báo cáo tốt nghiệp tổng quan về MEMS

Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

Mục lục
1. Tổng quan về MEMS................................................................2
1.1
Giới thiệu về MEMS.................................................2
1.2
Công nghệ gia công chế tạo MEMS.........................2
1.2.1 Gia công vi cơ khối.....................................................3
1.2.2 Gia công vi cơ bề mặt.................................................3
1.2.3 Quá trình LIGA...........................................................4
2. Sản phẩm ứng dụng của MEMS.............................................4
3. SENSOR ...................................................................................7
4. Phần dịch tài liệu......................................................................9
a) Hiệu ứng tĩnh điện..........................................................9
b) Cảm biến điện dung........................................................9
Kết luận..............................................................................11
Tài liệu tham khảo........................................................................12

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

1


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
1. Tổng quan về MEMS
1.1

Giới thiệu về MEMS

Vào đầu thế kỉ XX các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng lớn,
kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. Điều này
đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối
những năm 50 của thế kỉ XX một cuộc cách mạng hóa về công nghệ micro đã
diễn ra và hứa hẹn một tương lại cho tất cả các nghành công nghiệp. Hệ thống
vi cơ điện tử MEMS ( MicroElectroMechanical Systems) là thuật ngữ dùng
để chỉ các hệ thống tích hợp các thành phần điện tử và cơ khí có kích thước
cỡ micromet.
Quá trình chế tạo MEMS tương tự như quá trình chế tạo các mạch tích hợp
(IC) với ưu điểm là giảm chi phí khi gia công chế tạo hàng loạt.MEMS được
sử dụng trong vô vàn ứng dụng từ công nghệ hiển thị cho đến hệ thống cảm
biến và thiêt bị mạng quang. Microsensors gia tốc để phát hiện tai nạn ô tô và
cảm biến áp lực cho các ứng dụng y sinh và micro-actuators cho di chuyển
các màng của micro-mirrors trong các hệ thống máy chiếu là những ví dụ
điển hình cho ứng dụng thương mại của MEMS.

HÌNH 1: Kích cỡ của một thiết bị MEMS so với con nhện

1.2

Công nghệ gia công chế tạo MEMS

Vi gia công Silicon là một yếu tố quan trọng cho sự tiến bộ vượt bậc của
MEMS, bao gồm hai công nghệ: Gia công vi cơ khối (cấu trúc được khắc lên
chất nền Silic) và gia công vi cơ bề mặt (các lớp vi cơ được hình thành từ lớp
và màng mỏng lắng đọng trên bề mặt). Bên cạnh đó quá trình LIGA và 3D
được sử dụng để chế tạo các thiết bị hiển thị có tỉ số co cao và chế tạo cấu
trúc 3D của MEMS.
Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

2


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

1.2.1 Gia công vi cơ khối
Gia công vi cơ khối là một trong những công nghệ vi chế tạo silicon phổ
biến nhất. Nó được hình thành từ đầu những năm 1960 và được sử dụng cho
việc chế tạo nhiều vi cấu trúc khác nhau, đặc biệt là trong các thiết bị thương
mại: hầu hết trong các cảm biến lực, van và 90% của gia tốc kế silicon.
Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình
thành chi tiết vi cơ. Thực chất là dùng phương pháp hóa lý để ăn mòn tạo ra
trên phiến các lỗ, rãnh. Kĩ thuật gia công vi cơ khối có thể được phân thành:
ăn mòn ướt và ăn mòn khô theo các pha của chất khắc ăn mòn. Chất khắc ăn
mòn thể lỏng phần lớn là các hóa chất dung dịch dạng nước dùng để ăn mòn
ướt; chất ăn mòn thể hơi hoặc plasma dùng để ăn mòn khô.

HÌNH 2. Ăn mòn ướt Silicon Wafer

1.2.2 Gia công vi cơ bề mặt
Gia công vi cơ bề mặt không tạo khối silicon mà xây dựng kết cấu trên bề
mặt bằng cách làm lắng đọng màng của lớp ăn mòn thay thế và lớp cấu trúc
sau đó loại bỏ dần các lớp ăn mòn thay thế để lộ ra các cấu trúc cơ.

HÌNH 3. Các bước trong quy trình gia công vi cơ bề mặt

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

3

Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

1.2.3 Quá trình LIGA
LIGA viết tắt của Lithgraphie Galvanofruning and Abformung nghĩa là
khắc hình mạ điện và làm khuôn.
Trong quá trình LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh và lớp chất cảm
thuộc loại Acrylic viết tắt là PMMA. Thông qua phần bị khoét thủng trên
khuôn tia X chiếu vào lớp chất cảm theo những diện tích nhất định làm lớp
chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị hòa tan. Với lớp chất cảm dày và tia X
mạnh nên tia X có khả năng đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm thậm chí
hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch chỗ chất cảm bị
hòa tan đi rất sâu, hình khắc thực sự là cấu trúc 3D.

HÌNH 4. Các bước của quá trình LIGA

2. Sản phẩm ứng dụng của MEMS
Công nghệ MEMS cho phép xây dựng các thiết bị công nghệ cao như chip
cảm biến cực nhỏ giống như công nghệ sản xuất IC nhưng đem lại hiệu quả
kinh tế vô cùng to lớn.Các nhà khoa học và viện nghiên cứu R$D đã tìm thấy
khả năng hầu như vô tận của công nghệ MEMS, như là nó có thể được sử
dụng để kích hoạt tất cả các thiết bị điện tử tinh vi.
Một số ứng dụng chính của công nghệ MEMS có giá trị thương mại:
- Chế tạo đầu viết mực in phun có thể phun trên bất kỳ dung môi hay
loại giấy in nào. Mực in phun dùng linh kiện áp điện được Epson
thương mại hoá; dùng nguyên tắc điện trở được thương mại hoá bởi
HP, Canon, Lexmark.
- Gia tốc kế MEMS có thể cảm nhận khi một chiếc xe bị va chạm, xác
định mức độ nghiêm trọng và triển khai túi khí an toàn với kích cỡ và

tốc độ phù hợp.

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

4


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

- Chip MEMS mirror được ứng dụng vào bộ phận chiếu ra màn hình của
TV. Loại mới này của công nghệ truyển hình có khả năng cách mạng
hóa cách thức xem các phương tiện truyền thông thị giác từ đó tăng lợi
nhuận cho tất cả các nghành liên quan của nền kinh tế.

HÌNH 5. Hệ thống túi khí an toàn có gắn sensor

- 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.
- Một ứng dụng mới và quan trọng của công nghệ vi cơ điện tử là cảm
biến áp suất MEMS y học. Như hệ thống chuyển thuốc vào cơ thể,
thuốc khi uống chỉ có thể hấp thu 10% , ta có thể bỏ các phần tử thuốc
rất nhỏ vào các cell, từ đó các máy bơm siêu vi có thể bơm thuốc vào
cơ thể con người qua các lỗ chân lông, tăng hiệu quả sử dụng thuốc.

HÌNH 6. Ứng dụng điển hình trong y học của MEMS

Kể từ đó MEMS là một khám phá công nghệ tương đối mới, hàng loạt các
ứng dụng của nó vẫn đang được nghiên cứu và hàng nghìn ý tưởng được ra
đời mỗi ngày. Dưới đây là một số sản phẩm MEMS hiện đang trong giai đoạn

phát triển:

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

5


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

- Bộ phận điều khiển trò chơi máy tính sử dụng công nghệ MEMS đem
lại hi vọng nâng cao kĩ năng chơi cho các game thủ. Nó tương tự như
các bộ phận điều khiển cũ song được tích hợp thêm công nghệ cảm
biến chuyển động mô phỏng chuyển động của cơ thể và các bậc tự do
của bàn tay.
- Con quay hồi chuyển MEMS có thể được lập trình kết hợp các tính
năng tùy chỉnh để con quay tích hợp với các thiết bị công nghiệp đem
lại hiệu quả cao hơn so với điều chỉnh thủ công.
- Microphones sử dụng công nghệ MEMS để điều chỉnh, nó không chỉ
nhỏ gọn mà hiệu quả hơn micro truyền thống. Thậm chí còn có khả
năng chịu nhiệt cao hơn đem lại giá trị sử dụng lâu dài do không bao
giờ bị quá nhiệt.
- Thiết bị đo huyết áp: Các siêu cảm biến có thể đọc mọi chi tiết nhỏ về
huyết áp của bạn. Và thiết bị MEMS này có khả năng truyền thông tin
không dây nên có thể cấy ghép được trong người bệnh nhân để cung
cấp thông tin liên tục 24/24.
- Máy tạo dao động MEMS để thay thế thiết bị tạo dao động bằng thạch
anh. Nó không chỉ nhỏ hơn và hiệu quả hơn mà còn có khả năng tích
hợp tốt hơn với các mạch điện tử
Ứng dụng của MEMS tại Việt Nam:
Canon Inc. đã mở 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.
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: 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 kế cho bộ phận túi khí an
toàn (airbag), vận tốc góc để cân bằng xe hoặc cho các thiết bị định vị khi xe
lưu thông trong hệ thống giao thông (navigations)...

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

6


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

3. SENSOR
Nhiều cơ cấu vi cảm biến đã được phát triển cho MEMS trong các ứng
dụng khác nhau.Có rất nhiều loại như: cảm biến hóa học, cảm biến quang,
cảm biến sinh học, cảm biến nhiệt, cảm biến cơ khí…Nhưng chúng thường
tuân theo các nguyên lí cảm biến được giới thiệu dưới đây:
Piezoresistive Sensing:
Cảm biến áp điện trở sử dụng hiệu ứng điện trở thay đổi khi có ngoại
lực tác dụng; đo các thông số vật lí như lực, áp lực, gia tốc và tốc độ dòng
chảy…

Theo HÌNH 7 điện trở được đặt trên chất nền silicon, độ võng của
màng dẫn đến sự thay đổi kích thước của điện trở dẫn, kết quả là điện trở thay
đổi vì hiệu ứng áp điện trở của silicon.
R
l 
 (1  2 ) 
R
l


trong đó R là sự thay đổi của điện trở R,  là hệ số Poat-xông, l là độ thay
đổi chiều dài l ban đầu của điện trở và  là sự thay đổi điện trở suất  .

HÌNH 7. Cấu trúc của một cảm biến áp điện trở

Hiệu suất của cảm biến áp điện trở dựa vào nhiệt độ và áp lực tác dụng.
Độ nhạy của cảm biến sẽ giảm nếu nhiệt độ tăng, và bất kì ứng suất dư nào
tồn tại cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến. Độ chuyển vị phi tuyến
của màng xuất hiện khi sự chuyển vị chịu áp suất cao lớn hớn 10% độ dày
của màng.
Capacitive Sensing:
Cảm biến điện dung sử dụng màng chịu biến dạng dẫn đến thay đổi
điện dung để chuyển các tín hiệu áp lực, lực thành tín hiệu điện; ví dụ sự thay
đổi tần số dao động, thời gian, điện lượng và điện áp.
Cảm biến điện dung có thể được sử dụng dể đo áp lực, lực, gia tốc, tốc
độ dòng chảy, chuyển vị, và xác đinh vị trí…

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

7

Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

HÌNH 8. Cấu trúc của cảm biến điện dung

Đối với cảm biến điện dung thì sự thay đổi điện dung không tuyến tính
với các biến dạng màng. Các điện dung nhỏ cỡ 1-3pF yêu cầu mạch đo lường
tích hợp trên chip. Ưu điểm của cảm biến điện dung so với cảm biến áp điện
trở là khả năng cho hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy
cao, lực tác dụng nhỏ và tính ổn định cao.
Piezoelectric Sensing:
Cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện của vật liêu áp điện. Sự
thay đổi điện tích được tạo ra khi có một lực tác dụng lên bề mặt của màng áp
điện. Đối với một đĩa áp điện bề dày t, điện áp V xuất hiện khi tác dụng một
ứng suất T là: V=gtT ; trong đón g là hệ số điện áp của áp điện.
Cảm biến áp điện trở sử dụng phần lớn trong các cảm biến đo áp suất,
đo lực, vận tốc, gia tốc,hydrophone và microphone…

HÌNH 9 . Cầu trúc của một cảm biến áp điện

Resonant Sensing:
Cảm biến cộng hưởng dựa trên thực tế là tần số cộng hưởng của thiết bị
cộng hưởng khác nhau với các ứng suất hay biến dạng phát sinh trong cấu
trúc thiết bị cộng hưởng. Trong loại thiết bị này ứng suất gây ra bởi áp lực lên
mãng dẫn đến tấn số riêng của thiết bị cộng hưởng khác nhau. Bằng cách
chọn nhiều tần số riêng của của thiết bị cộng hưởng thì ta sẽ tính được các
thông số vật lí gây ra biến dạng.
Cảm biến cộng hưởng có thể được sử dụng để đo khi yêu cầu cảm biến
ở một phần triệu của giây.Tuy nhiên nó yêu cầu cấu trúc cảm biến phức tạp

Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

8


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

hơn cảm biến áp điện trở, thiết bị đo cần được đóng gói để bảo vệ khỏi tác
động từ bên ngoài của dung dịch lỏng.

4. Phần dịch tài liệu
a) Hiệu ứng tĩnh điện
Tồn tại một lực điện giữa hai bản cực của tụ điện do đó muốn bản cực
di trượt di chuyển theo hướng pháp tuyến một khoảng nhỏ x cần tác dụng
lên nó một lực pháp tuyến FN :
A
FN  � 20 V 2
2x

Trong đó dấu cộng hay trừ tùy thuộc vào thành phần của hệ thống, có
thể là cung hay lấy năng lượng từ tụ để duy trì hiệu điện thế không đổi.
Để di chuyển bản cực di trượt một khoảng nhỏ y theo phương tiếp
tuyến thì cần tác dụng một lực pháp tuyến FT :
FT 

b 0 2
V
2d 0
.

Lực này không phụ thuộc vào khoảng cách di chuyển của bản cực di
trượt do đó lực tác dụng không đổi trên quãng đường di chuyển hay khi
thu nhỏ chiều dài của tụ mà không thay đổi khoảng cách d0 .

b) Cảm biến điện dung
Trong phần này ta tập trung tìm hiểu và các sơ đồ đo cơ bản và hữu
dụng khi sử dụng cảm biến điện dung.
1. Phương pháp sử dụng 4 diode
Giả sử rằng điện dung của biến tụ là Cs. Thông thường lượng
biến thiên điện dung nhỏ hơn giá trị của chính nó. Do đó để cảm
biến được thì nó cần được so sánh với tụ tham chiếu có điện
dung Cr khá gần với Cs. Sơ đồ cảm biến 4 diode [6] so sánh Cs
và Cr trong hình 4.24, trong đó D1-D4 là các diode có đặc tính
Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy

9


Báo cáo thực tập tập tốt nghiệp

giống hệt nhau, và hai tụ Cs là tụ ghép nối có điện dung lớn hơn
so với Cs hay Cr.

Điện áp đầu ra là

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:
/>[3] Công nghệ vi gia công silicon: Ăn mòn ướt
/>[4] Công nghệ MEMS là gì ?
/>[5] />
Nhóm sinh viên thực hiện: Lã Xuân Hùng, Bùi Văn Huy