BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pengertian MEMS Micro-electromechanical systems (MEMS) adalah sebuah proses teknologi yang digunakan untuk membuat perangkat terintegrasi yang berukuran kecil atau sistem yang menggabungkan komponen mekanik dan listrik. Perangkat ini dibuat menggunakan sirkuit terpadu (IC) dengan beberapa teknik pemrosesan dan perangkat ini juga memiliki beberapa ukuran dari mikrometer sampai milimeter. Perangkat ini memiliki kemampuan untuk merasakan, mengontrol, dan berjalan pada skala mikro, serta menghasilkan efek pada skala makro. MEMS memiliki istilah tersendiri di beberapa negara yang berbeda, untuk istilah MEMS sendiri biasa digunakan untuk standar Amerika Serikat, sedangkan di Eropa MEMS dikenal dengan istilah Microsystems Technology (MST), dan di Jepang dikenal dengan istilah Micromachines. Terlepas dari beberapa istilah untuk penyebutanya, proses pembuatan MEMS memiliki penyatuan standarisasi yang sama di berbagai negara. Proses pabrikasi dari MEMS menggunakan teknologi komputer berbasis Integrated Circuit (IC), komponen mikromekanik yang dibuat dengan memanipulasi silikon dan substrat lainnya dengan menggunakan proses micromachining, selain itu proses pembutannya juga menggunkan teknologi micromachining pada permukannya dan High Aspect Ratio Micromachining (HARM) untuk menghapus bagian dari silikon atau menambahkan lapisan struktural sehingga dapat membentuk komponen mekanis dan elektromekanis. Ketika IC yang dirancang untuk mengekspolitasi sifat listrik dari silikon, MEMS mengambil keuntungan dari salah satu sifat mekanis silikon atau pun kedua sifat listrik dan mekanisnya. Pada umumnya MEMS terdiri dari struktur mikro-mekanik, mikro-sensor, mikro-aktuator, dan mikro-elektronika, dimana semuanya terintegrasi ke dalam sebuah chip silikon, hal ini secara skematis diperlihatkan pada gambar 1. Microsensors Microactuators MEMS Microelectronics Microstructures Gambar 1. Skematik komponen MEMS Mikro-sensor mendeteksi perubahan lingkungan sistem dengan melakukan pengukuran pada proses mekanik, termal, magnetik, kimia, atau informasi elektromagnetik ataupun penomena-penomena yang terjadi, mikro-elektronik memproses informasi ini dan sinyal memicu sinyal pada mikro-aktuator untuk bereaksi sehingga menciptakan beberapa bentuk perubahan lingkungan. 2.2 Klasifikasi MEMS MEMS yang memiliki inisialisasi yang berbeda di beberapa daerah kemudian diklasifikasikan menjadi 3 jenis. Seperti yang kita lihat pada gambar 3 yang menggambarkan klasifikasi dari teknologi Microsystems (MST). Meskipun MEMS juga disebut sebagai MST, intinya MEMS adalah sebuah proses teknologi yang digunakan untuk membuat alat-alat mekanis yang kecil atau sebagai hasilnya ini semua merupakan bagian dari MST. Gambar 2. Klasifikasi dari Microsystems Technology 5 Sistem Micro-optoelectromechanical (MOEMS) juga merupakan bagian dari MST dan bersama-sama dengan MEMS membentuk teknologi khusus menggunakan kombinasi miniatur optik, elektronik, dan mekanik. Kedua Microsystems tersebut menggabungkan penggunaan sejumlah teknik pemrosesan mikroelektronika untuk mendesain dan proses fabrikasinya. Terdapat beberapa lapisan yang saling tumpang tindih dalam sebuah sirkuit terintegrasi sehingga sangat sulit untuk dapat mengkategorikan MEMS dalam pengindraan yang merupakan dari bagiannya ataupun MST. Pada intinya perbedaan nyata antara MST dan MEMS adalah bahwa MEMS cenderung menggunakan proses semikonduktor untuk membuat bagian mekanik. Sebaliknya, aplikasi MST menggunakan pengendapan bahan silikon. Transducer Transduser adalah perangkat yang mengubah salah satu bentuk sinyal atau energi ke dalam bentuk lain. Istilah transduser dapat digunakan untuk memasukkan kedua sensor dan aktuator sehingga istilah ini paling umum dan banyak digunakan di MEMS. Sensor Sensor adalah sebuah perangkat yang digunakan untuk mengukur atau mendapatkan infaormasi dari lingkungan sekitarnya dan memberikan sinyal input listrik dalam menanggapi parameter yang diukur. Informasi yang didapatkan oleh sensor telah dikategorikan dalam hal jenis domain energi tetap perangkat MEMS, umumnya domain memiliki beberapa lapisan yang meliputi : Mechanical : angkat, tekanan, kecepatan, percepatan, dan posisi. Thermal : suhu, entropi, panas, dan aliran panas. Chemical : komposisi, konsentrasi, dan laju reaksi. Radiant : intensitas gelombang elektromagnetik, fase, panjang gelombang, polarisasi refleksi, indeks bias, dan tranmitansi. Magnetic : intensitas medan, kerapatan fluks, momen magnetik, permebeilitas. Electrical : teganagan, arus, muatan, resistansi, kapasitansi, dan polarisasi. dan Actuator Aktuator adalah sebuah alat yang mengubah sinyal listrik menjadi suatu aksi. Hal ini dapat memicu perangkat mekanik lainnya untuk melakukan beberapa fungsi yang berguna bagi sistem. 2.3 Proses Fabrikasi MEMS Pada proses produksi atau fabrikasinya MEMS diklasifikasikan menjadi tiga bagian penting, yaitu bulk micromachining, surface micromachining and high-aspect-ratio micromachining (HARM), yang meliputi teknologi seperti LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung). Gambar 3 menunjukkan kompleksitas potensi sistem MEMS dengan penambahan lapisan struktural independen. Gambar 3. Perangkat kompleksitas MEMS dengan lapisan struktural 2.3.1 Photolithography Fotolitography adalah teknik fotografi untuk mentransfer salinan pola inti, biasanya tata letak sirkuit dalam aplikasi IC ke permukaan substrat dari beberapa bahan (wafer silikon). Substrat ditutupi dengan lapisan tipis dari beberapa bahan, biasanya silikon dioksida (SiO2), dalam kasus wafer silikon, dimana pola lubang akan terbentuk (Gambar 4). Lapisan tipis dari polimer organik yang sensitif terhadap radiasi ultraviolet, kemudian diendapkan pada lapisan oksida (photoresist). Sebuah photomask yang terdiri dari piring kaca (transparan) dilapisi dengan pola kronium 7 (buram), kemudian ditempatkan pada kotak dengan permukaan dilapisi photoresist. Wafer yang terkena radiasi ultraviolet akan mentransfer pola pada mask ke dalam photoresist yang kemudian dikembangkan dengan cara yang sangat mirip dengan proses yang digunakan untuk mengembangkan film fotografi, radiasi ini menyebabkan reaksi kimia di daerah yang terkena photoresist yang memiliki dua jenis positif dan negati. Photoresist positif diperkuat oleh radiasi UV, sedangkan photoresist negatif melemah. Pada pengembangannya, solusi untuk membilas atau menghilangkan daerah yang terkena photoresist atau tidak akan meninggalkan sebuah pola yang terkelupas dan dilapisi photoresist pada permukaan wafer. Hasilnya adalah pola pothoresist baik positif maupun negatif. Gambar 4. Photoresist dan silikon pola dioksida pada fotolitografi Asam klorida digunakan untuk menghilangkan oksida yang tertinggal dari area yang terkena photoresist. Sisa photoresist kemudin dibuang, biasaya dengan menggunakan asam sulfat panas. Pola oksida yang terakhir adalah salah satu salinan positif atau negatif dari pola photomask dan berfungsi sebagai masker dalam langkah-langkah pengolahan selanjutnya. 2.3.2 Material-Material untuk Micromachining A. Bahan-Bahan Subtrat Dalam proses pembuatannya MEMS menggunakan beberapa bahan dasar substrat, bahan substrat yang paling umum untuk micromachining adalah silikon, bahan ini telah banyak digunakan dalam industri mikroelektronika dan akan terus digunakan dalam industri karena beberapa alasan : 1) Jumlahnya yang berlimpah, murah, dan dapat diproses untuk dimurnikan. 2) Kemampuan silikon untuk disimpan dalam film tipis sangat sesuai untuk MEMS 3) Kemampuannya yang baik dan reproduksi silikon menggunakan fotolitografi sangat sempurna untuk digunakan pada MEMS yang memiliki tingkat presisi tinggi. 4) Sirkuit silikon mikroelektronika yang telah dibuat (wafer silikon berisi ratusan chip identik) Selain silikon, Semikonduktor kristal lain seperti germanium (Ge) dan gallium arsenide (GaAs) digunakan juga sebagai bahan substrat pembuatan MEMS, dikarenakan sifat keduanya yang sama dengan silikon, tapi yang perlu diperhataikan bahwa silikon berbeda dengan semikonduktor lainnya, dimana silikon dapat segera teroksidasi untuk membentuk lapisan permukaan kimia inert dan isolasi elektrik dari SiO2 pada proses penguapan. B. Additive Film dan Material Berbagai aditif film dan beberapa material lainnya juga digunakan untuk perangkat MEMS. Bukan hanya sebatas substrat, material pembangun MEMS juga terbuat dari bahan-bahan konduktor, semikonduktor, dan isolator seperti : • Silikon kristal tunggal, polikristalin dan amorf • Senyawa silikon (SIXNY, SiO2, SiC dll) • Logam dan senyawa logam (Au, Cu, Al, ZnO, GaAs, IROX, CdS) • Keramik (Al 203 dan senyawa keramik lebih kompleks) • Organik (berlian, polimer, enzim, antibodi, DNA dll) 9 2.3.3 Bulk Micromachining Bulk Micromachining atau proses micromachining secara massal akan penghapusan bagian dari kumpulan substrat. Proses ini merupakan proses subtraktif yang menggunakan metoda anisotropic etsa basah atau metode etsa kering, seperti reactive ion etching (RIE), untuk membuat lubang besar, alur dan saluran. Bahan yang biasanya digunakan untuk pengetsaan basah mencakup silikon dan kuarsa, sedangkan etsa kering biasanya digunakan dengan silikon, logam, plastik, dan keramik. 3 Wet Etching/ Etsa Basah Etsa basah menggambarkan penghapusan materi melalui perendaman bahan (wafer silikon) dalam bak zat cair dari etsa kimia. Melalui proses etsa ini akan membentuk isotropik atau anisotropik. Etsa isotropik merupakan material etsa yang memiliki tingkat struktur yang sama dan akan menghilangkan material yang berada di bawah masker etsa pada tingkat yang sama, hal ini dikenal sebagai undercutting (Gambar 19 a dan b). Bentuk yang paling umum dari etsa isotropik silikon adalah HNA, yang terdiri dari campuran asam fluorida (HF), asam nitrat (HNO3) dan asam asetat (CH3COOH). Etsa isotropik dibatasi oleh geometri dari struktur yang akan terukir. Tingkat etsa dapat memperlambat dan dalam beberapa kasus (misalnya, dalam saluran dalam dan sempit) mereka dapat berhenti karena difusi faktor pembatas. Namun, efek ini dapat diminimalkan dengan agitasi etsa, sehingga didapatkan struktur yang hampir sempurna dengan permukaan bulat (Gambar 5.a) Gambar 5. (a) adalah etsa Isotropik dan (b) agitasi, dan etsa anisotropik basah (100) dan (110) silikon untuk gambar (c) dan (d). 4 Dry Etching/ Etsa Kering Proses pengetsaan kering ini bergantung dengan fase uap atau metode etsa berbasis plasma menggunakan gas atau uap sesuai reaktif pada suhu tinggi. Bentuk yang paling umum untuk MEMS adalah reactive ion etching (RIE) yang memanfaatkan kekuatan energi tambahan dalam bentuk frekuensi radio (RF) untuk mendorong reaksi kimia. Ion energik yang dipercepat melintasi bahan yang akan dietsa dimana dalam fase plasma dilakukan penyediaan energi tambahan yang diperlukan untuk proses reaksi, akibatnya etsa dapat terjadi pada temperatur yang lebih rendah (150º - 250 º C atau pada suhu kamar) dibandingkan biasanya diperlukan suhu di atas 1000º C. RIE tidak dibatasi oleh bidang kristal dalam silikon, dan sebagai hasilnya, akan berbentuk parit dan lubang, atau bentuk yang tidak tetap dengan dinding vertikal yang terukir. Deep Reactive Ion Etching (DRIE) adalah metode etsa yang membutuhkan aspek rasio lebih tinggi yang melibatkan proses bolak high-density plasma etching (seperti dalam RIE) dan polimer deposisi pelindung untuk mencapai rasio aspek yang lebih besar seperti yang terlihat pada gambar 5. Gambar 5. Deep Reactive Ion Etching (DRIE) 2.3.4 Surface Micromachining Surface Micromachining merupakan proses pengolahan di atas substrat, yang digunakan sebagai lapisan dasar untuk membangun lapisan-lapisan lainnya. Proses ini dimulai pada tahun 1980-an dan merupakan teknologi produksi MEMS terbaru. 11 Material ditambahkan ke substrat dalam bentuk lapisan film tipis pada permukaan substrat (wafer silikon). Lapisan ini merupakan salah satu lapisan struktural atau bertindak sebagai spacer (pengatur jarak), kemudian dihapus, kemudian lapisan ini disebut lapisan korban. Oleh karena itu proses biasanya melibatkan film dari dua bahan yang berbeda, yaitu bahan struktural dimana struktur berdiri bebas dibuat (silikon polikristalin atau polysilicon, silikon nitrida, dan aluminium) dan bahan kurban, yang disimpan di daerah terbuka atau berada bebas di atas struktur mekanik. Lapisan film tipis kemudian akan disimpan dan dilakukan proses etsa kering secara berurutan dengan bahan karbon yang akan dilakuakn proses etsa basah untuk menghilangkan struktur akhirnya. Setiap lapisan tambahan akan sisertai dengan peningkatan kompleksitas dan proses fabrikasi yang semakin sulit. Permukaan yang telah melalui proses micromachining dapat dilihat pada gambar 6. Gambar 6 Permukaan micromachining dari balok kantilever 2.3.5 Fusion Bonding Agar didapatkan struktru MEMS yang lebih kompleks dan lebih besar, wafer silikon yang telah melalui proses micromachining dapat ditambahkan dengan bahan lain dengan proses yang dikenal sebagai fusion bonding (ikatan fusi). Teknik ini memungkinkan untuk menciptakan struktur terintegrasi yang berlapis-lapis dan bergantung pada penciptaan atom antara setiap lapisan, baik secara langsung (dengan pemanasan dan tekanan utuk ikatan kaca wafer) atau melalui film tipis silikon dioksida. Seperti yang kita lihat pada gambar 7, dimana komposit yang dihasilkan memiliki tegangan sisa yang sangat rendah akibat dari koefisisen pencocokan ekspansi termal dari seiap lapisan. Gambar 7 Pembentukan rongga tertutup menggunakan ikatan fusi 2.3.6 High-Aspect-Ratio Micromachining High-Aspect-Ratio Micromachining (HARM) adalah proses yang melibatkan micromachining sebagai langkah awal yang diikuti dengan pencetakan injeksi atau embossing dan, jika diperlukan, dengan electroforming untuk meniru mikro di logam dari bagian yang ingin dibentuk. Ini adalah salah satu teknologi yang paling menarik untuk mereplikasi mikro pada rasio kinerja tinggi dan termasuk teknik yang dikenal sebagai LIGA. LIGA LIGA merupakan proses penting dan metode replikasi untuk aspek-rasio tinggi struktur mikro. Teknik ini menggunakan X-ray radiasi synchrotron untuk mengekspos akrilik tebal menolak dari PMMA bawah masker litograf (lihat gambar 8 di bawah). Daerah yang terkena X-ray secara kimiawi akan terlarut dan area dimana bahan akan dihapus, logam elektro yang terbentuk, sehingga mendefinisikan bahwa proses molding telah berhasil. LIGA mampu menciptakan mikro yang sangat halus hingga 1000 µm. 13 Gambar 8 Proses LIGA 2.4 Aplikasi MEMS Dewasa ini teknologi MEMS sudah banyak diaplikasikan dan sudah beredar di pasaran dengan penerapannya di berbagai bidang, sebagai berikut : Tabel 1. Aplikasi MEMS Automotive Internal navigation sensors Air conditioning compressor sensor Electronics Disk drive heads Inkjet printer heads Brake force sensors & Projection suspension screen control televisions accelerometers Fuel level and vapour pressure sensors Earthquake sensors Airbag sensors Avionics pressure sensors Medical Communications Fibre-optic Blood pressure network sensor components Muscle RF Relays, stimulators & switches and drug delivery filters systems Projection displays in Implanted portable pressure communications sensors devices and instrumentation Voltage controlled Prosthetics oscillators (VCOs) Miniature Splitters and analytical couplers instruments Defence Munitions guidance Surveillance Arming systems Embedded sensors Data storage "Intelligent" tyres Mass data storage systems Pacemakers Tuneable lasers Aircraft control Selain dari aplikasi-aplikasi di atas, teknologi MEMS terbaru juga banya dimanfaatkan, antara lain : 1) BioMEMS BioMEMS untuk aplikasi revolusioner yang mendukung isu-isu sosial utama termasuk sequencing DNA, penemuan obat, dan air dan pemantauan lingkungan. Teknologi ini berfokus pada sistem mikrofluida serta pengujian kimia dan pengolahannya telah memungkinkan perangkat dan aplikasi seperti 'lab-on-a-chip', sensor kimia, pengontrol aliran, micronozzles dan microvalves untuk diproduksi. Pengaplikasin BioMEMS dapat kita lihat pada gambar 9. Gambar 9. Aplikasi BioMEMS 2) MOEMS MOEMS merupakan teknologi MEMS yang muncul untuk mengtasi masalah skala jaringan, sehingga dapat menciptakan lalu lintas data yang besar dengan berlandaskan teknologi informasi. Aplikasi MOEMS dapat kita lihat pada gambar 10. Gambar 10. Apliksi MOEMS 15 3) RF MEMS RF MEMS adalah salah satu bagian yang paling cepat berkembang dalam teknologi MEMS komersial. MEMS RF dirancang khusus untuk elektronik dalam ponsel dan aplikasi komunikasi nirkabel lainnya seperti radar, sistem satelit global positioning (GPS) dan antena steerable. MEMS telah memiliki kinerja, keandalan dan fungsi perangkat ini akan meningkat saat produser menurunkan ukuran dan memberikan harga yang rendah. Gambar 11 Aplikasi RF MEMS. Gambar 11. Aplikasi RF MEMS DAFTAR PUSTAKA 1. Microsensors, Muller, R.S., Howe, R.T., Senturia, S.D., Smith, R.L., and White, R.M. [Eds.], IEEE Press, New York, NY, 1991. 2. Micromechanics and MEMS: Classic and Seminal Paper to 1990, Trimmer, W.S., IEEE Press, New York, NY, 1997.
