Trang chủ

Tổng quan về các mức thiết kế linh kiện MEMS

Khánh Linh

 

Tóm tắt:
Bài báo này tóm lược các phương pháp thiết kế trong lĩnh vực Vi cơ điện tử, được coi là một vấn đề quan trọng mà cho tới hiện nay vẫn đang dành được sự quan tâm đặc biệt của các nhóm thiết kế MEMS trên thế giới. Người thiết kế MEMS phải làm chủ được các sự thay đổi lớn khác nhau trong quy trình chế tạo, các tính chất của các vật liệu và thậm chí là các khiếm khuyết của các máy móc sẵn có để chế tạo các thiết bị MEMS. Việc nắm rõ được các mức thiết kế khác nhau sẽ rất hữu ích khi chọn lựa một công cụ thiết kế cụ thể nào đó và cũng sẽ hiểu vì sao các kết quả thu được lại không trùng khớp.

MENS wafer

1. Giới thiệu
MEMS (MicroElectroMechanicalSystems) là hệ vi cơ điện tử bao gồm các cảm biến và các bộ chấp hành có kích thước rất nhỏ cỡ micro và milimet. Trong thế kỷ 21, công nghệ MEMS thực sự có tầm ảnh hưởng to lớn. Các linh kiện MEMS có thể được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi điện tử (IC). Tuy nhiên, không giống như trong công nghệ IC, trong công nghệ MEMS người ta dùng các kỹ thuật ăn mòn dị hướng như ăn mòn khô và ăn mòn ướt để tạo các cấu trúc 3 chiều chuyển động được.
Công nghệ MEMS đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Từ cuối những năm 80, giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ MEMS được bắt đầu với sự phát triển của công nghệ vi cơ bề mặt. Ngày nay, MEMS trở thành giải pháp công nghệ được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những cách tân trong kỹ thuật. Mỗi thiết bị mới sử dụng MEMS mang những đặc tính cao hơn về chất lượng, khả năng hoạt động và giá thành. Các thống kê gần đây cho biết các sản phẩm MEMS trong công nghiệp có trị giá khoảng 6.5 tỷ USD trong năm 2003 (theo số liệu của System Planning Cooporation) và lên tới 10.5 tỷ USD trong năm 2005. Thị phần chính hiện nay của các sản phẩm MEMS là các cảm biến áp suất, các bộ điều khiển chất lỏng, cảm biến quán tính và các bộ chuyển mạch quang học. Các khó khăn cần vượt qua hiện nay của công nghệ MEMS chủ yếu liên quan tới việc đóng vỏ, kỹ thuật đo các đặc trưng và việc tích hợp các linh kiện MEMS với các vi mạch.
Trong quá trình phát triển của công nghệ MEMS, mô phỏng và thiết kế là quá trình rất quan trọng. Chi phí đầu tư, nghiên cứu và chế tạo sẽ được giảm thiểu nếu các kết quả mô phỏng, thiết kế là đáng tin cậy. Đề tài rất có ý nghĩa trong việc đưa ra các cấu hình linh kiện MEMS mới và tối ưu các cấu hình sẵn có. Kết quả mô phỏng nếu sai khác 5% so với thực tế đã là rất tốt và nếu sự sai khác đó là 20% thì những thông tin thu được từ mô phỏng, thiết kế vẫn rất hữu ích. Cho đến nay, trên thế giới vẫn liên tục phát triển các phần mềm mô phỏng mới phục vụ cho công nghệ MEMS. Ở Việt Nam, việc mô phỏng và thiết kế các linh kiện MEMS vẫn còn rất mới mẻ.

MEMS chip

2. Mô hình hóa dưới góc nhìn của ngôn ngữ toán học
Các mức mô hình hóa của Vi hệ thống được chia như sau: mức hệ thống, mức thiết bị, mức vật lý và mức chế tạo (process level).
2.1 Mức hệ thống
Sự tương tác của các thiết bị MEMS với môi trường xung quanh và các linh kiện điện tử đơn thuần có thể được mô hình hóa và mô phỏng tại mức hệ thống. Chỉ có một số ít hiếm hoi các hiện tượng tương tác xảy ra ở mức vật lý là khó mô hình hóa được ở mức hệ thống.
Có hai cách tiếp cận tới mô hình này. Cách thứ nhất là sử dụng phương pháp thiết kế dựa trên mô hình. Cách thứ hai là dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL). Dưới dạng toán học, cách thứ nhất mô tả hoạt động của hệ thống thông qua các sơ đồ khối hoặc các phương trình vi phân thuần nhất (ODE).
Ví dụ cho phương pháp dựa trên mô hình chính là công cụ Matlab-Simulink, ví dụ cho phương pháp dùng ODE là các công cụ Verilog-AMS, Eldo hay Saber. Ưu điểm rõ ràng của mô hình hóa mức hệ thống đó là có thể mô phỏng được các thiết kế phức tạp và thời gian tiêu tốn là nhỏ. Các công cụ hỗ trợ trợ sử dụng sơ đồ khối sẽ cho cái nhìn trực quan về đầu vào, đầu ra của linh kiện. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không hỗ trợ việc chuyển đổi năng lượng.
Nhược điểm này được khắc phục khi dùng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL). Với HDL thì mô hình các thành phần được định nghĩa hoặc tương đương với đại lượng Điện thế hoặc Dòng điện trên trên miền điện. Một linh kiện điện tử là một bộ khuếch đại thuật toán có thể mô hình hóa ở mức sâu hơn là mức “macro” hay ở mức “transistor”. Tương tự như vậy thì các thành phần MEMS có thể mô hình hóa theo cách này. Chúng ta biết rằng, một linh kiện MEMS có thể được tạo từ các thành phần cơ bản là các thanh dầm cơ học, các màng mỏng, điện cực. Với các khối phức tạp hơn như cấu hình tĩnh điện kiểu răng lược ta cũng có mô hình ở mức “macro” hay “transistor” tương ứng. Sự khác nhau giữa mức “macro” hay “transistor” đó là các mô hình “macro” thường là kết quả của các mô phỏng song song trên các miền vật lý (cơ, điện, từ, chất lưu, quang…), giải được nhờ phương pháp phần tử hữu hạn. Ở mức “transistor” thì các mô hình được mô hình hóa bằng các phương trình vật lý là các phương trình ODE hoặc các phương trình vô hướng. Ví dụ: một thanh dầm cơ học bị cong khi chịu 1 lực tác tục là F=Kx với F là 1 véctơ 12x1, x là véctơ chỉ độ dịch chuyển và K là ma trận đàn hồi 12x12. Mô hình cơ học này còn có thể đưa thêm ma trận giảm chấn.
Một ưu điểm nữa của mô hình hóa mức hệ thống đó là không cần phải hiểu tất cả mọi chi tiết của thiết kế. Phương pháp này cho phép kết hợp với các phép tính đơn giản với sự hỗ trợ của bảng tra cứu hoặc kết quả đo lường có sẵn. Điều này hữu ích trong trường hợp các thông tin chi tiết chưa được cập nhật.
2.2 Mức linh kiện
Các linh kiện MEMS rời rạc thường lớn và phức tạp hơn các thiết bị IC. Điều này sẽ dẫn tới những khó khăn khi mô hình hóa các đặc trưng vật lý hay nguyên tắc hoạt động của MEMS. Mặt khác, nếu vẫn sử dụng các phương trình vi phân riêng phần (PDEs) để mô hình hóa như ở mức vật lý (phần 2.3) thì sẽ rất phức tạp về mặt tính toán. Chính vì vậy mà người ta sử dụng các mô hình mức “macro” (sẽ làm giảm độ chính xác so với mức vật lý nhưng vẫn chi tiết hơn mức hệ thống). Điều quan trọng nhất là phải đảm bảo sự tương thích với chương trình ở

Các công cụ thiết kế MEMS chia theo từng cấp độ

mức hệ thống.

Công cụ thiết kế
Cấp độ
Mathematics, Matlab Tất cả
MEMCAD Thấp
SPICE Thấp đến trung bình
APLAC Thấp đến trung bình
ANSYS, CFD Thấp đến trung bình
SUGAR, NODAS Thấp đến trung bình
Memspro Thấp đến trung bình
VHDL - AMS Trung bình đến cao

2.3 Mức vật lý
Mô hình hóa ở mức vật lý được đánh giá là hiệu quả nhất trong ngành cơ học và vi cơ điện tử. Có rất nhiều cách để mô hình hóa ở mức này để có liệt kê như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), Navier-Stokes, hay các phương trình Maxwell...Ngoài ra còn có các kỹ thuật rời rạc hóa như phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp thể tích hữu hạn (FV)…
2.4 Mức chế tạo (mức thấp)
Mô phỏng ở mức chế tạo gồm các chương trình mô phỏng số học 3 chiều về hóa học và vật lý để thu được mô hình chính xác trong quá trình chế tạo (chủ yếu là các công đoạn phủ và ăn mòn). Mô phỏng mức chế tạo các hệ MEMS bị giới hạn bởi các quá trình ăn mòn hóa học dị hướng của tinh thể silicon và tính toán khi thực hiện cấy và khuếch tán. Quy trình chế tạo MEMS thường phức tạp, nhiều bước tiến hành, nhiều đầu vào không kiểm soát hết…dẫn đến việc mô phỏng ở mức chế tạo thường tiêu tốn rất nhiều thời gian thậm chí có những trường hợp không thể mô phỏng được. Vì vậy, thường thì các phần mềm MEMS CAD cho phép tạo ra các mặt nạ 2 chiều kèm theo các mô tả về quy trình chế tạo để hình dung về mô hình 3 chiều dễ dàng hơn. Các mô hình kiểu này tốn ít thời gian hơn và tương thích với mô hình hóa ở mức vật lý.

Optical Profiler offers Dynamic MEMS

Nhận xét:
Chúng ta đều biết rằng một quy trình chuẩn là rất quan trọng trong việc chế tạo bất kì một linh kiện MEMS thương phẩm nào. Tuy nhiên các sản phẩm MEMS mới xuất hiện với tốc độ rất nhanh nên quy trình chế tạo chuẩn là không thể có hoặc sẽ tốn rất nhiều thời gian để xây dựng. Hiện tại có rất nhiều thách thức trong lĩnh vực thiết kế MEMS. Vẫn còn nhiều người cho rằng với các phân tích vật lý và cơ học thì phương pháp phần tử hữu hạn là sự lựa chọn duy nhất. Tuy nhiên, điều này kể từ 10 năm trở lại đây đã thay đổi, các mức mô hình hóa mới và các kỹ thuật mới đang dần thay thế FEM. Điều quan trọng nhất đó là các thiết kế chúng ta tạo ra phải tin cậy được.
Hơn hai mươi năm qua, có rất nhiều tiến triển trong việc đưa ra một công cụ hay phần mềm hữu dụng và phổ biến cho MEMS. Còn rất nhiều việc cần làm, nhất là công nghệ MEMS ngày càng phát triển, ý tưởng sáng tạo ngày càng nhiều khiến cho các phần mềm dường như luôn bị hụt hơi để đáp ứng được nhu cầu. Bảng 1 liệt kê một vài công cụ thiết kế áp dụng được vào MEMS ở các cấp độ khác nhau.

Số 104 (5/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

 

logost new




 


 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần