MEMS Accelerometer and Gyroscope PDF

Preview

Summary

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Accelerometer and Gyroscope Diajukan sebagai Tugas Pengganti Nilai Ujian Akhir Semester Ganjil Teknologi Rangkaian Terintegrasi Dosen: Hadi Puspa Handoyo, M.Sc Disusun oleh: Lina (1221011) PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS IN...

Description

Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Accelerometer and Gyroscope

Diajukan sebagai Tugas Pengganti Nilai Ujian Akhir Semester Ganjil Teknologi Rangkaian Terintegrasi Dosen: Hadi Puspa Handoyo, M.Sc

Disusun oleh: Lina (1221011)

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS INTERNASIONAL BATAM 2013

KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat kasih dan rahmat-Nya, serta dosen yang telah membimbing dan juga semua pihak terkait, penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini tepat pada waktunya. Karya ilmiah ini dibuat untuk memenuhi tugas pengganti nilai Ujian Akhir Semester (UAS) Ganjil Teknologi Rangkaian Terintegrasi.

Dengan semangat dan kerja keras penulis selama ini, akhirnya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang berjudul “Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Accelerometer and Gyroscope” ini dengan baik. Penulis berharap semoga karya ilmiah ini dapat membawa manfaat bagi pembaca pada umumnya dan penulis pada khususnya.

Penulis menyadari bahwa ”tak ada gading yang tak retak”, sehingga penulis percaya bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam penulisan karya ilmiah ini. Untuk itu, penulis sangat berterimakasih jika ada koreksi, kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun demi penyempurnaan pada penulisan karya ilmiah ke depannya.

Batam, Januari 2014

Penulis

2

DAFTAR ISI Halaman Judul ...................................................................................................................... 1 Kata Pengantar ...................................................................................................................... 2 Daftar Isi ............................................................................................................................... 3 Daftar Tabel .......................................................................................................................... 4 Daftar Gambar ...................................................................................................................... 5 BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................................... 6 1.1 Latar Belakang ................................................................................................................ 6 1.2 Rumusan Masalah ........................................................................................................... 7 1.3 Tujuan Penulisan ............................................................................................................. 7 1.4 Landasan Teori ................................................................................................................ 7 1.4.1 MEMS .................................................................................................................... 7-11 1.4.2 Accelerometer ........................................................................................................ 11-13 1.4.3 Gyroscope .............................................................................................................. 13-17 BAB II PEMBAHASAN ...................................................................................................... 18 2.1 Prinsip Kerja MEMS Akselerometer dan Giroskop ....................................................... 18-24 2.2 Fabrikasi Chip/Wafer ...................................................................................................... 25-44 2.3 IC Packaging Assembly .................................................................................................. 44-48 2.4 Aplikasi MEMS Akselerometer dan Giroskop ............................................................... 48-54 BAB III PENUTUP .............................................................................................................. 55 3.1 Kesimpulan ..................................................................................................................... 55 3.2 Saran ............................................................................................................................... 55-56 Daftar Pustaka ....................................................................................................................... 57-58

3

DAFTAR TABEL Tabel 1.1

Range dan bias stability dari berbagai macam aplikasi giroskop

4

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1

Wafer silikon adalah contoh dari bentuk mikroteknologi

Gambar 1.2

MEMS Accelerometer

Gambar 1.3

Mechanical Gyroscope

Gambar 1.4

Piezoelectric Gyroscope

Gambar 1.5

MEMS Gyroscope

Gambar 2.1

Accelerometer Topology

Gambar 2.2

Dua konfigurasi berbeda yang dapat digunakan dalam topologi akselerometer

Gambar 2.3

Gyroscope Topology

Gambar 2.4

Bulk Micromachining

Gambar 2.5

Surface Micromachining

Gambar 2.6

SCREAM

Gambar 2.7

SIMPLE

Gambar 2.8

The Overview of SOIMUMPs Process

Gambar 2.9

Overall fabrication detail of nickel electroplating process

Gambar 2.10

Overall fabrication details of DRIE process

Gambar 2.11

Discrete Assembly

Gambar 2.12

Wafer-to-wafer-level bonding

Gambar 2.13

Before (left) and After (right) Encapsulation

Gambar 2.14

Daerah aplikasi akselerometer dan resolusi bandwith dari akselerometer untuk masing-masing aplikasi

5

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang

Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menggunakan sensor sebagai perangkat yang penting untuk ‘melihat’ atau ‘memantau’ keadaan sekitar dengan jelas. Sensor merupakan perangkat penting dalam sistem rangkaian tertutup yang berfungsi sebagai pengukur dengan memberikan feedback tertentu. Ada berbagai macam sensor, salah satunya adalah akselerometer dan giroskop. Akselerometer adalah sensor pengukur percepatan sedangkan giroskop adalah sensor pengukur kecepatan sudut putar. Giroskop ditemukan oleh Johann Bohnenberger pada awal tahun 1800-an. Kemudian Jean Bernard Leon Foucault (1826-1864), seorang ahli sains dari Perancis menamai alat ini sebagai ‘giroskop’, yang berasal dari bahasa Yunani ‘Gyros’ yang berarti rotasi dan ‘skopeein’ yang berarti ‘melihat’. Berhubungan dengan ukuran perangkat yang besar dan biaya produksi yang cukup tinggi untuk perangkat sensor konvensional, maka digunakan teknologi MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sebagai solusinya, dimana biaya produksinya lebih rendah dibandingkan dengan perangkat sensor konvensional dan ukurannya jauh lebih kecil.

Gambar 1.1 Wafer silikon adalah contoh dari bentuk mikroteknologi

6

1.2

1.3

1.4

Rumusan Masalah

1.

Apakah yang dimaksud dengan teknologi MEMS?

2.

Bagaimana prinsip kerja teknologi MEMS akselerometer dan giroskop?

3.

Bagaimana sistem fabrikasi IC MEMS akselerometer dan giroskop?

4.

Bagaimana sistem IC packaging MEMS akselerometer dan giroskop?

5.

Apa saja aplikasi dari MEMS akselerometer dan giroskop?

Tujuan Penulisan

1.

Mengenal teknologi MEMS.

2.

Mengetahui prinsip kerja MEMS untuk akselerometer dan giroskop.

3.

Mengetahui sistem fabrikasi IC MEMS akselerometer dan giroskop.

4.

Mengetahui sistem IC packaging MEMS akselerometer dan giroskop.

5.

Mengetahui aplikasi dari MEMS akselerometer dan giroskop.

Landasan Teori

1.4.1

MEMS Membuat mesin kecil yang hampir tak terlihat, telah menjadi salah satu impian manusia. Pada tahun 1960, Richard P. Feynman seorang peraih nobel fisika 1965 telah memberikan pidato tentang 'Ada Banyak Ruang di Bagian Bawah' (Feynman 1992, 1993). Dia berbicara tentang masalah memanipulasi dan mengendalikan hal-hal dalam skala kecil. Lebih jauh, Feynman memberi contoh sistem biologis yang sangat kecil seperti sel-sel. Dan impian ini sebagian telah terwujud dengan adanya teknologi MEMS. Micro Electro Mechanical System (MEMS) didefenisikan sebagai sebuah miniatur perangkat atau susunan perangkat yang menggabungkan komponen elektrik dan mekanik dengan menggunakan teknik proses batch integrated circuit (IC). MEMS pada dasarnya adalah sebuah sistem mekanik dalam bentuk miniatur yang sangat kecil dan dapat mengkonversikan energi listrik menjadi energi 7

mekanis, demikian pula sebaliknya. MEMS terlihat seperti rangkaian IC (Integrated Circuit) biasa, tetapi di dalamnya terdapat sistem mekanik dengan sebuah massa yang sangat kecil, batang dan pegas yang bergerak. Massa pada sebuah alat MEMS giroskop, misalnya, hanya berbobot delapan per sejuta gram. Massa ini digantung hanya berjarak dua mikron (dua per sejuta meter) dari rangkaian elektroniknya. Pembuatan sistem mekanik kecil tersebut dimungkinkan dengan adanya teknologi produksi semikonduktor. Sebuah proses fotolitografi yang dapat membuat transistor berukuran sangat kecil dapat juga digunakan untuk membuat batang berukuran sangat kecil, pegas, dan struktur mekanik lainnya. Beberapa aplikasi MEMS yang sedang dikembangkan saat ini adalah dalam bidang kedokteran dan farmasi, otomotif, peralatan elektronik, fotografi, dan aplikasi lainnya. Masalah MEMS ditekankan sejak pertemuan Transducer '87 di Tokyo, Jepang, di mana banyak ide-ide untuk struktur permukaan micromachined dan aktuator

disajikan.

Bagaimana

produk

teknologi

dibidang

ini

mulai

dikomersialkan seperti accelerometers dan gyroscopes, display projection, dan mikrofluida dan bagaimana pertumbuhan yang fenomenal dalam bidang MEMS serta aplikasinya juga dibahas yang semuanya dari DNA sequencing dan switch optik untuk kontrol aerodinamis pesawat terbang dan komunikasi nirkabel system (Gabriel,1998). Proses Microfabrication digunakan untuk memproduksi devices dengan dimensi yang berukuran micrometer sampai dengan milimeter. Proses ini dapat diimplementasikan secara efektif untuk menghasilkan satu devices atau ribuan devices yang uniform. Proses fabrikasi integrated circuit (IC) merupakan proses microfabrication yang memegang peranan penting dan dapat digunakan atau kompatibel untuk proses microfabrication perangkat transistor. Beberapa tahun silam, teknologi microfabrication telah menjadi sebuah teknologi yang menjanjikan untuk miniaturisasi dan integrasi untuk sistem chemical atau biosensor.

8

Komersialisasi untuk teknologi biosensor telah banyak dilakukan dalam beberapa tahun belakangan ini, terlebih lagi dengan didukung oleh teknologi nano (nanotechnology)

dan

micromechanical

engineered

systems

atau

microelectromechanical (MEMS) memungkinkan untuk improvement dalam hal stability, sensitivity serta kualitas dari perangkat. Kebutuhan akan sistem MEMS untuk aplikasi lingkungan, kesehatan dan industri semakin meningkat diseluruh dunia. Pembuatan sistem mikrosensor, terintegrasi dan portable sangat dibutuhkan untuk kemudahan pengoperasian di lapangan. Manfaat dari sistem perangkat yang mikro, terintegrasi dan portable adalah peningkatan efisiensi, kecepatan, perbaikan reliability dari proses analisis, dan mengurangi konsumsi pemakaian sample dan reagent. Dengan kemajuan teknologi mikroelektronika danaMEMS teknologi hal ini bisa dilakukan dengan cara fabrikasi beberapa elektroda pada suatu keping silikon atau substrate. Dalam bidang sensor electrochemical dan actuator pada saat ini minituarisasi dan integrasi komponenkomponen suatu sistem perangkat sedang dikembangkan di laboratoriumlaboratorium yang menuju ke suatu sistem baru, di mana semua komponen terintegrasi secara total yang dikenal dengan nama micro total analysis system. Teknologi proses yang banyak digunakan untuk pembuatan mikro-devices adalah silicon-based microfabrication yang dapat menghasilkan struktur yang berukuran mikrometer dan memungkin untuk membuat mikrosensor dalam bentuk array atau multi-sensor pada suatu keping chip. Di samping itu teknologi thin/thick film juga banyak digunakan untuk pembuatan chemical/biological sensor, karena prosesnya lebih sederhana dan low cost sangat cocok untuk pembuatan disposable sensor. MEMS memiliki ukuran yang sangat kecil, sehingga memilik karakteristik menarik seperti ukuran yang kompak, bobot yang ringan, dan disipasi daya kecil, serta peningkatan kecepatan dan presisi dibandingkan dengan device mikroskopis yang lain. Teknologi fabrikasi Intergrated Circuit (IC) menjadi pendorong berkembangnya teknologi untuk MEMS terutama dukungan teknologi etching dan teknik mikrofabrikasi. Mikrofabrikasi menyediakan alat yang ampuh untuk pembuatan dan miniaturisasi MEMS dalam skala dimensi yang tidak dapat 9

dicapai dengan teknik pemesinan konvensional. Seiring dengan perkembangan teknologi fabrikasi IC hingga skala submikron dan nanometer, terbuka kemungkinan pembuatan nano-electro-mechanical-systems (NEMS) di masa mendatang.

Berdasarkan jenis penggunaannya, MEMS dapat dikategorikan menjadi 3, yakni: ● Sensor ● Aktuator ● Struktur

Berdasarkan lingkungan penggunaannya, MEMS dikategorikan menjadi: ● Inkjet printers, yang menggunakan piezoelectrics atau thermal bubble ejection untuk memindahkan tinta pada kertas. ● Accelerometers pada mobil-mobil modern. ● Accelerometers pada alat-alat elektonik seperti game controller (Nintendo Wii), personal media players maupun telpon genggam (Apple iPhone, beberapa model dari Nokia, dan beberapa PDA HTC) dan pada Kamera Digital (beberapa model dan seri dari Canon Digital IXUS). Dan diterapkan juga pada PC untuk mengembaikan posisi hard disk head saat terdeteksi adanya gerak jatuh bebas, untuk mencegah terjadinya kehilangan data. ● Giroskop MEMS yang digunakan pada mobil-mobil modern dan penggunaan lain seperti untuk menghidupkan sistem dynamic stability control. ● Mikrofon MEMS pada telpon genggam, headset dan laptop. ● Sensor tekanan silikon, contohnya pada sensor tekanan ban kendaraan, dan sensor pada pengecek tekanan darah. ● Display MEMS, contohnya pada chip DMD dalam sebuah proyektor yang berbasis teknologi DLP, yang memiliki permukaan dengan ratusan ribu cermin mikro atau single micro-scanning-mirrors yang disebut juga microscanners. ● Optical switching technology, yang digunakan pada teknologi switching untuk penyelarasan pada komunikasi data.

10

● Aplikasi Bio-MEMS pada teknologi yang berkaitan dengan pengobatan dan kesehatan dari Lab-On-Chip sampai Micro Total Analysis (biosensor, chemosensor). ● Aplikasi Interferometric modulator display (IMOD) pada peralatan elektronik konsumer (terutama display untuk perangkat mobile), digunakan untuk membuat modulasi interferometric teknologi layar reflektif. ● Mempercepat aliran (Fluid acceleration) seperti pada pendingin mikro.

Gambar 1.2 MEMS Accelerometer: (a) Ukuran akselerometer MEMS, (b) Mikrograf akselerometer yang menunjukkan sensor mikroelektromekanik dengan proff mass yang berukuran 600 x 600 x 3 µm3, (c) Gambar hasil SEM yang menunjukkan rangkaian elektrostatik sensor akselerometer.

1.4.2

Accelerometer Accelerometer adalah suatu alat atau transduser untuk mengukur percepatan sehingga dapat mendeteksi adanya perubahan posisi device/perangkat dan berapa banyak perubahan itu terjadi. Alat ini memberikan pengalaman baru dalam berinteraksi dengan device bergerak dan tidak hanya dapat digunakan untuk aplikasi biasa namun juga terutama untuk game. Accelerometer adalah perangkat elektromekanis yang akan mengukur kekuatan percepatan. Kekuatan ini mungkin statis, seperti gaya konstan gravitasi yang menarik kaki Anda, atau kecepatan ini bisa menjadi dinamis disebabkan oleh pergerakan atau getaran. Percepatan yang diukur dengan accelerometer belum tentu percepatan koordinat (laju perubahan kecepatan). Sebaliknya, accelerometer melihat percepatan terkait dengan fenomena berat yang dialami 11

oleh massa uji perangkat accelerometer. Sebagai contoh, sebuah accelerometer saat istirahat di permukaan bumi akan mengukur percepatan = 9,81 m/s2 ke atas lurus, karena berat. Sebaliknya, accelerometers jatuh bebas atau saat istirahat di luar angkasa akan mengukur nol. Istilah lain untuk jenis percepatan yang dapat diukur accelerometers adalah percepatan g-force.

Berikut adalah kelebihan dan kelemahan accelerometer, yakni: a.

Dapat mengukur gerakan linier dan gravitasi secara bersamaan.

b.

Harga lebih murah dibandingkan Gyroscope.

c.

Tidak mengukur gerak rotasi manusia.

d.

Pada akselerometer dipengaruhi oleh gravitasi.

e.

Tidak dapat mengukur orientasi secara langsung.

Berikut adalah jenis-jenis akselerometer, yakni: •

Piezoelektrik accelerometer

•

Modus geser accelerometer

•

Permukaan micromachined kapasitif ( MEMS )

•

Termal (submicrometre CMOS proses)

•

Micromachined Massal kapasitif dan resistif piezoelektrik

•

Capacitive pegas massa dasar

•

Elektromekanis Servo (Servo Angkatan Saldo)

•

Null-balance

•

Strain gauge

•

Resonansi

•

Magnetik induksi

•

Optik

•

Permukaan gelombang akustik (SAW)

•

Laser accelerometer

•

DC respon

•

Suhu tinggi

•

Frekuensi rendah 12

1.4.3

•

Tinggi gravitasi

•

Triaksial

•

Modally disetel dampak palu

•

Kursi pad accelerometers

•

Pendulating mengintegrasikan accelerometer gyroscopic

Gyroscope Gyroscope adalah salah satu alat navigasi dari banyak alat bantu lain semisal kompas dan GPS. Giroskop dapat digunakan untuk mengukur, atau mempertahankan, orientasi perangkat. Tidak seperti akselerometer, yang mengukur percepatan linear dari perangkat, giroskop mengukur orientasi secara langsung. Sehari-hari kita dapat melihat peristiwa ini pada gasing yang berputar dan roda sepeda. Prinsip kerjanya seperti kompas yang memiliki jarum magnet statis untuk menunjuk arah utara dan selatan. Acuan kompas adalah medan magnet bumi yang kutub-kutubnya tidak sama dengan kutub-kutub geografis bumi. Giroskop ditemukan oleh Léon Foucault pada tahun 1852. Replica dibangun oleh Dumoulin-Froment untuk universelle Pameran di 1867. Konservatorium Nasional dan museum Seni Kerajinan, Paris. Yang dikenal paling awal giroskop-seperti instrumen dibuat oleh Jerman Johann Bohnenberger , yang pertama kali menulis tentang hal itu pada tahun 1817. Pada awalnya ia menyebutnya "Mesin". Mesin Bohnenberger itu didasarkan pada lingkup besar berputar. Pada tahun 1832, Amerika Walter R. Johnson mengembangkan perangkat serupa yang didasarkan pada disk yang berputar. Para matematikawan Perancis Pierre-Simon Laplace , bekerja di École Polytechnique di Paris, direkomendasikan mesin untuk digunakan sebagai bantuan pengajaran, dan dengan demikian ia datang ke perhatian Léon Foucault . Pada tahun 1852, Foucault digunakan dalam sebuah eksperimen yang melibatkan rotasi bumi. Ini adalah Foucault yang memberikan perangkat nama modern, dalam sebuah percobaan untuk melihat (skopeein Yunani, untuk melihat) rotasi bumi (gyros

13