1 HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (VI HỆ THỐNG) MICROSYSTEMS MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS MICROMACHINING 2 VI HỆ THỐNG MEMS Mộtthế giớirộng mở và quyếnrũ (An fascinating and wide world) 3 VI HỆ THỐNG Ý tưởng sảnphẩm cho một ứng dụng cụ thể Mô hình hóa Tính toán mô phỏng (tiên đoán ứng xử và đặctrưng) Hoàn chỉnh thiếtkế Thiếtkế và xây dựng qui trình chế tạo Thựchiện chế tạo Thử nghiệm& đánh giá Thương phẩm hóa TiếntrìnhcủalinhkiệnMEMS từ ý tưởng đếnhiệnthực 4 III. Thiết kế trong MEMS 1. Mở đầu/ Introduction 2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước / Scaling issues for MEMS 3. Mô hình hóa và mô phỏng/ Modeling and Simulation 4. Thiếtkế qui trình chế tạo/ Process integration 5. Kếtluận/ Conclusions 5 Vai trò và ý nghĩacủathiếtkế 1. Mở đầu ) Đáp ứng nhu cầuvàđánh giá tiềmnăng củathị trường ) Tác động củasảnphẩm đượcthiếtkế với quá trình phát triển ) Xem xét tính cạnh tranh củasảnphẩm đượcthiếtkế để tìm ra phương án tối ưucả về khía cạnh hiệnthực hóa và đặc tính nổitrộinhất ) Sảnphẩmcókhả năng phù hợpvới điềukiện công nghệ ) Khả năng sảnxuấthàngloạtvớisố lượng lớnvàgiáthànhhạ ) Thể hiện khía cạnh định hướng công nghệ ) Thể hiện khía cạnh làm công cụ nghiên cứu ) Thể hiện khía cạnh định hướng thị trường bằng thương phẩm Phân loạilinhkiệntheomụctiêuthiếtkế Ý nghĩa 6 Động lựctiếntrìnhthiếtkế 1. Mở đầu Đánh giá tính cạnh tranh Nhu cầu thị trường Ý tưởng sáng tạo Đánh giá hoạt động Thiếtkế sảnphẩm Khả năng công nghệ Khả năng chế tạo Mô hình hóa và phân tích 7 Các cấp độ xây dựng mô hình 1. Mở đầu Linh kiện Mô phỏng Qui trình Kỹ sư thiếtkế Tính lặplại X â y d ự n g m ô h ì n h K i ể m đ ị n h Hệ thống –tínhchất động họccủahệ, đượcmôtả bởicácphương trình vi phân mộtbiến (ordinary differential equations - ODE) thông qua mô hình khốitương đương (lumped model). Qui trình – qui trình chế tạovàthiếtkế MASK Mô phỏng –Tìmứng xử củalinhkiện trong điềukiệnthực, tứclàthựchiệngiải các phương trình vi phân (partial differential equations) để tìm nghiệm chính xác (giải tích) hoặcgần đúng nhất (các pp giảis ố như sai phân hữuhạn/finite differential method – FDM, phầntử hữuhạn /finite element method - FEM). hệ thống 8 Các cấp độ xây dựng mô hình 1. Mở đầu 9 Các cấp độ xây dựng mô hình 1. Mở đầu Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do ) ĐL 2 Newton: trong hệ CĐ, gia tốc sinh ra khi có ngoạilựctácđộng, F = ma ⇔ cấutrúcmềmdẻo(rầm – beam) có phầntử tạodaođộng (khối gia trọng - m) ⇒ tạoraứng suấttrênbeam ⇒ nhậnbiếtbằng sự thay đổi điệntrở củaápđiệntrở Mô hình khốitương đương (lumped-model ) Mô tả toán họccủamôhình (bài toán mộtchiều) F mdt dx m b x m k dt xd 1 2 2 +−−= Thiếtkế mô hình tổng thể củahệ 10 Các cấp độ xây dựng mô hình 1. Mở đầu Thiếtkế mô hình linh kiện Khối gia trọng Thanh dầm nhạy cơ Thanh dầm treo Khung ngoài a z a x a y X=1’ Z=3’ Y=2’ Ví dụ thiếtkế cảmbiếngiatốcápđiệntrở 3 bậctự do [...]... so với hệ vĩ mô 19 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học Tần số dao động riêng Đối với hệ dao động cơ, có: f = 1 2π k ∝ M k ∝ M S 1 = S3 S S càng nhỏ (giảm kích thước nhiều) ⇒ f càng lớn Cấu trúc cơ của linh kiện MEMS chịu đựng tác động cơ học lớn hơn nhiều lần so với hệ vĩ mô 20 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật... first design) Phép biến đổi Lagrange Ví dụ: xây dựng mô hình của cảm biến gia tốc Hệ dao động cơ, 1-DOF, ngoại lực F có thể là lực quán tính, lực tĩnh điện hoặc lực điện từ 1 & Mx 2 2 1 + Thế năng của hệ: U = Kx 2 2 1 & + Suy giảm NL của hệ: D = C x 2 2 + Động năng của hệ: T= + Công hệ thực hiện: W = F δx ⇒ Phương trình vi phân dao động bậc 2: M&& + Cx + Kx − F = 0 & x 32 3 Mô hình hóa và mô phỏng Xây... giải phương trình 25 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Các hiệu ứng vật lý đặc biệt Tạp nhiễu Brown (dao động nhiệt): sinh ra trong hệ cơ- điện khi các nguyên tử của vật liệu dao động gây ra suy hao khi hệ hoạt động Hiệu ứng Paschen: Do khe (khoảng cách) giữa các chi tiết trong cấu trúc nhỏ ⇒ xuất hiện thế đánh thủng (breakdown voltage) làm hỏng linh kiện Hiệu ứng điện tử chui ngầm (electron tunneling... số về sự tăng ảnh hưởng của sức căng bề mặt khi kích thước của hệ giảm, xác định bằng tỉ số của lực quán tính và sức căng bề mặt ρv 2 L We = ∝S σ 23 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và phần tử mạch điện Điện trở L 1 R=ρ ∝ A S Kích thước thu nhỏ ⇒R Năng lượng điện trường Năng lượng từ trường Tụ điện C= εA ∝S g Cuộn cảm μN 2 A L= ∝S l Kích thước thu nhỏ ⇒... Introduction 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước / Scaling issues for MEMS design 3 Mô hình hóa và mô phỏng/ Modelling and Simulation 4 Thiết kế qui trình chế tạo/ Process integration 5 Kết luận/Conclusions 14 2 Thu nhỏ kích thước trong thiết kế Kích thước của hệ vật lý 15 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và hình học Hệ số thu nhỏ độ dài hình học: cơ sở để đánh... ảnh hưởng của hiệu ứng thu nhỏ kích thước với hệ vi mô Xét độ dài X0 được thu nhỏ xuống XS theo tỉ lệ (hệ số thu nhỏ) S (0 < S ≤ 1), tức là: XS = S.X0 Diện tích: Thể tích: AS = XS.YS = S2.X0.Y0 = S2.A0 VS = XS.YS.ZS = S3.X0.Y0.Z0 = S3.V0 Hệ số thu nhỏ độ dài = 10-3 ⇒ thể tích và khối lượng giảm 10-9 lần 16 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và hình học Xét... tỉ số: AS 1 A0 = VS S V0 Khi kích thước bị thu nhỏ ⇒ A/S tăng ⇔ hiệu ứng vật lý liên quan tỉ số A/S sẽ khác với hệ vĩ mô 17 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness) Xét biến dạng của lò xo (phần tử đàn hồi) dưới tác dụng của ngoại lực F, có: Phi tuyến Tu yế n Theo ĐL 3 Newton có cân bằng lực tại 2 vị trí của... Kết luận/Conclusions 27 3 Mô hình hóa và mô phỏng Xây dựng mô hình tổng quát (concept to first design) Phép biến đổi Lagrange Sử dụng hệ các phương trình vi phân Lagrange trong hệ tọa độ chung (generalized coordinates) – qk (k = 1,2,…n) để mô tả tạng thái của hệ Điện cơ Tọa độ chung (qi) Động năng (T) Thế năng (U) Hàm suy hao Raleigh (D) Công (W) x θ 1 &2 1 & Mθ Mx 2 2 2 1 2 1 Kx K θθ2 2 2 1 2 & Cx... ku = F ⎦⎩ j ⎭ ⎩ j ⎭ ⎣ F ⇒k = u 18 2 Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thước của hệ vật lý Thu nhỏ kích thước và tính chất cơ học F w Hệ số đàn hồi - Độ cứng (stiffness) Trường hợp beam bị uốn cong (bending): EI Ewt 3 k∝ 3 ∝ ∝S L L Độ cứng beam giảm tương ứng với hệ số thu nhỏ kích thước L t z o dy F x y Trường hợp beam bị xoắn (torsion) : T = k φ.φ (kφ hệ số đàn hồi xoắn, φ là góc xoắn của dầm)... lý thuyết mạch để: Đơn giản hóa một hệ phức tạp (cơ, nhiệt, hóa…) bằng các phần tử mạch điện Mô hình hóa tương tác giữa các dạng năng lượng (energy domain) một cách hiệu quả Mô hình hóa tính chất Tĩnh và Động của hệ mà không cần phải xây dựng và thử 33 3 Mô hình hóa và mô phỏng Xây dựng mô hình tổng quát (concept to first design) Mô hình kết khối (lumped-model) Phần tử kết khối Vật thể đơn lẻ có thể . 1 HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (VI HỆ THỐNG) MICROSYSTEMS MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS MICROMACHINING 2 VI HỆ THỐNG MEMS Mộtthế giớirộng mở và quyếnrũ (An fascinating and wide world) 3 VI HỆ THỐNG Ý. kế Kích thướccủahệ vậtlý 16 2. Các hệ quả khi thu nhỏ kích thước Kích thướccủahệ vậtlý Hệ số thu nhỏ độ dài hình học: cơ sở để đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng thu nhỏ kích thướcvớihệ vi mô Xét độ. thướccủahệ vậtlý Thu nhỏ kích thướcvàtínhchấtcơ học Tầnsố dao động riêng Đốivớihệ dao động cơ, có: SS S M k M k f 1 2 1 3 =∝∝= π ) S càng nhỏ (giảmkíchthướcnhiều) ⇒ f càng lớn 2. Các hệ quả khi