CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN MEMS

CÔNG NGHỆ VÀ LINH KIỆN
CÔNG

NGHỆ

VÀ

LINH

KIỆN

MEMS
Một thế giới rộng mở và quyến rũ
(
An fascinating and openning world
)
(
An

fascinating

and

openning

world
)

HANOI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
INSTITUTE OF ENGINEERING PHYSICS

Dr. -Ing.
Trinh Quang Thong
Principal Researcher of MEMS Laboratory








101 - C10
Dai Co Viet Road No. 1
Hanoi - Vietnam
Tel : +84(0)4
8693350



Email:


Tel
.
:

+84(0)4

8693350
Fax: +84(0)4 8693498

Mobile: +84 (0)916081691

1
CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS
KẾ HOẠCH LÊN LỚP + ĐÁNH GIÁ
HANDOUT + GRADING
HANDOUT

+

GRADING
1. Dự giờ giảng (Lectures): 30 tiết/10%
2. Thực hiện báo cáo chuyên đề (Presentation): 12 - 15 tiết/20%
3.
Kiểmtra
(Midterm Exam)
:
1tiết/20%
3.
Kiểm

tra
(Midterm

Exam)
:

1

tiết/20%

4. Thi (Final Exam): 2 tiết/50%
2
À
CÔNG NGHỆ VÀ LINH KiỆN MEMS
T
À
I LIỆU/RESOURCES
1
.
Microsystem
Design
,
Ed
.
by
Stephen
D
.
Senturia,
Kluwer
Academic
1
.
Microsystem
Design
,
Ed
.
by
Stephen

D
.
Senturia,
Kluwer
Academic
Publisher, 2001, ISBN:0-306-47601-0.
2. Micro Electro Mechanical System Design, by Jame Allen, © 2005 by Taylor
&
Francis
Group
LLC
&
Francis
Group
,
LLC
.
3. Micro Mechanical Transducer - Pressure Sensors, Accelerometers and
Gyroscopes, by Min-Hang Bao, Elsevier 2000.
4. MEMS - Design and Fabrication, The MEMS handbook series ,Ed.by
Mohamed Gad-el-Hak, CRC Press,Taylor & Francis Group, 2006, ISBN:0-
8493-9138-5.
5. Fundamentals of Microfabrication, Marc. J. Madou, Second Ed., Publisher:
CRC Press, 2002, ISBN 0-8493-0826-7.
6
.
M
EM
S
Applications, The

M
EM
S
Handboo
k
series,E
d
.
b
yMohame
d
Ga
d
-
el-Hak, CRC Press – Taylor & Francis Group, 2006.
3
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
4
I. MỞ ĐẦU
1
.
1
.
Khái
niệm
MEMS/
What
is
MEMS?
1
.
1
.
Khái
niệm
MEMS/
What
is
MEMS?
1.2. Đặctrưng củaMEMS/Why MEMS?
1
3
Lị h
ử
hát

tiể
ủ
MEMS/
1
.
3
.
Lị
c
h
s
ử
p
hát
t
r
iể
nc
ủ
a
MEMS/
MEMS History
1.4. Phân loạivàỨng dụng củaMEMS/
MEMS Category and Applications
1.5. Th
ị
trườn
g
linh ki
ệ

nMEMS/MEMS Market
ị
g
ệ
1.6. Kếtluận/Conclusions
5
1.1. Khái niệm MEMS
•
M
icro : Kích thước các chi tiếtcấutrúc
M
icro

:

Kích

thước

các

chi

tiết

cấu

trúc
(pham vi μm)
•

E
lectro: Vai trò chứcnăng có tính điện/điệntử
E
lectro:

Vai

trò
,
chức

năng

có

tính

điện/điện

tử

• Mechanical : Vai trò, chức năng có tính cơ
(do nguồngốcbanđầu)
(do

nguồn

gốc

ban

đầu)
Hiện nay có thể là quang, hóa, sinh hóa
•
S
ystems: mộtcơ cấu hoàn chỉnh
•
S
ystems:

một

cơ

cấu

hoàn

chỉnh
(một hoặc nhiều thành phần)
6
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
Nguyên tử
Tế bào
Vi khuẩn
Cơ thể
(DNA)
Virus
Vi

khuẩn
Hạt bụi
Tóc
Cơ

thể

con người
Hệ vĩ môHệ vi mô
Hệ trung
gian
Công nghệ nano
7
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
Hệ cơ điện/điện tử vĩ mô (Macroelectromechanics)
8
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
Các tác phẩm
điêu khắcnhỏ so
điêu

khắc

nhỏ

so

sánh với hạt gạo
Các tác phẩm điêu khắc
nhỏ so sánh với kim khâu
nhỏ

so

sánh

với

kim

khâu
Tác phẩm điêu khắc nhỏ
so sánh với que diêm
9
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
10 m
1 m
10
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
0,1 m =100 mm
0,01 m = 10 mm
11
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
1 mm

0,1 mm = 100 μm
12
1.1. Khái niệm MEMS
Kích thước với MEMS
10 μm
1 μm
13
1.1. Khái niệm MEMS
h
h
kh
h
Kích thước với MEMS
T
h
un
h
ỏ
k
íc
h
t
h
ước các
linh kiện….
…Biếnnhững câu
chuyện khoa họcviễn
ở
(điề
khô

ở )
tư
ở
ng
(điều
khô
ng tư
ở
ng
)
thành hiệnthực
14
1.2. Đặc trưng của MEMS
) Môi trường đặcbiệt thu nhận thông tin và tác động trở lại
(Input/Output – I/O) vớithế giớivật lý bên ngoài
Thế giới Bộ chuyển đổi:
Vi xử lý,
khuếch đại,,
vật lý
íiệ ô iệ
í ệ ệ
cảm biến,
truyền động
bộ nhớ, bộ
điều khiển,
…
T
í
n h
iệ

u kh
ô
ng đ
iệ
n
T
í
n hi
ệ
u đi
ệ
n
ª Sensor: cảmnhận các tác động từ thế giớivật lý bên ngoài.
ª Actuator: Nhậnsự kích hoạt(drive)để truyền động (tạora
chuyển động) vớimộtcấutrúccơ hoặc quá trình bơmvàđiều
khiển
các
dòng
chất
lưu
(lỏng
khí)
hoặc
tạo
ra
các
phản
ứng
hóa
khiển

các
dòng
chất
lưu
(lỏng
,
khí)
hoặc
tạo
ra
các
phản
ứng
hóa
,
hóa-sinh…
15
1.2. Đặc trưng của MEMS
Li h
kiệ
MEMS
Vi
hệ
thố
Mảng chấp hành –
truyền động
(Actuator array)
Mảng cảm biến
(Sensor array)
)

Li
n
h
kiệ
n
MEMS
:
Vi
hệ
thố
ng…
(Actuator

array)
(Sensor

array)
Cảm biếnChấp hành – truyền động
Tiền khuếch đại (Preamp)
Bộ chuyển đổi ADC
Kích hoạt (Drive)
Bộ chuyển đổi DAC
Cá
p
tín hi
ệ
u n
ộ
i b
ộ

n
n
g)
Multiplex
p ệ ộ ộ
(Internal bus)
ử
lý thông ti
a
ta processi
n
RAM µP ROM I/O
Cáp tín hiệu ra bên ngoài
(External bus)
Kết nối theo chuẩn (Interface)
X
ử
(D
a
16
1.2. Đặc trưng của MEMS
Vi ử lý
Cảmbiến
Truyền động
) Linh kiệnMEMS:Vihệ thống…
Vi
x
ử

lý
Cảm

biến
Truyền

động
Out
In
Nhiệt
Nhiệt
Bộ nhớ
Nhiệt

Điện
Cơ
Quang
Nhiệt

Điện
Cơ
Quang
Hó
Đ
ế
Si-líc
Hóa
Sinh
Hó
a

Sinh
17
1.2. Đặc trưng của MEMS
Chấphành
–
truyền động
) SảnphẩmMEMS:Mộtthiếtbị hoàn chỉnh …
Chấp

hành

truyền

động

(Actuators)
Vi xử lý tích hợp
(Integrated Microprocessors)
Cảm biến
(S )
Ghép nối
(Interface)
(S
ensors
)
N ồ
N
gu
ồ
n

(Power supply)
Đóng vỏ
(Packaging)
18
1.2. Đặc trưng của MEMS
) SảnphẩmMEMS:Mộtthiếtbị hoàn chỉnh …
Ôtôsiêunhỏ DENSO do TOYOTA chế tạotheocôngnghệ
MEMS, bằng 1/1000 kích thướcthật (dài 4,8 mm), trang bịđộng
cơ là m
ộ
tmô-tơ kích thước0
,
67 mm
,
q
uấndâ
y
đồn
g
đườn
g
kính
ộ
,
,
q
y
g
g
18 µm, hoạt động theo nguyên lý điệntừ,sử dụng nguồn điện xoay

chiều3V/20 mA, khi chạycóthểđạttốc độ 600 rpm (∼ 5÷6 mm/s)
19
1.2. Đặc trưng của MEMS
• Kích thướcnhỏ và khốilượng nhẹ ⇒ tiệních
cho
các
ứng
dụng
cho
các
ứng
dụng
.
• Cho phép tích hợpvớicácmạch điệntổ hợp
(IC)
hoặc
các
cấ
trúc
khác
nha
⇒
đa
chức
(IC)
hoặc
các
cấ
u
trúc

khác
nha
u
⇒
đa
chức
năng.
ế
ẩ
• Ch
ế
tạohàngloạt ⇒ giảmgiáthànhsảnph
ẩ
m.
• Độ lặplại cao.
• Có thể là mộtlinhkiện đơnlẻ hoặclàmộtthiết
bị
hoàn
chỉnh
.
bị
hoàn
chỉnh
.
20
1.3. Lịch sử phát triển của MEMS
131
Thế kỷ 20
Thậpkỷ 50
1

.
3
.
1
.
Thế

kỷ

20
1954: Charles Smith tìm ra hiệu ứng Áp điệntrởởvậtliệu
bán dẫn (Silicon - Si và Germanium - Ge)
21
1.3. Lịch sử phát triển của MEMS
131
Thế kỷ 20
1958: Cảmbiến đobiếndạng (strain gauge - SG) trở
thành thương phẩm (hãng Honeywell)
1
.
3
.
1
.
Thế

kỷ

20
Đế mềm dẻo bằng

chất cách điện
Đ
ầu dâ
y

Phần
nhạy
Dâ điệ t ở ả h
y
điện trở
Phần

nhạy
biến dạng
Dâ
y
điệ
n
t
r
ở
m
ả
n
h
Kéo dãn
điện
trở tăng
điện
trở

tăng
Nén
điện trở giảm
Ứng dụng SG đo biến dạng
22
1.3. Lịch sử phát triển của MEMS
ế
 12/1959: Richard P. Feymann có bài thuyếttrìnhnổitiếng “Plenty
of
Room
at
the
Bottom
”
đề
cập
ý
tưởng
vi
chế
tạo
các
linh
kiện
và
1.3.1.Th
ế
kỷ 20
…As soon as I mention this, people tell me about

miniaturization, and how far it has progressed today. They
of
Room
at
the
Bottom
đề
cập
ý
tưởng
vi
chế
tạo
các
linh
kiện
và
thiếtbị …
tell me about electric motors that are the size of the nail on
your small finger. And there is a device on the market, they
tell me, by which you can write the Lord's Prayer on the
head of a pin. But that's nothing; that's the most primitive,
halting step in the direction I intend to discuss. It is a
staggeringly small world that is below. In the year 2000,
when they look back at this age, they will wonder why it
was not until the year 1960 that anybody began seriously to
move in this direction.
…Then I want to do something; but I can't do it at the present moment, because I haven't
prepared the ground. It is my intention to offer a prize of $1,000 to the first guy who can
take

the
information
on
the
page
of
a
book
and
put
it
on
an
area
1
/
25
000
smaller
in
linear
Richard P. Feynman
take
the
information
on
the
page
of
a

book
and
put
it
on
an
area
1
/
25
,
000
smaller
in
linear
scale in such manner that it can be read by an electron microscope…I do not expect that
such prizes will have to wait very long for claimants.
23
1.3. Lịch sử phát triển của MEMS
131
Thế kỷ 20
Thập kỷ 60

1962:
Công bố các nghiên cứuvề ănmònướt đẳng hướng vật
1
.
3
.
1

.
Thế

kỷ

20

1962:
Công

bố

các

nghiên

cứu

về

ăn

mòn

ướt

đẳng

hướng

vật

liệu si-líc trong qui trình chế tạo bóng bán dẫn (Transistor).
 1965: Ghi nhận các kết quả nghiên cứu về kỹ thuật tạo lớp hy
sinh (sacrificial layer) giữacáclớpcấutrúcđể chế tạo
 1967: Công bố các kết quả nghiên cứu về ăn mòn ướt dị hướng
(anisotropic etching) và ăn mòn dừng (etch-stop) vật liệu si-líc.
sinh

(sacrificial

layer)

giữa

các

lớp

cấu

trúc

để

chế

tạo
.
 1967: Ra đời công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining)

24
1.3. Lịch sử phát triển của MEMS
131
Thế kỷ 20
 1969: Lần đầu tiên, transistor bán dẫn FET được chế tạo theo
ôhệ MEMS
1
.
3
.
1
.
Thế

kỷ

20
c
ô
ng ng
hệ

MEMS
.
25