CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này, tổng quan về một số vấn đề liên quan đến công nghệ vi cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được trình bày. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS I. Giới thiệu chung MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro Electro-Mechanical System. MEMS là Hệ Vi cơ-Điện tử, một hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động trên cơ sở tính chất điện và cơ có kích thước dưới milimet (submillimeter) như được minh họa ở hình 1.1 Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên.
MEMS được hiểu như là một hệ thống thông minh với kích thước thu nhỏ bao gồm các chức năng cảm nhận/thu thông tin từ môi trường bên ngoài (sensing), xử lý thông tin (processing) và điều khiển (actuating) tác động trở lại môi trường (thế giới vật lý) (hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ vi cơ điện tử (MEMS). Ngày nay, MEMS được xem là hệ thống thông minh tích hợp các thành phần như vi cảm biến, vi chấp hành, vi cấu trúc cơ và mạch vi điện tử trên cùng một chip (hình 1. Các linh kiện này có thể thực hiện các chức năng đơn giản một cách riêng rẽ ở mức độ vi mô trong khi vẫn được kết hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở mức độ vĩ mô [1-3]. Một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như sau: 5 luan an - Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng, - Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ - điện tử tích hợp trong một chip.
- Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một thiết bị hoàn chỉnh, - Có độ lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt. Lịch sử phát triển Thời điểm được coi như cột mốc đầu tiên cho sự ra đời các linh kiện MEMS là vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge). Tiếp sau đó là ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được đề xướng bởi Richard P. Feymann trong bài thuyết trình nổi tiếng có tên gọi “Plenty of Room at the Bottom” vào cuối năm 1959.
Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đã đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển khai đưa đến sự ra đời của 2 nhánh công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ điện tử là công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử (Integrated Circuit - IC) với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Thập kỷ 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành thương phẩm trên thị trường, mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông. Bên cạnh đó là các nghiên cứu mới về vi cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc truyền động (actuator) làm các động cơ. Những năm cuối thế kỷ 20, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn i-ôn hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ hóa linh kiện (hay tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử.
6 luan an Bảng 1.1 Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình [4]. Thương Quá trình Tên sản Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn phẩm phổ phát triển phẩm Phát minh Hoàn thiện Cải tiến biến (năm) Cảm biến 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990 36 áp suất Cảm biến 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998 24 gia tốc Đầu phun 1978-1984 1984-1990 1990-2002 2002 24 mực Chuyển 1980-1993 1993-1998 1998-2008 2003 23 mạch quang Vi cảm biến vận 1984-1990 1990-1996 1996-2006 2006 22 tốc góc Cảm biến 1986-1994 1994-1998 1998-2005 2005 19 khí Cảm biến 1992-1994 1994-2000 2000-2010 2010 18 sinh-hóa Bộ thu phát tần số vô 1994-1998 1998-2001 2001-2008 2008 14 tuyến (RF) Kể từ đó, các sản phẩm của công nghệ vi cơ điện tử đã tiếp tục được hoàn thiện và mở rộng, đưa đến sự ra đời của các kết cấu hết sức tinh vi theo xu hướng thu nhỏ kích thước đáng kể. Các linh kiện MEMS đã được nghiên cứu phát triển chẳng hạn như các cảm biến áp suất và gia tốc có tích hợp vi mạch điện tử để xử lý tín hiệu với kích thước chỉ từ 1 đến vài mi-li-mét vuông, các vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện (rotary electrostatic micromotor), các khớp nối vi cơ (micromachined hinge) sử dụng cho cấu trúc giả 3 chiều (pseudo-3D structures) hay dây chuyền lắp ráp, linh kiện vi gương số (Digital Micromirro Device - DMD) sử dụng trong các máy chiếu và xử lý ánh sáng số, các hệ vi vận tải (microtransport) kích thước vài xăng-ti-mét vuông, các thiết bị tí hon có vai trò như một phòng thí nghiệm phân tích gọi là Lab on chip sử dụng cho lĩnh vực y-sinh v.v… Cũng theo đà phát triển tiến trình phát triển từ ý tưởng đến sản phẩm cụ thể đã được ngày càng rút ngắn về thời gian như được chỉ ra ở bảng 1. 7 luan an Hiện nay, trên thế giới có trên 6000 trung tâm nghiên cứu phát triển về MEMS tại các trường Đại học, viện nghiên cứu, các hãng công nghiệp với số tiền đầu tư mỗi năm vào các hoạt động nghiên cứu, chế thử khoảng 1 tỉ USD [5].
Châu Âu nổi tiếng với Laboratoire d’electronic et de Technologie d’Instrumentation (LETI) ở Pháp; Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) ở Bỉ; Viện nghiên cứu (Insititut fur Festkoerpertechnik -IFT) và các phòng thí nghiệm R&D của các tập đoàn công nghiệp Siemen/Infinion, Bosch, Aktiv-sensor ở Đức; MESA+ research institute, Delf ở Hà Lan; Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) của Thụy Sĩ. Nhật nổi bật với các trung tâm nghiên cứu R&D công nghiệp như Toyota Central Research and Development Laboratory, Nippondenso Research Laboratories, okogawa Electric Corporation, Matsushita Research Institute, Nissan Motor Company Central Engineering Laboratories, Fuji Electric Company, Hitachi bên cạnh các trung tâm nghiên cứu điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University. Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công nghệ Matsachuset (MIT), cơ quan hàng không-vũ trụ NASA, các cơ sở công nghiệp mạnh như Analog Devices, Motorola, Draper Lab. Hàng năm, kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm của các trung tâm nghiên cứu và của các công ty công nghiệp ở khắp nơi trên thế giới đã được công bố tại các hội nghị khoa học lớn tổ chức ở Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản cũng như trên hàng chục tạp chí uy tín như Sensor and Actuator A, B, và C, hay các ấn bản của tổ chức quốc tế IEEE về lĩnh vực kỹ thuật điện-điện tử… I.
Phân loại công nghệ MEMS Công nghệ MEMS là loại hình công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản của công nghệ này như quang khắc (photolithography), khuếch tán (diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật liệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging). Bên cạnh đó là các kỹ thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế tạo ra các vi cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching) và hàn ghép phiến (silic to silic/ silic to glass bonding). Công nghệ MEMS được phân loại thành ba loại chính: - Công nghệ vi cơ khối: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc, ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô trong môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến… Công nghệ 8 luan an vi cơ khối được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc MEMS ba chiều trong các vật liệu đế như tinh thể Si, tinh thể thạch anh, SiC, GaAs, thủy tinh,. - Công nghệ vi cơ bề mặt: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô,… Công nghệ vi cơ bề mặt được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc MEMS ba chiều trên bề mặt đế.
- Công nghệ LIGA: LIGA là chữ viết tắt của các từ tiếng Đức X – ray Lithographie (quang khắc tia X), Galvanoformung (mạ điện) và Abformtechnik (vi đúc). Công nghệ LIGA liên quan đến quá trình quang khắc tia X, trong đó lớp vật liệu cảm tia X dày cỡ từ micrô mét đến xăng-ti- mét được chiếu xạ bởi chùm tia X năng lượng cao. Cấu trúc ba chiều trong lớp cảm bức xạ thu được sau quá trình hiện hình. Trên cơ sở quá trình mạ điện, cấu trúc trong vật liệu cảm bức xạ được điền đầy bởi vật liệu kim loại.
Sau khi loại bỏ chất cảm bức xạ ta thu được cấu trúc kim loại như thiết kế. Cấu trúc kim loại có thể là sản phẩm cuối cùng hoặc được tiếp tục sử dụng như là vi khuôn để tạo ra các sản phẩm tiếp theo trên cơ sở quá trình đúc sử dụng vật liệu chất dẻo. Các cấu trúc chất dẻo thu được có thể được sử dụng làm vi khuôn để tạo ra các cấu trúc bằng kim loại ở dạng hàng loạt trên cơ sở tiến hành quá trình đúc lần thứ hai. Như vậy, công nghệ LIGA được thực hiện dựa trên kỹ thuật nền tảng như kỹ thuật khắc bằng chùm tia X, kỹ thuật vi đúc và kỹ thuật lắng đọng điện hóa (mạ điện).
Cảm biến vận tốc góc I.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển Cảm biến vận tốc góc hay con quay hồi chuyển (Gyroscope) là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì phương hướng dựa vào nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Năm 1852, lần đầu tiên chuyển động quay của trái đất được giải thích theo quy luật chuyển động quay của gyroscope bởi nhà khoa học người Pháp Jean-Bernad-Léon Foucault. Thuật ngữ “Gyroscope” được ghép lại từ các chữ Hy Lạp, đó là “Gyro” - quay tròn và “skopeein” - quan sát [6]. 9 luan an Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý chuyển động của con quay cơ học cổ điển.