Thiết kế tay kẹp vi cơ điện tử sử dụng hiệu ứng tĩnh điện kết hợp cảm biến áp điện trở phản hồi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS............................................2
1.1 TỔNG QUAN VỀ MEMS........................................................................................2
1.1.1 Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS......................................................................2
1.1.2 Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ...................................................................3
1.2 THỊ TRƯỜNG MEMS.............................................................................................4
1.3 ỨNG DỤNG.............................................................................................................4
1.4 GIỚI THIỆU VỀ TAY KẸP VI CƠ...........................................................................5
1.5 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC............................................................................................6
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỀN CHO HỆ THỐNG TAY KẸP VI CƠ.............................8
2.1 LỰC TĨNH ĐIỆN GIỮA 2 BẢN TỤ........................................................................8
2.2 LỰC ĐÀN HỒI CỦA THANH NGÀM....................................................................8
2.2.1 Quan hệ giữa chuyển vị của thanh đẩy và má kẹp :............................................8
2.2.2 Tính lực đàn hồi của thanh ngàm......................................................................10
2.2.3 Tính toán điện áp cấp vào cơ cấu răng lược......................................................11
2.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của cơ cấu.......................................................................12
2.2.4.1 Kiểm nghiệm độ bền thanh ngàm...............................................................12
2.2.4.2 Kiểm nghiệm độ bền chân tay kẹp.............................................................12
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHO
HỆ THỐNG.....................................................................................................................14
3.1 CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ...........................................................................14
3.2 TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP...................................................................15
CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO............................................................................16
4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TRONG MEMS............................................16
4.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG...........................................................18
4.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO.........................................................................................18


BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: Thiết kế tay kẹp vi cơ điện tử sử dụng hiệu ứng tĩnh điện kết

hợp cảm biến áp điện trở phản hồi
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN CỦA NHÓM 3 VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
Lớp
KTCĐT1K55

Bài tập
Phân công nhiệm vụ cho các thành viên nhóm.

Ghi chú
Nhóm Trưởng

Đề xuất cấu trúc.
Phân tích và tính toán quá trình điều khiển điện cho hệ thống.
Làm báo cáo thuyết minh.
Thuyết trình.
KTCĐT2K55

Tính toán bền cho hệ thống tay kẹp.
Mô phỏng chuyển vị và ứng suất trên phần mềm ANSYS.

KTCĐT2K55

Đề xuất cấu trúc.
Xây dựng quy trình chế tạo gia công.

KTCĐT2K55

Tìm và dịch tài liệu.
Đề xuất cấu trúc.
Khảo sát tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử.

KTCĐT2K55

Dịch tài liệu.
Phân tích và tính toán quá trình điều khiển điện cho hệ thống.

1


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS
1.1 TỔNG QUAN VỀ MEMS
1.1.1 Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ) là sự 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. Trong khi những thành phần có
thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì
những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi có chọn lựa những phần
wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện.

Hình 1.1 Một số những ứng dụng của MEMS

Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator).

1.1.2 Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ
Công nghệ vi cơ : Các quy trình lắng đọng, khắc hay xác định vật liệu với đặc trưng tối thiểu được
đo theo đơn vị micro hoặc nhỏ hơn.
2


Công nghệ MEMS : Mọi thiết bị và hệ thống được sản xuất theo công nghệ vi cơ khác với mạch tích

hợp hay với linh kiện bán dẫn truyền thống. Kích thước của chúng được đo theo đơn vị nano (nm) đến
centimet (cm) xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS. Công nghệ này là cơ bản cho các sản
phẩm MEMS. Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình
vi cơ.
- Năm 1500. Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm.
- Trong những năm1940. Sự phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si).
- Năm 1947. Sự phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bán
dẫn.
- Năm 1949. Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày của transistor bán
dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu.
- Năm1959. Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề ”Có rất nhiều chỗ ở dưới
đáy” Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro.
- Năm1960. Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tin cậy và giá
thành của linh kiện bán dẫn. Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên
một mẩu Si. Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC.
- Năm 1960. Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal – oxide –
semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liên tiếp
đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ.
- Năm 1964. Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson được trình bày trong hình
dưới, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên. Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng
vàng thay đổi đặc tính điện của linh kiện.
- Năm 1970. Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi xã hội, đáp ứng tạo
nhu cầu về công nghệ IC cao hơn.
- Trong những năm 1970 và 1980. Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sản
xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động.
- Năm 1982. Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề “Si một vật liệu cơ “ trình bày sự phát triển
của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng
mà công nghệ MEMS mang lại.
- Năm 1984. Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinh
thể và được dùng để sản

- Năm 1989. Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công
nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện.
- Trong những năm 1990. Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng
mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục.
3


- Năm 1991. Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy
trình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đường
nền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều.

1.2 THỊ TRƯỜNG MEMS
Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kết thúc. Đặc biệt công
nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp một phương tiện giao tiếp với thế giới điện tử
số, được chi phối bởi IC, với thế giới vật lý tương tự. Trong thế giới vật lý, những tín hiệu quan tâm
không có bản chất điện , cần các máy biến năng tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện (ví dụ cảm biến) có thể
được xử lý bằng hệ thống điện tử IC cho phép. Ngoài ra, sự liên kết các máy biến năng trong một hệ
thống cũng có nhiều thuận lợi (ví dụ đầu tiên chuyển tín hiệu nhiệt sang tín hiệu cơ sau đó, thành tín hiệu
quang , và cuối cùng thành một tín hiệu điện). Hơn nữa, có thể kết hợp bộ cảm biến và bộ kích hoạt tạo ra
vi hệ thống hoàn chỉnh.
Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến. Vì vậy,
sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây :
Thuận lợi về tỉ lệ một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang
đơn vị đo micro. Chế tạo khối với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch
fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều
linh kiện MEMS.
Tích hợp mạch sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và
độ phức tạp có thể bị hạn chế .

1.3 ỨNG DỤNG

Ứng dụng của MEMS có thể được phân loại theo hình thức sử dụng.
• Cảm biến
• Thiết bị truyền động
• Cấu trúc
Theo quan điểm của các ứng dụng khác MEMS điểm được phân loại theo lĩnh vực thiết kế bao
gồm:
• Gia tốc trong xe ô tô hiện đại cho một số lượng lớn các mục đích bao gồm cả túi khí triển khai
trong va chạm.
• Gia tốc trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như bộ điều khiển trò chơi, truyền thông cá nhân / điện
thoại (di động của Apple iPhone , các mô hình điện thoại di động Nokia khác nhau...v.v) và một số ảnh
kỹ thuật số). Cũng được sử dụng trong máy tính để đầu đĩa cứng khi rơi tự do được phát hiện, ngăn chặn
thiệt hại và mất mát dữ liệu.
• Con quay hồi chuyển MEMS sử dụng trong xe hơi hiện đại.
• Micro MEMS trong các thiết bị di động, ví dụ như điện thoại di động và máy tính xách tay.
• Silicon áp lực cảm biến ví dụ, xe lốp áp lực cảm biến , và dùng một lần huyết áp cảm biến

4


• Màn hình ví dụ, chip DMD trong một máy chiếu dựa trên công nghệ DLP , trong đó có một bề
mặt với vài trăm ngàn micromirrors hoặc đơn vi quét-phản ánh cũng được gọi là microscanners.
• Chuyển đổi quang học công nghệ, được sử dụng để chuyển đổi công nghệ và liên kết cho truyền
thông dữ liệu
• Sinh học: MEMS ứng dụng trong y tế và sức khỏe các công nghệ liên quan đến phòng thí nghiệm
( cảm biến sinh học ), hoặc nhúng trong các thiết bị y tế như ống đỡ động mạch.
• Màn hình hiển thị điều biến giao thoa ứng dụng (IMOD) trong thiết bị điện tử tiêu dùng (chủ yếu
là màn hình cho các thiết bị di động), được sử dụng để tạo ra điều chế giao thoa - công nghệ màn hình
phản chiếu như được tìm thấy ở các màn hình mirasol
• Tăng tốc chất lỏng như là vi làm mát
• Vi quy mô thu hoạch năng lượng bao gồm áp điện, điện

Vi cơ khí đầu dò siêu âm bao gồm áp điện vi cơ khí cảm biến siêu âm và điện dung dò siêu âm vi cơ
khí.
1.4 GIỚI THIỆU VỀ TAY KẸP VI CƠ
Tay kẹp vi cơ là một trong nhưng ứng dụng phổ biến của ngành vi cơ điện tử (MEMS). Nó được sử
dụng rộng dãi trong y học, vật liệu… để kẹp các vật có kích thước nhỏ cỡ micro met, đạt độ chính xác
đến nano met. Ví dụ như kẹp tế bào…

Hình 1.2 Một số loại tay kẹp vi cơ

Ngyên lý hoạt động của tay kẹp vi cơ rất đơn giản thường dựa trên các hiểu ứng cơ bản về nhiệt hay
điện ( hiệu ứng tĩnh điện, sự trênh lệch khi giãn nở nhiệt) gây ra chuyển vị cho các tay kẹp để kẹp vật.
5


Trên mỗi tay kẹp thường được thiết kế thêm một hệ thống cảm biến dùng để phản hồi tín hiệu về để
điều chỉnh khoảng cách và lực kẹp theo yêu cầu.

1.5 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC
Dựa theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for
Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” nhóm có đề xuất kết cấu
như sau:

Lớp Oxide cách điện

Lớp đế

Cảm biến áp điện trở

Kết cấu răng lược

6


Hình 1.3 Kết cấu đầu tay kẹp

CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN BỀN CHO HỆ THỐNG TAY KẸP VI CƠ
2.1 LỰC TĨNH ĐIỆN GIỮA 2 BẢN TỤ

7


Theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for
Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” ta có công thức tính lực
tĩnh điện tiếp tuyến giữa hai bản tụ :

Ft 

h. 2
.V
2g

Trong đó:
h : Chiều rộng của mỗi bản tụ



: hằng số điện môi (ε = 8,85.10-12)

g : khoảng cách giữa hai bản tụ

V : điện áp đặt vào hai bản tụ
Vậy ta có tổng lực tĩnh điện gây tác dụng lên thanh đẩy là

Fe  n.

h. 2
.V
2g

2.2 LỰC ĐÀN HỒI CỦA THANH NGÀM
2.2.1 Quan hệ giữa chuyển vị của thanh đẩy và má kẹp :

8


Hình 2.1 Mô hình hóa tay kẹp và các biểu đồ momen uốn

Ta sử dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin tính được chuyển vị tại A (điểm tác dụng lực) và
tại B ( má kẹp) :
xA 
xB 

1
1 106
M . A  .
FR
EJ
EJ 3
1
1

M . B 
.1, 08.106 FR
EJ
EJ

→ xB = 3.25xA

9


Hình 2.2 Chuyển vị của tay kẹp tính toán trên phần mềm ANSYS

2.2.2 Tính lực đàn hồi của thanh ngàm

Hình 2.3 Lực đàn hồi của ngàm tác dụng lên thanh đẩy

Theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for
Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” ta có công thức tính lực
đàn hồi :

FN  4 K .x  4.

E.t.w 3
.x
l3

Trong đó :
E : Modun đàn hồi (E = 185 N/m2)
10

t : Chiều dày thanh ngàm
w : Chiều rộng thanh
l : Chiều dài thanh thanh ngàm
Để thỏa mãn điều kiện đầu vào, muốn gắp được vật thì cần má kẹp di chuyển một đoạn x B = 5
(μm).
Từ kết quả tính ở (2.1) ta có độ dịch chuyển của thanh đẩy là x = 5/3,25 = 1,54 (μm)
Với kết cấu thanh ngàm đề xuất ta có t = 1 μm,w = 4 μm, l = 73 μm
Vậy giá trị lực đàn hồi của ngàm tác dụng lên thanh đẩy là:
FN  4.

185.4.106.(10-6 )3
.1,54.10 6  1, 2.1014 ( N )
6 3
(73.10 )

2.2.3 Tính toán điện áp cấp vào cơ cấu răng lược

Hình 2.4 Sơ đồ lực tác dụng lên tay kẹp

Phương trình cân bằng Momen:
400FC – (FE – FN).100 = 0
→ FE = FN + 4FC = 1,2.10-14 + 100.10-9 ≈10-7 (N)
Từ công thức FE  n.

h. 2
.V
2g

Và h = 4 μm , g = 2 μm

→V

2.g .FE
2.2.106.107

 10,32(V )
n.h.
106.4.106.8,85.10 12
11


2.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của cơ cấu
2.2.4.1 Kiểm nghiệm độ bền thanh ngàm
(FE FN)/4

(FE FN).l/4
Hình 2.5 Biểu đồ Momen uốn thanh ngàm

Ta có :

Wx 

w.t 2 4.10 6.(10 6 ) 2

 6, 67.1019 (m3 )
6
6

| M x |

FE  FN
107  1, 2.1014
l
.73.106  1,8.1012 ( N .m)
4
4

 max 

| Mx |
 2,7.106 ( N / m2 )
Wx

Vật liệu silic có [σ] = 7.109(N/m2)

 max    
→Thanh ngàm đủ bền

2.2.4.2 Kiểm nghiệm độ bền chân tay kẹp
Ta chuyển toàn bộ lực tác dụng lên tay kẹp về chân tay kẹp,lúc này ngoài các lực chuyển về còn
có thêm Momen do các lực này gây ra tại điểm chuyển tới

M
T

FT = FE -FN
12

MT+FT .
a

M
T


Hình 2.6 Biểu đồ Momen uốn chân tay kẹp

Chân tay kẹp có độ dài a = 20 µm
MT = (FE – FN).80.10-6 = 8.10-12(Nm)

Wx 

b.h 2 4.106.(2.10 6 ) 2

 2, 67.1018 (m3 )
6
6

| M x | M T  FT .a  8.10-12 + (10-7 – 1,2.10-14).20.10-6 ≈10-11 (Nm)

 max 

| Mx |
 3,7.106 ( N / m 2 )
Wx

 max    
→Chân tay kẹp đủ bền

13

CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHO HỆ
THỐNG
3.1 CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ
Như ta đã biết cảm biến lực vi cơ xuất hiện từ nhu cầu của điều khiển rô-bốt. Cảm biến loại này do
lực tương tự như bộ cảm nhận trên da người. Cảm biến lực cũng có thể phân loại theo những nguyên tắc
chuyển biến cơ bản như: áp điện, áp điện trở, điện dung, quang. Do lực tay kẹp cần đo là lực tĩnh, quan
hệ giữa điện trở và lực rất tuyến tính, giá thành chế tạo lại thấp nên ta chọn cảm biến áp điện trở có lợi
điểm là đo được lực tĩnh. Ta mắc các áp điện trở theo nguyên lý của mạch cầu Wheatstone. Sau đây ta sẽ
cụ thể điều này qua loạt công thức để chỉ ra sự phản hồi điện áp để điều khiển lực tay kẹp theo mong
muốn.
A
R4

R1
Vout

Vin

B

D
C

R3

R2
Hình 3.1 Mạch cầu wheatstone

Ta có :

VB Vin

R2
R1  R2

VD Vin

R3
R3  R4

Vout VB  VD
 R2
R3 

Vout Vin 

 R1  R2 R3  R4 

14


3.2 TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP
Lực đàn hồi tác dụng lên kẹp do lò xo gây ra:

FN  4 K .x  4.

Lực điện do hiệu ứng tĩnh điện gây ra:

FE n.

E.t.w 3
.x
l3

h. 2
.Vout
2g

Theo phương trình cân bằng moment ta có phản lực do vật kẹp tác động lại má tay kẹp :

Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng lên tay kẹp

FC 

FE  FN
4

h. 2 4.E.t.w3
.Vout 
x
2g
l3
FC 
4
n.

Kết hợp với công thức tính:

Vout 

0,308
L
(1   )( //    )( ) 2 P.Vin
2
H

Ta có công thức liên hệ giữa lực phản hồi kẹp vật với điện áp vào điều khiển:

FC 

E.t.w3
0,308
L
x (
(1   )( //    )( ) 2 P ) 2 .Vin2
3
l
2
H

CHƯƠNG 4
15


QUY TRÌNH CHẾ TẠO
4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TRONG MEMS
Ngày nay, với các phương pháp gia công trong MEMS, có xu hướng chung là tận dụng tối đa vật

liệu Si để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển
hình là kỹ thuật khắc hình, trên cơ sở silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí
dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly-Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si 3N4) vừa cứng, vừa
đàn hồi. Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt như: lớp kim
loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi,…lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ
tốt dùng làm gương, lá kim loại đàn hồi dùng làm lò xo…
Hiện nay, các phương pháp gia công tiêu biểu trong MEME kể đến như sau:
 Gia công Vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)
Là phương pháp sản xuất MEMS bằng cách lắng đọng, tạo mẫu và khắc một chuỗi các màng mỏng,
dày 1÷100µm. Một bước xử lý quan trọng nhất yêu cầu với linh kiện MEMS là loại bỏ đi có chọn lọc lớp
phim nằm dưới lớp đệm (sacrific layer) thường là SiO 2, mà không có sự xâm lấn lớp bên trên, gọi là lớp
khung (structure layer). Polysilicon hoặc SiO 2 thường là vật liệu đệm hoặc cấu trúc phổ biến trong vi cơ
bề mặt. Khắc những vật liệu này dùng HF vì nó dễ dàng loại bỏ silic dioxide nhưng khó khắc đựợc
Polysilicon.Vi cấu trúc silic chế tạo bằng vi cơ bề mặt thường là cấu trúc phẳng.

Hình 4.1 Minh họa quy trình gia công Vi Cơ bề mặt

 Gia công Vi Cơ khối (Bulk Machining)

Là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công
nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu,
các rãnh, các chỗ lõm,..

16


 Liga (Lithographie, Galvanoformung,Abformung)
LIGA (Lithographie, Galvanoformung,Abformung), theotiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và
làm khuôn. Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắc
hình bình thường.

Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm đến hàng milimet. Chất
cảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA. Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn,
tia X chiếu vào lớp cảm theo những diện tích nhất định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị
hoà tan. Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể đi
sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch,
những chỗ chất cảm bị hoà tan đi có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều
như ởquang khắc thông thường.
Vật liệu hi sinh phải có độ dính tốt để dễ dàng loại bỏ. Lớp vật liệu ban đầu mỏng được lắng đọng,
để mạ điện lớp vật liệu nền của LIGA. Phương pháp tạo màng thường được dùng ở đây là phun hợp kim
Titan và Nikel. Sau đó, lớp vật liệu bảo vệ dày được tạo ra là polymethylmethacrylate (PMMA). Máy gia
tốc tạo nguồn bức xạ tia X với năng lượng cao để chiếu lớp vật liệu bảo vệ dày.

Hình 4.2 Quá trình chế tạo bằng phương pháp
LIGA

a : Đế được phủ vật liệu thay thế, vật liệu mầm và PMMA
b : Chiếu PMMA bằng bức xạ tia X
c : Mạ điện kim loại trong khuôn PMMA
 Gia công bằng tia laser
Có thể dùng tia laser để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp. Tuy
nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được.Vì vậy, ở công nghệ MEMS cách gia
17


công bằng laser thường chỉ dùng để làm khuôn.Laser dùng là laser Eximơ bởi nó mới đủ mạnh và vật liệu
để gia công thường là chất dẻo, polyme

4.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG
Dựa vào thông số đầu vào vào:






Tay kẹp có 2 phần đế và tay kẹp
Chiều sâu: 50 µm
Khoảng cách giữa các rang lược: 6µm
Hai tay kẹp cách nhau 380 µm

Ta lựa chọn phương pháp quang khắc hai mặt

4.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO
Chuẩn bị tấm đế

Tạo mặt nạ phần đế và tay kẹp

Phủ 250nm Al lên tấm đế
để tạo các điện cực

Lắp đế dẫn nhiệt

Phủ trên lớp Si nền 1 lớp SiO2 – ăn
mòn ion phản ứng RIE
DRIE tay kẹp

Phủ lớp cảm quang dày 10µm lên
trên lớp SiO2 ở bước 3- ăn mòn
ion phản ứng sâu DRIE, tẩy bỏ lớp
cảm quang



Chuẩn bị tấm đế

Bước 1 : Chuẩn bị tấm đế
18


Hình 4.3 Cấu tạo tấm đế

Cấu tạo tấm đế: Lớp Si trên cùng dày 50µm
Lớp SiO2 ngầm (Buried Oxide) cách điện dày 2µm
Lớp Si nền dày 400µm



Bước 2 : Tạo mặt nạ phần đế và tay kẹp

Ta sử dụng mặt nạ phần đế và tay kẹp bằng khuôn màu với lớp Oxide Fe 2O3. Loại khuôn này được
chế tạo bằng cách bay hơi chân không Fe 2O3 trong bình kín. Ưu điểm là Fe2O3 trong suốt với ánh sáng
nhìn thấy và dưới tác dụng của tia laze hoặc chùm tia ion, Fe 2O3 bền và không tan trong HCl, do đó ta có
thể nhìn thấy những phần bị lấp khi so khuôn.

19


Hình 4.4 Mặt nạ phần đế

Hình 4.5 Mặt nạ phần tay kẹp



Bước 3 : Phủ lên lớp Si nền 1 lớp SiO2 dày 1,5µm bằng phương pháp bốc phủ li tâm spin-onglass. Sau đó sử dụng phương pháp ăn mòn ion phản ứng RIE, giữ lại 1 phần lớp SiO 2

20


Hình 4.6 Kết quả sau khi phủ lớp SiO2 và RIE



Bước 4 : Phủ 1 lớp chất cảm quang dương (Photoresist) dày 10µm bằng phương pháp phủ li tâm.

Đầu phun chất cảm quang
21


Tấm đế
Chất cảm quang

Mâm kẹp chân không
Hình 4.7 Sơ đồ hệ quay li tâm

Với sơ đồ này, chiều dày lớp cảm quang phụ thuộc vào tốc độ quay của trục chính.

h (µm)

v=200v/p
v=400v/p

1µm

v=1000v/p

0.5µm

Do đó, để có đượcc hiều dày lớp cảm quang thích hợp ta phải điều
Vận chỉnh
tốc tốc độ quay
trục chính.
Sau đó sử dụng phương pháp phản ứng hoạt hóa sâu DRIE, lớp Silicon bị ăn mòn tới
200µm thì lớp SiO2 ở bước 2 bắt đầu bị ăn mòn và phần Si bị lớp SiO2 bao phủ cũng bắt
đầu bị ăn mòn. Sau đó dùng phương pháp ăn mòn bốc bay HF để loại bỏ lớp cảm quang
và lớp SiO2

Điện cực 1
Mặt nạ
Điện cực 2

Chi tiết

~

~
~
Hình 4.8 Phương pháp ăn mòn ion phản ứng RIE

22

Nối 2 điện cực bởi 1 tụ điện, điện cực trên nối với tường lò và tiếp đất, do tiết diện cực trên
cùng với tường lò lớn hơn tiết diện cực dưới nên điện cực dưới có điện thế thấp hơn điện cực trên. Vì vậy
ion và phân tử khí đạt được đủ năng lượng (W>100eV) để gây ra phản ứng trên bề mặt vật liệu. Cộng với
áp suất trong lò khá thấp (0,1…10Pa) nên các ion và phân tử khí không va chạm với nhau và chúng gặp
bề mặt vật liệu với góc thẳng đứng. Kết quả là quá trình truyền cấu trúc giữa khuôn che và vật liệu xảy ra
rất chính xác.

Kết quả:

Sau khi phủ lớp cảm quang dương lên tấm đế

Định vị mặt nạ và chuẩn bị cho quá trình DRIE
23


Sau khi DRIE và tẩy bỏ chất cảm quang

Kết quả thu được phụ thuộc vào tốc độ ăn mòn của quá trình DRIE, thành phần khí có
trong quá trình ăn mòn và công suất cung cấp cho nguồn.

Tốc độ ăn mòn của Si

Tốc độ ăn mòn của SiO 2

Do tốc độ ăn mòn của SiO 2 chậm hơn Si nên lớp Si không bị khuôn che sẽ bị ăn mòn trước, đến
chiều sâu cố định nào đó lớp SiO 2 ở bước 3 mới bị ăn mòn, nó đóng vai trò như 1 mặt nà tạm thời, sau 1
thời gian, lớp mặt nạ này bị ăn mòn và kết quả thu được như hình vẽ.



Bước 5 : Phủ 250nm Al lên lớp Device Si bằng phương pháp bốc bay, tạo các điện cực
24