Luận án tiến sĩ: Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc kiểu tụ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Minh
• Người hướng dẫn: GS.TS Vũ Ngọc Hùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế vi cảm biến vận tốc góc và gia tốc hiệu suất cao
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS
• 1.2. Giới thiệu chung
• 1.3. Lịch sử phát triển
• 1.4. Phân loại công nghệ MEMS
• 1.5. Cảm biến vận tốc góc
• 1.5.1. Cảm biến vận tốc góc cổ điển
• 1.5.2. Cảm biến vận tốc góc quang học
• 1.5.3. Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)
• 1.5.4. Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
• 1.5.4.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.5.4.2. Phương trình động lực học của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động
• 1.5.4.3. Quá trình phát triển, phân loại cảm biến vận tốc góc
• 1.5.5. Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến
• 1.5.5.1. Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope)
• 1.5.5.2. Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes)
• 1.5.5.3. Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)
• 1.5.5.4. Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)
• 1.6. Cảm biến gia tốc
• 1.6.1. Bối cảnh lịch sử
• 1.6.2. Phân loại cảm biến gia tốc
• 1.6.2.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.6.2.2. Cảm biến gia tốc cân bằng lực (Force balance accelerometer)
• 1.6.2.3. Cảm biến gia tốc kiểu lệch (Deflection accelerometer)
• 1.6.3. Các đặc trưng của cảm biến gia tốc
• 1.6.4. Cảm biến gia tốc MEMS
• 1.6.4.1. Cảm biến gia tốc áp điện
• 1.6.4.2. Cảm biến gia tốc áp điện trở
• 1.6.4.3. Cảm biến gia tốc điện dung
• 1.6.5. So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc
• 1.6.6. Cảm biến gia tốc điện dung MEMS
• 1.7. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS
• 2.2. Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc
• 2.2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 2.2.2. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 2.2.3. Thông tin kỹ thuật đối với các bước công nghệ chế tạo cảm biến
• 2.3. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến
• 2.3.1. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc
• 2.3.2. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc
• 2.4. Xây dựng hệ đo vận tốc góc. Xây dựng hệ đo gia tốc
• 2.5. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA
• 3.1. Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
• 3.1.1. Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc
• 3.1.2. Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến
• 3.1.3. Kết quả tính toán mô phỏng
• 3.1.3.1. Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng
• 3.1.3.1.1. Cấu hình tụ điện MEMS
• 3.1.3.1.2. Tính toán tối ưu khoảng cách điện cực của tụ vi sai cảm ứng
• 3.1.3.2. Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến
• 3.1.3.3. Mô phỏng phân tích mode của cảm biến
• 3.4. Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến
• 3.2. Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.1. Thiết kế mặt nạ
• 3.2.2. Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.3.1. Đặc trưng tần số
• 3.2.3.2. Đặc trưng điện áp-vận tốc góc
• 3.3. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN GIA TỐC BA BẬC TỰ DO
• 4.1. Thiết kế vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do
• 4.1.1. Thiết kế cảm biến gia tốc
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng cảm biến gia tốc
• 4.1.2.1. Mô phỏng phân tích mode
• 4.1.2.2. Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến
• 4.2. Chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 4.2.1. Thiết kế mặt nạ
• 4.2.2. Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 4.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc
• 4.2.3.1. Đặc trưng tần số
• 4.2.3.2. Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của cảm biến
• 4.3. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vi cảm biến

Vi cảm biến là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Các vi cảm biến này có khả năng đo lường các thông số vật lý như vận tốc góc và gia tốc với độ chính xác cao. Việc thiết kế và chế tạo các cảm biến hiệu suất cao là một thách thức lớn trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển công nghệ cảm biến. Đặc biệt, cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống dẫn đường quán tính (IMU), giúp xác định vị trí và chuyển động của các vật thể trong không gian. Các cảm biến này không chỉ được ứng dụng trong quân sự mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp, y học và dân dụng.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nhu cầu về các cảm biến quán tính ngày càng tăng cao trong các ứng dụng thực tiễn. Các cảm biến này cần phải có độ chính xác và độ ổn định cao, đặc biệt trong môi trường áp suất khí quyển. Việc phát triển các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện này là rất cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và giảm thiểu các hiện tượng không mong muốn như hiện tượng đồng pha trong các mode dẫn động và cảm ứng. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của cảm biến mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

II. Công nghệ chế tạo vi cảm biến

Công nghệ chế tạo vi cảm biến sử dụng nhiều phương pháp hiện đại như công nghệ vi cơ khối khô, quang khắc và ăn mòn sâu. Quy trình chế tạo các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc bao gồm nhiều bước phức tạp, từ thiết kế mô phỏng đến thực nghiệm. Việc áp dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của cảm biến, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Các cảm biến được chế tạo thành công không chỉ đáp ứng yêu cầu về độ nhạy mà còn có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

2.1. Quy trình công nghệ chế tạo

Quy trình chế tạo vi cảm biến bao gồm các bước như thiết kế mặt nạ, chế tạo cấu trúc cảm biến và khảo sát các đặc trưng của cảm biến. Thiết kế mặt nạ là bước quan trọng, quyết định đến hình dạng và kích thước của cảm biến. Sau khi hoàn thành thiết kế, các cảm biến được chế tạo bằng các kỹ thuật như quang khắc và ăn mòn sâu. Kết quả chế tạo cho thấy các cảm biến có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong ứng dụng thực tế.

III. Đánh giá và ứng dụng của cảm biến

Các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc được nghiên cứu và chế tạo trong luận án này đã cho thấy những kết quả khả quan. Đặc biệt, các cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường áp suất khí quyển, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Việc tích hợp các cảm biến này vào hệ thống IMU giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí và chuyển động của các vật thể. Các ứng dụng trong công nghiệp, quân sự và y học đều có thể được cải thiện nhờ vào sự phát triển của các cảm biến này.

3.1. Ứng dụng trong thực tiễn

Các cảm biến hiệu suất cao có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hệ thống túi khí trong ô tô, thiết bị định vị trong quân sự và các thiết bị y tế. Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghiệp, các cảm biến này giúp cải thiện độ chính xác trong các quy trình sản xuất tự động. Việc phát triển các cảm biến có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của chúng, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong các hệ thống công nghệ cao.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Kỹ thuật xác định và đánh dấu vị trí của vật thể chuyển động giữ vai trò quan trọng trong các lĩnh vực quân sự, hàng hải, hàng không, công nghiệp chế tạo robot, công nghiệp ô tô và thiết bị điện tử dân dụng. Vấn đề này được giải quyết thông qua hệ thống đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit - IMU), vốn có cấu hình tiêu chuẩn gồm ba cảm biến gia tốc và ba cảm biến vận tốc góc đặt vuông góc với nhau. Sự ra đời của công nghệ vi cơ điện tử (Micro Electro-Mechanical Systems - MEMS) cho phép chế tạo các cảm biến quán tính có kích thước thu nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng sản xuất hàng loạt với giá thành thấp và dễ dàng tích hợp cùng mạch vi điện tử xử lý tín hiệu.

Tuy nhiên, các cảm biến quán tính MEMS truyền thống thường đòi hỏi công nghệ đóng vỏ chân không cao để giảm thiểu các hiệu ứng suy hao không khí, đặc biệt là suy hao nén (squeeze damping) và suy hao trượt (slide damping). Các hiệu ứng suy hao này làm suy giảm hệ số phẩm chất ($Q$) và độ nhạy của linh kiện. Quy trình đóng gói chân không đòi hỏi thiết bị phức tạp và chi phí đầu tư lớn. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về cảm biến quán tính MEMS có khả năng hoạt động ổn định trực tiếp trong môi trường áp suất khí quyển vẫn còn hạn chế. Mặt khác, đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, hiện tượng xuất hiện các mode dao động đồng pha không mong muốn ở cả chế độ dẫn động và chế độ cảm ứng gây mất ổn định hoạt động. Đối với vi cảm biến gia tốc, việc tích hợp khả năng đo đồng thời ba thành phần gia tốc trên cùng một cấu trúc vi cơ với độ nhạy chéo trục (cross-axis sensitivity) thấp là một thách thức kỹ thuật lớn. Xuất phát từ các yêu cầu thực tiễn và khoảng trống kỹ thuật này, luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ" đã được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

1. Thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu dao động âm thoa có hệ số phẩm chất ($Q$) và độ nhạy cao, có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường áp suất khí quyển.
2. Thiết kế và chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có khả năng xác định đồng thời các thành phần gia tốc theo ba phương trực giao ($X, Y, Z$) với độ nhạy chéo trục thấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc vi cơ học, cơ chế nhạy điện dung và quy trình công nghệ chế tạo hai loại linh kiện quán tính MEMS: vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope - TFG) và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ vi sai ba bậc tự do (3-DOF).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian và cơ sở thực nghiệm: Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm MEMS, Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, phối hợp cùng Bộ môn Điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.
  • Thời gian hoàn thành: Năm 2020.
  • Phạm vi kỹ thuật: Giới hạn trong việc mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM), thiết kế cấu trúc vi cơ trên phiến đế silic trên chất cách điện (Silicon On Insulator - SOI), gia công chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối khô (ăn mòn sâu ion hoạt hóa DRIE) và khảo sát thực nghiệm các đặc trưng tĩnh, động trong môi trường áp suất khí quyển.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước trong nước và quốc tế

Tác giả đã điểm lại lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ MEMS cùng hai dòng cảm biến quán tính chính từ các công trình quốc tế và trong nước:

1. Lịch sử công nghệ MEMS và cảm biến quán tính:
   • Charles Smith (1954) phát hiện hiệu ứng áp điện trở trên Silic và Germanium.
   • Richard Feynman (1959) khởi xướng ý tưởng thu nhỏ thiết bị trong bài giảng "Plenty of Room at the Bottom".
   • Sự ra đời của cảm biến gia tốc MEMS đầu tiên tại Đại học Stanford (1979) và chip gia tốc thương phẩm ADXL50 của hãng Analog Devices (1991).

Tên sản phẩm MEMS điển hình	Giai đoạn phát minh	Giai đoạn hoàn thiện	Giai đoạn cải tiến	Thương phẩm phổ biến
Cảm biến áp suất	1954–1960	1960–1975	1975–1990	1990
Cảm biến gia tốc	1974–1985	1985–1990	1990–1998	1998
Đầu phun mực	1978–1984	1984–1990	1990–2002	2002
Chuyển mạch quang	1980–1993	1993–1998	1998–2008	2003
Vi cảm biến vận tốc góc	1984–1990	1990–1996	1996–2006	2006
Cảm biến khí	1986–1994	1994–1998	1998–2005	2005
Cảm biến sinh - hóa	1992–1994	1994–2000	2000–2010	2010
Bộ thu phát tần số vô tuyến (RF)	1994–1998	1998–2001	2001–2008	2008

2. Nghiên cứu về vi cảm biến vận tốc góc (MEMS Gyroscope):

   • Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper (1991, 1993): Phát triển cảm biến vận tốc góc kiểu Gimbal trên phiến Si p++ và cảm biến âm thoa trên phiến SOI dày 1 mm, đạt hệ số $Q$ kích thích 40.000 và $Q$ cảm ứng 5.000 ở áp suất 100 Torr.
   • Đại học Middle East (2000): Chế tạo cảm biến khung kép phẳng bằng công nghệ vi cơ bề mặt, độ nhạy đạt 45 mV/fF.
   • Đại học Michigan (1994, 2001): Phát triển cảm biến mâm tròn (vibrating ring) bằng công nghệ LIGA mạ Nickel và công nghệ ăn mòn khô Silic đa tinh thể ($Q \approx 1200$).
   • Đại học UC Berkeley (1996/1997): Chế tạo cảm biến đo vận tốc quay hai trục dạng bánh xe quay trên phiến Si dày 2 µm.
   • F. Ayazi và cộng sự (Georgia Tech, 2002): Phát triển cảm biến âm thoa hoạt động trong mặt phẳng trên phiến SOI với hệ số phẩm chất $Q$ chế độ dẫn động đạt 81.000 và cảm ứng đạt 64.000, độ nhạy 1,25 mV/°/s.
   • Trusov và cộng sự (UC Irvine): Cải tiến cấu trúc tần số cao (>2,5 kHz), dải thông >250 Hz, độ phân giải 0,09 °/s/Hz$^{1/2}$.
   • Đại học Peking: Đề xuất cảm biến kích thích tĩnh điện cân bằng (EFB) nhạy theo trục Z hoạt động trong áp suất khí quyển với độ nhạy 2,9 mV/°/s.
   • A. Shkel và cộng sự (UC Irvine): Phát triển các thiết kế khối cảm ứng hai bậc tự do (2-DOF) đạt hệ số $Q \approx 76$ trong không khí, cấu trúc 4 khối gia trọng triệt tiêu rung động ngoại lai và kỹ thuật cân bằng động bằng lò xo tĩnh điện âm.
   • Các nghiên cứu tại Việt Nam: PGS. Nguyễn Văn Chúc (Viện KH&CN Quân sự) với cấu trúc xoắn phương Z; PGS. Chử Đức Trình (Trường ĐH Công nghệ - ĐHQGHN) nghiên cứu khung treo vi sai; GS. Vũ Ngọc Hùng (Viện ITIMS) nghiên cứu cấu trúc dầm hình thoi và bánh xe tự xoay chống mode đồng pha với độ nhạy mô phỏng 2,92 fF/rad/s.

3. Nghiên cứu về vi cảm biến gia tốc (MEMS Accelerometer):

   • Burton McCollum và O. Peters (1924, 1927) phát triển máy đo biến dạng đo gia tốc; Bruel & Kjaer (1942, 1943) giới thiệu máy đo gia tốc áp điện Type 4301 thương mại đầu tiên.
   • Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Phú Thùy và NCS. Nguyễn Đức Tân (2008) đã chế tạo vi cảm biến gia tốc áp trở 3 bậc tự do với độ nhạy trục X, Y đạt 0,28 mV/g và trục Z đạt 0,61 mV/g.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết ba vấn đề kỹ thuật cốt lõi:

• Thiết kế cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trục Z dạng đế khung nhằm giảm diện tích tiếp xúc chuyển động trượt và nén khí, cho phép đạt hệ số phẩm chất $Q$ cao và hoạt động trực tiếp trong áp suất khí quyển mà không cần chân không.
• Tích hợp cơ cấu bánh xe tự xoay kết hợp hệ dầm liên kết hình thoi nhằm triệt tiêu hoàn toàn các mode dao động đồng pha không mong muốn ở cả hai trục kích thích và cảm ứng.
• Thiết kế vi cảm biến gia tốc điện dung ba bậc tự do sử dụng hệ dầm gấp dạng chữ L, cho phép đo đồng thời ba trục $X, Y, Z$ trên một chip đơn với mức độ nhiễu chéo trục được giảm thiểu.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

1. Nguyên lý vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng lực quán tính Coriolis xuất hiện trong hệ quy chiếu quay: $$\vec{a}_C = 2(\vec{v} \times \vec{\Omega})$$ $$\vec{F}_C = 2m(\vec{v} \times \vec{\Omega})$$ Trong đó $m$ là khối lượng gia trọng, $\vec{v}$ là vận tốc dao động kích thích, $\vec{\Omega}$ là vận tốc góc quay của hệ quy chiếu.

Phương trình động lực học tổng quát của hệ dao động hai bậc tự do trong mặt phẳng ($XY$) khi chịu kích thích lực tuần hoàn $F_d = F_0 \sin(\omega t)$ theo phương $X$ và quay quanh trục $Z$ với vận tốc góc $\Omega$: $$\begin{cases} m\ddot{x} + c_x \dot{x} + k_x x - 2m\Omega\dot{y} = F_d \ m\ddot{y} + c_y \dot{y} + k_y y + 2m\Omega\dot{x} = 0 \end{cases}$$ Trong đó $k_x, k_y$ là hệ số độ cứng của dầm treo; $c_x, c_y$ là hệ số cản giảm chấn theo phương $X$ và $Y$. Thành phần $2m\Omega\dot{x}$ đóng vai trò là lực kích thích Coriolis làm phát sinh dao động cảm ứng theo phương $Y$.

2. Nguyên lý vi cảm biến gia tốc điện dung

Chuyển động của khối gia trọng $m$ dưới tác dụng của gia tốc $\ddot{x}_M$ tuân theo định luật II Newton: $$M\ddot{x}_M = m\ddot{x} + D\dot{x} + kx$$ Trong đó $D$ là độ tổn hao, $k$ là độ cứng thanh dầm, $x$ là chuyển vị tương đối của khối gia trọng so với khung đế.

Cơ chế chuyển đổi dịch chuyển thành tín hiệu điện sử dụng hệ tụ điện vi sai với công thức điện dung phẳng: $$C = \frac{\varepsilon \varepsilon_0 A}{d}$$

• Đối với cấu hình tụ thay đổi khoảng cách khe hở ($d$): $$\Delta C = C_1 - C_2 = \frac{2\varepsilon \varepsilon_0 A x}{d^2 - x^2} \approx \frac{2\varepsilon \varepsilon_0 A}{d^2} x \quad (\text{khi } d \gg x)$$ Độ nhạy chuyển vị lý thuyết: $S = \frac{dC}{dx} \approx \frac{2\varepsilon \varepsilon_0 A}{d^2}$.
• Đối với cấu hình tụ thay đổi diện tích đan xen ($A = a \cdot b$): $$\Delta C = \frac{2\varepsilon \varepsilon_0 a}{d} x$$ Độ nhạy chuyển vị lý thuyết: $S = \frac{dC}{dx} = \frac{2\varepsilon \varepsilon_0 a}{d}$ (có tính tuyến tính cao).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo, đo kiểm:

1. Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS để phân tích mode dao động riêng, đáp ứng tần số, phân bố ứng suất, tính toán chuyển vị và biến thiên điện dung theo vận tốc góc và gia tốc. Thiết kế cấu trúc mặt nạ vi cơ bằng phần mềm Clewin.
2. Phương pháp công nghệ vi chế tạo: Sử dụng công nghệ vi cơ khối khô trên phiến SOI (Silicon-on-Insulator) với các kỹ thuật:
   • Quang khắc hai mặt trên thiết bị PEM800;
   • Máy quay phủ chất cảm quang 1H-D7;
   • Làm sạch bề mặt bằng dung dịch piranha ($H_2SO_4:H_2O_2$) và xử lý bề mặt bằng $O_2$ plasma;
   • Ăn mòn sâu ion hoạt hóa (DRIE) theo quy trình Bosch để tạo cấu trúc dầm và lược có tỉ số cạnh cao;
   • Ăn mòn giải phóng cấu trúc bằng hơi axit HF trong cốc Teflon chuyên dụng có gia nhiệt nhằm loại bỏ lớp oxit đệm $SiO_2$ mà không gây dính ướt cấu trúc;
   • Hàn dây điện cực bằng máy siêu âm Westbond 7400C và đóng gói linh kiện.
3. Phương pháp khảo sát thực nghiệm:
   • Xây dựng hệ đo đáp ứng tần số bằng phương pháp kích thích tĩnh điện (hai cổng và một cổng);
   • Hệ đo vận tốc góc sử dụng động cơ servo điều khiển chính xác tốc độ quay;
   • Hệ đo gia tốc sử dụng bàn rung tạo dao động chuẩn và gia tốc kế đối chứng Mitutoyo AVT-CZ;
   • Mạch đọc và xử lý tín hiệu điện dung vi sai sử dụng vi mạch chuyên dụng MS3110 (chuyển đổi C-V), card thu thập dữ liệu NI USB-6009 và giao diện phần mềm LabVIEW trên máy tính.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về công nghệ MEMS và hai nhóm cảm biến quán tính:

• Phân loại công nghệ MEMS thành ba nhóm chính: công nghệ vi cơ khối (ướt và khô), công nghệ vi cơ bề mặt và công nghệ LIGA.
• Trình bày lịch sử phát triển của con quay hồi chuyển từ con quay cơ học cổ điển (Foucault 1852, Sperry 1911), con quay quang học (sợi quang IFOG, con quay laser RLG) đến vi cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động (MVG).
• Phân tích chi tiết phương trình động lực học của cảm biến vận tốc góc dao động dựa trên lực Coriolis, các thông số đánh giá chất lượng (bước góc ngẫu nhiên, thế dòng trôi, sai số, dải hoạt động, khả năng chịu sốc).
• Tổng kết các cấu trúc con quay MEMS tiêu biểu: dạng khung Gimbal (Draper), dạng mâm tròn dao động (Michigan), dạng đa trục (UC Berkeley) và dạng âm thoa (TFG) của Draper, Ayazi, Trusov, Peking, Shkel và các nhóm nghiên cứu tại Việt Nam.
• Tổng quan về cảm biến gia tốc: bối cảnh lịch sử, nguyên lý phân loại (cân bằng lực vòng kín, kiểu lệch vòng hở/vòng kín), các thông số đặc trưng (độ nhạy, dải hoạt động, độ phân giải, băng thông, độ nhạy chéo trục, mật độ nhiễu, độ tuyến tính).
• So sánh ba cơ chế cảm biến gia tốc MEMS phổ biến (áp điện, áp điện trở, điện dung); phân tích chi tiết cơ chế điện dung tụ vi sai (thay đổi khoảng cách khe hở và thay đổi diện tích đan xen) trên đế SOI.

Chương 2: Cơ sở mô phỏng và thực nghiệm

Chương 2 trình bày chi tiết công cụ mô phỏng, quy trình chế tạo vi cơ và các hệ thống đo kiểm thực nghiệm:

• Trình bày thuật toán phần tử hữu hạn và cấu trúc các bài toán phân tích mode, phân tích điều hòa bằng phần mềm ANSYS.
• Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vi cơ khối khô hoàn chỉnh cho hai loại cảm biến trên đế SOI:

Bước công nghệ	Nội dung thực hiện	Thiết bị / Hóa chất sử dụng
1. Chuẩn bị bề mặt	Làm sạch phiến đế SOI	Dung dịch Piranha ($H_2SO_4:H_2O_2$), $O_2$ Plasma
2. Quang khắc tạo hình	Phủ photoresist, phơi sáng và hiện hình	Máy phủ 1H-D7, máy quang khắc PEM800
3. Ăn mòn tạo cấu trúc	Ăn mòn sâu lớp Si linh kiện	Hệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu DRIE
4. Giải phóng cấu trúc	Ăn mòn lớp oxit đệm $SiO_2$ bên dưới	Cốc Teflon tạo hơi HF có gia nhiệt
5. Đấu nối và đóng vỏ	Hàn dây dẫn từ chip ra chân đế	Máy hàn dây siêu âm Westbond 7400C

• Thiết lập phương pháp đo đáp ứng tần số kiểu chấp hành một cổng và hai cổng nhằm xác định chính xác tần số cộng hưởng của mode dẫn động và mode cảm ứng.
• Xây dựng hệ đo đặc trưng vận tốc góc tích hợp động cơ servo quay chính xác, mạch chuyển đổi dung lượng sang điện áp MS3110, card giao tiếp NI USB-6009 và phần mềm điều khiển LabVIEW.
• Xây dựng hệ đo đặc trưng gia tốc tĩnh và động kết hợp bàn rung chuẩn và cảm biến gia tốc mẫu Mitutoyo AVT-CZ.

Chương 3: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa

Chương 3 tập trung vào thiết kế, mô phỏng, chế tạo và khảo sát thực nghiệm vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa:

• Thiết kế cấu trúc: Đề xuất cấu trúc âm thoa hoạt động theo trục Z gồm hai khối gia trọng dao động ngược pha trong mặt phẳng ($XY$). Cấu trúc sử dụng dầm gấp kép cho hệ dẫn động và dầm gấp cho hệ cảm ứng. Khối dao động được treo trên đế khung (thay vì đế tấm đặc) nhằm giải phóng không gian bên dưới, làm giảm mạnh hệ số suy hao nén khí và suy hao trượt.
• Cơ chế chống mode đồng pha: Tích hợp hệ dầm liên kết hình thoi giữa hai khối gia trọng để triệt tiêu mode dẫn động đồng pha, kết hợp cơ cấu bánh xe tự xoay nối với hệ dầm đẩy kéo để khóa mode cảm ứng đồng pha, chỉ cho phép dao động ngược pha hoạt động.
• Kết quả mô phỏng FEM (ANSYS):
  • Tối ưu hóa kích thước răng lược cảm ứng vi sai và khoảng cách điện cực $d$.
  • Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất: cấu trúc đế khung cho hệ số phẩm chất $Q$ cao hơn đáng kể so với cấu trúc đế tấm trong môi trường không khí.
  • Phân tích 10 mode dao động đầu tiên, xác định sự phụ thuộc của tần số dao động vào bề dày lớp Si linh kiện.
  • Mô phỏng chuyển vị cảm ứng và biến thiên điện dung tuyến tính theo vận tốc góc đầu vào $\Omega$.
• Chế tạo linh kiện: Thiết kế bộ mặt nạ Cr trên phần mềm Clewin; chế tạo thành công cấu trúc vi cơ trên phiến SOI; quan sát cấu trúc dầm hình thoi, bánh xe tự xoay và các lược tụ vi sai qua kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM).
• Khảo sát đặc trưng thực nghiệm:
  • Đo phổ đáp ứng tần số của mode dẫn động và mode cảm ứng trong điều kiện áp suất khí quyển.
  • Khảo sát đặc trưng điện áp ra theo vận tốc góc $\Omega$, xác định độ nhạy của vi cảm biến đạt $11,56\text{ mV/}^\circ\text{/s}$ và hệ số phẩm chất của mode cảm ứng đạt $Q = 111,2$ ngay trong không khí.

Chương 4: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do

Chương 4 trình bày thiết kế, chế tạo và đánh giá vi cảm biến gia tốc điện dung tích hợp đo 3 trục:

• Thiết kế cấu trúc: Đề xuất cấu trúc vi cơ ba bậc tự do (3-DOF) sử dụng một khối gia trọng trung tâm được treo bởi hệ 4 cụm thanh dầm gập dạng chữ L đối xứng tại 4 góc. Hệ thống điện cực răng lược vi sai bố trí theo hai phương $X, Y$ để đo gia tốc trong mặt phẳng; chuyển vị theo phương $Z$ (ngoài mặt phẳng) làm thay đổi khe hở thẳng đứng của các bản tụ.
• Kết quả mô phỏng FEM (ANSYS):
  • Phân tích mode xác định rõ ràng 3 tần số cộng hưởng riêng biệt cho 3 bậc tự do: Mode $X$, Mode $Y$ và Mode $Z$.
  • Khảo sát sự phụ thuộc tuyến tính của chuyển vị và biến thiên điện dung theo các giá trị gia tốc đầu vào trên từng trục.
• Chế tạo linh kiện: Thiết kế mặt nạ và thực hiện vi chế tạo hoàn chỉnh chip cảm biến gia tốc trên phiến SOI bằng công nghệ DRIE và ăn mòn giải phóng $SiO_2$ bằng hơi HF; ảnh chụp SEM kiểm chứng độ đồng đều và độ sắc nét của hệ dầm gấp L và hệ răng lược tụ vi sai.
• Khảo sát đặc trưng thực nghiệm:
  • Đo đáp ứng tần số cộng hưởng cho các mode dao động theo các trục $X, Y$.
  • Khảo sát đặc trưng điện áp - gia tốc tĩnh và gia tốc động trên hệ bàn rung chuẩn:
    • Độ nhạy trục $X$: $S_X = 13\text{ mV/g}$;
    • Độ nhạy trục $Y$: $S_Y = 11\text{ mV/g}$;
    • Độ nhạy trục $Z$: $S_Z = 0,2\text{ mV/g}$.
  • Kết quả thực nghiệm khẳng định cấu trúc dầm gập L giúp kiểm soát tốt độ cứng theo các phương, hạn chế tối đa hiện tượng ghép kênh nhiễu chéo giữa các trục.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt thiết kế cấu trúc vi cơ học:
   • Thiết kế thành công cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trục Z dạng đế khung. Cấu trúc này làm giảm đáng kể hiệu ứng suy hao nén khí và suy hao trượt, cho phép linh kiện đạt hệ số phẩm chất mode cảm ứng $Q = 111,2$ và độ nhạy $11,56\text{ mV/}^\circ\text{/s}$ trực tiếp trong môi trường áp suất khí quyển mà không bắt buộc phải đóng vỏ chân không phức tạp.
   • Đề xuất và ứng dụng thành công cơ cấu bánh xe tự xoay kết hợp dầm liên kết hình thoi, giải quyết triệt để vấn đề xuất hiện các mode dẫn động và cảm ứng đồng pha không mong muốn, nâng cao tính ổn định động học của con quay âm thoa.
   • Thiết kế thành công vi cảm biến gia tốc điện dung 3 bậc tự do sử dụng hệ dầm gấp dạng chữ L đối xứng, cho phép đo đồng thời ba thành phần gia tốc với độ nhạy đo được theo các phương $X, Y, Z$ lần lượt là $13\text{ mV/g}$, $11\text{ mV/g}$ và $0,2\text{ mV/g}$, đồng thời giảm thiểu hiện tượng nhiễu chéo trục.
2. Về mặt công nghệ chế tạo và đo kiểm:
   • Xây dựng và làm chủ quy trình công nghệ vi cơ khối khô DRIE kết hợp kỹ thuật giải phóng màng bằng hơi HF trên phiến SOI tại điều kiện phòng thí nghiệm trong nước.
   • Thiết lập hoàn chỉnh hệ thống đo kiểm đặc trưng tĩnh và động cho cảm biến quán tính dựa trên mạch chuyển đổi C-V vi sai MS3110, card NI USB-6009 và phần mềm xử lý tín hiệu LabVIEW.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Ứng dụng tích hợp hai loại vi cảm biến (vận tốc góc âm thoa và gia tốc 3-DOF) trên cùng một mô-đun để chế tạo hệ thống đo lường quán tính vi cơ (MEMS IMU) phục vụ dẫn đường, ổn định chuyển động trong các thiết bị công nghiệp, xe tự hành và thiết bị bay không người lái.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Độ nhạy đo gia tốc theo phương ngoài mặt phẳng (trục $Z$) của vi cảm biến gia tốc còn thấp ($0,2\text{ mV/g}$) so với hai trục trong mặt phẳng $X$ ($13\text{ mV/g}$) và $Y$ ($11\text{ mV/g}$) do cấu trúc điện cực răng lược phẳng chưa tối ưu cho biến thiên điện dung thẳng đứng.
• Hai loại vi cảm biến mới được chế tạo và khảo sát độc lập dưới dạng các chip riêng biệt, chưa được tích hợp nguyên khối (monolithic) hoặc đóng gói tích hợp trên cùng một đế vi mạch IMU hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu tối ưu hóa cấu trúc điện cực nhận tín hiệu trục $Z$ nhằm nâng cao độ nhạy của vi cảm biến gia tốc ba trục.
• Nghiên cứu tích hợp nguyên khối vi cảm biến gia tốc và vi cảm biến vận tốc góc trên cùng một chip SOI hoặc tích hợp hệ thống trong một vỏ đóng gói (System-in-Package - SiP).
• Phát triển mạch vi điện tử chuyên dụng (ASIC) tích hợp kèm thuật toán lọc số (như bộ lọc Kalman) để nâng cao độ chính xác và bù trôi nhiệt độ cho hệ thống IMU.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Vật lý kỹ thuật, Kỹ thuật Vi cơ điện tử (MEMS), Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa.
• Kỹ sư và cán bộ nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm vi cơ điện tử: Có thể tham khảo trực tiếp quy trình công nghệ chế tạo vi cơ khối khô DRIE trên đế SOI, kỹ thuật giải phóng cấu trúc bằng hơi HF tránh dính ướt, cũng như giải pháp thiết kế mạch đo C-V MS3110 kết nối LabVIEW.
• Các nhà phát triển hệ thống dẫn đường và thiết bị thông minh: Cung cấp giải pháp cấu trúc con quay hoạt động trong không khí và gia tốc kế 3 trục với chi phí chế tạo thấp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế nào giúp vi cảm biến vận tốc góc trong luận án triệt tiêu các mode dao động đồng pha không mong muốn?

Tác giả đã đưa vào thiết kế hai giải pháp cơ học đồng thời: (i) Cấu trúc dầm liên kết dạng hình thoi nối giữa hai khối gia trọng để khóa và loại bỏ mode kích thích đồng pha; (ii) Cấu trúc bánh xe tự xoay kết hợp hệ dầm đẩy kéo nối với khung cảm ứng để triệt tiêu mode cảm ứng đồng pha, đảm bảo linh kiện chỉ chuyển động theo đúng mode dao động ngược pha định trước.

2. Tại sao vi cảm biến vận tốc góc của luận án có thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển mà không cần đóng vỏ chân không cao?

Vi cảm biến được thiết kế theo cấu trúc trục $Z$ với các khối dao động được treo tự do trên cấu trúc đế khung (thay vì đế tấm đặc phẳng kín). Thiết kế này giải phóng khoảng không gian bên dưới khối chuyển động, giảm thiểu diện tích bề mặt gây ra hiệu ứng suy hao nén khí (squeeze damping) và suy hao trượt (slide damping), nhờ đó duy trì được hệ số phẩm chất mode cảm ứng đạt $Q = 111,2$ trong không khí.

3. Cấu trúc dầm của vi cảm biến gia tốc 3 bậc tự do được thiết kế như thế nào để đo đồng thời 3 trục và hạn chế nhiễu chéo?

Cảm biến gia tốc sử dụng cấu trúc khối gia trọng trung tâm liên kết với khung ngoài qua hệ 4 cụm thanh dầm gập dạng chữ L đối xứng đặt tại 4 góc. Cấu trúc dầm gập chữ L cho phép phân tách và kiểm soát độ cứng đàn hồi độc lập theo các phương $X, Y, Z$, giúp khối gia trọng dịch chuyển tự do theo cả ba trục trực giao khi có lực tác dụng tương ứng mà không làm suy giảm độ tuyến tính hoặc gây ghép mode chéo trục.

4. Quy trình vi chế tạo cảm biến trong luận án sử dụng công nghệ và các thiết bị cốt lõi nào?

Quy trình chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ khối khô trên phiến đế SOI với các công đoạn và thiết bị chính: máy quay phủ chất cảm quang 1H-D7, máy quang khắc hai mặt PEM800, hệ làm sạch piranha ($H_2SO_4:H_2O_2$) và $O_2$ plasma, máy ăn mòn sâu ion hoạt hóa DRIE tạo cấu trúc dầm/lược tỷ lệ cạnh cao, hệ ăn mòn giải phóng oxit đệm bằng hơi HF trong cốc Teflon có gia nhiệt, và máy hàn dây siêu âm Westbond 7400C.

5. Các thông số đặc trưng thực nghiệm chính đạt được của hai linh kiện là bao nhiêu?

• Vi cảm biến vận tốc góc âm thoa: Hệ số phẩm chất mode cảm ứng trong không khí $Q = 111,2$; độ nhạy đạt $11,56\text{ mV/}^\circ\text{/s}$.
• Vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do: Độ nhạy trục $X$ đạt $13\text{ mV/g}$, trục $Y$ đạt $11\text{ mV/g}$, trục $Z$ đạt $0,2\text{ mV/g}$ với độ nhạy chéo trục thấp.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Ngọc Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, mô phỏng, chế tạo và khảo sát thực nghiệm hai linh kiện quán tính MEMS quan trọng gồm vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trục Z và vi cảm biến gia tốc điện dung ba bậc tự do. Bằng việc đề xuất cấu trúc đế khung kết hợp cơ cấu bánh xe tự xoay và dầm gập chữ L, tác giả đã chế tạo thành công con quay vi cơ hoạt động ổn định trong áp suất khí quyển với hệ số phẩm chất $Q = 111,2$ và cảm biến gia tốc 3 trục có độ nhiễu chéo thấp. Toàn bộ quy trình công nghệ vi cơ khối khô trên phiến SOI cùng hệ thống đo kiểm C-V MS3110 - LabVIEW đã được làm chủ và hoàn thiện tại phòng thí nghiệm trong nước. Kết quả nghiên cứu tạo nền tảng kỹ thuật vững chắc cho việc tích hợp các hệ thống đo lường quán tính vi cơ (MEMS IMU) ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.