MEMS và công nghệ vi cơ

MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi 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....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
MEMS và công nghệ vi cơ MEMS và công nghệ vi cơ MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo. Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi 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. MEMS hứa hẹn cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng cách tạo ra các hệ thống trên chip hoàn chỉnh (systems on a chip). Công nghệ vi cơ (micromachining) và các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system - MEMS) được dùng để tạo ra cấu trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một công nghệ có khả năng cho phép sự phát triển các sản phẩm thômg 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 khả năng nhận biết 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 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 yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá thành thấp Thị trường MEMS Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kết thúc. Đặc biệt công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp một phương tiện giao tiếp với thế giới điện tử số, được chi phối bởi IC, với thế giới vật lý tương tự. Trong thế giới vật lý, những tín hiệu quan tâm không có bản chất điện , cần các máy biến năng tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện (ví dụ cảm biến) có thể được xử lý bằng hệ thống điện tử IC cho phép. Ngoài ra, sự liên kết các máy biến năng trong một hệ thống cũng có nhiều thuận lợi (ví dụ đầu tiên chuyển tín hiệu nhiệt sang tín hiệu cơ sau đó, thành tín hiệu quang , và cuối cùng thành một tín hiệu điện). Hơn nữa, có thể kết hợp bộ cảm biến và bộ kích hoạt tạo ra vi hệ thống hoàn chỉnh. Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến. Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây : Thuận lợi về tỉ lệ : Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro. Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS. Tích hợp mạch : Sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế . Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ + Công nghệ vi cơ: Các quy trình lắng đọng, khắc hay xác định vật liệu với đặc trưng tối thiểu được đo theo đơn vị micro hoặc nhỏ hơn + Công nghệ MEMS : Mọi thiết bị và hệ thống được sản xuất theo công nghệ vi cơ khác với mạch tích hợp hay với linh kiện bán dẫn truyền thống. Kích thước của chúng được đo theo đơn vị nano (nm) đến centimet (cm) Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình vi cơ. - Năm 1500. Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm. - Trong những năm1940. Sự phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si). - Năm 1947. Sự phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bán dẫn. - Năm 1949. Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày của transistor bán dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu. - Năm1959. Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đềCó 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. - Năm1960. 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 mẩu 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 (metal – oxide – semiconductor field – effect transistor _ 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 được trình bày trong hình dưới, 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 một vật liệu cơ 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. - 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 ...