báo cáo tốt nghiệp tổng quan về MEMS

Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp Mục lục Tổng quan MEMS 1.1 Giới thiệu MEMS .2 1.2 Công nghệ gia công chế tạo MEMS .2 1.2.1 Gia công vi khối 1.2.2 Gia công vi bề mặt .3 1.2.3 Quá trình LIGA Sản phẩm ứng dụng MEMS SENSOR Phần dịch tài liệu a) Hiệu ứng tĩnh điện b) Cảm biến điện dung Kết luận 11 Tài liệu tham khảo 12 Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tổng quan MEMS 1.1 Giới thiệu MEMS Vào đầu kỉ XX thiết bị điện tử tích hợp với số lượng lớn, kích thước ngày nhỏ chức ngày nâng cao Điều mang lại biến đổi sâu sắc mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối năm 50 kỉ XX cách mạng hóa công nghệ micro diễn hứa hẹn tương lại cho tất nghành công nghiệp Hệ thống vi điện tử MEMS ( MicroElectroMechanical Systems) thuật ngữ dùng để hệ thống tích hợp thành phần điện tử khí có kích thước cỡ micromet Quá trình chế tạo MEMS tương tự q trình chế tạo mạch tích hợp (IC) với ưu điểm giảm chi phí gia cơng chế tạo hàng loạt.MEMS sử dụng ứng dụng từ công nghệ hiển thị hệ thống cảm biến thiêt bị mạng quang Microsensors gia tốc để phát tai nạn ô tô cảm biến áp lực cho ứng dụng y sinh micro-actuators cho di chuyển màng micro-mirrors hệ thống máy chiếu ví dụ điển hình cho ứng dụng thương mại MEMS HÌNH 1: Kích cỡ thiết bị MEMS so với nhện 1.2 Công nghệ gia công chế tạo MEMS Vi gia công Silicon yếu tố quan trọng cho tiến vượt bậc MEMS, bao gồm hai công nghệ: Gia công vi khối (cấu trúc khắc lên chất Silic) gia công vi bề mặt (các lớp vi hình thành từ lớp màng mỏng lắng đọng bề mặt) Bên cạnh q trình LIGA 3D sử dụng để chế tạo thiết bị hiển thị có tỉ số co cao chế tạo cấu trúc 3D MEMS Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp 1.2.1 Gia công vi khối Gia công vi khối công nghệ vi chế tạo silicon phổ biến Nó hình thành từ đầu năm 1960 sử dụng cho việc chế tạo nhiều vi cấu trúc khác nhau, đặc biệt thiết bị thương mại: hầu hết cảm biến lực, van 90% gia tốc kế silicon Gia công vi khối lấy phần thể tích phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi Thực chất dùng phương pháp hóa lý để ăn mòn tạo phiến lỗ, rãnh Kĩ thuật gia cơng vi khối phân thành: ăn mòn ướt ăn mòn khơ theo pha chất khắc ăn mòn Chất khắc ăn mòn thể lỏng phần lớn hóa chất dung dịch dạng nước dùng để ăn mòn ướt; chất ăn mòn thể plasma dùng để ăn mòn khơ HÌNH Ăn mòn ướt Silicon Wafer 1.2.2 Gia công vi bề mặt Gia công vi bề mặt không tạo khối silicon mà xây dựng kết cấu bề mặt cách làm lắng đọng màng lớp ăn mòn thay lớp cấu trúc sau loại bỏ dần lớp ăn mòn thay để lộ cấu trúc HÌNH Các bước quy trình gia cơng vi bề mặt Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp 1.2.3 Quá trình LIGA LIGA viết tắt Lithgraphie Galvanofruning and Abformung nghĩa khắc hình mạ điện làm khn Trong trình LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh lớp chất cảm thuộc loại Acrylic viết tắt PMMA Thông qua phần bị khoét thủng khuôn tia X chiếu vào lớp chất cảm theo diện tích định làm lớp chất cảm có tia X chiếu đến bị hòa tan Với lớp chất cảm dày tia X mạnh nên tia X có khả sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm chí hàng nghìn micromet nhờ sau nhúng vào dung dịch chỗ chất cảm bị hòa tan sâu, hình khắc thực cấu trúc 3D HÌNH Các bước q trình LIGA Sản phẩm ứng dụng MEMS Công nghệ MEMS cho phép xây dựng thiết bị công nghệ cao chip cảm biến cực nhỏ giống công nghệ sản xuất IC đem lại hiệu kinh tế vô to lớn.Các nhà khoa học viện nghiên cứu R$D tìm thấy khả vơ tận cơng nghệ MEMS, sử dụng để kích hoạt tất thiết bị điện tử tinh vi Một số ứng dụng cơng nghệ MEMS có giá trị thương mại: - Chế tạo đầu viết mực in phun phun dung môi hay loại giấy in Mực in phun dùng linh kiện áp điện Epson thương mại hoá; dùng nguyên tắc điện trở thương mại hoá HP, Canon, Lexmark - Gia tốc kế MEMS cảm nhận xe bị va chạm, xác định mức độ nghiêm trọng triển khai túi khí an tồn với kích cỡ tốc độ phù hợp Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp - Chip MEMS mirror ứng dụng vào phận chiếu hình TV Loại cơng nghệ truyển hình có khả cách mạng hóa cách thức xem phương tiện truyền thơng thị giác từ tăng lợi nhuận cho tất nghành liên quan kinh tế HÌNH Hệ thống túi khí an tồn có gắn sensor - Cơng nghệ MEMS sử dụng thành công công nghệ Switch quang học, micro-mirror xoay đổi hướng chiều laser viễn thông - Một ứng dụng quan trọng công nghệ vi điện tử cảm biến áp suất MEMS y học Như hệ thống chuyển thuốc vào thể, thuốc uống hấp thu 10% , ta bỏ phần tử thuốc nhỏ vào cell, từ máy bơm siêu vi bơm thuốc vào thể người qua lỗ chân lông, tăng hiệu sử dụng thuốc HÌNH Ứng dụng điển hình y học MEMS Kể từ MEMS khám phá công nghệ tương đối mới, hàng loạt ứng dụng nghiên cứu hàng nghìn ý tưởng đời ngày Dưới số sản phẩm MEMS giai đoạn phát triển: Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp - Bộ phận điều khiển trò chơi máy tính sử dụng cơng nghệ MEMS đem lại hi vọng nâng cao kĩ chơi cho game thủ Nó tương tự phận điều khiển cũ song tích hợp thêm cơng nghệ cảm biến chuyển động mô chuyển động thể bậc tự bàn tay - Con quay hồi chuyển MEMS lập trình kết hợp tính tùy chỉnh để quay tích hợp với thiết bị công nghiệp đem lại hiệu cao so với điều chỉnh thủ công - Microphones sử dụng cơng nghệ MEMS để điều chỉnh, không nhỏ gọn mà hiệu micro truyền thống Thậm chí có khả chịu nhiệt cao đem lại giá trị sử dụng lâu dài không bị nhiệt - Thiết bị đo huyết áp: Các siêu cảm biến đọc chi tiết nhỏ huyết áp bạn Và thiết bị MEMS có khả truyền thơng tin khơng dây nên cấy ghép người bệnh nhân để cung cấp thông tin liên tục 24/24 - Máy tạo dao động MEMS để thay thiết bị tạo dao động thạch anh Nó khơng nhỏ hiệu mà có khả tích hợp tốt với mạch điện tử Ứng dụng MEMS Việt Nam: Canon Inc mở nhà máy khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 Khu công nghiệp Quế Võ, Bắc Ninh sản xuất máy in phun với số vốn đầu tư gần 100 triệu USD, công suất 700.000 sản phẩm/tháng dành cho xuất doanh thu dự kiến 400 triệu USD/năm Một chi tiết quan trọng thiết bị máy in phận phun mực chế tạo công nghệ MEMS Trong ngành ô-tô: Honda với nhà máy Vĩnh Phúc,Toyota với nhà máy trung tâm Mê Linh khu công nghiệp Thăng Long hệ thống nhà máy vệ tinh nhiều địa phương, Ford với nhà máy hoàn chỉnh Hải Dương Một số lượng lớn chi tiết chế tạo công nghệ MEMS để lắp đặt xe ô tô gồm vi cảm biến áp suất cho hệ thống nhiên liệu thị áp suất lốp xe, gia tốc kế cho phận túi khí an tồn (airbag), vận tốc góc để cân xe cho thiết bị định vị xe lưu thông hệ thống giao thơng (navigations) Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp SENSOR Nhiều cấu vi cảm biến phát triển cho MEMS ứng dụng khác nhau.Có nhiều loại như: cảm biến hóa học, cảm biến quang, cảm biến sinh học, cảm biến nhiệt, cảm biến khí…Nhưng chúng thường tuân theo nguyên lí cảm biến giới thiệu đây: Piezoresistive Sensing: Cảm biến áp điện trở sử dụng hiệu ứng điện trở thay đổi có ngoại lực tác dụng; đo thơng số vật lí lực, áp lực, gia tốc tốc độ dòng chảy… Theo HÌNH điện trở đặt chất silicon, độ võng màng dẫn đến thay đổi kích thước điện trở dẫn, kết điện trở thay đổi hiệu ứng áp điện trở silicon R l   (1  2 )  R l  R thay đổi điện trở R,  hệ số Poat-xông, l độ thay đổi chiều dài l ban đầu điện trở  thay đổi điện trở suất  HÌNH Cấu trúc cảm biến áp điện trở Hiệu suất cảm biến áp điện trở dựa vào nhiệt độ áp lực tác dụng Độ nhạy cảm biến giảm nhiệt độ tăng, ứng suất dư tồn ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến Độ chuyển vị phi tuyến màng xuất chuyển vị chịu áp suất cao lớn hớn 10% độ dày màng Capacitive Sensing: Cảm biến điện dung sử dụng màng chịu biến dạng dẫn đến thay đổi điện dung để chuyển tín hiệu áp lực, lực thành tín hiệu điện; ví dụ thay đổi tần số dao động, thời gian, điện lượng điện áp Cảm biến điện dung sử dụng dể đo áp lực, lực, gia tốc, tốc độ dòng chảy, chuyển vị, xác đinh vị trí… Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp HÌNH Cấu trúc cảm biến điện dung Đối với cảm biến điện dung thay đổi điện dung khơng tuyến tính với biến dạng màng Các điện dung nhỏ cỡ 1-3pF yêu cầu mạch đo lường tích hợp chip Ưu điểm cảm biến điện dung so với cảm biến áp điện trở khả cho hiệu suất cao ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao, lực tác dụng nhỏ tính ổn định cao Piezoelectric Sensing: Cảm biến áp điện dựa hiệu ứng áp điện vật liêu áp điện Sự thay đổi điện tích tạo có lực tác dụng lên bề mặt màng áp điện Đối với đĩa áp điện bề dày t, điện áp V xuất tác dụng ứng suất T là: V=gtT ; đón g hệ số điện áp áp điện Cảm biến áp điện trở sử dụng phần lớn cảm biến đo áp suất, đo lực, vận tốc, gia tốc,hydrophone microphone… HÌNH Cầu trúc cảm biến áp điện Resonant Sensing: Cảm biến cộng hưởng dựa thực tế tần số cộng hưởng thiết bị cộng hưởng khác với ứng suất hay biến dạng phát sinh cấu trúc thiết bị cộng hưởng Trong loại thiết bị ứng suất gây áp lực lên mãng dẫn đến số riêng thiết bị cộng hưởng khác Bằng cách chọn nhiều tần số riêng của thiết bị cộng hưởng ta tính thơng số vật lí gây biến dạng Cảm biến cộng hưởng sử dụng để đo yêu cầu cảm biến phần triệu giây.Tuy nhiên yêu cầu cấu trúc cảm biến phức tạp Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp cảm biến áp điện trở, thiết bị đo cần đóng gói để bảo vệ khỏi tác động từ bên ngồi dung dịch lỏng Phần dịch tài liệu a) Hiệu ứng tĩnh điện Tồn lực điện hai cực tụ điện muốn cực di trượt di chuyển theo hướng pháp tuyến khoảng nhỏ x cần tác dụng lên lực pháp tuyến FN : A FN  � 20 V 2x Trong dấu cộng hay trừ tùy thuộc vào thành phần hệ thống, cung hay lấy lượng từ tụ để trì hiệu điện không đổi Để di chuyển cực di trượt khoảng nhỏ y theo phương tiếp tuyến cần tác dụng lực pháp tuyến FT : FT  b V 2d Lực không phụ thuộc vào khoảng cách di chuyển cực di trượt lực tác dụng khơng đổi quãng đường di chuyển hay thu nhỏ chiều dài tụ mà không thay đổi khoảng cách d0 b) Cảm biến điện dung Trong phần ta tập trung tìm hiểu sơ đồ đo hữu dụng sử dụng cảm biến điện dung Phương pháp sử dụng diode Giả sử điện dung biến tụ Cs Thông thường lượng biến thiên điện dung nhỏ giá trị Do để cảm biến cần so sánh với tụ tham chiếu có điện dung Cr gần với Cs Sơ đồ cảm biến diode [6] so sánh Cs Cr hình 4.24, D1-D4 diode có đặc tính Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp giống hệt nhau, hai tụ Cs tụ ghép nối có điện dung lớn so với Cs hay Cr Điện áp đầu Vout  2(VP  VF )(CS  CR ) CS  CR  2CP Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy 10 Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp Tài liệu tham khảo [1] Handbook of sensors and actuators M.H Bao [2] Sản phẩm MEMS thương mại hóa: http://nanogloss.com/mems/commercial-mems-products/ [3] Cơng nghệ vi gia cơng silicon: Ăn mòn ướt http://www.parallel-synthesis.com/SiliconMicrofabrication.htm [4] Cơng nghệ MEMS ? https://www.memsnet.org/mems/what-is.html [5] http://www.mems.sandia.gov/ Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy ... hình cho ứng dụng thương mại MEMS HÌNH 1: Kích cỡ thiết bị MEMS so với nhện 1.2 Công nghệ gia công chế tạo MEMS Vi gia công Silicon yếu tố quan trọng cho tiến vượt bậc MEMS, bao gồm hai công nghệ:...Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Tổng quan MEMS 1.1 Giới thiệu MEMS Vào đầu kỉ XX thiết bị điện tử tích hợp với số lượng lớn, kích thước ngày nhỏ... - Cơng nghệ MEMS sử dụng thành công công nghệ Switch quang học, micro-mirror xoay đổi hướng chiều laser viễn thơng - Một ứng dụng quan trọng công nghệ vi điện tử cảm biến áp suất MEMS y học Như