Chế tạo cảm biến cho công nghệ IoT

Bởi Alissa Fitzgerald- người sáng lập và thành viên quản lý Fitzgerald & Associates, LLC, Burlingame, Hoa Kỳ

Công nghệ MEMS là một phần quan trọng trong rất nhiều bộ cảm biến, sẽ tạo ra dữ liệu để tăng giá trị thu được từ IoT. Một nhà phát triển MEMS có kinh nghiệm đã mô tả vấn đề liên quan đến việc chế tạo MEMS và cung cấp một số phương pháp mô phỏng tốt nhất để hỗ trợ thiết kế của họ.

Cảm biến MEMS được thiết kế và tạo mẫu bởi AMFitzgerald

Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) là một công nghệ sản xuất được sử dụng để tạo ra nhiều loại cảm biến về nhiệt độ, chuyển động, áp suất, âm thanh... trên vi mạch silic. Cảm biến MEMS có tác dụng như mắt và tai của các sản phẩm kết nối thông minh hiện nay thông qua quá trình thu thập thông tin từ môi trường như áp suất, không khí trong bánh xe ô tô hay chuyển động của cơ thể khi bước đi. Người ta dự đoán rằng các bộ cảm biến MEMS sẽ được trải nghiệm bằng một đường cong tăng trưởng nhanh chóng giống như Internet kết nối vạn vât (IoT), giúp nó có thể thu thập được thông tin từ hàng tỉ cảm biến MEMS và sử dụng dữ liệu này để điều khiển một cách thông minh các thiết bị nhằm cải thiện hiệu quả, chất lượng, sức khỏe, an toàn và môi trường.

Chu kỳ nhiệt độ gây ra thay đổi ứng suất dư do biến dạng dẻo của vật liệu màng kim loại

Mặc dù MEMS được tạo từ các vi mạch silic, nhưng MEMS phát triển chậm và gặp nhiều khó khăn hơn so với mạch tích hợp truyền thống (IC), phần lớn do thiếu các thiết kế thực tế và giới hạn của phương pháp mô phỏng hiện tại. May mắn thay, nó có thể hoạt động xung quanh những thách thức thông qua các hoạt động thực tiễn như phân tích tham số để hiểu được tác động của độ bất định các thông số vật liệu, và thống nhất kết quả thí nghiệm với mô phỏng để xác định điều kiện biên. Sử dụng cùng với các kĩ thuật khác giúp nó có thể lấy được kết quả mô phỏng hữu dụng làm giảm số lần chế tạo, và giảm thời gian đưa thiết bị MEMS ra thị trường và giảm chi phí đáng kể so với việc yêu cầu sử dụng phương pháp xây dựng và kiểm tra truyền thống.

 

NHỮNG THÁCH THỨC TRONG PHÁT TRIỂN MEMS

Công nghiệp sản xuất chất bán dẫn đã phát triển các quy trình thiết kế chuẩn (PDK) bao gồm các thư viện phần tử chuẩn, quy tắc thiết kế, các mẫu mô phỏng và các thông tin cho việc sản xuất IC với công nghệ cụ thể trong khuôn đặc biệt. Nền công nghiệp được hưởng lợi từ một loạt các công cụ mô phỏng và thiết kế đã được kiểm chứng. Do vậy khi công ty đưa một sản phẩm IC ra thị trường nếu làm theo hướng dẫn PDK kết hợp với mô phỏng sớm và thường xuyên thì chắc chắn các sản phẩm sẽ hoạt động như mong đợi và được sản xuất mà không có khó khăn lớn nào.

Bởi vì các thiết bị MEMS có sự thay đổi về hình học và thông số vật liệu trong một dải rộng nên đã gây khó khăn cho sự phát triển của PDK và mô phỏng để đạt được sự phát triển giống như đối với IC. Bởi vậy các nhà phát triển thiết bị MEMS chưa bao giờ biết được ứng xử thực cho đến khi họ nhận được các mẫu thật từ phòng thí nghiệm. Do chi phí phát triển leo thang không lường trước đã làm cho một vài công ty MEMS đóng cửa sớm và khiến nhà đầu tư cẩn trọng hơn với nền công nghiệp này.

Một trong những trở ngại lớn nhất trong mô phỏng MEMS là xác định tính chất vật liệu của màng mỏng. Độ bền của màng mỏng phụ thuộc nhiều vào công thức chế tạo và tính đa dạng của các công cụ sản xuất trong khi sử dụng cùng một công thức. Một thách thức khác đối với màng mỏng là kim loại và điện môi thường bám trên silic ở nhiệt độ cao. Trong các vùng chất nền và lớp kết tủa có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, phần ứng suất dư được tạo ra trong màng mỏng khi nhiệt độ của vi mạch trở lại nhiệt độ thường. Phần ứng suất dư này thường thay đổi ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình khi vi mạch trải qua các giai đoạn thay đổi nhiệt độ. Nó có thể làm phồng, mất ổn định hay nứt cấu trúc MEMS, vì thế ứng suất này cần cung cấp cho mô hình mô phỏng.

MÔ PHỎNG ĐỂ KHẮC PHỤC ĐỘ BẤT ĐỊNH TRONG CÁC ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU

Các thông số đo được cho thấy các điều kiện biên của MEMS ban đầu quá cứng

Sự bất định của đặc tính vật liệu đã được giải quyết bằng cách sử dụng mô phỏng để xác định ảnh hưởng của sự biến đổi tính chất vật liệu đối với hiệu suất thiết bị. Phần mềm ANSYS Mechanical cho phép đánh giá nhanh chóng ảnh hưởng của sự biến đổi đặc tính vật liệu và các thông số thiết kế. Mô phỏng giúp lựa chọn thiết kế thông minh làm giảm độ nhạy của đặc tính vật liệu. Nếu người dùng thấy thiết kế có đặc tính vật liệu quá nhạy, bạn có thể thực hiện các phép đo cấp độ vi mạch và cấp độ thiết bị để thu thập dữ liệu thực nghiệm nhằm cải thiện độ chính xác mô phỏng. Ví dụ như một hệ thống đo lường áp suất KLA-Tencor Flexus có thể quét vi mạch để xác định áp suất màng giống như hàm của nhiệt độ, do đó có thể được sử dụng để đánh giá mô đun đàn hồi.

Trong khi các vật liệu dẻo như kim loại có giới hạn hỏng rõ ràng, thì việc dự đoán giới hạn tải của vật liệu giòn được sử dụng trong MEMS là khó khăn hơn. AMFitzgerald đã sáng chế một phương pháp để ước tính khả năng rạn nứt của thiết bị, sử dụng dữ liệu đã có và tùy chỉnh các tập lệnh ANSYS APDL. Giải pháp đầu tiên đó là xây dựng cấu trúc thử nghiệm sử dụng các quy trình khác nhau để mô tả ảnh hưởng của quá trình sản xuất lên độ bền bề mặt. Sau đó, tạo ra mô hình phần tử hữu hạn của vi mạch trong ANSYS Mechanical và mô phỏng ứng suất trong thiết bị vi mạch dưới tải trọng áp dụng. Cuối cùng, quá trình hậu xử lí, kết hợp kết quả mô phỏng tải trọng với thông tin độ bền bề mặt để xác định vị trí hư hỏng và giới hạn tải. Dựa vào thông tin này, các kỹ sư có thể xem lại thiết kế hay quy trình hoặc tiếp tục sản xuất.

MÔ PHỎNG VÀ TÍCH HỢP KIỂM TRA VẬT LÝ GIÚP HIỂU RÕ ĐIỀU KIỆN BIÊN

Các phép đo lực chuyển vị được sử dụng để sửa mô hình phần tử hữu hạn

Để đạt được những kết quả chính xác từ mô phỏng cần sử dụng các điều kiện biên chính xác. Đối với cấu trúc màng mỏng được đặt trên bề mặt silic, một cấu trúc vĩ mô tương tự sẽ sử dụng một điều kiện biên cố định tại bề mặt lớp chất nền. Tuy nhiên những cấu trúc màng không cứng bằng cấu trúc vĩ mô. Giải pháp là thực hiện phép đo lực với chuyển vị để xác định độ cứng của cấu trúc và sau đó đưa trở lại mô hình.

Mô phỏng MEMS gặp nhiều thách thức hơn IC vì những đặc tính vật liệu và điều kiện biên gần như không xác định. Tuy vậy, chỉ cần nỗ lực thì người dùng có thể giải quyết các thách thức và nhận được những lợi ích của mô phỏng như tốn ít chi phí hơn, đánh giá nhiều thiết kế hơn và sản xuất ngay từ quá trình thiết kế, sớm đưa sản phẩm tốt nhất ra thị trường. Mô phỏng có thể tiết kiệm hàng trăm nghìn đô la trong quá trình sản xuất, giúp kiểm tra và thiết kế lại một cách dễ dàng. Đầu tư vào công nghệ, bạn sẽ thu được rất nhiều lợi ích trong tương lai.

 


Nguồn: ANSYS Advantage V10I2, 2016

Lược dịch: Mai Thị Thu Huyền - Cộng tác viên tại Advantech, Jsc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theowww.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này

LIÊN HỆ

VĂN PHÒNG GIAO DỊCH:
Tầng 8, số 1 Đỗ Hành, Q.Hai Bà Trưng, Hà Nội
Tel: (84-24)36 649 066 Fax: (84-24)39 727 464
Email: info@advantech.vn

HỖ TRỢ KỸ THUẬT:
Email: support@advantech.vn

Họ tên
E-Mail