HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (VI HỆ THỐNG) docx

1
HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ
(VI HỆ THỐNG)
MICROSYSTEMS
MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS
MICROMACHINING
2
VI HỆ THỐNG
MEMS
Mộtthế giớirộng mở và quyếnrũ
(An fascinating and wide world)
3
VI HỆ THỐNG
Ý tưởng
sảnphẩm
cho một
ứng dụng
cụ thể
Mô hình hóa
Tính toán
mô phỏng
(tiên đoán
ứng xử và
đặctrưng)
Hoàn chỉnh
thiếtkế
Thiếtkế và
xây dựng qui
trình chế tạo
Thựchiện
chế tạo

Thử
nghiệm&
đánh giá
Thương
phẩm hóa
TiếntrìnhcủalinhkiệnMEMS từ ý tưởng đếnhiệnthực
4
III. Thiết kế trong MEMS
1. Mở đầu/
Introduction
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /
Scaling issues for MEMS
3. Mô hình hóa và mô phỏng/
Modeling and Simulation
4. Thiếtkế qui trình chế tạo/
Process integration
5. Kếtluận/
Conclusions
5
Vai trò và ý nghĩacủathiếtkế
1. Mở đầu
) Đáp ứng nhu cầuvàđánh giá tiềmnăng củathị trường
) Tác động củasảnphẩm đượcthiếtkế với quá trình phát triển
) Xem xét tính cạnh tranh củasảnphẩm đượcthiếtkế để tìm ra phương
án tối ưucả về khía cạnh hiệnthực hóa và đặc tính nổitrộinhất
) Sảnphẩmcókhả năng phù hợpvới
điềukiện công nghệ
) Khả năng sảnxuấthàngloạtvớisố lượng lớnvàgiáthànhhạ
) 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
Phân loạilinhkiệntheomụctiêuthiếtkế
Ý nghĩa
6
Động lựctiếntrìnhthiếtkế
1. Mở đầu
Đánh giá tính
cạnh tranh
Nhu cầu
thị trường
Ý tưởng
sáng tạo
Đánh giá
hoạt động
Thiếtkế
sảnphẩm
Khả năng
công nghệ
Khả năng
chế tạo
Mô hình hóa
và phân tích
7
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Linh kiện
Mô phỏng
Qui trình
Kỹ sư
thiếtkế

Tính lặplại
X
â
y
d
ự
n
g
m
ô
h
ì
n
h
K
i
ể
m
đ
ị
n
h
Hệ thống –tínhchất động
họccủahệ, đượcmôtả
bởicácphương trình vi
phân mộtbiến (ordinary
differential equations -
ODE) thông qua mô hình
khốitương đương (lumped
model).

Qui trình – qui trình chế tạovàthiếtkế MASK
Mô phỏng –Tìmứng xử củalinhkiện trong điềukiệnthực, tứclàthựchiệngiải
các phương trình vi phân (partial differential equations) để tìm nghiệm chính xác
(giải tích) hoặcgần đúng nhất (các pp giảis
ố như sai phân hữuhạn/finite
differential method – FDM, phầntử hữuhạn /finite element method - FEM).
hệ thống
8
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
9
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do
)
ĐL 2 Newton: trong hệ CĐ, gia tốc sinh ra khi có ngoạilựctácđộng,
F = ma ⇔ cấutrúcmềmdẻo(rầm – beam) có phầntử tạodaođộng (khối
gia trọng - m) ⇒ tạoraứng suấttrênbeam ⇒ nhậnbiếtbằng sự thay đổi
điệntrở củaápđiệntrở
Mô hình khốitương đương
(lumped-model
)
Mô tả toán họccủamôhình
(bài toán mộtchiều)
F
mdt
dx
m
b
x

m
k
dt
xd 1
2
2
+−−=
Thiếtkế mô hình tổng thể củahệ
10
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Thiếtkế mô hình linh kiện

Khối gia trọng
Thanh dầm
nhạy cơ
Thanh dầm
treo
Khung ngoài
a
z

a
x
a
y
X=1’

Z=3’

Y=2’

Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do
11
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Mô phỏng hoạt động củalinhkiện
Giảiphương trình:
F
dx
y
EI
dt
y
m =
∂
+
∂
4
4
2
2
Điềukiệnbiên: y(0) = 0; y’(0) = 0;
y(L) = 0; y’(L) = 0
Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do
12
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Thiếtkế MASK

MASK 1
MASK 2
MASK 3
MASK 4
MASK 5
MASK 6
Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do
13
Các cấp độ xây dựng mô hình
1. Mở đầu
Thiếtkế qui trình chế tạo

Si
Buried SiO
2

SiO
2

Boron doping layer
Al
1
2
5

4
9
10
3
6
7
8
MASK 1
MASK 2
MASK 3
MASK 4
MASK 5
MASK 6
Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do
14
III. Thiết kế trong MEMS
1. Mở đầu/
Introduction
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước /
Scaling
i
ssues for MEMS design
3. Mô hình hóa và mô phỏng/
Modelling and Simulation
4. Thiếtkế qui trình chế tạo/
Process integration
5. Kếtluận/
Conclusions
15
2. Thu nhỏ kích thước trong thiết kế

Kích thướccủahệ vậtlý
16
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
Kích thướccủahệ vậtlý
Hệ số thu nhỏ độ dài hình học: cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của
hiệu ứng thu nhỏ kích thướcvớihệ vi mô
Xét độ dài X
0
đượcthunhỏ xuống X
S
theo tỉ lệ (hệ số thu nhỏ) S
(0 < S ≤ 1), tứclà:
X
S
= S.X
0
) Diện tích:
A
S
= X
S
.Y
S
= S
2
.X
0
.Y
0
= S

2
.A
0
) Thể tích:
V
S
= X
S
.Y
S
.Z
S
= S
3
.X
0
.Y
0
.Z
0
= S
3
.V
0
Hệ số thu nhỏ độ dài = 10
-3
⇒ thể tích và khốilượng giảm10
-9
lần
Thu nhỏ kích thướcvàhìnhhọc

17
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàhìnhhọc
0
0
1
V
A
SV
A
S
S
=
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
Xét tỉ số:
Khi kích thướcbị
thu nhỏ ⇒ A/S
tăng ⇔ hiệu ứng
vậtlýliênquantỉ
số A/S sẽ khác với
hệ vĩ mô.
18
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàtínhchấtcơ học
Hệ sốđàn hồi-Độ cứng (stiffness)
Xét biếndạng của lò xo (phầntử đàn hồi)
dướitácdụng của ngoạilựcF, có:
)(
ij
uukkF −=Δ=

Theo ĐL 3 Newton có cân bằng lựctại2 vị trí
của chuyểndời – nút (node) i và j, tứclà:
T
u
y
ế
n
t
í
n
h
P
h
i

tu
y
ế
n
jiiji
kukuuukFf −=−−=−= )(
jiijj
kukuuukFf +−=−== )(
Hay:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧

=
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
j
i
j
i
f
f
u
u
kk
kk
⇔
Fku =
⇒
u
F

k =
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
19
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàtínhchấtcơ học
Hệ sốđàn hồi-Độ cứng (stiffness)
Trường hợp beam bị uốn cong (bending):
S
L
Ewt
L
EI
k ∝∝∝
3
3
w
t
F
L
F
dy
y
x
z
o
T = k
φ
.
φ
 Trường hợp beam bị xoắn (torsion) :

3
4
0
4
)(
S
L
Sd
L
d
L
KJT
k ∝∝∝==
φ
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
(k
φ
hệ số đàn hồixoắn,
φ
là góc xoắncủadầm)
⇒
) Độ cứng beam giảmtương ứng vớihệ số
thu nhỏ kích thước
) Beam chịu đượclựcxoắnlớnhơn nhiềulầnso vớihệ vĩ mô
20
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàtínhchấtcơ học
Tầnsố dao động riêng
Đốivớihệ dao động cơ, có:
SS

S
M
k
M
k
f
1
2
1
3
=∝∝=
π
) S càng nhỏ (giảmkíchthướcnhiều) ⇒ f càng lớn
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
) Cấutrúccơ củalinhkiệnMEMS chịu đựng tác động cơ học
lớnhơnnhiềulầnso vớihệ vĩ mô
21
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàcácquátrìnhnhiệt
Truyềnnhiệt
ĐốilưunhiệtBứcxạ nhiệt
2
S
TKA
x
T
KAq
∝
∇=
∂

∂
=
2
)(
S
TThAq
w
∝
−=
∞
24
4
2
4
1
)(
SAT
TTAq
∝∝
−=
σ
σ
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
Kích thước thu nhỏ ⇒ các hiệntượng nhiệttăng mạnh
T
W
22
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàchấtlưu
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước

Cơ họcchấtlưu được đặctrưng bởi3 hằng số: số Reynold, Knudsen và Webe
 Hằng số Reynold (Re): chỉ số chế độ dòng chảytheolớp (laminar) hoặc
cuộn xoáy (turbulent ) xác định bằng tỉ số củalực quán tính và độ nhớt
Độ nhớtchiếm ưuthế
Laminar
(Re < 2000)
Phụ thuộc độ nhám
bề mặt dòng chảy
Vùng chuyểntiếp
(2000<Re < 4000)
Lực quán tính chiếm ưu
thế
Turbulent
(Re > 4000)
S
vL
Re ∝
μ
ρ
=
Kích thước thu nhỏ ⇒ Re Ì ⇔ trong linh kiệnMEMS độ nhớtchiếm ưuthế
Có:
23
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàchấtlưu
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
 Hằng số Knudsen (Kn): thước đo dòng chảychất khí xác định bằng
tỉ số của quãng đường tự do TB phân tử khí (
λ
) và độ dài đặctrưng

(L)
Kn < 0,01: liên tục
0,01 < Kn < 0,1: trượt
0,1 < Kn < 10: chuyểntiếp
Kn > 10: Phân tử tự do
L
nK
λ
=
) Linh kiệnMEMS:
λ
~ 0,1 và L ~ 2μm ⇒ Kn ~ 0,05: dòng khí trượt
trong cấutrúc
 Hằng số Webe (We): chỉ số về sự tăng ảnh hưởng củasứccăng bề
mặt khi kích thướccủahệ giảm, xác định bằng tỉ số củalực quán tính
và sứccăng bề mặt
S
Lv
We ∝
σ
ρ
=
2
24
Kích thướccủahệ vậtlý
Thu nhỏ kích thướcvàphầntử mạch điện
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
Điệntrở
Tụ điện
Cuộncảm

SA
L
R
1
∝ρ=
S
l
AN
L ∝
μ
=
2
S
g
A
C ∝
ε
=
Kích thước thu nhỏ
⇒ R Ê
Kích thước thu nhỏ
⇒ C và L Ì
2
2
0
1
2
1
S
Ew

E
∝ε=
0
2
0
2
1
S
B
w
H
∝
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
μ
=
Năng lượng điện
trường
Năng lượng từ trường
Kích thước thu nhỏ ⇒ w
E
Ê
Kích thước thu nhỏ ⇒ w
E

Ê
25
Tính toán
2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước
⇒ sai số tính toán như giớihạn chính xác của các dãy số kếtquả
(truncation error) và giớihạn chính xác của phép tính (round-off error)
khi giảiphương trình
Đơnvị:
Đạilượng MKS Hệ số nhân
μMKS
Độ dài M 10
6
μM
Lực N 10
6
μN
Thờigian s 1 s
Khốilượng Kg 1 Kg
Áp suất (ƯS) N/M
2
10
-6
μN/μM
2
Khốilượng riêng Kg/M
3
10
-18
Kg/μM
3

Điệntích C 10
12
pC
Cường độ dòng A 10
12
pA
Thế V 1 V