Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng chế tạo hệ vi cơ – điện cảm biến áp suất (mems)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN VĂN TOÀN


LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CHẾ
TẠO HỆ VI CƠ – ĐIỆN CẢM BIẾN ÁP SUẤT
(MEMS)



Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT
Mã số: 60.44.03.2


Cán bộ hướng Khoa học:

1. TS. ĐINH SƠN THẠCH
2. TS. NGUYỄN VĂN HIẾU


TP. HCM, tháng 11 năm 2009
LỜI CẢM ƠN
Để có được thành quả như ngày hôm nay:
Lời cảm ơn đầu tiên con xin gửi đến Cha mẹ và những người thân trong gia đình đã
động viên và khích lệ con để cho con có thể vượt qua nhiều khó khăn và thử thách
trong suốt khoảng thời gian qua.
Tôi chân thành cảm ơn đến Thầy TS. Đinh Sơn Thạch và TS. Nguyễn Văn Hiếu đã
hướng dẫn tận tình và chia sẻ trong những khó khăn trong suốt thời gian qua. Sự cởi
mở và gần gũi của các Thầy giúp tôi thêm tự tin hơn trong trao đổi giải quyết những
vấn đề khó khăn.
Tôi chân xin cảm ơn đến nhóm MEMS tại Bộ môn Vật lý Điện Tử, Khoa Vật Lý,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và nhóm Chế tạo tại Trung tâm Thiết kế Vi mạch
ICDREC, Đại học Quốc gia Tp.HCM đã có những trao đổi và lời khuyên quí giá trong
quá trình thực hiện luận văn.
Xin cảm ơn Ban chủ nhiệm cao học Điện Tử Kỹ Thuật khóa 17, Quý Thầy cô giảng
dạy các môn học, quý đồng nghiệp bộ môn Vật lý Điện tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại
học Khoa Học Tự Nhiên và các bạn học viên cao học khóa 17 đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi hoàn tôt luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!
Tp.HCM, ngày tháng 12 năm 2009

Nguyễn Văn Toàn


-i-

-i-
MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ Trang
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
LỜI MỞ ĐẦU
Chương 1 - GIỚI THIỆU
1.1. Tình hình nghiên cứu Hệ vi cơ – điện (MEMS) trong và ngoài nước
nói chung và lĩnh vực đề tài nói riêng
1.1.1. Ngoài nước
1.1.2. Trong nước
1.2. Tổng quan MEMS và một số ứng dụng
1.2.1. Giới thiệu tổng quan MEMS
1.2.2. Lịch sử MEMS
1.2.3. Một số ứng dụng
1.3. Phòng sạch và một số thiết bị phòng sạch
1.3.1. Giới thiệu phòng sạch
1.3.2. Tiêu chuẩn phòng sạch
1.3.3. Một số thiết bị trong phòng sạch
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
1.4.1. Mục tiêu
1.4.2. Nhiệm vụ


-ii-
Chương 2 - MỘT SỐ CÔNG ĐOẠN CHẾ TẠO VÀ KỸ THUẬT MEMS

2.1. Một số công đoạn chế tạo
2.1.1. Vật liệu và cấu trúc tinh thể màng
2.1.1.1. Cấu trúc tinh thể
2.1.1.2. Chế tạo vật liệu bán dẫn
2.1.1.3. Chế tạo màng mỏng
2.1.1.4. Xác định trục tinh thể
2.1.1.5. Một số tính chất của vật liệu
2.1.2. Lắng đọng bốc bay vật lý (PVD)
2.1.2.1. Phương pháp bốc bay
2.1.2.2. Phương pháp phún xạ
2.1.3. Lắng đọng bốc bay hóa học
2.1.4. Công đoạn khắc
2.1.4.1. Khắc ướt
2.1.4.2. Khắc Plasma
2.1.5. Kỹ thuật quang khắc
2.2. Kỹ thuật MEMS
2.2.1. Vi cơ khối
2.2.1.1. Ăn mòn ướt
2.2.1.2. Ăn mòn khô
2.2.2. Vi cơ bề mặt
2.2.3. LIGA



-iii-
Chương 3 - GIỚI THIỆU CẢM BIẾN ÁP SUẤT
3.1. Giới thiệu
3.2. Một số ứng dụng của cảm biến áp suất
3.3. Phân loại cảm biến áp suất
3.3.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ

3.3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng
3.3.3. Cảm biến áp suất áp điện
3.3.3. Cảm biến áp suất áp trở
3.3.3.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại
3.3.3.2. Cấu tạo
Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO CẢM BIẾN
ÁP SUẤT LOẠI ÁP TRỞ
4.1. Thiết kế mô hình
4.1.1. Các thông số cần quan tâm
4.1.2. Sự ảnh hưởng bởi hình dạng màng
4.1.3. Sự ảnh hưởng bởi áp trở
4.1.3.1. Ứng suất và sức căng
4.1.3.2. Sự thay đổi trong điện trở
4.1.3.3. Hiệu ứng áp trở trong vật liệu Silic
4.1.3.4. Cách phân bố áp trở trên màng
4.1.3.5. Mạch cầu Wheatstone
4.1.4. Tính toán thông số cho mô hình cảm biến với thông số quan tâm



-iv-
4.1.4.1. Xác định thông số màng
4.1.4.1. Xác định thông số áp trở
4.2. Qui trình chế tạo
4.2.1. Qui trình chế tạo
4.2.2. Thiết kế mặt nạ - MASK
Chương 5 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
5.1. Mô phỏng thuộc tính cảm biến
5.1.1. Mô phỏng thuộc tính cơ
5.1.1.1. Giới thiệu và đánh giá phần mềm mô phỏng

5.1.1.2. Phân tích độ uốn cong của màng và xét sự thay đổi của
các yếu tố
5.1.1.3. Phân tích tần số cộng hưởng của màng
5.1.2. Mô phỏng đặc tính điện
5.1.2.1. Xét ảnh hưởng của việc chia lưới
5.1.2.2. Xét ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với điện thế ngõ ra
5.1.2.3. Xét phân bố áp trở trên màng
5.1.2.4. Mối quan hệ giữa áp suất và điện thế ngõ ra
5.1.2.5. Xét ảnh hưởng của áp trở
5.1.2.6. Đánh giá ảnh hưởng bởi điện thế nguồn nuôi
5.1.3. Mô phỏng đặc tính nhiệt
5.2. Mô phỏng chế tạo cảm biến
5.2.1. Chi tiết hóa qui trình chế tạo
5.2.2. Thiết kế mặt nạ cho đơn cảm biến


-v-
5.2.3. Một số kế quả mô phỏng chế tạo bằng phần mềm Intellisuite
5.2.4. Đề suất bộ mặt nạ cho wafer 4 inch
Chương 6 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
6.2. Kiến nghị
DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

-vi-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1
APCVD
Atmospheric pressure CVD CVD ở áp suất không khí
2
CVD
Chemical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi hóa học
3
D-RIE
Deep Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng ion sâu
4
EDP
Ethylene Diamine
Pyrocatechol
Ê-ti-len Điamin Pyrocatechol

5
EUV
Extreme UltraViolet Tia tử ngoại cực ngắn
6
FEM
Finite Element Method Phương pháp phần tử hữa hạn
7
IC
Intergrated Circuit Mạch tích hợp
8
LPCVD
Low Pressure Chemical
Vapor Deposition
Lắng đọng bay hơi hóa học áp
suất thấp
9
MOSFET
Metal-Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor
Transistor hiệu ứng trường kim
loại-ôxít-bán dẫn
10
MEMS
Micro Electro Mechanical
System
Hệ thống vi cơ điện tử
11
PECVD
Plasma Enhanced CVD Plasma tăng cường
12

PVD
Physical Vapor Deposition Lắng đọng bay hơi vật lý.
13
PZR
PiezoResistive Áp trở
14
RF
Radio Frequency Tần số vô tuyến
15
RIE
Reactive Ion Etching Ăn mòn phản ứng Ion
16
SOI
Silicon On Isulator Silic trên chất cách li.
17
TMAH
Tetramethyl Ammonium
Hydroxide
Amôni hiđrôxit Têtramêthy
18
UV
UltraViolet Tia tử ngoại
19
SHTP
Saigon Hi-Tech Park Khu công nghệ cao Tp.HCM


-vii-

HEPA

High Efficiency Particulate
Air
Máy lọc không khí hiệu quả cao

ULPA
Ultra Low Penetration Air
Máy lọc tạp chất không khí ở
bậc thấp

ISO
International Organization
for Standardization
Tổ chức Tiêu chuẩn hóa quốc tế


-viii-
DANH MỤC BẢNG
TT Chú thích Trang
01
Bảng 2.2. Nhiệt độ tan chảy đối với các vật liệu khác nhau và dải
nhiệt độ cần thiết cho nhiệt độ để tồn tại áp suất bay hơi ở 10
-3
torr.

02 Bảng 2.4. Hệ thống vật liệu của Kỹ thuật vi cơ bề mặt.
03
Bảng 3.1. Đánh giá các loại cảm biến.

04 Bảng 4.1. Bảng tỉ số a/b cho màng hình chữ nhật.
05

Bảng 4.2. Hệ số áp trở cho vật liệu đơn tinh thể Silicon tại nhiệt độ
phòng hướng <100>.

06
Bảng 4.3. Trình bày các hệ số áp trở song song và vuông góc đối
với một số hướng quan trọng trong đơn tinh thể Silic.

07
Bảng 4.4. Các thông số thiết kế cho cảm biến sử dụng màng vuông
để thỏa (*).

08
Bảng 5.1. Bảng so sánh một số chức năng cơ bản của các phần
mềm.

09
Bảng 5.2. So sánh giá trị tần số cộng hưởng lý thuyết và mô phỏng
của màng vuông.

10
Bảng 5.3. So sánh độ nhạy khi thay đổi nồng độ pha tạp.

11 Bảng 5.4. So sánh độ nhạy khi thay đổi độ dài của áp trở.
12
Bảng 5.5. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều rộng của áp trở.

13
Bảng 5.6. So sánh độ nhạy khi thay đổi chiều sâu của áp trở.

14 Bảng 5.7. So sánh cảm biến thiết kế và cảm biến MPX10.

-ix-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
TT Chú thích Trang
01
Hình 1.1. Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh vực MEMS từ 2004
đến 2007.

02 Hình 1.2. Hệ thống vi cơ điện (MEMS).
03 Hình 1.3. Một số ứng dụng của MEMS trong công nghiệp ô tô.
04 Hình 1.4. MEMS trong màn hình.
05 Hình 1.5. MEMS trong đầu phun mực in
06 Hình 1.6. MEMS trong hệ thống truyền quang.
07 Hình 1.7. MEMS trong hệ thống viễn thông.
08 Hình 1.8. MEMS trong lĩnh vực y sinh.
09 Hình 1.9. Một số thiết bị trong phòng sạch.
10 Hình 2.1. Tổng hợp các loại cấu trúc tinh thể của vật liệu.
11
Hình 2.2. Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng tia X của một tinh
thể TmCoIn
5
(a): Ảnh bề mặt tinh thể phân tích và (b): Phổ tán sắc
năng lượng tia X.

12 Hình 2.3. Sơ đồ buồng PVD.
13 Hình 2.4. Các dạng phủ đặc trưng .
14 Hình 2.5. Thiết bị Phún xạ tại SHTP
15 Hình 2.6. Sơ đồ buồng phản ứng CVD.

16 Hình 2.7. Thiết bị PECVD tại SHTP.
17 Hình 2.8. Quá trình khắc ướt.
18 Hình 2.9. Sơ đồ buồng chân không.
19 Hình 2.10. Thiết bị DRIE tại SHTP.
20 Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống quang khắc.
21 Hình 2.12. Thiết bị Mask Aligner tại SHTP.


-x-
22
Hình 2.13. Vi cơ khối silicon. a) ăn mòn đẳng hướng, b) ăn mòn bất
đẳng hướng, c) ăn mòn bất đẳng hướng với lớp dừng ăn mòn.

23 Hình 2.14. Tiến trình vi cơ bề mặt.
24 Hình 2.15. Công nghệ LIGA.
25
Hình 3.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ.

26
Hình 3.2. Cảm biến áp suất cộng hưởng.

27
Hình 3.3. Các loại cảm biến áp suất kiểu áp trở.

28
Hình 3.4. Mặt cắt ngang và cách bố trí áp trở trên màng cảm biến.

29 Hình 4.1. Sơ đồ ứng dụng mô hình cảm biến áp suất thiết kế.
30 Hình 4.2. Màng hình tròn.
31 Hình 4.3. Màng hình chữ nhật.

32
Hình 4.4. Hình khối vật liệu (L, W, H,
ρ
).

33
Hình 4.5. Mô tả các thành phần ứng suất thẳng góc và ứng suất
trượt.

34
Hình 4.6. Sơ đồ biểu diễn các hệ số áp trở song song và vuông góc.

35 Hình 4.7. Các góc Euler trong phép biến đổi các trục tọa độ Đề-các.
36
Hình 4.8. Sự phụ thuộc của các hệ số áp trở song song và vuông góc
vào sự định hướng tinh thể trong mặt phẳng (100) – (a). Silic loại p;
(b). Silic loại n.

37 Hình 4.9. Phân bố ứng suất trên màng.
38 Hình 4.10. Mạch cầu Wheatstone.
39 Hình 4.11. Hệ số P(N,T) theo độ pha tạp và nhiệt độ của p-Si.
40 Hình 4.12. Qui trình thiết kế MEMS.
41
Hình 4.13. Sơ đồ qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở.



-xi-
42
Hình 4.14. Một số dạng hình học nên và không nên sử dụng trong

thiết kế mặt nạ.

43
Hình 4.15. Tính toán bù trừ cho lớp dưới của quá trình khắc đẳng
hướng.

44 Hình 4.16. Mô hình thiết kế bộ MASK dự kiến.
45 Hình 5.1. Một số Module của phần mềm Intellisuite.
46 Hình 5.2. Một số Module của phần mềm CoventorWare.
47 Hình 5.3. Một số công cụ của ANSYS.
48
Hình 5.4. Độ biến dạng của màng được phóng lớn 10
4

lần –
CoventorWare.

49 Hình 5.5. Độ biến dạng của màng – ANSYS.
50 Hình 5.6. Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng của màng.
51
Hình 5.7. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi độ
dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng vuông.

52
Hình 5.8. Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <110>
theo trục xx.

53
Hình 5.9. Phân bố ứng suất trên bề mặt màng (100) hướng <100>
theo trục xx.

54 Hình 5.10. Sự phân bố ứng suất trên bề mặt màng <110>.
55 Hình 5.11. Phân bố theo Von Mises.
56
Hình 5.12. Ứng suất phân bố theo Von Mises.

57
Hinh 5.13. Mối quan hệ giữa áp suất và ứng suất cực đại tại tâm các
cạnh màng.

58 Hinh 5.14. Phân bố ứng suất trượt.
59
Hình 5.15. Mối quan hệ áp suất và độ biến dạng (P- D) xét tại màng
1000 x 15
μ
m và quan sát được tăng lên 100 lần.



-xii-
60
Hình 5.16. Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng tối đa bề mặt.

61 Hình 5.17. Ứng suất phân bố theo phân bố Von Mises.
62
Hình 5.18. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước hoặc thay
đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng tròn.

63
Hình 5.19. Mối quan hệ giữa áp suất và độ biến dạng tối đa của

màng chữ nhật.

64
Hình 5.20. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước hoặc thay
đổi độ dày của màng với độ biến dạng tại tâm màng chữ nhật.

65 Hình 5.21. Sự phân bố ứng suất theo hướng xx và yy.
66 Hình 5.22. Đồ thị biên độ (a) và pha (b) của màng vuông.
67 Hình 5.23. Sơ đồ thuật giải trong ANSYS.
68
Hình 5.24. Mối quan hệ giữa điện áp ngõ ra và áp suất với mật độ
chia lưới khác nhau.

69
Hình 5.25. Ảnh hưởng của tỉ số L/H đối với đáp ứng ngõ ra của cảm
biến.

70
Hình 5.26. Một số kiểu bố trí áp trở trên màng vuông.

71
Hình 5.27. Mối quan hệ áp suất và điện thế ngõ ra đối với các kiểu
bố trí điện trở khác nhau.

72
Hình 5.28. Sự tương quan của việc thay đổi kích thước và thay đổi
độ dày của màng vuông đối với đáp ứng điện thế ngõ ra.

73 Hình 5.29. Ảnh hưởng của yếu tố nồng độ.
74 Hình 5.30 . Ảnh hưởng của yếu tố chiều dài.

75 Hình 5.31. Ảnh hưởng của yếu tố chiều rộng.
76 Hình 5.32. Ảnh hưởng của yếu tố chiều sâu.
78 Hình 5.33. Mô hình cải tiến - áp trở dạng U.
79
Hình 5.34. Ảnh hưởng bởi thế nguồn nuôi.



-xiii-
80
Hình 5.35. Sự ảnh hưởng của nhiệt lên điện thế offset.

81
Hình 5.36. Sự ảnh hưởng của nhiệt lên điện thế ngõ ra tại áp suất là
10Kpa.

82
Hình 5.37. Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp ứng ngõ ra của cảm biến
thiết kế.

83
Hình 5.38. Ảnh hưởng của nhiệt lên đáp ứng ngõ ra của cảm biến
MPX10.

84
Hình 5.39. Chi tiết qui trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở.

85
Hình 5.40. Bộ mặt nạ cho đơn cảm biến áp suất áp trở.

86
Hình 5.41. Các bước mô phỏng chế tạo sử dụng phần mềm
Intellisuite.

87
Hình 5.42. Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm Intellisuite.

88 Hình 5.43. Bộ mask đề suất cho wafer 4 inch.







LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), việc
phát minh ra các linh kiện mới có kích thước vô cùng nhỏ với tính năng ứng dụng cao
đã trỏ thành một xu thế tất yếu của công nghệ điện tử hiện đại. Các linh kiện đã được
tích hợp theo quy trình sản xuất theo công nghệ cao góp phần thu gọn các sản phẩm
điện tử. Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và vẫn đang
được được đầu tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào việc
phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó. Trong “Chiến lược phát
triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010”đã đưa ra một số hướng cơ điện
tử mới, có triển vọng, đó là: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS).
Việc nghiên cứu MEMS cảm biến áp suất loại áp trở được thực hiện bằng thiết kế
mô hình với thông số cụ thể cho một ứng dụng cụ thể. Ngoài việc mô phỏng đặc tính
của mô hình với thông số đề ra, tác giả đồng thời cũng nghiên cứu đề suất qui trình chế
tạo và mô phỏng quá trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở.
Nội dung của luận văn được trình bày tóm lược thành các phần như sau:

Chương 1: Tìm hiểu tình hình nghiên cứu MEMS trong và ngoài nước nói chung
và lĩnh vực đề tài nói riêng, tổng quan về MEMS, mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài.
Chương 2: Giới thiệu về một số công đoạn chế tạo và kỹ thuật MEMS
Chương 3: Giới thiệu và phân loại về các loại cảm biến áp suất được chế tạo theo
công nghệ MEMS
Chương 4: Xây dựng mô hình và qui trình chế tạo cảm biến áp suất loại áp trở
Chương 5: Mô phỏng đặc tính cảm biến - cơ, nhiệt và điện. Đồng thời mô phỏng
chế tạo và đề suất bộ mặt nạ cho quá trình chế tạo thử nghiệm tại phòng sạch.
Chương 6: Kết luận và kiến nghị.
Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và
các bạn cho việc nghiên cứu và phát triển đề tài được hoàn thiện hơn.

-i-
1

Chương 1 - GIỚI THIỆU
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HỆ VI CƠ - ĐIỆN (MEMS) TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC NÓI CHUNG VÀ LĨNH VỰC ĐỀ TÀI NÓI RIÊNG
1.1.1. Ngoài nước
Năm 1939, nhà bác học W. Schottky đã phát minh ra bán dẫn mối nối P-N đầu
tiên, điều này đã mở ra một chân trời mới cho một ngành công nghiệp vi cơ điện tử
(MEMS - MicroElectro-Mechanical Systems) đầy non trẻ nhưng hứa hẹn rất tiềm năng.
Trải qua nhiều giai đoạn phát triển, đến nay ngành công nghiệp vi cơ - điện (MEMS)
đã có những buớc phát triển vượt bậc và có sự đóng góp to lớn đến sự phát triển khoa
học và công nghệ trên thế giới. Có thể kể qua một vài cột mốc phát triển trong lĩnh vực
này như: chế tạo transitor đầu tiên (1948), chế tạo IC đầu tiên (1958), chế tạo Sensor áp
suất (1983) và đến những năm gần đây với việc chế tạo ra sợi quang học (2000) đã
giúp làm tăng khả năng tốc độ truyền thông tin trong lĩnh vực viễn thông.

Hình 1.1. Lợi nhuận từ các sản phẩm trong lĩnh

vực MEMS từ 2004 đến 2007 [41].
Số liệu từ hình 1.1 cho thấy
rằng: lợi nhuận thu được từ các sản
phẩm như Sensor pressure, inertial
sensor, inkjet head… tăng từ gần 5
tỉ USD năm 2004 lên đến 8.5 tỉ
USD năm 2007. Đặc biệt, sản phẩm
cảm biến áp suất (Pressure sensor)
có sự phát triển khá mạnh, giá trị lợi
nhuận năm 2004 từ sản phẩm này là
hơn 1 tỉ USD đã phát triển lên tới
gần hơn 2 tỉ USD năm 2008.

2

1.1.2. Trong nước
Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm
2010”[12] đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới, có triển vọng, như: hệ vi cơ điện tử
(MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã trở thành
điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài. Trong số đó có không ít công ty hàng
đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ MEMS. Có thể thấy
điều này ở những điển hình như Canon Inc đã mở ra một nhà máy tại khu công nghiệp
Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 và một tại 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 khẩu, doanh thu dự kiến là 400 triệu USD/năm[13]. Một
trong những chi tiết quan trọng trong thiết bị máy in là bộ phận phun mực được chế tạo
bằng công nghệ MEMS. Trong ngành ô tô là Honda với một nhà máy ở Vĩnh Phúc,
Toyota với một nhà máy trung tâm ở Mê Linh và một ở khu công nghiệp Thăng Long
cùng hệ thống các nhà máy vệ tinh ở nhiều địa phương, Ford với một nhà máy hoàn
chỉnh tại Hải Dương. Một số lượng lớn các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ

MEMS để lắp đặt trong các xe ô tô gồm vi cảm biến áp suất cho hệ thống nhiên liệu và
chỉ thị áp suất lốp xe, gia tốc kê cho bộ phận túi khí an toàn (airbag), vận tốc góc để
cân bằng xe hoạt cho các thiết bị định vị khi xe lưu thông trong hệ thống giao thông
(navigations)… Nhận xét về lợi ích của việc áp dụng công nghệ này vào ngành công
nghiệp Việt Nam, do trình độ phát triển các ngành công nghệ cao ở nước ta còn hạn
chế, việc phát triển công nghệ MEMS sẽ cho phép chúng ta thực hiện các chiến lược đi
tắt đón đầu vì những tiềm năng to lớn phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Hiện nay rất nhiều sản phẩm của công nghệ MEMS như cảm biến MEMS quán tính
dùng trong các hệ thống điều khiển, công nghiệp robot loại nhỏ với các microsensor
dạng con quay vi cơ cho các thiết bị điều khiển bay, kỹ thuật môi trường với các
microsensor đo độ ẩm, đo độ PH, ứng dụng y sinh với các microsensor đo áp suất màu,
đo nồng độ Glucose, nồng độ khí… Để Việt Nam có tên trên bản đồ nồng công nghệ
3

Micro-Nano thế giới, cần có những cơ sở nghiên cứu chế tạo và đưa ra thị trường
những sản phẩm trên cơ sở công nghệ này. Một khi những nhà sản xuất bị thuyết phục
rằng chúng ta có thể đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất, chế tạo linh
kiện MEMS tại Việt Nam khi đó việc đầu tư xây dựng những nhà máy tại Việt Nam
cho những mục đích này là hoàn toàn có tính khả thi.
Hiện nay, nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực MEMS tại Việt Nam chưa thực
sự phát triển mạnh mẽ [06, 08, 12, 13]. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy bởi 2 lý do:
 Lĩnh vực nghiên cứu này đòi hỏi trang thiết bị hiện đại và độ chính xác cao.
 Đội ngũ cán bộ trong lĩnh vực này chưa thực sự mạnh và nhiều.
Tuy đã có một số nghiên cứu về cảm biến áp suất [6, 12] nhưng thực sự vấn đề
ứng dụng cảm biến áp suất vào trong cuộc sống nhằm phục vụ lợi ích dân sinh vẫn vấp
phải bài toán khó giải: Chưa tìm ra được toàn bộ quy trình từ thiết kế đến chế tạo, đóng
gói và ứng dụng chip cảm biến áp suất. Bên cạnh đó, hiện nay trên thị trường có hàng
ngàn chủng loại chip cảm biến áp suất xuất xứ từ nhiều nước trên thế giới với giá thành
cũng khác nhau từ giá thấp nhất vài trăm ngàn VNĐ đến giá vài trăm ngàn USD Mỹ.
1.2. TỔNG QUAN MEMS VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG

1.2.1. Giới thiệu tổng quan MEMS
MEMS (viết tắt của cụm từ MicroElectroMechanical Systems) là hệ thống vi cơ-
điện. MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ (mechanical elements), cảm biến(sensors),
bộ kích hoạt (actuators) và các yếu tố điện chung (electronics) trên cùng một chip bằng
công nghệ vi chế tạo (micro-fabrication tech) [40].
Trong khi những thành phần có thuộc tính điện tử (electronics) được chế tạo dùng
công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần
vi cơ (micro-mechanical components) được chế tạo dùng quá trình vi cơ (micro-
machining) phù hợp đó là loại bỏ có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào
những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.
4


Hình 1.2. Hệ thống vi cơ điện (MEMS) [27].
MEMS hứa hẹn cách mạng
hóa các loại sản phẩm bằng cách
mang các yếu tố vi cơ điện lại với
nhau trên một nền Silicon cơ bản
theo công nghệ vi cơ, bằng cách
tạo ra các hệ thống trên chip hoàn
chỉnh (systems on chip). MEMS
là một công nghệ cho phép phát
triển các sản phẩm thông minh,
tăng khả năng tính toán của các
yếu tố vi điện tử với các vi cảm
biến và các bộ vi kích hoạt có và điều khiển. Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng
thiết kế và ứng dụng.
Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS
tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho
phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển hệ thống theo môi trường. Các cảm biến tập

hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa,
sinh, các hiện tượng từ. Sau đó, các yếu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến, rồi tác
động trực tiếp đến bộ kích hoạt . Hệ thống đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị
trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn.
1.2.2. Lịch sử MEMS
Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các
quy trình vi cơ.
 Năm 1900. Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính
dưới thang đo milimet.
 Trong những năm 1940. Sự phát triển của chất bán dẫn (Ge và Si).
5

 Năm 1947. Sự ra đời của transistor, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp
mạch bán dẫn.
 Năm 1949. Khả năng phát triển Si đơn tinh thể để cải tiến transistor bán dẫn,
tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu.
 Năm 1959. Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề”Có
rất nhiều chỗ ở dưới đáy “. Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ
có sẵn theo đơn vị đo micro.
 Năm 1960. Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến
rõ rệt độ tin cậy và giá thành của linh kiện bán dẫn. Ngoài ra, công nghệ phẳng cho
phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên một mẫu Si. Sự phát triển này báo trước sự
khởi đầu của nền công nghiệp IC.
 Năm 1960. Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim
loại (MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liên tiếp đối với các
mạch phức tạp được thu nhỏ.
 Năm 1964. Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson, linh
kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên. Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực
cổng bằng vàng thay đổi đặc tính điện của linh kiện.
 Năm 1970. Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi

xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn.
 Trong những năm 1970 và 1980. Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu
bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động.
 Năm 1982. Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề “Si như là một vật
liệu cơ ” (Silicon as a mechanical material) trình bày sự phát triển của nhiều linh kiện
theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng
mà công nghệ MEMS mang lại.
6

 Năm 1984. Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi
cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ
MEMS. Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS.
 Năm 1989. Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ
đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện.
 Trong những năm 1990. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công
nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang
tiếp tục.
 Năm 1991. Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi
Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công vi bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể
được tập hợp lại, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều.
1.2.3. Một số ứng dụng

Hình 1.3. Một số ứng dụng của MEMS trong công nghiệp ô tô [27].
7

Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp đang
phát triển mạnh mẽ tại thời điểm những năm 90: ngành công nghiệp ô tô. Thiết bị đầu
tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể
hạt đường. Ngoài lợi thế về kích thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá
thành. Ban đầu một gia tốc kế khối nối với một mạch điện tử có giá thành là 50$, thì

đến hiện nay, một gia tốc kế tích hợp trên cùng mạch điện tử chỉ còn khoảng 10$. Gia
tốc kế túi khí đang được sản xuất với số lượng 35 triệu thiết bị mỗi năm và không chỉ
dừng ở đó, nó còn đang được nghiên cứu để có các chức năng thông minh như có đáp
ứng riêng đối với các lái xe có khổ người và cân nặng khác nhau. Hay một thiết bị khác
là bánh xe thông minh, bên trong bánh xe sẽ có một thiết bị MEMS đo áp suất và thông
tin về cho bộ xử lý bằng sóng radio. Nó có khả năng báo cho người lái xe biết trước 50
dặm trước khi cần phải thay thế. Trong lĩnh vực ứng dụng ô tô, các thiết bị MEMS
khác chủ yếu nhằm vào độ an toàn, độ an ninh hay theo dõi môi trường, ví dụ như : đo
lượng nhiên liệu, vi valve điều chỉnh dòng nhiên liệu và không khí sao cho phù hợp, tự
động gìm dây bảo hiểm, hệ thống khóa cửa dựa trên sinh trắc học hoặc RFID, hệ thống
định vị GPS.


Hình 1.4. MEMS trong màn hình [27].

Hình 1.5. MEMS trong đầu phun mực in [27].
Lĩnh vực thứ hai cũng phát triển nhanh không thua kém là lĩnh vực điện tử dân
dụng và máy tính, với đầu in phun, đầu đọc từ của ổ cứng, vi hệ thống gương trong
projector, chuyển mạch quang. Cùng với cuộc cách mạng về máy tính cá nhân là sự
8

cần thiết không thể thiếu của thiết bị lưu trữ (ổ cứng). Rồi sự chế ngự của các sản phẩm
máy in phun và projector, một thiết bị không bao giờ vắng mặt trong bất kì một công
ty hay một trung tâm nghiên cứu nào. Ngoài ra còn các thiết bị khác như HDTV (High-
definition TV), màn hình phẳng TFT, LCD với ma trận vi điểm.
Một trong những ứng dụng chính của công nghệ MEMS có giá trị thương mại: là
chế tạo đầu viết mực in phun, dùng linh kiện áp điện. Ứng dụng này đã được Epson
thương mại hoá. Ứng dụng mực in phun dùng nguyên tắc áp trở được thương mại hoá
bởi HP, Canon, Lexmark… Công nghệ máy in phun đã tiến đến giai đoạn ưu việt, in
nhanh, giá thành rẻ, trong khi đó máy in Laser có giá trị cao, tốc độ in màu của Laser

lại không nhanh hơn và hạt mực Laser lớn hơn. Tuy nhiên, ứng dụng đầu mực in phun
có thể phun trên bất kỳ dung môi hay loại giấy in nào. Các loại mực khác nhau, bao
gồm DNA, chất cảm quang, phát sáng hữu cơ. Công nghệ này mở ra một hướng đi
mới cho phương pháp tạo vi mạch không dùng mask, cải thiện về tốc độ phun, đóng
vai trò quan trọng trong sản xuất đại lượng của công nghệ vi mạch.

Hình 1.6. MEMS trong hệ thống truyền quang [27].
Vi hệ thống hiện nay cũng đang được phát triển mạnh mẽ từng ngày trong lĩnh
vực viễn thông di động, các thế hệ di dộng được tung ra liên tục với các tính năng mới,
tích hợp ngày một nhiều các chức năng nhưng lại luôn có xu hướng thu nhỏ lại. Các
9

thiết bị passive và active được tích hợp như chuyển mạch, điện dung, điện cảm, bộ
cộng hưởng, bộ lọc, nhằm tăng tần số sử dụng, chọn lọc và giảm nhiễu parasit, nâng
cao chất lượng cuộc thoại, mở rộng băng tần làm việc. Không những thế, một chiếc
điện thoại di động trong tương lai gần có thể được trang bị có ổ cứng mini, máy ảnh số,
máy quay số, hệ thống sinh trắc học.
Công nghệ MEMS được sử dụng thành công trong công nghệ Switch quang học,
micro-mirror có thể xoay đổi hướng chiều laser trong viễn thông, có thể dùng trong hệ
thốngchiếu sáng.
MEMS có mặt hầu hết trong một hệ thông viễn thông hình 1.7.

Hình 1.7. MEMS trong hệ thống viễn thông [28].