Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến QCM dựa trên hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRƢƠNG HỮU LÝ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CẢM BIẾN QCM DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
ÁP ĐIỆN CỦA TINH THỂ THẠCH ANH
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT
MÃ SỐ: 60.44.17

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRƢƠNG HỮU LÝ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
CẢM BIẾN QCM DỰA TRÊN HIỆU ỨNG
ÁP ĐIỆN CỦA TINH THỂ THẠCH ANH
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT
MÃ SỐ: 60.44.17

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

T.S DƢƠNG MINH TÂM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : T.S Dương Minh Tâm

Cán bộ chấm nhận xét 1 : .................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : .................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày .
11 tháng 09 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. .................................................................
2. .................................................................
3. .................................................................
4. .................................................................
5. .................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT

---oOo--Tp. HCM, ngày 15 tháng 07 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trƣơng Hữu Lý

Phái: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 13/12/1980

Nơi sinh:Nghệ An

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
MSHV: 01208159
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC
QCM DỰA TRÊN HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN CỦA TINH THỂ THẠCH ANH
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Mô phỏng hoạt động của cảm biến QCM trên nền Matlab.
Thiết kế bộ mặt nạ sử dụng cho việc chế tạo cảm biến QCM.
Sử dụng công nghệ MEMS chế tạo sản phẩm QCM tần số 5 MHz trên nền vật liệu

thạch anh.
Cải tiến quy trình chế tạo cảm biến QCM.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: T.S Dƣơng Minh Tâm
Nội dung và đề cƣơng Luận văn thạc sĩ đã đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN !
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.
Dương Minh Tâm, người thầy tận tụy đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và
tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Vật lý kỹ thuật trường
Đại học Bách Khoa TP.HCM đã cung cấp cho tôi những kiến thức chun mơn
q báu, những lời khun hữu ích và hơn hết là niềm say mê nghiên cứu khoa
học.
Ngoài ra, xin cảm ơn Ban giám đốc Trung tâm Nghiên cứu triển khai – Khu
Công nghệ cao TP.HCM đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi
hồn thành luận văn này.

Cuối cùng, xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu triển khai
- Khu Công nghệ cao TP.HCM và các cộng sự tại Trung tâm nghiên cứu & Đào tạo
thiết kế vi mạch – ICDREC thuộc Đại học quốc gia TP.HCM đã chung tay cùng tơi
hồn thành luận văn này.


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
MEMS (Micro - Electro - Mechanical - Systems) là một hệ thống được tích
hợp bởi các thành phần vi cơ, điện tử để tạo ra những bộ chuyển đổi, bộ truyền
động hay cảm biến… Bằng kỹ thuật vi chế tạo như là sử dụng các phương pháp ăn
mòn và phủ lớp vật liệu lên một phiến đế ban đầu với độ chính xác cao cho ra
những cấu trúc có kích thước kích cỡ micromet. Cảm biến sinh học QCM tần số
5MHz được chế tạo dựa trên nền công nghệ MEMS từ phiến đế là thạch anh anpha
(α-Quarzt) hướng cắt AT (AT-Cut) có bề dày 332um. Dựa vào quy trình chế tạo ban
đầu bao gồm 15 bước, đề tài đã cải tiến, rút gọn quy trình chỉ còn 11 bước và bỏ
bớt được vật liệu Crom trong quy trình chế tạo. Cảm biến QCM tạo ra theo phương
pháp mới có hệ số phẩm chất cao hơn, độ ổn định tốt hơn so với cảm biến được chế
tạo theo phương pháp cũ.


ABSTRACTS
MEMS (Micro - Electro - Mechanical - Systems) is an integrated system by
micro-electro

mechanical

components

to

create

the

adapter,tranducer,

transmission or sensor ... By manufacturing techniques such as use of wet etching
or dry etching methods and thin film depositions on a wafer with high accuracy for
the structures with micron or sub micron size dimensions. Biosensor QCM
frequency 5 MHz was built based on MEMS technology from the 332um thickness
alpha quartz (α-Quarzt) wafer with AT cut direction. Based on the initial
fabrication process includes 15 steps, the subject has improved, simplified
procedures and only 11 steps, remove the chromium materials in the fabricating
processes. QCM sensor generated by the new method has a higher coefficient of
quality, stability better than sensors built under old methods.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là cơng trình nghiên cứu thực
sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu, tổng kết từ lý thuyết, từ
nguồn kiến thức khoa học, và từ quá trình nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn.
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Dương Minh
Tâm và sự hỗ trợ của các thành viên trong nhóm nghiên cứu của Trung tâm nghiên
cứu triển khai khu Công nghệ cao TP Hồ Chí Minh và Trung tâm phát triển vi mạch
ICDREC.
Các số liệu, mơ hình tốn và những kết quả trong luận văn là trung thực,
được bảo vệ và công nhận bởi “ Hội Đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
ngành vật lý kỹ thuật trường ĐH Bách Khoa TP HCM ” năm học 2010.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
TP HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2012

Người cam đoan

Trương Hữu Lý


i
Luận văn thạc sĩ VLKT
MỤC LỤC

MỤC LỤC…………... .................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ iv
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ vii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................viii
MỞ ĐẦU…………. ...................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1

TÍNH CHẤT VẬT LIỆU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM

BIẾN QCM

............................................................................................................... 3

1.1

Khái niệm về cảm biến-Phân loại cảm biến. ................................................... 3

1.1.1

Khái niệm. ................................................................................................. 3

1.1.2

Phân loại cảm biến. .................................................................................... 3

1.1.3

Đặc trƣng cơ bản của cảm biến. ................................................................. 5

1.2

Phƣơng pháp chế tạo cảm biến ....................................................................... 6

1.2.1

Phƣơng pháp chế tạo truyền thống. ............................................................ 6

1.2.2

Phƣơng pháp chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử- MEMS ................. 6

1.3

Tính chất cảm biến QCM. ............................................................................ 10

1.3.1

Lƣợc sử.................................................................................................... 10

1.3.2

Tính chất vật liệu thạch anh ..................................................................... 11

1.3.3

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến thạch anh QCM. .............. 14

1.3.4

Một số ứng dụng của cảm biến thạch anh QCM. ...................................... 21

1.3.5

Các tham số ảnh hƣởng đến cảm biến QCM. ........................................... 24

CHƢƠNG 2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN QCM ................................... 26
Trƣơng Hữu Lý


ii
Luận văn thạc sĩ VLKT
2.1

Cơ sở lý thuyết ............................................................................................. 26

2.2

Mô phỏng dao động cảm biến QCM khi không tải ....................................... 29

2.3

Mơ phỏng dao động cảm biến QCM khi có tải ............................................. 32

2.4

Kết luận ....................................................................................................... 37

CHƢƠNG 3 CHẾ TẠO LINH KIỆN VI CÂN TINH THỂ THẠCH ANH QCM ...... 38
3.1

Quy trình chế tạo cảm biến QCM ................................................................. 38

3.1.1

Chọn lựa nguyên vật liệu, quy trình chế tạo ............................................. 38

3.1.2

Thiết kế chế tạo mặt nạ điện cực .............................................................. 41

3.1.3

Quang khắc, định hình ............................................................................. 43

3.1.4

Chế tạo điện cực kim loại......................................................................... 50

3.1.5

Cắt phiến tạo linh kiện, đóng gói.............................................................. 54

3.2

Q trình thực nghiệm ................................................................................. 55

3.2.1

Phƣơng pháp chế tạo chuẩn...................................................................... 55

3.2.2

Phƣơng pháp chế tạo mới ......................................................................... 67

3.3

Khảo sát kết quả sản phẩm tạo thành ............................................................ 71

CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ và THẢO LUẬN. ............................................................... 72
4.1

Tính chất điện cực........................................................................................ 72

4.1.1

Độ bám dính ............................................................................................ 72

4.1.2

Độ phẳng ................................................................................................. 72

4.1.3

Bề dày điện cực ....................................................................................... 73

4.1.4

Độ sắc nét ................................................................................................ 73

4.2
4.2.1

Tính chất cảm biến QCM ............................................................................. 74
Kết quả khảo sát trên cảm biến chế tạo bằng phƣơng pháp cũ .................. 75

Trƣơng Hữu Lý


iii
Luận văn thạc sĩ VLKT
4.2.2

Kết quả khảo sát trên cảm biến chế tạo bằng phƣơng pháp mới ............... 79

KẾT LUẬN và KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 80
Kết luận ................................................................................................................... 80
Kiến Nghị ................................................................................................................ 81
Tài liệu tham khảo:[1-60] ............................................................................................ 82
PHỤ LỤC: CHƢƠNG TRÌNH MATLAB MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG QCM............ 88

Trƣơng Hữu Lý

iv
Luận văn thạc sĩ VLKT

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu trúc và quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ khối ............................8
Hình 1.2 Quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt...........................................9
Hình 1.3 Quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp LIGA ..................................................10
Hình 1.4 Sự biến dạng của vật liệu áp điện dƣới tác dụng điện trƣờng ......................... 10
Hình 1.5 Tinh thể Si02 dƣới tác động của điện trƣờng .................................................12
Hình 1.6 Hình dạng và phƣơng quang học của thạch anh.............................................12
Hình 1.7 Biến dạng trƣợt bề dày(thickness shear mode) của thạch anh AT-cut ............13
Hình 1.8 Mode dao động của một số loại tinh thể thạch anh ........................................13
Hình 1.9 Sự thay đổi tần số khi có vật liệu bám vào bề mặt điện cực cảm biến. ...........15
Hình 1.10 Tinh thể thạch anh và sóng trƣợt trong tinh thể khi áp điện ......................... 16
Hình 1.11 Mơ hình Butterworth van-Dyke ..................................................................19
Hình 1.12 Mơ hình BVD khi gắn tải lên trên bề mặt cảm biến .....................................20
Hình 1.13 QCM phủ cacbon nanotube (CNT).............................................................. 21
Hình 1.14 Nguyên lý phản ứng của cặp kháng thể-kháng nguyên ................................ 22
Hình 1.15 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học QCM ......................................23
Hình 1.16 Nguyên lý hoạt động của cảm biến phát hiện DNA/RNA ............................ 24
Hình 2.1 Mơ hình mạch tƣơng đƣơng BVD khi khơng tải (a) và có tải (b)...................26
Hình 2.2 Phổ độ dẫn của QCM theo tần số ..................................................................29
Hình 2.3 Đồ thị phổ dẫn nạp phức của cảm biến QCM ................................................30
Hình 2.4 Đặc trƣng góc pha (a) và độ dẫn nạp (b) của cảm biến QCM ........................ 31
Hình 2.5 Độ dẫn nạp của cảm biến QCM ....................................................................33
Hình 2.6 Tần số dao động và phân bố góc pha với 5 khối lƣợng khác nhau .................34
Trƣơng Hữu Lý

v
Luận văn thạc sĩ VLKT
Hình 2.7 Hệ số hiệu chỉnh mơ hình Sauerbrey ............................................................. 35
Hình 3.1 Cấu tạo cơ bản một mặt nạ quang khắc ......................................................... 42
Hình 3.2 Cấu tạo mặt nạ, hình ảnh trên mặt nạ đƣợc thiết kế tùy theo việc sử dụng cảm
quang âm hay dƣơng ...................................................................................................42
Hình 3.3 Quy trình thiết kế và chế tạo mặt nạ cho cảm biến QCM ............................... 43
Hình 3.4 Quá trình quang khắc đối với lớp cảm quang dƣơng và cảm quang âm .........44
Hình 3.5 Các phƣơng pháp in ảnh lên lớp cảm quang ..................................................45
Hình 3.6 Những sai hỏng trong quá trình phủ cảm quang ............................................48
Hình 3.7 Tƣơng quan giữa thời gian chiếu sáng và bề dày cảm quang. ........................ 49
Hình 3.8 Quy trình quang khắc chế tạo cảm biến QCM ...............................................50
Hình 3.9 Quy trình chế tạo điện cực ............................................................................54
Hình 3.10 Mặt trƣớc và mặt sau và mặt cắt của cảm biến QCM...................................55
Hình 3.11 Bộ mặt nạ cảm biến QCM ...........................................................................56
Hình 3.12 Hình ảnh lớp cảm quang quan sát dƣới kính hiển vi 5x ............................... 61
Hình 3.13 Hình ảnh cấu trúc của hai mặt wafer sau khi tẩy Cr .....................................62
Hình 3.14 Lớp màng mỏng vàng trên mặt wafer sau khi bốc bay .................................63
Hình 3.15 Mặt wafer trƣớc và sau khi lift-off (loại bỏ lớp cảm quang cịn lại) .............64
Hình 3.16 Các điện cực trên một mặt sau khi tẩy Cr .................................................... 64
Hình 3.17 Wafer sau khi chế tạo đƣợc cố định lên một tấm keo dính ........................... 65
Hình 3.18 Wafer sau khi cắt đƣa vào máy chiếu UV...................................................66
Hình 3.19 Các cảm biến QCM hồn chỉnh...................................................................67
Hình 3.20 Quy trình chế tạo cải tiến. ...........................................................................67
Hình 3.21 Bộ mặt nạ cảm biến QCM trong phƣơng pháp chế tạo mới ......................... 68
Trƣơng Hữu Lý


vi

Luận văn thạc sĩ VLKT
Hình 3.22 Phủ kim loại Titan và Vàng lên 2 mặt wafer................................................69
Hình 3.23 Quy trình quang khắc ..................................................................................69
Hình 3.24 Mặt wafer trƣớc và sau khi ăn mịn lớp vàng ...............................................70
Hình 4.1 Ảnh AFM bề mặt của điện cực linh kiện QCM .............................................72
Hình 4.2 Cảm biến chế tạo bằng phƣơng pháp cũ ........................................................ 73
Hình 4.3 Cảm biến chế tạo bằng phƣơng pháp mới...................................................... 74
Hình 4.4 Thiết bị đo 43961 A Network Analyzer ........................................................ 74
Hình 4.5 Linh kiện QCM thứ nhất ...............................................................................75
Hình 4.6 Linh kiện QCM thứ hai .................................................................................75
Hình 4.7 Phân bố góc pha của linh kiện QCM ............................................................. 76
Hình 4.8 Tần số cộng hƣởng nối tiếp và song song của mẫu cảm biến 1 ...................... 79
Hình 4.9 Tần số cộng hƣởng nối tiếp và song song của mẫu cảm biến2 ....................... 79

Trƣơng Hữu Lý


vii
Luận văn thạc sĩ VLKT

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Thông số vật lý tinh thể thạch anh ................................................................ 14
Bảng 1-2 Các tham số ảnh hƣởng đến tần số cảm biến QCM .......................................25
Bảng 2-1 Thông số vật lý của tinh thể thạch anh.......................................................... 30
Bảng 2-2 Các thông số khối lƣợng và bề dày màng lắng đọng .....................................32
Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của cảm biến QCM.......................................................... 39
Bảng 3-2 So sánh 3 phƣơng pháp trong quá trình in ảnh. .............................................46
Bảng 3-3 Sự cố thƣờng gặp trong quá trình tạo lớp cảm quang. ...................................47
Bảng 3-4 Thông số chế tạo mặt nạ cảm biến QCM ...................................................... 56
Bảng 4-1 Tần số cộng hƣởng song song, tần số cộng hƣởng nối tiếp của QCM theo

phƣơng pháp cũ. ..........................................................................................................75
Bảng 4-2 Tần số cộng hƣởng song song, tần số cộng hƣởng nối tiếp của QCM chế tạo
theo phƣơng pháp mới .................................................................................................79

Trƣơng Hữu Lý


viii
Luận văn thạc sĩ VLKT

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
QCM:

Quartz Crystal Microbalance (Vi cân tinh thể thạch anh)

MEMS: Micro-Electronic-Mechanical-System (Hệ thống vi cơ điện tử)
AFM :

Atomic Force Microscope (Kính hiển vi lực nguyên tử)

TEM:

Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua)

XRD:

X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

PBVD:

Trƣơng Hữu Lý

Butterworth-Van Dyke (Mạch điện Butterworth-Van Dyke)


1
Luận văn thạc sĩ VLKT

MỞ ĐẦU
Trong tự nhiên luôn luôn tồn tại các đại lƣợng vật lý, hóa học, sinh học… mà
con ngƣời có thể cảm nhận một cách trực tiếp hay gián tiếp nhƣ nhiệt độ, áp suất,
phản ứng hóa học, sinh học… Tuy nhiên những cảm nhận này thƣờng chỉ dừng ở
mức định tính mà khó có thể định lƣợng một cách chính xác và đây là điều mong
mỏi của con ngƣời. Chúng ta thƣờng muốn biết một cách chính xác các đại lƣợng
vật lý, hóa học, sinh học… để có thể sử dụng một cách tối ƣu nhất. Chính vì thế các
loại cảm biến ra đời, biến đổi các đại lƣợng khơng mang tín hiệu điện thành các loại
tín hiệu điện để có thể đo đạc và xử lý một cách chính xác. Những tín hiệu này sau
đó đƣợc xử lý và đƣa ra kết quả trực tiếp hay gián tiếp, giúp con ngƣời biết chính
xác định tính, định lƣợng của đại lƣợng vật lý, hóa học, sinh học… mà chúng ta
quan tâm. Ngày nay lĩnh vực cảm biến đã đạt đƣợc nhiều thành tựu to lớn và vẫn
không ngừng phát triển một cách mạnh mẽ. Ngành công nghệ vật liệu và kỹ thuật
điện tử thế giới đã có những phát triển vƣợt bậc và tạo ra những loại vật liệu mới
góp phần làm cho kỹ thuật chế tạo cảm biến ngày càng đa dạng và đạt độ chính xác
cao. Đặc biệt vào những năm 1960s, ngành cơng nghệ vi cơ với kích thƣớc micro và
dƣới micro đã đƣợc phát triển một cách mạnh mẽ. Các loại cảm biến vi cơ điện tử
MEMS(Micro Electronic Mechanical Systems) đã đƣợc nghiên cứu chế tạo và ứng
dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ cảm biến nhiệt điện, áp suất, quang điện, điện hóa
hay cảm biến sinh học…[1]
Hiện nay ngành cơng nghiệp và dân dụng đã đạt đƣợc mức độ tự động hóa
rất cao một phần nhờ vào việc chế tạo thành cơng các loại cảm biến có thời gian đáp

ứng nhanh gần nhƣ tức thời, độ chính xác cao và giá thành giảm giúp cho việc trang
bị hệ thống tự động ngày càng dễ dàng hơn. Các loại cảm biến đang đƣợc rất nhiều
trƣờng, viện và các công ty tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra các chủng loại cảm biến
mới hay nhằm tối ƣu hóa các loại cảm biến hiện có trên thị trƣờng và mang lại rất
nhiều hứa hẹn trong tƣơng lai rất gần. Đặc biệt trong lĩnh vực sinh học, y học thì
cảm biến có tầm quan trọng rất lớn. Giúp con ngƣời nhanh chóng phát hiện ra
những hiện tƣợng, những nguồn vi khuẩn, vi rút, nguồn bệnh một cách nhanh chóng
và chính xác, góp phần ngăn chặn dịch bệnh hay điều trị một cách kịp thời. Trƣớc
Trƣơng Hữu Lý


2
Luận văn thạc sĩ VLKT
đây, việc xác định nồng độ vi khuẩn, vi rút hay nguồn bệnh có thể mất từ vài giờ
đến vài chục giờ thì ngày nay việc xác dịnh đó đã đƣợc rút ngắn lại, cần ít thời gian
và tiền bạc hơn, nhanh chóng và chính xác hơn. Đảm bảo việc chẩn đoán, chữa trị
và cách ly nguồn bệnh một cách cấp bách, kịp thời. [2]
Hiệu ứng áp điện của tinh thể đã đƣợc Jacques và Pierre Curie phát hiện vào
năm 1880[3-7]. Từ đó đến nay đã có nhiều nghiên cứu sử dụng hiệu ứng này trong
việc chế tạo cảm biến nhƣ là cảm biến siêu âm... Tuy nhiên cảm biến vi cân tinh thể
thạch anh QCM sử dụng hiệu ứng ngƣợc lại của vật liệu áp điện để xác định một
cách chính xác sự thay đổi khối lƣợng của tấm tinh thể thạch anh và chỉ mới đƣợc
phát hiện vào những năm 1990s. Với độ chính xác cao cỡ picrogram và thời gian
đáp ứng cực nhanh(real time) giúp cho cảm biến này càng đƣợc tập trung nghiên
cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Riêng trong lĩnh vực y sinh học
thì cảm biến QCM đƣợc sử dụng chuẩn đoán bệnh sớm, giải mã gen, ảnh hƣởng
chuyển gen lên sự phát triển của thực vật cũng nhƣ môi trƣờng sống, hoặc ảnh
hƣởng của một số chủng virus gây bệnh lên cơ thể sống, khảo sát nồng độ vi khuẩn
trong vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, trong nguồn nƣớc nhằm cách ly hoặc tiêu
hủy kịp thời nguồn lây bệnh. Cảm biến QCM đang đƣợc nhiều trƣờng viện trên thế

giới tập trung nghiên cứu và mang lại nhiều hứa hẹn nhờ tính đa năng, tiện dụng,
phƣơng pháp chế tạo đơn giản cũng nhƣ giá thành là một số điểm thuận lợi để chế
tạo và ứng dụng rộng rãi loại cảm biến này.
Ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo cảm biến QCM vẫn chƣa nhận đƣợc
nhiều sự quan tâm của các đơn vị nghiên cứu vì việc chế tạo yêu cầu kiến thức liên
ngành từ vật lý, điện tử hóa học cho đến cơng nghệ vật liệu. Đặc biệt việc chế tạo
đòi hỏi những thiết bị chuyên dụng hiện đại cho ngành chế tạo vi cơ có độ chính
xác rất cao, giá thành lớn là một trở ngại cho việc nghiên cứu, chế tạo tại Việt Nam.

Trƣơng Hữu Lý


3
Luận văn thạc sĩ VLKT

CHƢƠNG 1

TÍNH CHẤT VẬT LIỆU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT

ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QCM
1.1

Khái niệm về cảm biến-Phân loại cảm biến.
1.1.1 Khái niệm.

Cảm biến là một linh kiện dùng để cảm nhận và biến đổi một đại lƣợng vât lý
hay một đại lƣợng khơng có tính chất điện thành các tín hiệu điện mà có thể đo đạc,
xử lý một cách dễ dàng.[2]
Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất điện nhƣ nhiệt độ, áp suất,
độ ẩm… tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện nhƣ

điện tích, điện áp, dịng điện… chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại
lƣợng đo. Đặc trƣng (s) là hàm đại lƣợng cần đo (m):[8]
s=f(m)
Ngƣời ta gọi (s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại
lƣợng đầu vào hay kích thích có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo. Thông qua đo đạc
(s) cho biết giá trị của (m).
1.1.2 Phân loại cảm biến.
Hiện nay phƣơng pháp phân loại cảm biến vẫn chƣa đạt đƣợc sự nhất quán và
các bộ cảm biến chủ yếu đƣợc phân loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đây:[1, 2, 9]
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
Về mặt tín hiệu có thể đƣa ra đƣợc 6 loại tín hiệu nhƣ sau:
Bức xạ.

Nhiệt.

Từ.

Cơ học.

Điện

Hóa

Dựa vào mặt tín hiệu, có thể đƣa ra đƣợc ma trận 6x6 là tín hiệu ngõ vào và
ngõ ra. Ví dụ nhƣ cảm biến điện-cơ hay cơ-điện, cảm biến nhiệt-điện, cảm biến
điện từ…
Phân loại theo số lƣợng đƣợc đo lƣờng.
Phân loại theo công nghệ sử dụng nhƣ cảm biến MEMS, cảm biến NEMS…
Trƣơng Hữu Lý

4
Luận văn thạc sĩ VLKT
Phân loại theo ứng dụng: cảm biến đƣợc phân loại theo 10 lĩnh vực khác
nhau:
Âm học.

Cơ học.

Sinh học.

Quang học.

Hóa học.

Bức xạ

Điện học.

Nhiệt học.

Từ học.

Các lãnh vực khác.

Ngồi ra cảm biến cịn đƣợc phân loại là cảm biến tích cực hay cảm biến thụ
động. trong đó cảm biến tích cực là loại cảm biến có thể tạo ra tín hiệu điện
mà khơng cần nguồn ni nhƣ là cặp nhiệt điện, pin quang điện, pin mặt
trời…Cảm biến thụ động là loại cảm biến hoạt động cần một nguồn ni. Nó
hoạt động bằng cách điều biến điện áp hoặc dịng điện và cho ra tín hiệu điện

phù hợp.

Trƣơng Hữu Lý


5
Luận văn thạc sĩ VLKT
1.1.3 Đặc trƣng cơ bản của cảm biến.
Mỗi cảm biến có những đặc tính hoạt động khác nhau. Tuy nhiên mỗi loại cảm
biến đều có những đặc tính chung nhƣ sau:
Hàm truyền đạt
Hàm truyền chỉ ra mối quan hệ hàm giữa tín hiệu vật lý ngõ vào với tín hiệu
điện ngõ ra và thƣờng đƣợc đƣa ra dƣới dạng đồ thị tƣơng quan giữa ngõ vào và
ngõ ra.
Độ nhạy
Độ nhạy của cảm biến đƣợc xác định nhƣ là sự cảm nhận nhỏ nhất các kích
thích vật lý đầu vào làm thay đổi tín hiệu điện đầu ra của cảm biến.
Với một cảm biến tuyến tính, sự biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu ra ∆m có
sự liện hệ nhƣ sau
∆s=s. ∆m
Khi đó s=∆m/∆s đƣợc định nghĩa là độ nhạy cảm biến.
Dải hoạt động.
Dải hoạt động của cảm biến chính là vùng tín hiệu vật lý đầu vào của cảm biến
vẫn đƣợc cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện một cách chính xác. Ngồi vùng
này thì cảm biến khơng cảm nhận đƣợc hoặc cảm nhận nhƣng biến đổi ra tín hiệu
điện với độ sai số cao hơn sai số cho phép.
Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các bộ đo lƣờng khác ngồi ngồi đại lƣợng cần đo
cịn chịu sự tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo
đƣợc và giá trị thực tế. Với mỗi cảm biến thƣờng có 2 nguyên nhân gây nên sai số

là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Độ trễ
Là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của
đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên.
Trƣơng Hữu Lý


6
Luận văn thạc sĩ VLKT
Độ tuyến tính
Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải hoạt động nào đó nếu độ
nhạy trong dải đó khơng phụ thuộc vào đại lƣợng đo.
1.2

Phƣơng pháp chế tạo cảm biến
1.2.1 Phƣơng pháp chế tạo truyền thống.

Phƣơng pháp chế tạo truyền thống là các quá trình chế tạo đƣợc sử dụng và phát
triển lâu đời. Ở đây mỗi chi tiết thƣờng đƣợc chế tạo bằng các quá trình lấy đi lƣợng
vật liệu bằng phƣơng pháp cơ học nhƣ phay, tiện, khoan hay mài hoặc bằng các q
trình thêm vào nhƣ đúc khn, mạ điện, ép phun… Phƣơng pháp chế tạo truyền
thống tạo ra sản phẩm bị giới hạn bởi kích thƣớc tới hạn của dụng cụ sử dụng.
Phƣơng pháp chế tạo truyền thống hiện nay đã phát triển mạnh mẽ và có khả năng
tạo ra sản phẩm với độ chính xác cỡ micromet nhờ vào sự phát triển của thiết bị
máy công cụ có sự giám sát và điều khiển của hệ thống máy tính, CNC (Computer
number control).[10]
1.2.2 Phƣơng pháp chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử- MEMS
Phƣơng pháp chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử đƣợc phát triển và sử
dụng trong từ những năm 1960. Cho đến ngày nay công nghệ chế tạo này đã tạo ra
những cấu trúc phức tạp có kích thƣớc cỡ dƣới micromet đến nanomet. Theo quy

luật More đối với ngành công nghiệp bán dẫn thì và kích thƣớc này cứ 18 tháng lại
giảm đi một phần hai Một số hãng điện tử lớn nhƣ AMD, Intel, IBM đang triển khai
thƣơng mại chip điện tử trên nền công nghệ 22nm và nghiên cứu việc chế tạo các
loại chip điện tử thế hệ mới trên nền cơng nghệ 11nm. Với việc giảm kích thƣớc
những linh kiện bán dẫn sẽ tạo ra những bộ vi xử lý tốc độ cao và tiêu thụ điện năng
thấp hơn rất nhiều so với một số bộ vi xử lý cách đây chỉ vài năm.
Kỹ thuật chế tạo vi cơ cũng bao gồm các quá trình tạo thành những lớp vật liệu
vô cùng nhỏ bằng những phƣơng pháp nhƣ tạo màng mỏng bằng phƣơng pháp lắng
đọng hơi hóa học, bốc bay hay phún xạ vật liệu, kết hợp với q trình lấy đi lớp vật
liệu nhƣ ăn mịn hóa học, ăn mịn bằng chùm tia điện tử, khắc bằng laser hay bằng
chùm tia Ion…[2, 10-17]
Trƣơng Hữu Lý


7
Luận văn thạc sĩ VLKT
Trong kỹ thuật chế tạo vi cơ, ngƣời ta có thể chia thành 3 phƣơng pháp chế tạo
khác nhau:
Công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining).
Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining).
Công nghệ Liga (Lithographie Galvanoformung Abformung).
1.2.2.1

Công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining)

Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công khối
vật liệu và liên kết các khối vật liệu lại với nhau để tạo ra một cấu trúc đồng nhất
nhờ vào tốc độ ăn mòn khác nhau trên các mặt của tinh thể. Phƣơng pháp để tạo vi
cấu trúc dùng trong công nghệ vi cơ khối là phƣơng pháp ăn mòn ƣớt (ăn mòn đẳng
hƣớng, ăn mòn dị hƣớng) hoặc phƣơng pháp ăn mịn khơ (ăn mịn nhờ phản ứng

ion, ăn mòn bằng plasma). Cấu trúc sau khi đƣợc tạo thành sẽ đƣợc liên kết lại với
nhau có thể bằng phƣơng pháp nóng chảy mối nối hoặc dán bằng empoxy dẫn điện
và tạo ra một cấu trúc đồng nhất hay những bộ phận có thể dịch chuyển với kích
thƣớc cực kỳ nhỏ nhƣ động cơ, màng rung hay thanh dầm giao động…kích thƣớc
chỉ vào trên dƣới micromet.

Trƣơng Hữu Lý


8
Luận văn thạc sĩ VLKT

Hình 1.1 Cấu trúc và quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ khối
1.2.2.2

Cơng nghệ vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)

Công nghệ này liên quan đến quá trình tạo các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc
khác nhau trên vật liệu đế. Có hai loại lớp vật liệu khác nhau đƣợc sử dụng để phủ
lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrifical layer) và lớp vật liệu tạo cấu trúc.
Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu đƣợc phủ lên bề mặt theo hình dạng của cấu trúc
cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong q trình tạo cấu trúc. Lớp vật liệu tạo cấu trúc
sẽ đƣợc phủ lên lớp vật liệu “hi sinh” và chúng không phản ứng với các chất ăn
mòn sử dụng để tạo cấu trúc.[12]

Trƣơng Hữu Lý


9
Luận văn thạc sĩ VLKT

Hình 1.2 Quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt
1.2.2.3

Công nghệ Liga

LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) đƣợc hiểu là quy trình
cơng nghệ vi đúc. Khuôn đúc đƣợc chế tạo bởi một lớp cảm quang rất dày sẽ đƣợc
phủ lên trên bề mặt wafer, sau đó đƣợc chiếu thơng qua mặt nạ để tạo hình. Sau khi
loại bỏ lớp cảm quang này thì lớp kim loại sẽ đƣợc tạo thành bằng nhiều phƣơng
pháp khác nhau nhƣ bốc bay, phún xạ hay mạ điện… tạo ra những vi cấu trúc
mong muốn. Quy trình này có thể đƣợc sử dụng cho quá trình sản xuất các vi cấu
trúc 3D, các loại động cơ hay những vi cấu trúc chuyển động. [14]

Trƣơng Hữu Lý