Thế giới công nghệ không ngừng phát triển và một trong những tiến bộ thú vị nhất trong những năm gần đây là MEMS, một công nghệ mang tính cách mạng có tiềm năng thay đổi cách chúng ta kết nối Internet và giao tiếp với nhau. Tác động của công nghệ MEMS đến sự phát triển các thiết bị liên lạc và kết nối internet đến nay vẫn chưa thể đánh giá hết. Với khả năng thu nhỏ và tích hợp nhiều thành phần khác nhau, công nghệ MEMS đã giúp tạo ra các thiết bị nhỏ hơn, hiệu quả hơn, có khả năng kết nối Internet và giao tiếp với nhau một cách liền mạch. Một trong những lĩnh vực quan trọng mà công nghệ MEMS đang thể hiện rõ vai trò đột phá là phát triển các thiết bị đeo. Các thiết bị này, chẳng hạn như đồng hồ thông minh và thiết bị theo dõi thể dục, dựa vào cảm biến MEMS để thu thập và truyền dữ liệu đến điện thoại thông minh hoặc máy tính của người dùng. Cảm biến MEMS cực kỳ nhỏ và có thể đo nhiều thông số, bao gồm nhiệt độ, áp suất và chuyển động. Dữ liệu này sau đó có thể được sử dụng để cung cấp những hiểu biết có giá trị về sức khỏe và tinh thần của người dùng.
Tổng quan về sự phát triển của MEMS
Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, cuộc cách mạng về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này. Tuy mới được phát triển trong một thời gian ngắn nhưng các sản phẩm MEMS đã mang lại cho xã hội những lợi ích to lớn, qua đó đã khẳng định được tầm quan trọng của mình. MEMS đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong truyền thông, đời sống, khoa học và trong lĩnh vực thiết bị, linh kiện nhờ rất nhiều đặc điểm nổi bật của mình. Hình 1.1 giới thiệu một số sản phẩm MEMS.
Các thiết bị MEMS giao tiếp với cả tín hiệu điện và không điện, đồng thời tương tác với thế giới vật lý cũng giống như với thế giới điện bằng cách kết hợp xử lý tín hiệu với các bộ cảm biến. MEMS không chỉ bao gồm các thành phần điện mà còn có các phần tử cơ học, mà một số có thể chuyển động được như: sensor áp suất, sensor gia tốc, con quay vi cơ… Các thiết bị MEMS được thiết kế dựa trên các kỹ thuật VLSI và hệ CAD cơ khí. Cũng giống như các IC trước đây, MEMS cũng hướng tới kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn, nhiều chức năng hơn, linh hoạt hơn và rẻ tiền hơn Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của mạch tích hợp (IC) [4]. Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ (micromachining) trên đế silic hoặc thêm vào những lớp cấu trúc mới để hình thành nên những thiết bị cơ và cơ điện tử. Điểm đặc biệt và cơ bản của công nghệ MEMS đó là tận dụng được đặc tính cơ học của vật liệu silic để tạo ra những cấu trúc cơ học chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử- điều này đã tạo ra những thế hệ sản phẩm công nghệ mới [5]. Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 1960 với các linh kiện ban đầu được ứng dụng làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống. Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh học. Ngoài ra, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống chấp hành, các hệ thống điều khiển tự động v.v. [6]. Các thiết bị MEMS này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích thước m và thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường xung quanh.
Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS
Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silic và do đó nó có những ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.
- Vật liệu silic là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiến silic được thực hiện trong quy mô công nghiệp.
- Vật liệu silic cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện.
- Vật liệu silic có những tính chất cơ rất tốt:
o Độ bền kéo của silic là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép là 4,2.109 N/m2
o Khối lượng riêng của silic là 2,3g/cm3 trong khi khối lượng riêng của thép là 7,9g/cm3
MEMS được chế tạo bằng công nghệ vi cơ mà nó có thể được phân loại thành hai công nghệ chính: công nghệ vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt.
Công nghệ vi cơ khối:
Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công cả khối vật liệu (ở đây là một tấm silíc). Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ vi cơ khối là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dị hướng) hoặc phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma).
Công nghệ vi cơ bề mặt:
Công nghệ vi cơ bề mặt liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế. Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrificial material) và lớp vật liệu tạo cấu trúc. Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt lớp đế theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc. Thông thường thì lớp này là vật liệu oxit silíc. Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên trên lớp vật liệu "hi sinh" và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo cấu trúc, vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride. Sau quá trình ăn mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu.
Công nghệ LIGA:
LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công nghệ vi đúc (Micromolding) [3]. Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang khắc (lithography), mạ điện, và đúc. Công nghệ này sử dụng các khuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc. Quy trình này có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc ba chiều, có tỷ số cạnh cao (high aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm và thuỷ tinh. Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn trực sóng ngắn tia X giống như một máy synchrotron. Sử dụng các quy trình vi đúc có thể chế tạo các vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ. Ngoài ra, độ dày của các cấu trúc có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng như làm tăng mômen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện. Các cấu trúc mạ kẽm (Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu trúc kim loại được dùng phổ biến. Crôm, SiO2, polyimide, photoresist và Titan thường được dùng làm vật liệu hy sinh (sacrificial material).
Kết luận
MEMS là một công nghệ tiên tiến với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sự phát triển và ứng dụng của MEMS không chỉ giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử. Với sự tích hợp ngày càng sâu rộng vào các lĩnh vực khác nhau, MEMS chắc chắn sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai công nghệ.
