Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_____o0o_____

NGUYỄN HÙNG VỸ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MEMS
TRONG THIẾT KẾ KHUÔN MẪU
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS THÁI THỊ THU HÀ
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: …………………………………….................................
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………….
Cán bộ chấm nhận xét 2: …………………………………….................................
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
----------------

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN HÙNG VỸ

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16 – 09 – 1982

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
MSHV: 09040393
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MEMS TRONG THIẾT
KẾ KHUÔN MẪU
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu nhu cầu cơng nghệ MEMS trên thế giới và ở Việt Nam.
- Nghiên cứu bản chất công nghệ MEMS và các quy trình cơng nghệ chế tạo MEMS.
- Ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu.
- Mơ phỏng dịng chảy của vật liệu trong khn mẫu.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05 – 07 – 2010
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01 – 07 – 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết
lòng động viên về tinh thần lẫn vật chất của gia đình trong suốt thời gian thực hiện
luận văn.
Đặc biệt, Em xin chân thành cảm ơn Cô Thái Thị Thu Hà đã nhiệt tình
hướng dẫn, gợi mở, định hướng, dành những thời gian quý báu để duyệt và cho
những ý kiến đóng góp ý nghĩa trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin phép gửi lời cảm ơn đến Thầy Phạm Ngọc Tuấn đã tận tình hướng
dẫn, cố vấn và chia sẻ cho em nhiều kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập.
Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô trong trường Đại Học Bách Khoa
TP. Hồ Chí Minh nói chung và Q Thầy Cơ trong Khoa Cơ Khí nói riêng, Q
chun gia thuộc Trung Tâm Nghiên cứu và triển khai – khu Công Nghệ Cao
TpHCM, Quý Thầy Cô giảng dạy các môn học đã trang bị cho Em những kiến thức
quý báu, thực tiễn trong suốt q trình học tập.
Bên cạnh đó, Em xin phép gửi lời cảm ơn đến Thầy Trần Văn Hải, Hiệu
Trưởng nhà trường, nơi học viên đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian, hỗ trợ
học phí cũng như các điều kiện thuận lợi khác để học viên hồn thành chương trình
cao học này.
Em xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Trường TCN KTCN Hùng Vương
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Em xin gửi lời cảm ơn và chia sẻ niềm vui đến gia đình và những người thân
đã giúp đỡ, động viên, hỗ trợ và khích lệ tinh thần cho học viên trong suốt quá trình
học tập.
Xin cảm ơn các anh chị trong lớp cao học chuyên ngành Công Nghệ Chế Tạo
Máy, đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập.
Cuối cùng, xin kính chúc Quý Thầy Cơ, các bạn đồng nghiệp và gia đình
nhiều sức khỏe và thành đạt.
Trân trọng.
Người thực hiện luận văn
Nguyễn Hùng Vỹ
MSHV: 09040393

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang i

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

TĨM TẮT
Hiện nay, các nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Trung Quốc,
Singapor … đều thương mại hóa sản phẩm MEMS một cách mạnh mẽ. Sự ra đời
của sản phẩm MEMS đã thúc đẩy sự phát triển của nhiều lĩnh vực như: Hàng không
vũ trụ, y tế, sinh học, ô tô và công nghệ khn mẫu, … Tại Việt Nam thì cơng nghệ
và sản phẩm MEMS đang ở giai đoạn khởi đầu.
Việc ứng dụng công nghệ MEMS và các sản phẩm MEMS vào công nghiệp
cũng như đời sống sẽ tạo ra nhiều cơ hội phát triển hơn cho đất nước. Việc đầu tư
nghiên cứu cũng như đầu tư trang thiết bị một cách đồng bộ cho lĩnh vực này sẽ
nâng cao hiệu quả của cơng nghệ MEMS.
Nội dung của luận văn trình bày tổng quan về kết quả nghiên cứu và ứng
dụng công nghệ gia cơng MEMS trên thế giới, từ đó xác định mục tiêu, nội dung và
phương pháp nghiên cứu công nghệ gia công MEMS trong thiết kế khuôn mẫu.
Học viên đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết và xây dựng được quy trình chế tạo
cho sản phẩm kim tiêm ứng dụng công nghệ gia công MEMS.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang ii

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

ABSTRACT
Currently, the developed world such as USA, Japan, China and Singapore …
are commercialized MEMS products vigorously. The advent of MEMS products has
spurred the development of such areas as: Aerospace, medical, biological,
automotive and technology molding, ... In Vietnam, the MEMS technology and
products are at the stage start.
The application of MEMS technology and MEMS products in industrial and
life will create more opportunities for developing countries. The investment in
research and investment in equipment and a uniform for this area will improve the
efficiency of MEMS technology.
The contents of the thesis presents an overview of research results and
applications of MEMS technology in the world, thereby determining the objectives,
content and methodology of MEMS technology in the design process mold .
Students have studied the theoretical basis and building processes for product
manufacture needles processing applications of MEMS technology.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang iii

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

MỤC LỤC
Trang bìa
Phiếu đánh giá
Tờ nhiệm vụ
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh sách hình vẽ, bảng biểu
Danh sách các từ viết tắt
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................1
1.1 Tính cấp thiết của luận văn ..............................................................1
1.2 Lịch sử phát triển và nhu cầu về nghiên cứu
ứng dụng công nghệ MEMS trên thế giới và Việt Nam .......................3
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển ..................................................3
1.2.2 Khái niệm về MEMS ..................................................................4
1.2.3 Q trình phát triển của cơng nghệ MEMS ................................6
1.2.4 Xu hướng phát triển, thị trường và nhu cầu về MEMS ..............8
1.2.5 Ưu nhược điểm và thách thức của công nghệ MEMS ................9
1.2.6 Những ứng dụng của công nghệ MEMS ....................................12
1.3 Ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu ................23
1.3.1 Nhiệm vụ của luận văn ................................................................23
1.3.2 Những vấn đề khó khăn của luận văn .........................................23
1.3.3 Phạm vi thực hiện .......................................................................24
1.3.4 Dự kiến lĩnh vực ứng dụng của đề tài .........................................24
Chương 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MEMS ............................................25

2.1 Tổng quan về công nghệ gia công MEMS .......................................25
2.2 Công nghệ tạo màng ..........................................................................27
2.2.1 Lắng đọng hóa học ......................................................................27
2.2.2 Lắng đọng vật lý .........................................................................33
2.3 Công nghệ quang khắc ......................................................................37
2.3.1 Tổng quan về công nghệ quang khắc ..........................................37
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang iv

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

2.3.2 Quy trình cơ bản của công nghệ quang khắc – LIGA ................62
2.3.3 Kỹ thuật quang khắc mở rộng .....................................................64
2.3.4 Kỹ thuật mạ điện – Electroplating ..............................................67
2.3.5 Tạo khn – Molding ..................................................................69
2.4 Kỹ thuật ăn mịn ................................................................................73
2.4.1 Khái niệm ....................................................................................73
2.4.2 Phân loại ......................................................................................73
2.5 Vi cơ khối ............................................................................................86
2.5.1 Khái niệm ....................................................................................86
2.5.2 Công nghệ dùng trong vi cơ khối ................................................87
2.5.3 Kỹ thuật kiểm sốt kích thước ăn mịn .......................................88
2.5.4 Kỹ thuật liên kết tấm ...................................................................90
2.6 Vi cơ bề mặt ........................................................................................91

Chương 3: CÔNG NGHỆ VI KHUÔN .......................................................95
3.1 Khái niệm về vi khuôn – Micromolding ..........................................95
3.1.1 Khái niệm và các yếu tố công nghệ quan trọng của vi khuôn ....95
3.1.2 Q trình ép phun cho sản phẩm có kích thước nhỏ ...................97
3.2 Ứng dụng phần mềm Moldflow trong quá trình phân tích
và mơ phỏng các thơng số cơng nghệ .....................................................101
3.2.1 Tổng quan về phần mềm Moldflow ............................................101
3.2.2 Trình tự phân tích, tối ưu hóa thiết kế
bằng Moldflow Plastics Insight ............................................................104
3.3 Công nghệ vi gia công cơ ...................................................................123
3.3.1 Công nghệ hàn ............................................................................123
3.3.2 Gia công bằng tia laser ................................................................123
3.3.3 Micro EDM .................................................................................123
3.3.4 Công nghệ phay Micro ................................................................124
3.3.5 Vi khoan ......................................................................................125
Chương 4: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ MEMS TRONG
THIẾT KẾ KHUÔN MẪU CHO SẢN PHẨM “VI KIM TIÊM“ ............127
4.1 Mục đích và ý nghĩa của sản phẩm vi kim tiêm ..............................127
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang v

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

4.2 Quy trình chế tạo sản phẩm vi kim tiêm

theo công nghệ gia công MEMS .............................................................132
4.2.1 Vật liệu chế tạo ...........................................................................133
4.2.2 Quy trình chế tạo .........................................................................136
Chương 5: KẾT LUẬN .................................................................................144
5.1 Kết quả đạt được và ý nghĩa của luận văn ......................................144
5.1.1 Ưu điểm .......................................................................................144
5.1.2 Nhược điểm .................................................................................144
5.2 Hướng phát triển của luận văn .............................................................144
5.3 Kết luận ................................................................................................144
Tài liệu tham khảo ........................................................................................146
Lý lịch trích ngang ........................................................................................149

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang vi

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tương quan kích thước và chất lượng các loại máy.
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của một chip MEMS.
Hình 1.3 Các lĩnh vực có thể ứng dụng trong MEMS.
Hình 1.4 Cảm biến gia tốc trong hệ thống túi khí an tồn trên xe hơi.
Hình 1.5 Cảm biến áp suất dạng màng dựa trên ngun lí áp điện trở.
Hình 1.6 PCR chip tạo phản ứng dây chuyền sao chép các đoạn AND.

Hình 1.7 Kim tiêm thuốc khơng gây đau.
Hình 1.8 Hệ trục bánh răng chuyển đổi tốc độ, bộ truyền giảm tốc.
Hình 1.9 Sản phẩm MEMS.
Hình 1.10 Vi cảm biến gia tốc.
Hình 1.11 Quy trình chế tạo cảm biến vi cơ đo lực và đo khối lượng.
Hình 1.12 Vi cảm biến áp suất.
Hình 1.13 Các loại cảm biến áp suất kiểu màng.
Hình 1.14 Vi cảm biến áp suất kiểu tụ.
Hình 1.15 Cấu trúc cảm biến áp điện trở.
Hình 1.16 Quy trình chế tạo cảm biến áp suất hiệu ứng áp điện trở.
Hình 2.1 Các công nghệ gia công chế tạo sản phẩm có kích thước nhỏ.
Hình 2.2 Minh họa 3 q trình tạo màng, quang khắc, ăn mịn trong cơng nghệ chế
tạo vi mạch.
Hình 2.3 Các phương pháp gia cơng trong cơng nghệ tạo màng.
Hình 2.4 Hệ PECVD bản cực song bản vách nóng.
Hình 2.5 Lị phản ứng tạo màng bằng kết tủa khí hóa tại áp suất khí quyển
(APCVD).
Hình 2.6 Lị vách nóng dùng tạo màng ở áp suất thấp (LPCVD).
Hình 2.7 Sơ đồ hệ bốc bay chân không cho lắng đọng màng.
Hình 2.8 Khả năng phủ bậc đồng đều của phương pháp phún xạ.
Hình 2.9 Sơ đồ một hệ phún xạ plasma.
Hình 2.10 Các phương pháp gia cơng trong cơng nghệ quang khắc.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang vii

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 2.11 Hình mẫu sớm nhất của kỹ thuật khắc sau đó được khắc bằng phương
pháp ướt.
Hình 2.12 Một số sản phẩm có tỷ số hình dạng cao chế tạo bằng cơng nghệ Liga.
Hình 2.13 Kết cấu mặt nạ trong cơng nghệ quang khắc.
Hình 2.14 Quy trình chế tạo theo cơng nghệ quang khắc.
Hình 2.15 Lỗi của quá trình phủ lớp photoresist.
Hình 2.16 Quy trình của kỹ thuật quang khắc bằng UV điển hình.
Hình 2.17 Cấu tạo mặt nạ cho quá trình quang khắc.
Hình 2.18 Phản ứng cắt mạch gây bởi ánh sáng trên chất cảm quang PMMA.
Hình 2.19 Hiện trượng xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng trong chất cảm quang âm.
Hình 2.20 Quá trình tráng quay và kiểm sốt độ dày lớp phim liên tục.
Hình 2.21 Quá trình rửa ảnh bằng phương pháp phun.
Hình 2.22 Cấu trúc hệ thống quang khắc bằng tia X, giữa phiến cần khắc và mặt nạ
có một khe hẹp.
Hình 2.23 Cấu trúc về chế tạo mặt nạ dùng trong cơng nghệ quang khắc bằng tia X.
Hình 2.24 Quy trình cơ bản của cơng nghệ quang khắc.
Hình 2.25 Quy trình chế tạo bằng LIGA (quang khắc, mạ điện, tạo khn).
Hình 2.26 Bánh răng micro bằng Ni có độ nhẵn bóng bề mặt cao (10 nm).
Hình 2.27 Quang khắc nghiêng bằng nguồn UV gá nghiêng.
Hình 2.28 Quang khắc nghiêng bằng nhiều nguồn UV.
Hình 2.29 Quang khắc nghiêng bằng nguồn UV nghiêng và nền xoay.
Hình 2.30 Ảnh hưởng của khúc xạ và phản xạ đến quá trình quang khắc.
Hình 2.31 Quang khắc để định hình cấu trúc lên lớp cảm quang.
Hình 2.32 Mạ điện theo cấu trúc đã được định hình từ lớp cảm quang.
Hình 2.33 Các bước tạo khn PDMS.
Hình 2.34 Quy trình chế tạo sản phẩm polymer dùng khn PDMS.

Hình 2.35 Khn PDMS khi tạo thành.
Hình 2.36 Sản phẩm tạo thành từ khn trên nhìn qua kính hiển vi.
Hình 2.37 Sơ đồ mạ điện tạo khuôn kim loại theo cấu trúc phim cảm quang.
Hình 2.38 Nhóm khn được mạ bằng Ni nhìn qua kính hiển vi.
Hình 2.39 Các phương pháp gia cơng trong cơng nghệ ăn mịn.
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang viii

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 2.40 Hai q trình ăn mịn: dị hướng và đẳng hướng.
Hình 2.41 Hệ số tỷ lệ xác định các q trình ăn mịn khác nhau.
Hình 2.42 Một số biên dạng sau khi ăn mòn bằng dung dịch KOH.
Hình 2.43 Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ ăn mòn Si bằng dung
dịch KOH 45%.
Hình 2.44 Hệ HNA dùng trong ăn mịn đẳng hướng.
Hình 2.45 Vết lõm khơng mong muốn trong q trình ăn mịn đẳng hướng.
Hình 2.46 Ăn mịn khơ bằng ion phản ứng.
Hình 2.47 Kỹ thuật ăn mịn ion phản ứng RIE.
Hình 2.48 Cấu trúc buồng ăn mịn ion phản ứng.
Hình 2.49 Các sản phẩm của cơng nghệ ăn mịn RIE có tỉ số hình dạng cao.
Hình 2.50 Nhiều cấu trúc vi cơ khối khác nhau được chế tạo trên nền Silic đơn tinh
thể (dầm, rãnh chữ V, màng … ).
Hình 2.51 Cảm biến áp suất dạng màng chế tạo bằng vi cơ khối.

Hình 2.52 Kiểm sốt bằng thời gian ăn mịn với các màng > 50µm.
Hình 2.53 Kiểm sốt ăn mịn bằng cách cấy lớp Bo vào nền silic.
Hình 2.54 Sơ đồ hệ thống pha tạp B bằng cấy ion.
Hình 2.55 Biểu đồ ảnh hưởng mật độ B đến tốc độ ăn mịn.
Hình 2.56 Cấu trúc liên kết tấm bằng kỹ thuật gia nhiệt.
Hình 2.57 Sơ đồ liên kết tấm bằng hỗ trợ của dịng điện.
Hình 2.58 Các bước trong vi cơ bề mặt bằng phương pháp ăn mòn lớp hy sinh.
Hình 2.59 Quy trình chế tạo dầm Poly-Si bằng phương pháp ăn mịn lớp hy sinh.
Hình 2.60 Cấu trúc P-Si có diện tích rộng được chế tạo trên nền Si.
Hình 2.61 Các sản phẩm của vi cơ bề mặt: bộ truyền bánh răng, micro motor.
Hình 3.1 Khn được gia công bằng công nghệ phay với các phần tử micro.
Hình 3.2 Máy phun ép BOY 22A dùng trong cơng nghệ vi khn.
Hình 3.3 Q trình ép phun cho các sản phẩm có kích thước nhỏ.
Hình 3.4 Sản phẩm của cơng nghệ ép phun.
Hình 3.5 Hệ thống kênh dẫn cho ép phun cấu trúc micro, nhóm kim tiêm chế tạo
bằng ép phun.
Hình 3.6 Quá trình gia nhiệt từng phần bằng các thiết bị bên ngoài.
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang ix

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 3.7 Các vấn đề khi tách khuôn: A - mẫu trước khi tách, B - tách khuôn, C mẫu bị hỏng (gãy, nứt), D - mẫu bị biến dạng.
Hình 3.8 Kết quả phân tích thời gian phun trong MPI.

Hình 3.9 Quy trình sửa lỗi CAD trong Moldflow Cad Doctor.
Hình 3.10 Quy trình phân tích tổng quát trong Moldflow Plastic Insight.
Hình 3.11 Xác định chế độ cơng nghệ cho q trình ép phun.
Hình 3.12 Phân tích q trình điền đầy nhựa vào khn.
Hình 3.13 Cân bằng dịng chảy, định kích thước kênh nhựa.
Hình 3.14 Quy trình tối ưu hóa thời gian làm nguội.
Hình 3.15 Quy trình tối ưu hóa thời gian định hình.
Hình 3.16 Sơ đồ các phương pháp khắc phục biến dạng, cong vênh.
Hình 3.17 Khảo sát và khắc phục biến dạng, cong vênh.
Hình 3.18 Chia lưới mơ hình.
Hình 3.19 Thời gian điền đầy khn.
Hình 3.20 Vị trí các lỗ khí.
Hình 3.21 Nhiệt độ dịng nhựa.
Hình 3.22 Mũi khoan micro có đường kính 0.25mm và ảnh lưỡi cắt phóng to.
Hình 4.1 Cấu trúc da và vùng bị đau khi tiêm.
Hình 4.2 Cấu trúc của đầu kim.
Hình 4.3 Đồ thị quan hệ giữa áp lực và đường kính vi kim tiêm.
Hình 4.4 Đồ thị quan hệ giữa lưu lượng và đường kính vi kim tiêm.
Hình 4.5 Cấu trúc của hệ thống kim tiêm.
Hình 4.6 Phân tử SU-8 nhóm nhựa dẻo, đơn phân tử có 8 nhóm nhựa.
Hình 4.7 Liên kết ngang sau khi được chiếu sáng.
Hình 4.8 Các mặt phẳng quan trọng và hướng cấu trúc tinh thể silic.
Hình 4.9 Trình tự các bước chế tạo khn trung gian PDMS.
Hình 4.10 Photoresit Spiner machine.
Hình 4.11 Phủ lớp trợ dính và photoresit.
Hình 4.12 Thiết bị ủ (Hot plate).
Hình 4.13 Máy chiếu UV Mask Alaigner của hãng Suss Micro Tech.
Hình 4.14 Dektak 6M sử dụng để đo độ dày của một Step.
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang x

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 4.15 Thiết bị Filmetric dùng để đo độ dày màng.
Hình 4.16 Khn PDMS thu được.
Hình 4.17 Các bước chế tạo lỗ kim trên vật liệu SU-8.

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 So sánh các ưu nhược điểm của 3 phương pháp lắng đọng pha hơi hóa
học.
Bảng 2.2 Các lỗi thường gặp trong quá trình phủ lớp photoresist.
Bảng 2.3 So sánh ưu nhược điểm của 3 phương pháp chiếu.
Bảng 2.4 So sánh cảm quang âm và dương.
Bảng 2.5 Vật liệu và tác nhân ăn mòn.
Bảng 2.6 Các tác nhân ăn mòn dị hướng Silic.
Bảng 2.7 So sánh ưu nhược điểm ăn mịn ướt và khơ.
Bảng 2.8 Các loại hỗn hợp khí tạo plasma cho ăn mịn một số chất điển hình.
Bảng 3.1 Thơng số của máy phun ép BOY 22A.
Bảng 3.2 So sánh tính năng của MPA và MMA.
Bảng 3.3 Các định dạng được Moldflow Design Link hỗ trợ.
Bảng 3.4 Kết quả mơ phỏng q trình điền đầy.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang xi

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
- MEMS: Micro – Electro – Mechanical – Systems.
- IC: Integrated Circuit.
- CMOS: Complementary Metal – Oxide - Semiconductor.
- PCR: Polymerase Chain Reaction.
- PMMA: Polymethylmethacrylate – Acrylic.
- PDMS: Polydimethylsiloxane.
- CAD: Computer Aided Drawing & Design.
- CVD: Chemical Vapor Deposition.
- APCVD: Atmosphere Pressure CVD.
- LPCVD: Low Pressure CVD.
- PECVD: Plasma enchanced CVD.
- PVD: Physical Vapor Deposition.
- UV: Ultra Vaiolet.
- RIE/DRIE: (Deep) Reaction – Ion - Eatching.
- ECR: Electron Cyclotron Resonance.
- IPA: Isopropyl Alcohol.
- PGMEA: Glycol Methyl Ether Acetate.
- Resist: Photoresist.
- DUV: Deep UV.
- BM: Bulk Micromaching.

- SM: Surface Micromaching.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang xii

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan về cơng nghệ MEMS như: lịch sử hình
thành và phát triển, xu hướng phát triển cũng như ưu – nhược điểm và những ứng
dụng thực tế của công nghệ MEMS. Ngồi ra chương này cịn xác định mục tiêu,
nhiệm vụ và trình tự thực hiện luận văn.
1.1 Tính cấp thiết của luận văn
Ngày nay với sự phát triển của khoa học cơng nghệ nói chung và cơng nghệ
micro – nano nói riêng, các sản phẩm được chế tạo ngày càng tinh vi và đa dạng,
đặc biệt là kích thước. Việc giảm kích thước các chi tiết hay kết cấu của một sản
phẩm sẽ mang lại nhiều lợi ích. Sản phẩm có kết cấu nhỏ hơn sẽ tiêu thụ nguyên vật
liệu và năng lượng ít hơn, hiệu suất cao hơn và quan trọng nhất đó là mở ra nhiều cơ
hội về mặt ứng dụng hơn, như trong lĩnh vực y học có ống trợ thính, kim tiêm
khơng gây đau, các loại bơm, van, … ngồi ra cịn có nhiều ứng dụng khác trong
lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tơ, … Do đó các sản phẩm kích thước nhỏ cỡ vài trăm
micro hoặc nhỏ hơn nữa đang được các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo quan tâm
một cách đặc biệt.

Để chế tạo những sản phẩm kích thước nhỏ có thể áp dụng cơng nghệ
MEMS (Micro – Electro – Mechanical – Systems) hoặc dùng công nghệ vi khuôn
(Micro molding). Mỗi một phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Nếu
dùng cơng nghệ MEMS để chế tạo thì sản phẩm thu được có thể sử dụng ngay
được, đạt độ phân giải cao, tuy nhiên việc đầu tư ban đầu, cũng như chi phí nguyên
vật liệu cao. Đối với vi khn, điển hình nhất là vi khn phun ép (Micro injection
molding), trên cơ sở dùng công nghệ MEMS chế tạo các tấm khn (Micro mold
insert) sau đó dùng kỹ thuật ép phun đặc trưng cho chi tiết nhỏ này. Việc áp dụng
chế tạo cho một loạt sản phẩm bằng kỹ thuật phun ép sẽ giúp giảm giá thành, đạt
hiệu quả kinh tế cao.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 1

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Thực tế ở các nước phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS
vào cơng nghiệp và đời sống một cách mạnh mẽ, cịn ở nước ta lĩnh vực này đang
trong giai đoạn khởi đầu với những nghiên cứu, thiết kế - chế tạo các sản phẩm ứng
dụng công nghệ MEMS như:
™ Chip sinh học - Sản phẩm có tên gọi đầy đủ là linh kiện vi cân tinh thể
thạch anh (QCM - Quatz Crystal Microbalance), do Sở Khoa học và
Công nghệ TP HCM đầu tư và được ICDREC (Trung tâm Nghiên cứu và
Đào tạo thiết kế vi mạch Đại học quốc gia TP HCM) kết hợp với Trung

tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao TP HCM triển khai thiết
kế và sản xuất.
™ Cảm biến vi cơ đo lực – Trung Tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật
liệu (ITIMS).
™ Cảm biến áp suất.
™ Ứng dụng cảm biến áp suất MEMS trong thiết bị điện tử y tế - Chử Đức
Trình, Nguyễn Phú Thùy,Vũ Ngọc Hùng, Đinh Văn Dũng, Bùi Thanh
Tùng , Trần Đức Tân, Vũ Việt Hùng, Khoa Công Nghệ, Đại học Quốc
Gia Hà Nội Nhà E3, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam,Trung
tâm ITIMS, Toà nhà ITIMS, 01 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam.
™ Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa
trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) - Vũ Ngọc Hùng, Đặng Bảo Lâm,
Phạm Hồng Phúc, Viện ITIMS, Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam.
™ Chế tạo đầu viết mực in phun có thể phun trên bất kỳ dung mơi 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.
Bên cạnh những sản phẩm được sản xuất theo cơng nghệ MEMS thì việc sản
xuất các sản phẩm bằng cơng nghệ vi khn có nghĩa ý quan trọng trong lĩnh vực
khn mẫu nói riêng và trong cơng nghệ MEMS nói chung. Thành cơng trong công

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 2

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

nghệ vi khuôn sẽ tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo công
nghệ MEMS cho các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, cảm biến, bộ dẫn động, y tế,
... với các thiết bị có kích thước micro.
Từ những ứng dụng mang nhiều ý nghĩa của vi khuôn ứng dụng cơng nghệ
MEMS trong nghiên cứu thiết kế, chế tạo. Vì thế thực hiện đề tài là ý nghĩa và
mang tính cấp thiết.
Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ gia công MEMS trong
thiết kế khuôn mẫu là nội dung luận văn của em.
1.2 Lịch sử phát triển và nhu cầu về nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS
trên thế giới và Việt Nam
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Với sự ra đời của công nghệ chế tạo vi mạch (IC) trong thập niên 1960, con
người có khả năng chế tạo các chip có mật độ từ vài trăm đến vài triệu tranzitor nằm
trên bề mặt silic. Đây được xem như một sự tiến bộ lớn về công nghệ vi mạch. Yếu
tố cạnh tranh và tính kinh tế trong ngành cơng nghiệp IC địi hỏi phải khơng ngừng
cải tiến. Do đó một yêu cầu được đặt ra là phải chế tạo càng nhiều vi mạch trên một
tấm wafer (vật liệu bán dẫn để chế tạo vi mạch tích hợp) càng tốt. Vì thế, cấu trúc
mạch cần phải được thu nhỏ lại, tuy nhiên chức năng vẫn tương tự, thậm chí là tiến
bộ hơn trước. Thành cơng của sự tiến bộ này sẽ mang lại lợi nhuận rất lớn về kinh
tế.
Song song với các q trình thu nhỏ kích thước bo mạch thì việc thu nhỏ
kích thước các linh kiện, chi tiết hay bộ phận không thể chế tạo trực tiếp trên vi
mạch là điều kiện tiên quyết để giảm kích thước. Các bộ phận nằm ngồi chip (off chip) thường là các cơ cấu chấp hành và thường được chế tạo bằng kỹ thuật cơ khí.
Yêu cầu đặt ra là những bộ phận này vẫn giữ được các tính chất nguyên gốc cơ học
một cách trung thực, tuy nhiên với những bộ phận nhỏ thì khơng thể chế tạo được
với các kỹ thuật cơ khí truyền thống. Vì vậy cần phải có cơng nghệ chế tạo cho các
bộ phận dạng này.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 3

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Từ những kết quả đạt được của công nghiệp vi mạch là khả năng sản xuất
hàng loạt các vi mạch kích thước rất nhỏ, điều này giúp các nhà nghiên cứu có cơ sở
để áp dụng các công nghệ vi mạch để sản xuất các thiết bị cơ khí, quang học … với
hy vọng có được những cải tiến về hiệu suất và chi phí tương tự như trong ngành
cơng nghiệp bán dẫn. Và đó là lý do dẫn đến sự ra đời của công nghệ MEMS. Cơng
nghệ MEMS cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện nhưng vẫn giữ được các đặc
tính cơ khí cần thiết.
1.2.2 Khái niệm về MEMS
MEMS là thuật ngữ viết tắt của Micro – Electro – Mechanical – Systems (Hệ
vi cơ điện tử). Thuật ngữ MEMS dùng để chỉ sự tích hợp giữa hệ thống điện tử và
cơ khí để tạo thành một cấu trúc vi hệ thống (có kích thước micromet) có thể hoạt
động, vận hành như các sản phẩm cơ điện truyền thống.

Hình 1.1 Tương quan kích thước và chất lượng các loại máy
Tổng quát hơn, MEMS đồng thời vừa là một công cụ, vừa là một sản phẩm
vật lý và cũng là một giải pháp. Xét từ gốc độ vật lý, MEMS tích hợp các thành
phần cơ và điện trên một tấm nền được chế tạo bằng các kỹ thuật vi chế tạo. Các
thành phần điện được chế tạo bằng các kỹ thuật IC ví dụ như CMOS. Còn thành
phần cơ được chế tạo bởi vi chế tạo tương thích với cơng nghệ IC. Hình sau mơ tả

ngun lý cấu tạo của một chip MEMS.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 4

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 1.2 Sơ đồ ngun lý của một chip MEMS
Từ khái niệm trên cho thấy một số đặc tính của MEMS như sau:
™ Là cấu trúc vi mơ có kích thước từ 1μm đến 1mm.
™ Mang các đặc tính điện (Electro), ví dụ cần phải cung cấp hiệu điện thế
nguồn để hoạt động, có các tín hiệu điện/ điện tử vào ra …
™ Mang các đặc tính cơ (Mechanical): chuyển động cơ học, khớp nối theo 2
hoặc 3 chiều, các truyền động bánh răng, biến dạng các màng …
™ Mang đặc tính tích hợp giữa các hệ thống (Systems): gồm các nhóm linh
kiện điện – cơ trong các cấu trúc khác nhau, chúng tích hợp với nhau trên
một hệ thống thống nhất và có thể điều khiển được (Systems on chip). Một
thiết bị được tạo ra đã có sẵn sự tích hợp các tính chất điện - cơ mà không
cần các bước lắp ráp các phần chính của thiết bị (ví dụ như mạch điện, các
cơ cấu cơ khí) trừ bước đóng gói sản phẩm.
Cơng nghệ MEMS đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc trước đây là
công nghệ bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành
và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (System on chip). Các linh kiện
MEMS thường được cấu tạo từ Silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ

thống vi cơ tích hợp trên một chip và có thể kết hợp với những phần cơ chuyển
động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện …

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 5

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khn mẫu

Hình 1.3 Các lĩnh vực có thể ứng dụng trong MEMS
Một hệ thống có thể bao gồm:
™ Cảm biến để thu nhận thông tin cho hệ thống.
™ Mạch điện tử để xử lí các tín hiệu mà cảm biến đưa về.
™ Cơ cấu chấp hành (Actutors): thực hiện các chuyển động đáp ứng theo
các tín hiệu đã được mã hóa.
Các cảm biến cơ cấu chấp hành thực hiện các chuyển động cơ, cịn việc xử lý
tín hiệu và kiểm sốt hoạt động của cơ cấu có thể được xây dựng bằng cách sử dụng
mạch điện tử. Vì vậy, tồn bộ hệ thống có thể được tích hợp trên một chip duy nhất
mà không cần thêm bất kỳ quá trình lắp ráp nào. Cả một hệ thống tích hợp trên một
đơn chip được thu nhỏ và xử lý song song dẫn đến việc chế tạo rẻ tiền trong trường
hợp chế tạo với số lượng lớn và có khả năng làm cho các thiết bị có các chức năng
đặc biệt mà khơng có ở cơng nghệ truyền thống.
1.2.3 Q trình phát triển cơng nghệ MEMS
Q trình phát triển của MEMS được gắn liền với một số mốc sự kiện sau:
Từ giữa năm 1960 đến 1980: Phát triển các kỹ thuật làm nền móng cho phát

triển trong lĩnh vực MEMS ngoài những kỹ thuật trong chế tạo vi mạch. Ví dụ kỹ
thuật ăn mịn dị hướng (K. Bean năm 1978) để khắc các cấu trúc 3D trên nền Silic.
CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 6

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu dùng các quy trình chế tạo vi mạch để tạo các vi
thiết bị cơ khí (Micromechanical devices) gồm các chi tiết dạng dầm, màng. Đồng
thời, trong thời gian này các kỹ thuật vi cơ khối và vi cơ bề mặt cũng đang ngày
càng hoàn thiện.
Năm 1970, Kurt Petersen của IBM và một số trường đại học khác đã chế tạo
thành công vi cảm biến áp suất dạng màng. Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng
áp điện trở bằng cách cấy các điện trở trên tấm màng. Chế tạo bằng công nghệ vi cơ
khối (Bulk Micromaching).
Năm 1978, Hewlett-Packard đã phát hiện kỹ thuật chế tạo vòi phun mực in.
Nhiều vòi phun phát ra các giọt mực in rất nhỏ dựa trên sự giãn nở nhiệt của chất
lỏng. Đến 2004 đầu phun mực in dựa nhiều nguyên tắc gồm nhiệt, áp điện, lực tĩnh
điện. Ví dụ như các dịng sản phẩm của EPSON dựa trên nguyên lý áp điện (từ đó
khơng cần có các bộ phận gia nhiệt nữa).
Năm 1982, trên cơ sở một số kết quả đạt được trên vật liệu silic, Kurt
Petersen nêu ra khái niệm “Silic là một vật liệu cơ”. Ơng đã trình bày sự phát triển
của nhiều linh kiện theo vi cơ trên silic. Đây có thể coi là một bước ngoặt về sự phát
triển của công nghệ vi cơ điện và những khả năng khả quan mà cơng nghệ MEMS

có thể mang lại được. Đến năm 1984, các nhà khoa học chính thức xác nhận Silic là
vật liệu vi cơ điện.
Năm 1989, chế tạo thành công micromotor dựa trên nguyên lý lực tĩnh điện
trên nền silic bỡi các nhà nghiên cứu của Đại Học California. Một vài năm sau các
nhà khoa học đã thống nhất tên gọi lĩnh vực này là “Micro – Electro – Mechanical
Systems”.
Năm 1990, chế tạo thành công hệ thống túi khí an tồn (Air bag) trang bị cho
các loại xe hơi nhằm giúp bảo vệ con người không bị va đập vào xe khi có tai nạn.
Tín hiệu điều khiển được lấy từ cảm biến đo gia tốc xe, nếu có sự cố đột ngột thì gia
tốc thay đổi cảm biến đưa tín hiệu về và hệ thống sẽ mở túi khí ra giúp người ngồi
xe tránh được các va chạm mạnh.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 7

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Từ sau những năm 1990 phát triển mạnh lĩnh vực này trong thông tin liên
lạc, quang học.
Năm1998, hội nghị đầu tiên về MEMS được tổ chức.
Từ sau năm 2000 phát triển trong lĩnh vực sinh học gọi tắt là Bio MEMS.
Ứng dụng nổi bật nhất là chế tạo các đầu kim tiêm thuốc với kích thước danh nghĩa
chiều cao cực chính xác. Chiều cao này cỡ vài trăm micro do đó khơng tác động đến
dây thần kinh vì thế khơng gây đau. Các chip PCR nhận dạng AND…

1.2.4 Xu hướng phát triển, thị trường và nhu cầu về MEMS
Từ khi ra đời, xu hướng phát triển của MEMS có thể tóm tắt như sau: từ các
ứng dụng trong công nghiệp ôtô những năm đầu 90, thông tin liên lạc giữa và cuối
năm 90, từ 2000 trở lại đây đặc biệt phát triển trong lĩnh vực sinh học và công nghệ
nano.
Những năm đầu 1990, với sự phát triển lớn mạnh của ngành công nghiệp IC
và sự hỗ trợ tài chính của chính phủ, các nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS đã đạt
được các kết quả đáng ghi nhận đặc biệt trong lĩnh vực ôtô. Các linh kiện MEMS có
thể đáp ứng với nhiều loại tín hiệu vào: hoá, quang, áp suất, rung động, vận tốc và
gia tốc ... Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học có kích thước nhỏ tinh tế
và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm
biến (Sensor), những bộ chấp hành (Actuator) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như: y sinh, hóa phân tích, thiết bị quang, truyền thông không dây ... Các
bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng
kềnh trước đây. Tuy nhiên, công nghệ MEMS vẫn mới đang ở giai đoạn đầu và cần
rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn nữa.
Công nghệ MEMS, từ những năm 2000 đến nay, với những kỹ thuật chế tạo
cũng như vật liệu mới đã góp phần đưa cơng nghệ này phát triển nhanh hơn:
Cơng nghệ chế tạo các chi tiết có kích thước nano là một xu thế mới nên vấn
đề về cơ sở lý thuyết công nghệ cũng cần được quan tâm cũng như một số giới hạn
về thiết kế và chế tạo.

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 8

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

Vật liệu ứng dụng nhiều trong thời gian gần đây là các loại vật liệu polymer
(PMMA, SU - 8, PDMS …). Với các đặc tính quang và cơ tốt nên vật liệu này càng
được sử dụng rộng rãi.
Nổi bật nhất là các ứng dụng trong y sinh.
Yêu cầu của thị trường MEMS là rất lớn, tuy nhiên việc đáp ứng vẫn còn rất
khiêm tốn. Tỷ lệ sử dụng linh kiện cảm biến/ bộ kích hoạt trong MEMS vào năm
2000 là 80%/ 20%, đến năm 2005 tỷ lệ đã tăng lên 60%/ 40%. Như vậy, các thành
phần kích hoạt khó chế tạo hơn đã tăng lên, nghĩa là tính năng của MEMS đã cao
hơn. Theo số liệu đánh giá về hệ thống MEMS, doanh thu thị trường MEMS năm
1999 khoảng 6 tỷ USD, nhưng đến năm 2000 tăng lên nhanh chóng khoảng 14 tỷ
USD, trong đó cảm biến áp suất chiếm 26%, đóng ngắt quang chiếm 24%, linh kiện
ghi nhận và điều khiển dòng chảy chiếm 19%, cảm biến quán tính (Intertial sensor)
chiếm 20%, linh kiện lưu trữ dữ liệu 6%, các loại sản phẩm khác chiếm 5%. MEMS
trong điện tử dân dụng có doanh thu khoảng 200 triệu USD. Đặc biệt, Theo các
nghiên cứu mới đây, thị trường MEMS và cảm biến sẽ tăng gấp đôi và đạt con số
7.91 tỉ USD vào năm 2015, trong đó cảm biến gia tốc/chuyển động sẽ chiếm 1.19 tỷ
USD thị phần. [32]
1.2.5 Ưu nhược điểm và thách thức của công nghệ MEMS
a. Ưu nhược điểm của công nghệ MEMS
MEMS bao gồm những cơng nghệ cao, đa dạng có thể có những ảnh hưởng
đáng kể đến mọi sản phẩm thương mại và sản phẩm quốc phịng. Tính tự nhiên của
MEMS và tính đa dạng của những ứng dụng hữu ích làm cho MEMS trở thành một
loại hình cơng nghệ tổ hợp tiềm năng để chế tạo ra các vi mạch tích hợp 3D phức
tạp, có nhiều ứng dụng.
MEMS đã xóa dần ranh giới và khoảng cách giữa các hệ thống cơ phức tạp
và các mạch điện tử tích hợp. So với công nghệ trước đây, một số bộ cảm biến và
bộ kích hoạt có thể chưa đạt đến độ tin cậy cao và giá thành của hệ thống điện tử kích hoạt - cảm biến vĩ mơ cịn đắt, nhưng MEMS cho phép sản xuất các hệ thống

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 9

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu

điện - cơ phức tạp bằng cách sử dụng kỹ thuật vi cơ khối sẽ làm giảm chi phí, tăng
độ tin cậy của các bộ cảm biến và bộ kích hoạt, về giá thành cũng được dự đoán là
thấp hơn nhiều.
Các ứng dụng của MEMS rất đa dạng và rộng rãi, trong đó các sản phẩm đơn
thuần về vi điện tử không thể cạnh tranh được. Chính vì thế lĩnh vực này đang rất
được quan tâm để đầu tư phát triển.
Công nghệ MEMS đang được kết hợp với công nghệ Nano và công nghệ y
sinh để tạo ra các loại sản phẩm cho ứng dụng mới.
Công nghệ MEMS đang thốt khỏi tình trạng chỉ sử dụng vật liệu silic và
bán dẫn. Các vật liệu polymer đang được sử dụng ngày càng nhiều như PMMA,
SU-8, PDMS …
Trong những năm gần đây các vật liệu mới như polymer và các hợp chất bán
dẫn được sử dụng ngày càng nhiều và được ứng dụng vào một số lĩnh vực mới. Các
vật liệu polymer hiện được sử dụng ngày càng nhiều trong MEMS vì những tính
chất vật liệu độc nhất của chúng như sự tương thích sinh học, trong suốt về mặt
quang học …
b. Những khó khăn, thách thức của công nghệ MEMS
Hiện nay MEMS mới chỉ được chế tạo với mật độ linh kiện trung bình và tỷ

lệ thể tích khối cịn thấp, chưa phát triển nhanh. Sở dĩ như vậy, vì cịn có một số khó
khăn chính như sau:
Các lựa chọn cịn hạn chế: hầu hết các cơng ty thăm dị tiềm năng của
MEMS đều thấy MEMS có hạn chế trong việc lựa chọn các thiết bị máy móc dùng
để sản suất các sản phẩm MEMS. Các vấn đề về chi phí của các bước chế tạo, đầu
tư ban đầu lớn đã giới hạn tốc độ phát triển của lĩnh vực này.
Việc đóng gói cho sản phẩm MEMS cũng gặp nhiều khó khăn: các cơ cấu
thiết bị và hệ thống MEMS cần được đóng gói để cải thiện đáng kể các trạng thái
nguyên thủy của nó. Việc đóng gói MEMS có nhiều thách thức hơn so với việc
đóng gói vi mạch IC vì tính đa dạng của các linh kiện MEMS. Hầu như tất cả các cố

CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà

Trang 10

HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393