A Little Piece

Tahukah kalian apa itu MEMS? Benda ini banyak tertanam di berbagai perangkat yang biasa kita gunakan loh. Yuk, kita gali lebih jauh tentang MEMS ini!

MEMS adalah singkatan dari Micro Electro Mechanical Systems. Istilah ini secara resmi pertama kali dikenalkan oleh Prof. Stephen C. Jacobsen (1940-2016) di the University of Utah dalam sebuah proposal yang ditulisnya untuk DARPA (lembaga riset di Departemen Pertahanan Amerika Serikat) pada tahun 1986 dan dijelaskan oleh Prof. Roger T. Howe di Stanford University pada 1989 untuk mendeskripsikan komponen mekanik, seperti pegas atau membran yang bergerak, yang dibuat pada skala mikrometer. Selain itu, MEMS juga dibuat bukan dengan teknologi yang umum di dunia permesinan seperti mesin bubut atau mesin penggiling, melainkan dengan teknologi semikonduktor yang biasanya digunakan untuk membuat komponen mikroelektronik, disebut juga teknologi mikro-fabrikasi. Di Jepang, MEMS sering juga disebut micromachines, dan di Eropa disebut juga Microsystems Technology (MST).

Lalu, apa sebenarnya MEMS itu? Tahukah kalian, apakah yang menghubungkan inkjet printer, proyektor, Nintendo Wii, chip sekali pakai untuk analisa kesehatan dan sensor kecelakaan untuk mengeluarkan airbag di mobil-mobil? Alat-alat itu semuanya menggunakan MEMS loh! Lalu, apa sebenarnya MEMS itu?

Ada sebuah definisi sederhana, yaitu, “Mikro-fabrikasi menghasilkan MEMS”. Dari definisi ini, MEMS dan komponen mikroelektronik yang biasa menjadi bias karena sebenarnya proses fabrikasi mereka hampir sama, yaitu menggunakan teknologi mikro-fabrikasi ini. Akan tetapi, ada satu karakteristik yang membedakan MEMS dengan komponen mikroelektronik biasa. Komponen mikroelektronik biasanya hanya terbuat dari sirkuit-sirkuit yang disusun secara linear, kemudian dipadatkan dan dibuat bertingkat-tingkat menjadi struktur 3 dimensi. Sedangkan struktur MEMS biasanya pada dasarnya memang tersusun dari lubang-lubang, rongga, membran dan balok-balok yang lebih mirip dengan komponen mesin/mekanis yang biasa kita temui.

Apa perbedaan cara pembuatan MEMS dengan sistem mekanis biasa? Sistem mekanis biasanya dibuat dengan pendekatan bottom-up, yaitu dimulai dari komponen-komponen yang lebih kecil, kemudian disusun sehingga menjadi suatu sistem yang lebih rumit. Sementara dalam pembuatan MEMS dengan teknologi mikro-fabrikasi, pendekatan yang dilakukan adalah pendekatan top-down. Artinya, MEMS dibuat pertama dalam skala besar, kemudian terakhir dipotong-potong menjadi banyak MEMS yang berukuran kecil, ukurannya yang sebenarnya. Untuk lebih ringkasnya, silakan lihat ilustrasi perbedaan proses fabrikasi MEMS dan mesin biasa berikut ini.

Pada dasarnya, MEMS dan komponen mikroelektronik lainnya sama-sama terbuat dari bahan dasar silikon. Oleh karena itu, proses pembuatan yang sama bisa digunakan untuk keduanya. Namun untuk pembuatan MEMS, teknologi mikro-fabrikasi perlu dikembangkan lebih lanjut agar mampu memproduksi struktur-struktur yang lebih dalam. Sehingga proses yang selama ini belum pernah dipakai untuk pembuatan komponen mikroelektronik juga perlu dikembangkan untuk membuat struktur 3 dimensi yang menyerupai mesin ini. Belakangan ini, MEMS dengan bahan dasar polimer, kaca, berlian dan logam juga mulai dikembangkan.

MEMS memang mempunyai kemiripan dengan komponen mikroelektronik biasa, dan inilah yang memungkinkan penggunaan MEMS dan mikroelektronik dalam waktu yang bersamaan. Namun perbedaannya juga ada, yang membuat para desainer dan peneliti MEMS harus menguasai ilmu elektronik, mesin, kimia dan material di saat yang bersamaan. Pada tingkatan sistem, MEMS biasanya dimanfaatkan sebagai sensor atau aktuator, sebagai jembatan yang menghubungkan antara dunia kita dengan dunia elektronik.

Untuk pengembangan MEMS, dibutuhkan dana dan usaha yang tidak sedikit. Mulai dari untuk mengembangkan teknologi pembuatannya dari teknologi mikroelektronik biasa, pengujian material, hingga di tingkat sistem untuk sinkronisasi dengan alat-alat elektronik yang sudah ada. Akan tetapi, ada banyak keuntungan yang kita dapat dengan menggunakan MEMS ini. Mari kita bahas beberapa diantaranya.

Keuntungan pertama adalah dengan teknologi MEMS, kita bisa memperkecil benda-benda yang kita punya sekarang, atau biasa disebut dengan miniaturisasi. Sebagai contoh adalah dalam pembuatan giroskop sebagai sensor posisi, yaitu untuk menentukan posisi suatu benda dalam kerangka lebih besar. Sebelum adanya teknologi MEMS, giroskop biasa dibuat dalam ukuran sekitar 1000 cm3. Dengan adanya teknologi MEMS dan mikro-fabrikasi, giroskop dengan ukuran total sekitar 0.5 cm3 bisa direalisasikan.

Sejauh ini, miniaturisasi adalah kunci mengapa teknologi MEMS terus berkembang hingga hari ini. Dengan memperkecil ukuran, kita bisa mengurangi penggunaan material untuk membuat sesuatu dengan fungsi yang sama. Selain itu, ukurannya yang kecil juga membuat MEMS ini bisa dibuat dalam jumlah yang banyak sekaligus. Pengurangan pemakaian material dan fabrikasi dalam jumlah banyak adalah kunci yang membuat biaya pembuatan MEMS menjadi lebih murah.

Memperkecil ukuran dan massa dari sebuah sensor, bisa juga memperluas kegunaan dari sensor tersebut. Sebagai hasilnya, MEMS yang lebih murah dan bisa digunakan untuk berbagai aplikasi menjadi sesuatu yang sangat bersaing di pasaran dibandingkan sensor-sensor terdahulu yang ukurannya besar dan harga satuannya lebih mahal. Mari kita ambil akselerometer, sensor percepatan, sebagai contoh. Pada awalnya, dan sampai sekarang, MEMS akselerometer digunakan sebagai sensor kecelakaan, yang bila percepatan di atas ambang batas terdeteksi, maka mobil akan mengeluarkan airbag demi keamanan pengendara. Dan sekarang,MEMS akselerometer sudah banyak digunakan di smartphone, dan bahkan di dalam konsol remote control Nintendo Wii.

Selain itu, manfaat lain yang didapat adalah pada skala mikrometer, ada banyak fenomena yang bisa terjadi, yang biasanya tidak terjadi pada skala makro. Misalnya pada biochip untuk mendeteksi kandungan suatu zat, biasanya medan listrik digunakan untuk memompa reaktan keluar dari chip tersebut. Efek ini dinamakan efek elektro-osmotik yang bekerja dengan adanya gaya pada channel berukuran mikro yang ada pada chip tersebut. Fenomena yang sama sulit direalisasikan pada pipa yang berukuran besar.

Miniaturisasi memang membawa berbagai keuntungan dan menjadi penggerak utama dalam perkembangan MEMS. Namun terkadang miniaturisasi saja tidak bisa serta-merta menghasilkan sesuatu yang baru. Jika sebuah sensor atau aktuator dirasa sudah cukup kecil, cukup bagus dan cukup murah, mungkin perkembangan MEMS bisa dicukupkan. Tapi keuntungan MEMS ternyata tidak hanya di level kecil itu saja, banyak juga keuntungannya ketika kita membawanya ke skala sistem yang lebih besar.

Sebagai keuntungan MEMS dalam tingkatan sistem adalah dengan teknologi MEMS ini, yaitu dengan membuat berbagai hal menjadi lebih kecil, berbagai sistem “pintar” bisa direalisasikan. Sebuah contoh nyata adalah pada sistem airbag, yang sekarang umumnya menggunakan MEMS akselerometer untuk mendeteksi adanya kecelakaan. Sebelumnya, sebuah sistem menggunakan logam berbentuk bola yang dikontrol dengan pegas atau medan magnet dimanfaatkan sebagai sensor kecelakaan pada kendaraan. Bola akan bergerak bila mobil mengalami percepatan yang sangat tinggi, dan logamnya akan menyebabkan arus pendek pada sirkuit yang ada di dalam sensor itu, dan atas dasar itulah mobil akan mengeluarkan airbag-nya. Sistem ini relatif sederhana, namun besar kemungkinan sistem ini tidak beroperasi dalam kondisi yang sebenarnya. Misalnya ketika bolanya yang ukurannya tidak kecil itu terblokir, atau kontak antar sirkuit di dalam sensornya terkontaminasi. Kesulitannya adalah ketika kita menyalakan mesin mobil, tidak ada yang bisa dilakukan untuk memeriksa apakah sensor ini beroperasi dengan baik atau tidak.

Dalam MEMS, meskipun tentu saja ada kemungkinan MEMS ini tidak beroperasi, mekanisme self-testing bisa dimasukkan ke dalam sistem dengan relatif mudah. Misalnya pada sensor kecelakaan untuk airbag, mekanisme untuk mengecek sendiri apakah MEMS akselerometer ini bekerja dengan benar atau tidak, bisa dicoba ketika mesin dinyalakan. Sistemnya bisa dibuat dengan MEMS lain, dengan membuat sebuah sistem simulasi percepatan tinggi yang hanya diperuntukkan untuk si MEMS akselerometer ini. Dengan itu, setiap kita menyalakan mesin, sistem akan memeriksa performa sensor kecelakaan yang ada, dan bahkan melaporkan pada kita bila sistemnya tidak berjalan dengan baik.

Keuntungan lain dari penggunaan MEMS adalah berkaitan dengan proses penggabungan atau integrasi pada tingkatan sistem. Pada kebanyakan sistem yang tidak menggunakan MEMS, umumnya sensor dan komponen elektronik utama akan dihubungkan dengan kabel-kabel atau sama-sama disolder di atas papan sirkuit (PCB, printed circuit board). Seperti yang sudah dijelaskan di awal, MEMS dibuat dengan proses yang sama dengan komponen mikroelektronik lainnya. Hal ini menjadikan MEMS lebih mudah untuk digabungkan dengan komponen elektronik lainnya secara langsung bahkan sejak proses pembuatannya masing-masing.

Menurut hukum Moore, jumlah transistor yang dapat dibuat dalam satu mikroprosesor akan menjadi dua kali lipat setiap 18 bulan (Baca: Rubrik Fisika Edisi Mei 2016). Maksud dari hukum ini adalah bahwa ukuran transistor terus mengecil menjadi separuh dalam setiap 18 bulan, yang tentu saja berlaku juga untuk berbagai komponen elektronik selain mikroprosesor. Namun apakah pengecilan ini tidak akan mencapai batasnya?

Belakangan ini banyak penelitian juga tengah difokuskan pada proses integrasi antara MEMS dengan semikonduktor komponen elektronik lainnya, karena dipercaya bahwa miniaturisasi komponen elektronik berdasarkan hukum Moore ini akan mencapai batasnya dalam waktu dekat. Hasilnya adalah berupa performa dan ketahan jangka panjang yang lebih baik, biaya pembuatan yang semakin murah dan munculnya berbagai manfaat baru yang belum pernah terpikirkan sebelumnya. Garis besar perkembangan kegunaan MEMS bisa dilihat pada ilustrasi berikut.

Begitulah mengenai MEMS. Teknologi MEMS ini tidak hanya membuat berbagai hal menjadi lebih kecil, tapi juga membuat bermacam alat-alat elektronik di keseharian kita menjadi lebih pintar.

Bahan Bacaan:

• Chollet, Franck dan Liu, Haobing. A (not so) short introduction to MEMS. http://memscyclopedia.org/
• Esashi, Masayoshi. はじめてのMEMS (Introduction to MEMS). 工業調査会, 2009.
• https://en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems

Telah diterbitkan di Rubrik Teknologi Majalah 1000guru edisi Agustus 2016.

Dear Tanaka Lab’s student blog reader,

After thesis and defense season, graduation season is coming for final year students. However, for undergrads 2nd year, this season might be different, yet very important, since they have to choose their laboratories. Here we will give a short introduction of how do we do research in Tanaka Shuji Lab, of course, from students' point of view!

General research topic in Tanaka Shuji Lab is about "MEMS".

MEMS (micro electro mechanical systems) is a very small device that is driven by electricity. Examples of MEMS in our daily life are acceleration sensors in smartphones and game consoles, or also microphones in smartphones. MEMS integrates the aspects of mechanical, electrical, optical, thermal, materials, and others, to finally be fabricated by microfabrication technology that is used for semiconductors. Nowadays, MEMS is used in wide applications, such as for automobiles, communications, robotics, biotechnology, medical welfare, infrastructure maintenance, and energy. Even in the hottest topics these days, the so called Internet of Things (IoT), MEMS technology is used to obtain various data for further development of artificial inteligence and deep learning process. Here in Tanaka Shuji Lab, we are prototyping various kind of MEMS, designing state-of-the-art, developing fabrication technologies, new materials, and even making MEMS in the system level that is ready for real application.

According to Tanaka-sensei, here is our research:
http://www.mems.mech.tohoku.ac.jp/research/index_e.html

Because we are doing various researches on MEMS, almost every student are doing totally different things. Even students in the same year, they may have totally different research themes. To accomodate everyone's research, research groups are established in Tanaka Shuji Lab for members whose research themes are closely related. After joining Tanaka Shuji Lab, everyone will belong to any of these groups.

As of FY2015, we are divided into 6 groups in Tanaka Shuji Lab, as follows.

Basically, we are doing research under supervision of each group leader in daily basis. If something happen in our research, or if we find something interesting, we usually discuss it with the group leader first.

So, does it mean that if we belong to one group we will not know what the other's doing in the other group?

Reason no. 1: Soudankai & Danwakai

In Tanaka Shuji Lab, we have 2 frequent progress report meetings. One is called soudankai, that is basically means consultation, and another one is called danwakai, that basically means seminar. Soudankai is held twice per month for every group, three groups at the same day with some groups are joined. In soudankai, we usually report what we have done in the past 2 weeks, what have we achieved, what problems have we faced, and what are we planning to do in the next 2 weeks. In soudankai, all group leaders and Tanaka-sensei is also there, so we may have some insightful ideas and advice from them.

Danwakai is a bit different than soudankai. Everyone have their turn for presentation around 3-4 times every year, and the presentation is done in front of all lab members. In danwakai, we hold an international conference style presentation with a student as a moderator, which is limited 40 minutes presentation session without any disturbance, and followed by 20 minutes Q&A session. But well, some people deviated from this rule. The presentations are done fully in english, and the materials should be uploaded to the server beforehand, so we have to carefully prepare ourselves. Here, questions may also come from lab members that belong to the other group. This danwakai might be a good training for students to make presentation in a good manner that is easily understandable.

Reason no. 2: Custom of teaching each others

In fabricating a MEMS device, we are using various kinds of processes and machines. To fabricate a good MEMS which process is better, which material is suitable, which machine should we use are of the challenges. And to find the answer, there is no way other than asking people that are more experienced, even people from the other group. Moreover, in MEMS fabrication, we are basically using many different machines, and we have to learn how to operate each machine from each responsible person (student or staff).

Reason no. 3: Open environment

Tanaka Shuji Lab is located in Kyodo-to (Research Bld. M.A.E / A15 on the map) room 113. All students, staffs, and professors are staying in the same room, so it is easier for discussions, even to discuss things that are not related to research. Moreover, Tanaka-sensei's room is also normally opened, so we can enter at anytime if we have something to discuss.

If we have some results, we are also able to go for conferences, and even to write journal papers. Tanaka-sensei said, "Research is to be published in conferences and journal papers!" Experience in giving presentations and writing papers will be very valuable for students. Moreover, by going to conferences we are also able to make discussions with many experts. In Tanaka Shuji Lab, this opportunity is opened for everyone.

Some students wrote their conference experience here:
http://biodevice.blog.fc2.com/blog-category-1.html

Schedule in Tanaka Shuji Lab is 1 year research for bachelors, 2 years research for masters, and 3 years research for doctors. Bachelors deliver their defense in February, and submit their thesis in March for graduation. Masters do their pre-defense in December, make first thesis submission in January, then final defense and final thesis submission in February for graduation. We have to plan our experiments carefully to finish it in time, and not to be hurry near the deadlines. There are also some students who are continuing their research to the next level, i.e. bachelor research to master, or master to doctor.

There is some words from Tanaka-sensei that he usually delivers in the opening lecture for lab members.

"The key points of research process are detailed planning, bold execution and logical consideration. These are important for not only research but also other works.

Another important thing is to get the self-confidence that you completed the research process. In Japanese universities, there are few chances that students experience heavy intellectual or physical loads, if they do not perform research work satisfactorily. The students who did not study hard cannot stand the load of competitive works after graduation. I wish students to acquire both physical and intellectual strength."

Repost dari Tanaka Shuji Lab's student blog.