năng lượng do tính bất định của sóng vật chất IV Thiết kế trong MEMS 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/ Modeling d Simulation M d li and Si l ti 4 Thiết kế qui trình chế tạo/ Process integration 5 Kết luận/Conclusions ... kiện MEMS: λ ~ 0 ,1 và L ~ 2μm ⇒ Kn ~ 0,05: dòng khí trượt trong cấu trúc 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 ρv 2 L We = ∝S σ 4.2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 4.2 .1 Kích h ớ ủ 4 2 1 Kí h thước của hệ vật lý ậ Thu nhỏ kích thước và phần tử mạch điện Điện ở Điệ trở L 1 R=ρ ∝ A S Tụ...4 .1 Mở đầu 4 .1. 3 Các cấp độ xây dựng mô hình ấ Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do ụ g p ệ ậ ự Mô phỏng hoạt động của linh kiện Giải phương trình: ∂2 y ∂4 y m 2 + EI 4 = F dt d dx d Điều kiện biên: y(0) = 0; y’(0) = 0; y( ) y(L) = 0; y’(L) = 0 ;y ( ) 4 .1 Mở đầu 4 .1. 3 Các cấp độ xây dựng mô hình ấ Ví dụ thiết kế cảm biến gia . kích thước 42 1 Kí h h ớ ủ hệ ậ lý 4 . 2 . 1 . Kí c h t h ư ớ c c ủ a hệ v ậ t lý 4. 2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước 42 1 Kí h h ớ ủ hệ ậ lý Thu nhỏ kích thước và hình học 4 . 2 . 1 . Kí c h . element method - FEM). ấ 4. 1. Mở đầu 4. 1. 3. Các c ấ p độ xâ y dựn g mô hình ấ 4. 1. Mở đầu Ví d ụ thi ế t k ế cảm bi ế n g ia t ố c á p đi ệ n trở 3 b ậ c t ự do 4. 1. 3. Các c ấ p độ xâ y . hình Thi ế t k ế MASK MASK 1 MASK 4 MASK 1 MASK 5 MASK 2 MASK 6 MASK 3 MASK 6 ấ 4. 1. Mở đầu iế ế iì ế Ví dụ thiết kế cảm biến gia tốc áp điện trở 3 bậc tự do 4. 1. 3. Các c ấ p độ xâ y