Mô phỏng và chế tạo micro linear motor ứng dụng trong các thiết bị số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICRO LINEAR MOTOR ỨNG
DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ SỐ
Tác giả luận văn:

NGUYỄN TUẤN KHOA

Khóa 2009-2011

Người hướng dẫn: TS. PHẠM HỒNG PHÚC
Nội dung tóm tắt:
Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) là một lĩnh vực công nghệ mới xuất hiện
đang được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế giới; còn tại Việt
Nam, công nghệ MEMS đã bước đầu đã tạo ra được những sản phẩm ứng dụng.
Tôi đã thực hiện luận văn thạc sỹ đề tài “MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO
MICRO LINEAR MOTOR ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ SỐ” với
mục đích thiết kế, tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng phương pháp phần tử
hữu hạn (FEM) và đo đạc thực nghiệm bộ kích hoạt nhiệt dẫn động hệ motor
tuyến tính bởi biến dạng nhiệt của dầm silicon dạng chữ V khi cho dòng điện
chạy qua. Tính toán, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm ở điện áp U = 5÷30V
vôn, với từng hệ dầm khác nhau về số lượng cặp dầm là 3, 6 và 10, thu được
chuyển vị 12÷18 µm và lực đẩy của bộ kích hoạt cỡ mN. Mỗi motor tuyến tính
được chế tạo trên chip có kích thước 5x5 mm.
Luận văn gồm 4 chương.
Chương 1 giới thiệu chung về công nghệ MEMS, những ứng dụng và tiềm
năng phát triển, phân loại các bộ kích hoạt MEMS.
Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết dãn nở nhiệt, tính toán nhiệt độ, sự dãn

dài, và lực trong bộ kích hoạt tuyến tính sử dụng hiệu ứng nhiệt, đồng thời tính
toán chuyển vị cho thanh trượt được dẫn động. Phần tiếp theo đề xuất cấu tạo và
nguyên lý hoạt động của motor tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt.
Phần cuối của chương này trình bày mô phỏng bài toán cơ-nhiệt-điện trong

1


ANSYS để tìm sự phân bố nhiệt độ, chuyển vị của bộ kích hoạt; so sánh và kiểm
nghiệm tính toán lý thuyết.
Chương 3 trình bày quy trình gia công motor tuyến tính sử dụng công nghệ
ăn mòn khô sâu (D-RIE), giới thiệu các máy và thiết bị được sử dụng để chế tạo
motor tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt tại phòng thí nghiệm MEMS
Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản).
Chương 4 trình bày sơ đồ đo đạc, các kết quả thực nghiệm về hoạt động và
các đặc tính của motor nhiệt tuyến tính. So sánh tính toán lý thuyết, mô phỏng
và đo đạc đưa ra nhận xét chung.
Kết luận:
Qua các kết quả đã trình bày có thể thấy rằng ưu điểm lớn nhất của motor
tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt nhiệt đó là kết cấu nhỏ gọn và sinh ra lực đẩy
lớn, đơn giản trong gia công và điều khiển, đạt độ chính xác cao vì chỉ sử dụng
một mặt nạ nên dễ triển khai nghiên cứu, đo đạc và ứng dụng. Nhưng đồng thời
theo kết quả mô phỏng với điện áp U = 30V, nhiệt độ cao nhất trên bộ kích hoạt
là 4000C, nhiệt độ này khá cao gây tác hại đến các chi tiết bộ phận làm việc
xung quanh. Đây cũng chính là nhược điểm của bộ kích hoạt nhiệt và cần được
khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả đo đạc cũng chỉ ra dải tần số
làm việc tránh hiện tượng trượt là 20Hz.
Trong tương lai, motor tuyến tính sẽ được tiếp tục hoàn thiện (đặt điện áp
vào bộ kích hoạt kẹp, tối ưu hóa các kích thước) để tránh hiện tượng trượt, nâng
cao hiệu suất. Motor tuyến tính sẽ được ứng dụng trong các hệ micro rôbôt, hệ

vận tải siêu nhỏ, hệ phân tích mẫu siêu nhỏ...

Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2011
Người hướng dẫn

Tác giả luận văn

TS. Phạm Hồng Phúc

Nguyễn Tuấn Khoa

2


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN TUẤN KHOA

MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICRO LINEAR MOTOR ỨNG DỤNG
TRONG CÁC THIẾT BỊ SỐ

Chuyên ngành : CƠ HỌC KỸ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ HỌC KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. TS. PHẠM HỒNG PHÚC

Hà Nội – 05/2011

Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... I
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................... II
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................. III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................ V
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................... VI
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MEMS ............................................................1
1.1. Tổng quan.....................................................................................................1
1.1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................. 1
1.1.2. Lịch sử phát triển công nghệ MEMS ........................................................... 2
1.1.3. Những sản phẩm và ứng dụng chính của công nghệ MEMS ..................... 3
1.1.4. Thị trƣờng và tiềm năng phát triển của công nghệ MEMS ....................... 6

1.2. Các công nghệ chế tạo MEMS....................................................................7
1.2.1. Công nghệ vi cơ khối (Bulk micromachining) ............................................. 7
1.2.2. Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface micromachining) .................................... 8
1.2.3. Công nghệ tia laser (LIGA) ........................................................................... 9

1.3. Bộ kích hoạt MEMS ..................................................................................10
1.3.1. Định nghĩa và phân loại ............................................................................... 10
1.3.2. Bộ kích hoạt tĩnh điện .................................................................................. 11
1.3.3. Bộ kích hoạt nhiệt ........................................................................................ 12
1.3.3.1. Bộ kích hoạt dùng sự dãn nở của khí, chất lỏng................................ 12
1.3.3.2. Bộ kích hoạt cặp nhiệt.......................................................................... 13
1.3.3.3. Bộ kích hoạt sử dụng kim loại định hình ........................................... 13
1.3.3.4. Bộ kích hoạt dầm chữ V ...................................................................... 14

1.3.4. Các bộ kích hoạt khác.................................................................................. 15

CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MOTOR DỰA TRÊN BỘ KÍCH
HOẠT NHIỆT ..................................................................................................17

i


Mục lục

2.1. Lý thuyết nhiệt ...........................................................................................17
2.1.1. Lý thuyết dãn nở nhiệt ................................................................................ 17
2.1.2. Lý thuyết truyền nhiệt ................................................................................. 18

2.2. Thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt tuyến tính ................19
2.2.1. Đánh giá về các bộ kích hoạt nhiệt trƣớc đây ........................................... 19
2.2.2. Đề xuất thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt ........................ 20

2.3. Tính toán bộ kích hoạt nhiệt ....................................................................21
2.3.1. Tính toán nhiệt ............................................................................................. 21
2.3.2. Tính toán chuyển vị ..................................................................................... 23
2.3.2.1. Chuyển vị do dãn nở nhiệt................................................................... 23
2.3.2.2. Chuyển vị của dầm đẩy ........................................................................ 24
2.3.2.3. Chuyển vị của thanh trƣợt .................................................................. 24
2.3.3. Tính toán lực................................................................................................. 25
2.3.3.1. Lực trên dầm V .................................................................................... 25
2.3.3.2. Tính lực đẩy thanh trƣợt ..................................................................... 26

2.4. Mô phỏng chuyển vị, dãn nở nhiệt và nhiệt độ của bộ kích hoạt nhiệt 27
2.4.1. Giải bài toán đa trƣờng bằng phần mềm ANSYS .................................... 29

2.4.2. Mô phỏng bộ kích hoạt nhiệt ...................................................................... 30
2.4.2.1. Chọn mô hình và kiểu phần tử ............................................................ 30
2.4.2.2. Xây dựng mô hình và tiến hành mô phỏng ........................................ 31
2.4.2.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................ 33

CHƢƠNG 3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MOTOR ...........................................38
3.1. Giới thiệu ....................................................................................................38
3.2. Thiết kế mặt nạ ..........................................................................................38
3.3. Quy trình gia công .....................................................................................41
3.4. Kết quả chế tạo ..........................................................................................48
CHƢƠNG 4 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ ĐẶC TÍNH CỦA
MOTOR .............................................................................................................51
4.1. Hệ thống đo đạc, kiểm tra .........................................................................51

ii


Mục lục

4.1.1. Sơ đồ đo đạc .................................................................................................. 51
4.1.2. Thiết bị đo đạc kiểm tra .............................................................................. 52
4.1.3. Sơ đồ đặt điện trên chip............................................................................... 53

4.2. Đánh giá hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt .............................................54
4.2.1. Kết quả đo đạc chuyển vị của dầm đẩy...................................................... 54
4.2.2. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc ......................................................... 54
4.2.2.1. Loại 3 cặp dầm...................................................................................... 54
4.2.2.2. Loại 6 cặp dầm...................................................................................... 55
4.2.2.3. Loại 10 cặp dầm.................................................................................... 56
4.2.2.4. Nhận xét ................................................................................................ 58

4.3. Đánh giá hoạt động của motor .................................................................59
4.4. Kiểm tra lực đẩy của motor ......................................................................60
4.5. Nhận xét ......................................................................................................61
KẾT LUẬN .......................................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................64
PHỤ LỤC ..........................................................................................................66

iii


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này
là của bản thân tôi, không phải sự sao chép từ các tác giả khác.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.

Tác giả

NGUYỄN TUẤN KHOA

i


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) là một lĩnh vực công nghệ mới xuất hiện

đang đƣợc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế giới; còn tại Việt Nam,
công nghệ MEMS đã bƣớc đầu đã tạo ra đƣợc những sản phẩm ứng dụng.
Tôi đã thực hiện luận văn thạc sỹ đề tài “MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICRO
LINEAR MOTOR ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ SỐ” với mong muốn
đóng góp nghiên cứu của mình cho ngành công nghệ MEMS ở Việt Nam nói riêng
và cho sự phát triển của khoa học công nghệ Việt Nam nói chung.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS. Phạm Hồng Phúc vì sự hƣớng dẫn
rất nhiệt tình, chu đáo, và các thành viên trong nhóm nghiên cứu MEMS - Bộ môn
Cơ sở thiết kế máy & Rôbôt – Trƣờng ĐHBK Hà Nội đã cộng tác, giúp đỡ, tạo điều
kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới Phòng thí
nghiệm MEMS, Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản đã giúp đỡ chế tạo sản phẩm để có
đƣợc các kết quả đo đạc thực nghiệm trình bày trong luận văn.
Luận văn này mới là những nghiên cứu bƣớc đầu về motor tuyến tính nhiệt nên
không tránh khỏi những thiếu sót. Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ tiếp tục
đƣợc hoàn thiện, phát triển và dự kiến sẽ công bố trong các tạp chí khoa học trong
nƣớc và quốc tế trong tƣơng lai gần.
Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2011

ii


Tóm tắt luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày kết quả thiết kế, tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng
phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) và đo đạc thực nghiệm bộ kích hoạt nhiệt dẫn
động hệ motor tuyến tính bởi biến dạng nhiệt của dầm silicon dạng chữ V khi cho
dòng điện chạy qua. Tính toán, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm ở điện áp U =
5÷30V vôn, với từng hệ dầm khác nhau về số lƣợng cặp dầm là 3, 6 và 10, thu đƣợc
chuyển vị 12÷18 µm và lực đẩy của bộ kích hoạt cỡ mN. Kết quả mô phỏng cho

thấy ƣu điểm khi sử dụng bộ kích hoạt nhiệt dẫn động là kích thƣớc của hệ thống
nhỏ, sinh ra lực đẩy lớn và có thể xem là tuyến tính. Qua đó có thể thấy việc sử
dụng bộ kích hoạt nhiệt dẫn động hệ motor tuyến tính là hƣớng nghiên cứu mới, có
tính ứng dụng tốt trong công nghệ MEMS
Luận văn gồm 4 chƣơng.
Chƣơng 1 giới thiệu chung về công nghệ MEMS, những ứng dụng và tiềm
năng phát triển, phân loại các bộ kích hoạt MEMS.
Chƣơng 2 trình bày cơ sở lý thuyết dãn nở nhiệt, tính toán nhiệt độ, sự dãn dài,
và lực trong bộ kích hoạt tuyến tính sử dụng hiệu ứng nhiệt, đồng thời tính toán
chuyển vị cho thanh trƣợt đƣợc dẫn động.
Phần tiếp theo đề xuất cấu tạo và nguyên lý hoạt động của motor tuyến tính hai
chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt.
Phần cuối của chƣơng này trình bày mô phỏng bài toán cơ-nhiệt-điện trong
ANSYS để tìm sự phân bố nhiệt độ, chuyển vị của bộ kích hoạt; so sánh và kiểm
nghiệm tính toán lý thuyết.
Chƣơng 3 trình bày quy trình gia công motor tuyến tính sử dụng công nghệ ăn
mòn khô sâu (D-RIE), giới thiệu các máy và thiết bị đƣợc sử dụng để chế tạo motor

iii


Tóm tắt luận văn

tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt tại phòng thí nghiệm MEMS, Đại học
Ritsumeikan (Nhật Bản).
Chƣơng 4 trình bày sơ đồ đo đạc, các kết quả thực nghiệm về hoạt động và các
đặc tính của motor nhiệt tuyến tính. So sánh với tính toán lý thuyết và mô phỏng,
đƣa ra nhận xét chung.

iv

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
2D, 3D

Nội dung
Two dimensions, three dimensions

ANSYS

Analysis Systems

BICMOS

Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor

CAD

Computer Aided Design

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

D-RIE

Deep Reactive Ion Etching

FEA

Finite Element Analysis

GUI

Graphic User Interface

HF

Hydrofluoric acid

IC

Integrated Circuit

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LIGA

LIthographie Galvanoformung Abformung

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

PMMA

Poly Methyl Methacrylate

RF

Radio Frequency

SEM

Scanning Electron Microscope

SMAs

Shape Memory Alloys

SOI

Silicon On Insulator

UV

Ultraviolet

Ghi chú
Trademark

v

Tiếng Đức

Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các thiết bị MEMS tích hợp trên mạch điện tử IC................................2
Hình 1. 2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc bằng công nghệ MEMS trong điện
thoại Iphone .................................................................................................................3
Hình 1. 3 Các ứng dụng của MEMS trong ô tô hiện đại ngày nay .....................4
Hình 1. 4 Các hệ MEMS cơ .................................................................................5
Hình 1. 5 Biểu đồ thị trƣờng MEMS thế giới (2006-2013) .................................6
Hình 1. 6 Công nghệ vi cơ khối............................................................................7
Hình 1. 7 Quy trình công nghệ vi cơ bề mặt ........................................................9
Hình 1. 8 Công nghệ LIGA ................................................................................10
Hình 1. 9 Lực tiếp tuyến Ft giữa hai bản tụ ........................................................11
Hình 1.10 Bộ kích hoạt cặp nhiệt .......................................................................13
Hình 1. 11. Cấu trúc của một số bộ kích hoạt nhiệt. ..........................................14
Hình 1. 12 Bộ kích hoạt áp điện trong bơm vi cơ. .............................................15
Hình 2. 1 Sự dãn nở theo một chiều của thanh ngàm một đầu dƣới tác dụng
nhiệt ...........................................................................................................................17
Hình 2.2. Sự truyền nhiệt qua phân tố dầm ........................................................18
Hình 2. 3 Mô hình dầm nhiệt chữ V ...................................................................19
Hình 2. 4 Cấu tạo của motor tuyến tính dẫn động bởi bộ kích hoạt nhiệt..........20
Hình 2. 5 Sơ đồ tính chuyển vị dầm đơn ............................................................24
Hình 2. 6 Sơ đồ tính chuyển vị thanh trƣợt ........................................................25
Hình 2. 7 Sơ đồ tính lực dầm V ..........................................................................26
Hình 2. 8 Sơ đồ tính lực đẩy thanh trƣợt ............................................................26
Hình 2. 9 Mô phỏng trên phần mềm ANSYS ....................................................28
Hình 2. 10 Mô hình bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm .............................................32
Hình 2. 11 Chia lƣới thƣa tại ngàm ....................................................................32
Hình 2. 12 Chia lƣới dày tại các dầm nhiệt ........................................................33

vi


Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị

Hình 2. 13 Chuyển vị của dầm chữ V ................................................................34
Hình 2. 14 Đồ thị kết quả mô phỏng quan hệ chuyển vị - điện áp mô phỏng ....34
Hình 2. 15 Phân bố nhiệt độ của dầm chữ V ......................................................35
Hình 2. 16 Đồ thị quan hệ nhiệt độ cao nhất - điện áp theo mô phỏng ..............36
Hình 2. 17 Sơ đồ tính lực bằng ANSYS.............................................................36
Hình 2. 18 Ứng suất trên dầm V.........................................................................37
Hình 3. 1 Mask tổng thể .....................................................................................39
Hình 3. 2 Motor tuyến tính với các bộ kích hoạt góc nghiêng α =20 .................40
Hình 3. 3 Cấu tạo một phiến wafer.....................................................................41
Hình 3. 4 Quang khắc và tráng rửa.....................................................................42
Hình 3. 5 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist ............................42
Hình 3. 6 Quá trình ăn mòn khô D-RIE .............................................................44
Hình 3. 7 Quá trình ăn mòn bốc bay bằng HF ...................................................45
Hình 3. 8 Mặt cắt ngang của tấm wafer sau khi HF etching ..............................45
Hình 3. 9 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF ................................................46
Hình 3. 10 Quy trình gia công ............................................................................46
Hình 3. 11 Tổng thể motor nhiệt (loại 10 cặp dầm) ...........................................49
Hình 3. 12 Dầm chữ V loại 10 cặp .....................................................................49
Hình 3. 13 Cặp dầm đẩy thanh trƣợt ..................................................................50
Hình 4. 1 Sơ đồ đo đạc .......................................................................................51
Hình 4. 2 Hệ thống đo đạc ..................................................................................52
Hình 4. 3 Sơ đồ đặt điện áp ................................................................................53
Hình 4. 4 Kết quả đo đạc quan hệ chuyển vị - điện áp .......................................54
Hình 4. 5 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm (trƣớc-sau) tại điện
áp 30V .......................................................................................................................55

Hình 4. 6 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3 cặp
dầm ............................................................................................................................55
vii


Danh mục các bảng, hình vẽ, đồ thị

Hình 4. 7 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm (trƣớc-sau) tại điện
áp 30V .......................................................................................................................56
Hình 4. 8 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 6 cặp
dầm ............................................................................................................................56
Hình 4. 9 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm (trƣớc-sau) tại điện
áp 30V .......................................................................................................................57
Hình 4. 10 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3
cặp dầm .....................................................................................................................57
Hình 4. 11 Chuyển vị của thanh trƣợt ở 30V với các tần số từ 1-20Hz .............60
Hình 4. 12 Sơ đồ kiểm tra lực đẩy của thanh trƣợt (thử tải) ..............................60

viii


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Chƣơng 1

GIỚI THIỆU VỀ MEMS

1.1. Tổng quan

1.1.1. Giới thiệu chung
Công nghệ vi điện tử chế tạo ra vi mạch hay mạch tích hợp đã trở nên quen
thuộc trên thế giới từ khoảng giữa thế kỷ XX. Trên một phiến bán dẫn, thƣờng là
silic ngƣời ta có thể tạo ra lớp mỏng oxyt silic để cách điện, bảo vệ, lớp silic pha tạp
loại p, loại n để làm ra tranzito, lớp kim loại để làm điện cực, dẫn điện v.v... Công
nghệ vi điện tử ngày nay đã đạt đƣợc thành tựu lớn: trên một mảnh silic diện tích cỡ
vài centimet vuông đã có thể làm đến từ vài trăm triệu đến một tỷ linh kiện, tạo
thành một mạch với bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý nhanh, là bộ não của các thiết bị điện
tử (từ chiếc điện thoại di động cho đến những siêu máy tính hiện đại).
Tuy vậy, công nghệ vi điện tử chỉ chế tạo đƣợc những linh kiện điện, nằm trên
mặt phẳng gắn chặt với đế silic. Mạch tích hợp cực kỳ phức tạp, có rất nhiều điện
cực vào - ra, chỉ thực hiện đƣợc những chức năng về điện. Mạch tích hợp không thể
thực hiện các chức năng khác (ví dụ chức năng cơ học nhƣ quay, dịch chuyển, dao
động, bơm v.v...). Muốn có các bộ phận thực hiện những chức năng về cơ thì các bộ
phận này đƣợc chế tạo theo kiểu cổ điển, phải ghép nối thủ công với mạch tích hợp
và rất cồng kềnh.
Vài thập kỷ gần đây, công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện
tử đƣợc phát triển mạnh, thƣờng đƣợc gọi là công nghệ chế tạo các hệ vi cơ điện tử
1


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

(MEMS). Công nghệ MEMS đã giải quyết đƣợc nhiều yêu cầu kỹ thuật theo cách
hoàn toàn mới.
MEMS là hệ thống tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các
yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo.
Bộ nhớ, mạch điện

Cảm biến

Bộ kích hoạt
RA

VÀO

Điện, Cơ
Nhiệt, Hóa
Quang
…

Điện, Cơ
Nhiệt, Hóa
Quang
…

Hình 1. 1 Các thiết bị MEMS tích hợp trên mạch điện tử IC

Trong khi những thành phần có thuộc tính điện đƣợc chế tạo dùng công nghệ
mạch tích hợp (IC) nhƣ : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần cơ đƣợc
chế tạo bằng cách loại bỏ (giống nhƣ gia công trong cơ khí) những phần của phiến
chất bán dẫn hoặc thêm vào những lớp vật liệu mới để tạo nên các cấu trúc, cơ cấu
vi mô, có khả năng biến đổi giữa điện năng, quang năng, hóa năng, cơ năng.

1.1.2. Lịch sử phát triển công nghệ MEMS
Các mốc thời gian thể hiện sự phát triển của MEMS:
-

Thập niên 50: các nhà khoa học tìm hiểu đƣợc đặc tính của silicon, từ đó đặt

tiền đề cho sự phát triển của công nghệ MEMS sau này.
-

Thập niên 60: chế tạo ra cảm biến áp suất silicon đầu tiên.

-

Thập niên 70: chế tạo cảm biến gia tốc và đầu in mực đầu tiên.

-

Thập niên 80: công nghệ MEMS trở nên phổ biến và đƣợc đƣa vào nghiên

cứu nhiều hơn với phƣơng pháp gia công bề mặt (Surface) và gia công tia laze
(LIGA).
-

Thập niên 90: tiếp tục có những nghiên cứu, cải tiến các thiết bị trong công

nghệ MEMS và bắt đầu ứng dụng nhiều trong đời sống.

2


Chƣơng 1

-

Giới thiệu về MEMS

Từ năm 2000 đến nay: công nghệ MEMS đƣợc ứng dụng vào hầu nhƣ mọi

lĩnh vực của khoa học, công nghệ, đời sống.

1.1.3. Những sản phẩm và ứng dụng chính của công nghệ MEMS
MEMS là một ngành công nghệ mới (khi so sánh với nhiều công nghệ khác trên
thế giới). Nhƣng cho đến ngày nay, những ứng dụng của MEMS trong khoa học kỹ
thuật, trong sản xuất và trong đời sống là vô cùng phong phú và đa dạng. MEMS có
trong những chiếc máy ảnh kỹ thuật số (digital camera), điện thoại thông minh
(smart phone) cho đến phƣơng tiện giao thông: ôtô, máy bay v.v...
Các cảm biến (sensors) và bộ kích hoạt (actuators) có thể đƣợc coi là hai dòng
sản phẩm chính của công nghệ MEMS:
Các cảm biến dùng để đo lực, vận tốc, gia tốc đƣợc sử dụng nhiều và chiếm thị
phần lớn nhất trong các cảm biến MEMS.

a)

b)

c)

Hình 1. 2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc bằng công nghệ MEMS trong điện thoại
Iphone
a) Cảm biến gia tốc 3 trục và chức năng la bàn điện tử sử dụng cảm biến MEMS
b) Khối cảm biến MEMS lắp trên mạch điện tử
c) Cấu trúc cảm biến gia tốc (ảnh SEM)

3

Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Hình 1. 3 Các ứng dụng của MEMS trong ô tô hiện đại ngày nay

- Trong xe ôtô, trƣớc chỗ ngồi của hành khách để đảm bảo an toàn ngƣời ta đặt
những túi rỗng để đựng khí nhƣng xếp nhỏ, dấu kín không trông thấy. Trƣờng
hợp xe bị va chạm tức là lúc có gia tốc đột ngột (gia tốc âm), bộ phận tự động sẽ
điều khiển cực nhanh cho khí xì ra, căng phồng túi khí, ngƣời chồm lên chỉ va
vào túi khí. Trƣớc đây bộ cảm biến gia tốc để điều khiển tự động có kích thƣớc
tƣơng đƣơng lon nƣớc giải khát giá hơn 15 đôla, nay làm bằng công nghệ
MEMS nhạy hơn, nhỏ hơn đốt ngón tay giá chỉ vài đôla. Trong một chiếc xe ôtô
loại hiện đại có vài trăm bộ cảm biến dùng công nghệ MEMS nhƣ vậy (điều
khiển túi khí, theo dõi áp suất và nhiệt độ bánh xe, điều khiển bơm khi lốp non
hơi, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, nƣớc làm nguội v.v...). Mỗi năm chỉ riêng ngành
công nghiệp ôtô cần tới hàng trăm triệu linh kiện MEMS.

4


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

a) Tay kẹp vi cơ

b) Hệ bánh răng vi cơ

c) Hệ vận tải micro
Hình 1. 4 Các hệ MEMS cơ

- Những bộ kích hoạt cùng với các micro-robot ứng dụng trong các hệ vận tải
micro [2] và lắp ráp micro cũng là các thành phần rất quan trọng đƣợc ứng dụng
trong vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi phân tích,
phòng thí nghiệm trên chip, phân tích sinh hoá và tự động hoá…Công nghệ MEMS
đƣợc sử dụng thành công trong công nghệ quang học (hệ vi gƣơng-micro mirror có
thể xoay để đổi hƣớng tia LASER trong viễn thông), trong hệ thống chiếu sáng
thông minh...
Ngoài ra MEMS còn đƣợc ứng dụng trong:

5


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

- Trong gia công cơ khí: robot công nghiệp, các thiết bị đo lƣờng, kiểm tra
trong công nghiệp, micro robot dùng để kiểm tra chất lƣợng sản phẩm.
- Trong khoa học: ngành hàng không, đo lƣờng, khoa học vật liệu, quang học kính hiển vi.
- Trong y học: vi phẫu thuật, nội soi với các đầu nội soi can thiệp, thiết bị trợ
giúp cho ngƣời mù và khiếm thính, hệ thống cấp thuốc và hút dẫn implant, phân
tích mẫu máu, lấy mẫu tế bào,…
- Các ứng dụng khác: hệ thống lƣu trữ dữ liệu, cảm biến sinh hóa, các hệ thống
phân tích, phân tích dƣợc phẩm, cảm biến âm thanh…

1.1.4. Thị trƣờng và tiềm năng phát triển của công nghệ MEMS

Theo iSuppli, năm 2009, thị trƣờng MEMS đạt 5,5 tỉ USD; đồng thời dự báo
tốc độ tăng trƣởng hàng năm từ 2009 đến 2013 đạt trung bình 10%, và sẽ đạt 8,5 tỉ
USD vào năm 2013.

Hình 1. 5 Biểu đồ thị trường MEMS thế giới (2006-2013)

6


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Từ biểu đồ (Hình 1.5) có thể thấy các dòng sản phẩm MEMS trên thế giới rất đa
dạng và các bộ cảm biến luôn chiếm thị phần lớn nhất trong ngành công nghiệp
MEMS, đó là: cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất, cảm biến gyroscop,...Các sản
phẩm MEMS trong quang học, đo lƣờng và thiết bị chuyển đổi (micro switch), bộ
kích hoạt... đang ngày càng phát triển và đƣợc sử dụng rộng rãi.

1.2. Các công nghệ chế tạo MEMS
1.2.1. Công nghệ vi cơ khối (Bulk micromachining)
Công nghệ vi cơ khối là một trong những công nghệ vi chế tạo MEMS phổ biến
nhất. Nó đƣợc hình thành từ đầu những năm 1960 và đƣợc sử dụng cho việc chế tạo
nhiều vi cấu trúc khác nhau, đặc biệt là trong các thiết bị thƣơng mại: hầu hết trong
các cảm biến lực, van và các cảm biến gia tốc.
Trong công nghệ vi cơ khối ngƣời ta lấy đi một phần thể tích (dùng phƣơng
pháp hóa lý để ăn mòn tạo ra trên phiến các lỗ, rãnh) trong phiến vật liệu để hình
thành chi tiết vi cơ theo hai cách phổ biến:

Hình 1. 6 Công nghệ vi cơ khối

Ăn mòn ƣớt: thƣờng dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh...

7


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định
sẵn nhờ các mặt nạ (mask). Các dung dịch hoá chất thƣờng dùng đối với silic là các
dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit nhƣ HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH. Việc
ăn mòn có thể là đẳng hƣớng (ăn mòn đều nhau theo mọi hƣớng), hoặc dị hƣớng (có
hƣớng tinh thể ăn mòn nhanh, có hƣớng chậm).
Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho dòng ion hay plasma tác dụng thƣờng
là ở nhiệt độ cao. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn đƣợc xác định theo hình ảnh của
mặt nạ (mask) thông qua lớp cản quang (photoresist). Để tăng cƣờng tốc độ ăn mòn
có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế cao để tăng
tốc độ ion bắn phá.

1.2.2. Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface micromachining)
Khác với công nghệ vi cơ khối, công nghệ vi cơ bề mặt không loại bỏ lớp vật
liệu từ phiến silicon, mà đƣa thêm (depositing) một lớp vật liệu mỏng nhằm tạo nên
cấu trúc trên bề mặt phiến silicon. Lớp vật liệu mỏng đƣợc lắng đọng để tạo phần
trống cấu trúc mong muốn (lớp vật liệu trung gian). Lớp vật liệu đƣợc đƣa vào các
phần trống (lớp tạo cấu trúc). Cuối cùng, loại bỏ lớp trung gian và tách phần còn để
đƣợc cấu trúc yêu cầu.
Ví dụ: trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một
đầu tự do có thể làm theo quy trình sau:

- Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic.
- Dùng mặt nạ thứ nhất khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn
vào đấy đầu cố định của dầm.
- Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ thứ hai để khắc hình,
khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm.
- Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhƣng không hoà tan
silic) ta có đƣợc dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do.

8


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Hình 1. 7 Quy trình công nghệ vi cơ bề mặt

1.2.3. Công nghệ tia laser (LIGA)
LIGA là công nghệ khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Đây là kỹ thuật tạo ra các
hệ vi cơ ba chiều, khác với các cách khắc hình thông thƣờng (hai chiều).
Ở LIGA ngƣời ta dùng chùm tia X cực mạnh bắn phá lớp vật liệu gia công (có
thể đến hàng trăm micromet).
Cùng với sự phát triển công nghệ MEMS đặt ra yêu cầu chế tạo những cấu trúc
phức tạp với bề dày hàng trăm micromet. Những nghiên cứu về công nghệ chế tạo
MEMS đã tìm ra cách tạo ra cấu trúc có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng rãnh cao
(high aspect ratio) và các cấu trúc MEMS 3D. LIGA là một trong những công nghệ
đó. Công nghệ LIGA cho phép tạo ra những cấu trúc 3D với chiều sâu gia công
đƣợc lên đến hàng trăm micromet, điều mà các công nghệ chế tạo MEMS truyền

9

Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

thống khác không thể làm đƣợc. Hình 1.8 mô tả các bƣớc trong quy trình công nghệ
LIGA.

a) Quy trình chế tạo dùng tia laser - LIGA

b) Bánh răng vi cơ gia công bằng LIGA
Hình 1. 8 Công nghệ LIGA

1.3. Bộ kích hoạt MEMS
1.3.1. Định nghĩa và phân loại
Bộ kích hoạt là các cơ cấu biến đổi năng lƣợng điện (hay các dạng khác nhƣ
nhiệt, quang, hóa...) thành cơ năng. Yêu cầu của một bộ kích hoạt là phải có công
suất tiêu thụ nhỏ, hiệu suất cao, có khả năng chuyển động nhanh nếu cần thiết, có tỉ
lệ giữa công suất với khối lƣợng cao, và có sự cân đối tuyến tính giữa lực/mô
men/tốc độ… và điều khiển đơn giản. Tuy nhiên, trong thực tế không phải tất cả các
yêu cầu trên đều có thể đáp ứng cùng một lúc đƣợc.

10


Chƣơng 1

Giới thiệu về MEMS

Các loại bộ kích hoạt phổ biến hiện nay là bộ kích hoạt tĩnh điện, bộ kích hoạt
nhiệt, bộ kích hoạt áp điện. Ngoài ra, bộ kích hoạt từ, bộ kích hoạt hóa học, bộ kích
hoạt sinh học… cũng đang đƣợc áp dụng rộng rãi.

1.3.2. Bộ kích hoạt tĩnh điện
Bộ kích hoạt tĩnh điện sử dụng hiệu ứng tĩnh điện giữa hai bản cực tích điện trái
dấu để sinh lực hút.
x

x
z

z

y

y
h

h

y y

F

Fn

g0

VV

Ft
t

y
y

y

Hình 1. 9 Lực hút tiếp tuyến Ft và pháp tuyến Fn giữa hai bản tụ

Các bộ kích hoạt tĩnh điện đƣợc sử dụng rộng rãi và có tính ứng dụng cao trong
các thiết bị vi cơ vì nguyên lý hoạt động, chế tạo và điều khiển đơn giản: các bộ
kích hoạt tĩnh điện hoạt động nhờ lực hút giữa hai tấm kim loại mang điện trái dấu.
Tuy vậy, năng lƣợng sinh ra và hiệu suất của bộ kích hoạt này thƣờng nhỏ so với
các loại bộ kích hoạt khác.
Điện dung của tụ đƣợc tính:
C

εε0 A εε0 hy

g0
g0

(1. 1)

Với,  là hằng số điện môi giữa hai bản cực, với môi trƣờng không khí  = 1, 0
= 8,854.10-12 Fm-1 là hằng số điện môi của chân không, A là diện tích trùng nhau
của hai bản cực (A = hy), g0 là khe hở giữa hai bản tụ, h là bề rộng bản tụ, y là độ
dịch chuyển theo phƣơng y của bản tụ di động.

- Lực pháp tuyến giữa các bản tụ là:

11