MEMS viết tắt cho microelectromechanical system là một vi hệ có chức năng của cả điện và cơ học, được xây dựng dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp tiên tiến ngày nay, MEMS đã có mặt khắp nơi
Tuy nhiên ngành công nghiệp đã từ lâu gặp khó với nhiều vấn đề trở ngại kinh tế lớn, trước hết là công đoạn chế tạo những vi hệ cơ học.
Máy in HP
Người ta vẫn mơ ước chế tạo những thứ rất nhỏ
Năm 1959 Richard Feynman thuyết giảng tại đại học công nghệ California bài giảng “Còn rất nhiều điều cần nghiên cứu trong thế giới siêu nhỏ” theo đó ông nói về việc trực tiếp thao túng từng hạt nguyên tử để tạo ra những công cụ hữu ích
Cảm biến túi khí ôtô
Lúc đầu cảm biến túi khí là một thiết bị cơ học. Căn bản là một quả bóng lăn trong ống, lớn, nặng, phức tạp và đắt đỏ tốn kém hàng trăm đôla
Cảm biến áp suất trong y tế
Cảm biến áp suất là ứng dụng lớn tiếp theo của kỹ thuật MEMS được sử dụng để giám sát huyết áp trong bệnh viện, kết nối với một dây truyền tĩnh mạch của bệnh nhân.
màng ngăn khi ấy được treo lơ lửng trong một khoang chân không để tạo thành một cảm biến áp lực tuyệt đối.
Khi áp lực xảy ra, nó thay đổi cấu trúc vùng năng lượng electron của silicon và thay đổi trở kháng của tinh thể, ấy là nhận biết và tín hiệu truyền cho các bên liên quan.
Ngày nay, ngành công nghiệp cảm biến dựa trên MEMS trong lĩnh vực y tế được ước tính đáng giá hơn 6 tỷ đôla, trong đó cảm biến huyết áp đóng góp vai trò đáng kể
Cảm biến quán tính
Các nhà sản xuất sau rốt đã xây dựng cảm biến quán tính và thiết kế cảm biến gia tốc để tạo một loạt các cảm biến linh hoạt giá thành rẻ. Những cảm biến quán tính dựa trên MEMS hiện nay nằm trong tất cả các thiết bị điện tử thời thượng nhất
Ví dụ máy chơi game Nintendo Switch, bên trong máy và bộ điều khiển là các cảm biến quán tính siêu tiết kiệm điện với khả năng cảm biến con quay hồi chuyển và gia tốc kế - chiếc SH627 của công ty đa quốc gia Pháp-Ý STMicroelectronics
Hay ví dụ MEMS trong bàn phím switch quang học, khi những tấm gương siêu nhỏ được dùng để hướng đường đi tia sảng từ sợi quang này sang sợi quang khác.
Chế tạo MEMS
Ý tưởng cho phần lớn các công đoạn sản phẩm MEMS thương mại là sử dụng kỹ thuật mạch tích hợp năng suất cao – ví dụ quang khắc – để bổ sung hoặc loại bỏ các lớp trên một tấm nền phẳng (2D) cho đến khi ta có được hình thù 3D mong muốn
Nhưng như ta có thể tưởng tượng, có rất nhiều phương pháp và thích ứng trong ngành. Tuỳ công ty tìm giải pháp sản xuất phù hợp và tiết kiệm
Ví dụ chế tạo máy dùng điện hoá ECM, ban đầu được ra mắt là công nghệ sản xuất bảng điện PCB, ECM có thể tạo nên một MEMS bằng cách tuỳ chọn khắc kim loại bằng một đầu điện cực.
Cố nhiên các công ty muốn giảm giá thành chế tạo máy siêu nhỏ. Tuy nhiên quy trình đúc MEMS quy mô lớn chỉ là một phần của hệ sinh thái. Phần khác là thiết kế và các bước ra sản phẩm cuối
Thiết kế MEMS
Có thể thấy MEMS và mạch tích hợp có nhiều điểm chung. Nhưng hai cái chẳng liên quan gì đến nhau.
Thiết kế MEMS cần chuyên biệt và tinh vi. Ví dụ, lực ma sát mạnh hơn nhiều quán tính, hoặc các khoảng không dòng chảy nhỏ thì nhạy cảm hơn nhiều với các đập ngăn dung dịch, cần cải thiện. Một số sản phẩm khác, một số chip sinh học có thể dùng trường điện để đẩy cao điện kháng xung quanh con chip, chỉ thực hiện được bằng hiệu ứng thẩm thấu điện ở tầng siêu hiển vi.
Bên cạnh đó, có những triết lý khác nhau căn bản giữa thiết kế bán dẫn và cơ học. Dự án VLSI đã cách mạng hoá thiết kế bán dẫn thành cách tiếp cận xếp hình nhiều khối thành những thiết kế hệ thống lớn, có sẵn thư viện những mảnh ghép tiêu chuẩn riêng độc lập với sản phẩm, đảm bảo sản phẩm mới tiến bộ và dựa trên nền tảng sẵn, giống TSMC và các tiến trình mới của họ.
Đối tượng của dự án VLSI cũng chỉ làm một việc duy nhất – xử lý tín hiệu, thường là logic. Đối tượng cơ học, mặt khác, phải có cả chất lỏng, xoay trục, trượt, hoặc các tải phụ - bình thường là tất cả cùng một lúc – khiến thiết kế cơ học, trong đó có MEMS phải cực kỳ tuỳ chỉnh
Nhờ thế, có những công ty làm những bộ phần mềm CAD (computer aid design) và tự động thiết kế cho ngành công nghiệp MEMS. Ví dụ Coventorware và IntelliCAD đã giúp các nhà thiết kế MEMS nhiều trong việc am hiểu thiết kế hiển vi và cách hành xử điện cơ của nó.
Lắp ráp (package) MEMS
Được coi là khâu cuối và chèn chip vào sản phẩm hoàn thiện, lên đến 75-80% giá thành cảm biến dựa trên MEMS là cho khâu cuối này, trái ngược với mạch tích hợp.
Ví dụ cảm biến áp lực HVAC (máy sưởi và điều hoà), một cảm biến áp lực HVAC bình thường giá thành 20-30 đôla, phần lớn trả cho khấu lắp ráp cuối các ‘die’. Một ‘die’ thô chỉ tốn 50 xu mỗi miếng
Hiểu đơn giản thì một mạch tích hợp là hệ thống riêng rồi nên việc lắp ráp chỉ là phụ, chủ yếu để bảo vệ khỏi hư hỏng tiếp xúc bên ngoài, hầu hết chỉ cần đặt vào một khung nhựa hoặc gốm
Vấn đề kinh tế
Nhớ lại Analog Devices là công ty bán dẫn lớn đầu tiên đầu tư vào MEMS với sản phẩm cảm biến gia tốc siêu nhỏ, bắt đầu nghiên cứu từ thập niên 1980 đặc biệt ngành công nghiệp cảm biến túi khí, xây dựng cơ sở sản xuất nội bộ để mở rộng quy mô, mà phải mất đến 9 năm để thành công, vì vấn đề giá thành.
Ngay từ đầu Analog Devices đã quảng bá sản phẩm của mình là có lợi thế giá đáng kể so với đối thủ. Cho nên khi Analog ký hợp đồng cảm biến xe ôtô đầu tiên với Siement cho sản phẩm MEMS, họ đã phải xây trong tình huống giá tự động giảm trong 6 năm từ 11 đôla mỗi đơn vị xuống 6 đôla. Analog làm vì họ nghĩ có thể cải thiện hiệu quả sản xuất. Giống ngành công nghiệp mạch tích hợp, tỷ lệ lỗi là nhân tố ảnh hưởng lớn nhất cho giá sản xuất. Tỷ lệ không lỗi 10% tức là 9/10 sản phẩm MEMS làm ra không xài được. Gấp đôi tỷ lệ ấy là giảm nửa giá thành, nhưng không dễ đạt được, dẫn đến viễn cảnh bi quan và giá thị trường thì không phản ánh khoản đầu tư thực tế vào toàn bộ tiến trình: phát triển, sản xuất, lắp ráp và kiểm thử
Giá thành tăng hàng năm lên đến 3-5% mỗi quý đã ăn hết lợi nhuận và không khuyến khích được khả năng đầu tư vào công nghiệp MEMS
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét