báo cáo nhập môn đề tài smart dental implant

Đây là nguyên lý hoạt động của diode.- Sự khác nhau giữa diode và LEDLà một linh kiện bán dẫn cho dòng điện đi theo một chiềuLED là một loại điốt phát quangNăng lượng của điện tử trong v

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trường Vật Liệu

KHOA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ VÀ LINH KIỆN

BÁO CÁO NHẬP MÔN

ĐỀ TÀI: SMART DENTAL IMPLANT

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thế Dương

Mục lục

I LÝ THUYẾT KĨ THUẬT VI ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ NANO.

VÀ ỨNG DỤNG

A GIỚI THIỆU TỔNG QUAN:

- Hiện nay thị phần bóng đèn

LED đang đứng đầu với con

số 70.9 tỉ đô vào năm 2022

bởi sự tiết kiệm điện năng của

chúng Với sự tiết kiệm gấp 5

lần bóng đèn sợ đốt và 2 lần

so với bóng đèn compact Bên

cạnh đó, một ưu điểm khác của chúng

là tuổi thọ cao tối thiểu từ 10000 giờ(tương đương với thời gian sử dụng 4năm) Tiết kiệm hơn, tuổi thọ cao hơn,chưa dừng lại ở đó bóng đèn LED cònvượt trội hơn những loại bóng đèn khácnhờ vào quang thông cao hơn, hiệusuất chiếu sáng cao cùng với đó là nhiệt độ màu đa dạng

- Không thể không đi cùng xu hướng đó, Việt Nam cũng bắt kịp với cácnước khác khi đưa bóng đèn LED vào sử dụng với đa dạng các dạng, cóbiểu đồ dữ liệu dưới đây:

đời sống điều này đặt ra cho bài Việt Nam bài toán tự chủ sản xuất và pháttriển thị trường coi như đây là một lĩnh vực kinh doanh Dự báo kinh tế củathị trường LED tại Việt Nam đang cho đấy đây là một ngành công nghiệpđang phát triển cao khi tăng trưởng dần đều qua các năm (số liệu dưới đây

dự báo thị trường LED đến năm 2026)

- LED hay light-emitting diode có nghĩa là các diode phát quang, là cácdiode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại hoặc tử ngoại Hiệntượng biến điện thành ánh sáng này được H.J.Round phát hiện vào đầunhững năng 1907 Ông đã dùng 1 dây dẫn và tinh thể Silicon carbidge đểtạo thành

B SỰ KHÁC NHAU GIỮA DIODE VÀ LED:

- Cấu tạo của diode:

Đi-ốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫnloại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode

và cathode

Trong đó, khối bán dẫn loại P chứa lỗ trống mang điện tích dương nên có

xu hướng khuếch tán sang khối bán dẫn loại N Ngược lại, khối bán dẫnloại N chứa electron mang điện tích âm nên có xu hướng khuếch tán sangkhối bán dẫn loại P

Hình 1 2: Cấu tạo, hình ảnh của LED và Diodes

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán củacác điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùngtiếp giáp dẫn điện tốt

5

Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch táncủa các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nênnghèo hạt dẫn điện tự do Đây là nguyên lý hoạt động của diode.

- Sự khác nhau giữa diode và LED

Là một linh kiện bán dẫn cho

dòng điện đi theo một chiều

LED là một loại điốt (phátquang)

Năng lượng của điện tử trong vật

liệu chuyển hóa dưới dạng nhiệt

Năng lượng của điện tửchuyển hóa thành ánh sángĐiốt chuyển dòng xoay chiều

thành một chiều

LED chuyển điện thế thànhánh sáng

Sử dụng trong các mạch chỉnh

lưu, chuyển mạch, mạch kẹp…

Ứng dụng trong chiếu sáng,hiển thị

C Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED:

- Cấu tạo:

- Bản chất của LED là một diode, bên trong nó có một chíp bán dẫn, có phacác tạp chất để tạo ra một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứađiện tử, dòng điện truyền từ anode (kênh P) đến cathode (kênh N), khiđiện tử lấp đầy chỗ trống nó tạo ra bức xạ ánh sáng, các bước sóng phát ra

có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn

- Nguyên lý hoạt động:

- Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn, khối bán dẫn loại pchứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khốibán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này chuyển độngkhuyếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử âm từkhối n chuyển sang Qua đó khối p tích điện âm thiếu hụt lỗ trống và dưthừa điện tử trái lại khối n tích điện dương thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗtrống Ở phần biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thuhút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường kết hợp với nhautạo thành các nguyên tử trung hòa về điện Quá trình này có thể giải phóngnăng lượng dưới dạng ánh sáng hay các bức xạ điện từ có bước sóng gầnđó.

- Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sángphát khác nhau làm cho màu sắc của LED sẽ khác nhau Mức năng lượng

và màu sắc của LED phụ thuộc hoàn toàn vào cấu trúc năng lượng của cácnguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơndiode thông thường, dao động từ 1,5 đến 3V nhưng điện thế phân cựcnghịch ở LED thì lại không cao Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thếngược gây ra

D Vật liệu chế tạo công nghệ LED

- Vật liệu bán dẫn-vô cơ

Bán dẫn vùng cấm thẳng sử dụng để chế tạo LED

Bán dẫn vùng cấm xiên sử dụng để chế tạo diode

7

- Vật liệu bán dẫn pha tạp:

- Vật liệu hữu cơ OLED:

Vật liệu dẫn lỗ trống: Dễ bị oxi hóa, dẫn điện tích dương (lỗ trống).Vật liệu dẫn điện tử: Dễ bị khử, dân điện tích âm (điện tử)

Vật liệu phát quang: Điện tử và lỗ trống tái hợp, phát quang

E Ứng dụng

- LED có tính ứng dụng cao trong đời sống như:

Làm đèn chiếu sáng đường đi, đèn pha xe ô tô, đèn nhà xưởng, đèn diệndân dụng,

Một số loại đèn LED được sử dụng trong công nghiệp thường có khônggian chiếu sáng rộng, chịu được môi trường ẩm ướt, khói bụi, côn trùng…

Và thời gian chiếu sáng lâu, ổn định

Ngày nay, trong công nghiệp đèn led giúp tăng tốc độ tăng trưởng của cácgiống cây trồng, làm giảm số lượng nước bốc hơi từ cây trồng

Bên cạnh đó LED còn được ứng dụng trong y học để trị vàng da, lão hóa

Mặc dù không thể xác định chính xác ngày tháng khi phòng sạch đầu tiêntồn tại nhưng người ta biết rằng các bộ lọc HEPA đã được sử dụng khắpcác phòng sạch vào đầu những năm 1950 Một số người tin rằng phòngsạch có từ Thế chiến thứ nhất khi cần phải tách biệt khu vực làm việc đểgiảm lây nhiễm chéo giữa các khu vực sản xuất.

Bất kể chúng được thành lập khi nào, ô nhiễm vẫn là vấn đề và phòng sạch

là giải pháp Liên tục phát triển và thay đổi liên tục để cải thiện các dự án,nghiên cứu và sản xuất, phòng sạch như chúng ta biết ngày nay được côngnhận là có mức độ ô nhiễm và chất gây ô nhiễm thấp

- Phòng sạch hiện đại:

Phòng sạch quen thuộc ngày nay lần

đầu tiên được thiết lập bởi nhà vật lý

người Mỹ Wills Whitfield Trước khi

được ông tạo ra, phòng sạch bị ô

nhiễm do các hạt và luồng không khí

khó dự đoán khắp phòng Nhận thấy

vấn đề cần phải khắc phục, Whitfield

đã tạo ra các phòng sạch với luồng

không khí có độ lọc cao, liên tục, đây

là thứ được sử dụng trong các

phòng sạch ngày nay

Phòng sạch có thể có kích thước khác nhau và được sử dụng cho nhiềungành công nghiệp như nghiên cứu khoa học, công nghệ và sản xuất phầnmềm, hàng không vũ trụ và sản xuất dược phẩm Mặc dù “sự sạch sẽ” củaphòng sạch đã thay đổi qua nhiều năm nhưng mục đích của chúng vẫn luônnhư cũ Sự phát triển của phòng sạch sẽ tiếp tục khi ngày càng có nhiềunghiên cứu được thực hiện và cơ chế lọc không khí tiếp tục được cải thiện

Hình 2 2: Hình ảnh sinh viên ngành MS2 trải nghiệm phòng sạch tại

- Yếu tố cơ bản:

Các yếu tố cơ bản cần phải có đối với một phòng sạch Đó là: Nhiệt độ,

Độ ẩm, Áp suất, Độ sạch và Nhiễm chéo

Nhiệt độ, độ ẩm là các yếu tố

cần đảm bảo để khiến cho nhân

viên làm việc bên trong phòng

có sự thoải mái Hơn nữa có

những ứng dụng yêu cầu 2 yếu

tố này cần phải phù hợp

Áp suất, độ sạch và nhiễm chéo

có sự liên quan đến nhau vì áp

suất là yếu tố giúp tạo ra và duy trì độ sạch

và kiểm soát nhiễm chéo cũng giúp duy trì

độ sạch Phòng sạch cần có độ chênh áp so

với môi trường bên ngoài nó để tránh

không khí bên ngoài tràn vào gây nhiễm

bẩn, cũng như không khí bên trong tràn ra

bên ngoài (phòng áp lực âm) Nhiễm chéo

là yếu tố luôn được quan tâm khi duy trì độ

sạch, kiểm soát nhiễm chéo tốt là việc giảm thấp nhất các khả năng khôngkhí bên ngoài tràn vào phòng hay là không khí bên trong tràn ra môitrường bên ngoài Những yếu tố này chịu ảnh hưởng lớn từ việc thiết kế hệthống HVAC (hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí)

- Thước đo tiêu chuẩn: Có 3 tiêu chuẩn liên quan đến phòng sạch chúng tacần biết đó là Tiêu chuẩn Liên bang Hoa Kỳ FED STD 209E, Tiêu chuẩnquốc tế: ISO 14644-1 và Tiêu chuẩn GMP (GMP EU, GMP WHO, cGMP, )

Hình 2 4: Hệ thống sưởi ấm và thông gió trong nhà máy Hình 2 3 Mô hình luồng gió trong phòng sạch

Hình 2 5: Tiêu chuẩn ISO 14644 phân loại cấp độ sạch dựa trên số lượng

các hạt cho phép ở trên mỗi mét khối (m3) không khí

Hình 2 6: Tiêu chuẩn STD 209E phân loại cấp độ sạch theo số lượng các

hạt trên mỗi feet khối (ft3) không khí

Hình 2 7: Tiêu chuẩn GMP chia phòng sạch thành 4 cấp độ là A, B, C, D

C Ứng dụng của phòng sạch:

11

- Phòng sạch, với môi trường kiểm soát ô nhiễm cao, được sử dụng rộng rãitrong nhiều ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một sốứng dụng phổ biến của phòng sạch:

Ngành Công Nghiệp Bán Dẫn và Vi Điện Tử

Thí Nghiệm Khoa Học và Nghiên Cứu

Sản Xuất Vật Liệu Điện Tử và Quang Học

Các ứng dụng của phòng sạch đều liên quan đến yêu cầu cao về sự sạch

sẽ và kiểm soát ô nhiễm để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sảnphẩm cuối cùng

D Độ quan trọng của phòng sạch trong lĩnh vực vi mạch:

- Phòng sạch đóng một vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế và sản xuất

vi mạch (IC - Integrated Circuits) Điều này là do các vi mạch ngày càngtrở nên nhỏ gọn và nhạy cảm đối với ô nhiễm, và bất kỳ hạt bụi nào cũng

có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của chúng Dưới đây là một

số ứng dụng cụ thể của phòng sạch trong lĩnh vực thiết kế vi mạch:Sản Xuất Bán Dẫn và Quy Trình Làm Mỏng Lớp Mạch (CMP):

o Phòng sạch được sử dụng để chế biến các khu vực quan trọng trênwafer, nơi các lớp mỏng của vật liệu bán dẫn được áp dụng và được tạora

o Đảm bảo không khí sạch sẽ để tránh ô nhiễm bằng cách kiểm soát bụi

và hạt bụi

Quy Trình Photolithography:

o Trong quy trình photolithography, một lớp hình ảnh chính xác của mạchđược tạo ra trên wafer Bất kỳ hạt bụi hoặc ô nhiễm nào cũng có thể gây

ra lỗi trong quy trình này

o Phòng sạch đảm bảo không khí không chứa các hạt bụi, giúp duy trìchất lượng cao trong quy trình photolithography

o Các wafer được làm sạch trong môi trường siêu sạch để loại bỏ bụi vàtạp chất.

o Nước siêu sạch được sử dụng trong quá trình sản xuất để tránh tạo racác tạp chất có thể ảnh hưởng đến chất lượng của wafer và vi mạch.Kiểm Tra và Kiểm Soát Chất Lượng:

o Các phòng sạch cũng được sử dụng trong quá trình kiểm tra và kiểmsoát chất lượng vi mạch

o Đảm bảo rằng mọi sản phẩm đáp ứng các tiêu chuẩn về sạch sẽ vàkhông có tạp chất nào ảnh hưởng đến hiệu suất

Hình 2 8: Ánh sáng màu vàng (đỏ-xanh) là cần thiết cho quang khắcNghiên Cứu và Phát Triển Công Nghệ:

o Phòng sạch làm môi trường lý tưởng cho các hoạt động nghiên cứu vàphát triển trong lĩnh vực thiết kế vi mạch

o Bảo đảm môi trường không khí chất lượng cao để tiến hành thử nghiệm

và phát triển công nghệ mới

- Phòng sạch trong lĩnh vực thiết kế vi mạch đóng vai trò quan trọng trongviệc đảm bảo sự chính xác, độ tin cậy và hiệu suất của các sản phẩm điện

tử ngày càng nhỏ và phức tạp

TỬ

A Giới thiệu tổng quan

- Với sự phát triển của khoa học công nghệ, tính cấp thiết của thời đại màcàng ngày việc tận dụng máy móc, khoa học công nghệ vào trong đời sốngnhững yếu tố như vật liệu (Materials), cơ khí (mechanical), điện tử(electrical) hay khoa học máy tính (computing) được quan tâm nhiều hơn

13

cả Cùng với đó microelectronics được ứng dụng nhiều vào đời sống.Những thiết bị vi điện tử, chip bán dẫn, thiết bị vi cơ điện tử (MEMS) dầnđược quan tâm nghiên cứu một cách rộng rãi Trong những linh kiện điện

tử trên, MEMS được quan tâm nhiều hơn cả bởi tính ứng dụng cao trongcác thiết bị bán dẫn, vậy MEMS là gì?

- Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), là một công nghệ ở dạng tổng quát nhất

có thể được định nghĩa là các bộ phận cơ khí và cơ điện thu nhỏ (có thểhiểu là các thiết bị và cấu trúc) được chế tạo bằng kỹ thuật chế tạo vi mô.Kích thước vật lý của các thiết bị MEMS có thể dao động từ dưới 1 micron

ở đầu dưới của phổ chiều cho đến vài mm Tương tự như vậy, các loại thiết

bị MEMS có thể khác nhau, từ các cấu trúc tương đối đơn giản không cóphần tử chuyển động đến các hệ thống cơ điện cực kỳ phức tạp với nhiềuphần tử chuyển động dưới sự điều khiển của vi điện tử tích hợp Mục tiêuchính của MEMS là có ít nhất một số phần tử có chức năng cơ học nào đócho dù các phần tử này có thể di chuyển hay không

- Trong khi các phần tử chức năng của MEMS là các cấu trúc thu nhỏ, cảmbiến, bộ truyền động và vi điện tử, thì các phần tử đáng chú ý nhất là các vicảm biến và bộ vi dẫn động Cảm biến vi mô và bộ truyền động vi môđược phân loại là bộ chuyển đổi, được định nghĩa là các thiết bị chuyển đổinăng lượng từ dạng này sang dạng khác Trong trường hợp cảm biến vi

mô, thiết bị thường chuyển đổi tín hiệu cơ học đo được thành tín hiệu điện

Hình 3 1: Mô tả cấu trúc MEMS

- Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu và phát triển MEMS đã tạo

ra một số thiết bị truyền động vi mô bao gồm: van siêu nhỏ để kiểm soátdòng khí và chất lỏng; công tắc quang học và gương để chuyển hướnghoặc điều chỉnh chùm ánh sáng; mảng gương vi mô được kiểm soát độclập cho màn hình, bộ cộng hưởng vi mô cho một số ứng dụng khác nhau,

máy bơm vi mô để phát triển áp suất chất lỏng dương, cánh vi mô để điềuchỉnh luồng không khí trên cánh

máy bay, cũng như nhiều thứ khác

- Ứng dụng của MEMS bắt đầu phát

huy tác dụng khi tất cả các cảm biến,

bộ truyền động và cấu trúc thu nhỏ

này đều có thể được hợp nhất vào

một đế silicon chung cùng với các

mạch tích hợp (tức là vi điện tử) Trong khi các thiết bị điện tử được chếtạo bằng cách sử dụng các trình tự xử lý mạch tích hợp (IC) (ví dụ: các quytrình CMOS, Lưỡng cực hoặc BICMOS), thì các thành phần cơ khí vi môđược chế tạo bằng các quy trình "vi cơ khí" tương thích để khắc có chọnlọc các bộ phận của tấm bán dẫn silicon hoặc thêm các lớp cấu trúc mới đểtạo thành các thiết bị cơ khí và cơ điện Nếu MEMS có thể được tích hợpvới các công nghệ như vi điện tử, quang tử, công nghệ nano, … thì côngnghệ này còn có thể phát triển và đầy tiềm năng hơn nữa

- Khi các phương pháp chế tạo MEMS phát triển, cùng với đó mang lại sự tự

do cho thiết kế to lớn trong đó mọi loại vi cảm biến và bất kỳ loại bộ viđiều khiển nào đều có thể được hợp nhất với vi điện tử cũng như quang tử,công nghệ nano,…., trên một chất nền duy nhất

15

Hình 3 2Một micromotor được dẫn động bằng tĩnh điện được gia công bằng máy vi mô bề mặt do MNX chế tạo trên MEMS.

Hình 3 3: Một bộ cộng hưởng vi cơ bề mặt được chế tạo bởi MNX Thiết bị này có thể được sử dụng như một vi cảm biến cũng

như một thiết bị truyền động vi mô.

- Mặc dù MEMS và công nghệ nano đôi khi được xem như là những côngnghệ riêng biệt và riêng biệt dẫu vậy trên thực tế, sự khác biệt giữa haicông nghệ này không quá rõ ràng Thực tế còn cho thấy hai công nghệ nàyphụ thuộc rất nhiều vào nhau Nhưng điều quan trọng nhất là những lợi íchchung mà những công nghệ này mang lại, bao gồm: khả năng thông tintăng lên; thu nhỏ các hệ thống; vật liệu mới tạo ra từ khoa học mới ở quy

mô chiều thu nhỏ; và tăng cường chức năng và quyền tự chủ cho các hệthống

Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining): là một quá trình tạo

ra các cấu trúc trên bề mặt đế bằng cách lắng đọng màng mỏng và ănmòn chọn lọc

Phương pháp quang khắc và ăn mòn hóa học: bằng cách sử dụng bức

xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra hình ảnh cần tạo Cùng với đó là sự kết hợp của phương pháp ăn mòn hóa học (bao gồm ăn mòn đẳng hướng và dị hướng)

C Ứng dụng

- Cảm biến quán tính (Inertial sensor): Các loại cảm biến quán tính như cảmbiến gia tốc (Accelerometes) và Cảm biến con quay hồi chuyển(gyroscopes) được ứng dụng rộng rãi trong nghành hàng không, quân sự,

tự động hóa, car, hải quân

Hình 3 4: Hình ảnh mô tả phương pháp ăn ăn mòn hóa học và quang khắc

- MEMS trong ứng dụng quang (Optical): có hai ứng dụng chính là côngnghệ hiển thị (Display) và công nghệ chuyển mạch quang (Opticalswitching)

- -MEMS trong vô tuyến (Rdio Frequency communcication) như truyềnthông không dây (wireless), di động (cellular), radar, vệ tinh…

- -MEMS còn được ứng dụng trong khoa học về y họ, sinh học và sức khỏiđược gọi là BioMEMS, các thiết bị này nhỏ, nhiều chức năng dùng để theodõi và chuẩn đoán bệnh tật cho con người Các thiết bị theo dõi huyết áp,protein,gene

ĐIỆN TỬ

A Tổng quát về vật liệu từ:

- Đặc điểm: Vật liệu từ tính là những vật liệu có trật tự từ tính Có tính chấtsắt từ hoặc sắt từ và có giá trị ứng dụng thực tế Các vật liệu từ tính đượcđịnh nghĩa rộng rãi cũng bao gồm các vật liệu phản sắt từ và các vật liệu từtính yếu khác có giá trị ứng dụng thực tế… Trong những năm gần đây, nhucầu chung của ngành vật liệu từ tính đã tăng lên đều đặn Và sự phát triểnnhanh chóng các lĩnh vực ứng dụng hạ nguồn như lưu trữ quang học, nănglượng gió, phương tiện sử dụng năng lượng mới, robot, tự động hóa côngnghiệp và sạc không dây đã mang lại cơ hội phát triển cho ngành côngnghiệp vật liệu từ tính

- Các loại vật liệu từ:

Vật liệu từ có thể được tạo ra từ các hợp kim như NdFeB, MnBi,

Fe-Co, Alnico, … Có 3 loại vật liệu từ tính chính: ferromagnetic,paramagnetic, and diamagnetic

Diamagnets có độ thấm tương đối nhỏ hơn một một chút Paramagnets

có độ thấm tương đối lớn hơn 1 một chút Antiferromagnets có độ thấmtương đối gần như chính xác bằng 1 Ferromagnets và ferrimagnets có

độ thấm tương đối phi tuyến tính rất lớn

B Ứng dụng của vật liệu từ:

- Các vật liệu từ tính được sử dụng trong cảm biến từ:

Các cảm biến từ tính được thiết kế để phát hiện và đo lường các biến đổitrong từ trường, và chúng có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khácnhau như công nghiệp, y tế, điện tử, và ô tô

Các loại vật liệu từ tính thường được sử

dụng trong cảm biến từ bao gồm ferrite,

NdFeB (neodymium iron boron), SmCo

(samarium cobalt), và các hợp chất từ

tính khác

17

Hình 4 1: Ứng dụng trong cảm ứng hồng