CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về công nghệ MEMS như: lịch sử hình thành và phát triển, xu hướng phát triển cũng như ưu – nhược điểm và những ứng dụng thực tế của công nghệ MEMS. Ngoài ra chương này còn xác định mục tiêu, nhiệm vụ và trình tự thực hiện luận văn.1 Tính cấp thiết của luận văn Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung và công nghệ micro – nano nói riêng, các sản phẩm được chế tạo ngày càng tinh vi và đa dạng, đặc biệt là kích thước. Việc giảm kích thước các chi tiết hay kết cấu của một sản phẩm sẽ mang lại nhiều lợi ích. Sản phẩm có kết cấu nhỏ hơn sẽ tiêu thụ nguyên vật liệu và năng lượng ít hơn, hiệu suất cao hơn và quan trọng nhất đó là mở ra nhiều cơ hội về mặt ứng dụng hơn, như trong lĩnh vực y học có ống trợ thính, kim tiêm không gây đau, các loại bơm, van, … ngoài ra còn có nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, ô tô, … Do đó các sản phẩm kích thước nhỏ cỡ vài trăm micro hoặc nhỏ hơn nữa đang được các nhà nghiên cứu thiết kế chế tạo quan tâm một cách đặc biệt.
Để chế tạo những sản phẩm kích thước nhỏ có thể áp dụng công nghệ MEMS (Micro – Electro – Mechanical – Systems) hoặc dùng công nghệ vi khuôn (Micro molding). Mỗi một phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Nếu dùng công nghệ MEMS để chế tạo thì sản phẩm thu được có thể sử dụng ngay được, đạt độ phân giải cao, tuy nhiên việc đầu tư ban đầu, cũng như chi phí nguyên vật liệu cao. Đối với vi khuôn, điển hình nhất là vi khuôn phun ép (Micro injection molding), trên cơ sở dùng công nghệ MEMS chế tạo các tấm khuôn (Micro mold insert) sau đó dùng kỹ thuật ép phun đặc trưng cho chi tiết nhỏ này.
Việc áp dụng chế tạo cho một loạt sản phẩm bằng kỹ thuật phun ép sẽ giúp giảm giá thành, đạt hiệu quả kinh tế cao.TS Thái Thị Thu Hà Trang 1 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu Thực tế ở các nước phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS vào công nghiệp và đời sống một cách mạnh mẽ, còn ở nước ta lĩnh vực này đang trong giai đoạn khởi đầu với những nghiên cứu, thiết kế - chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ MEMS như: Chip sinh học - Sản phẩm có tên gọi đầy đủ là linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (QCM - Quatz Crystal Microbalance), do Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM đầu tư và được ICDREC (Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch Đại học quốc gia TP HCM) kết hợp với Trung tâm Nghiên cứu Triển khai khu Công nghệ cao TP HCM triển khai thiết kế và sản xuất. Cảm biến vi cơ đo lực – Trung Tâm Quốc tế Đào tạo về Khoa học Vật liệu (ITIMS). Cảm biến áp suất. Ứng dụng cảm biến áp suất MEMS trong thiết bị điện tử y tế - Chử Đức Trình, Nguyễn Phú Thùy,Vũ Ngọc Hùng, Đinh Văn Dũng, Bùi Thanh Tùng , Trần Đức Tân, Vũ Việt Hùng, Khoa Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội Nhà E3, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam,Trung tâm ITIMS, Toà nhà ITIMS, 01 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam.
Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) - Vũ Ngọc Hùng, Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Viện ITIMS, Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam. Chế tạo đầu viết mực in phun có thể phun trên bất kỳ dung môi hay loại giấy in nào. Mực in phun dùng linh kiện áp điện được Epson thương mại hoá, dùng nguyên tắc điện trở được thương mại hoá bởi HP, Canon, Lexmark. Bên cạnh những sản phẩm được sản xuất theo công nghệ MEMS thì việc sản xuất các sản phẩm bằng công nghệ vi khuôn có nghĩa ý quan trọng trong lĩnh vực khuôn mẫu nói riêng và trong công nghệ MEMS nói chung.
Thành công trong công CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 2 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu nghệ vi khuôn sẽ tạo ra bước đột phá mới trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo công nghệ MEMS cho các lĩnh vực như hàng không vũ trụ, cảm biến, bộ dẫn động, y tế,. với các thiết bị có kích thước micro. Từ những ứng dụng mang nhiều ý nghĩa của vi khuôn ứng dụng công nghệ MEMS trong nghiên cứu thiết kế, chế tạo. Vì thế thực hiện đề tài là ý nghĩa và mang tính cấp thiết.
Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ gia công MEMS trong thiết kế khuôn mẫu là nội dung luận văn của em.2 Lịch sử phát triển và nhu cầu về nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trên thế giới và Việt Nam 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển Với sự ra đời của công nghệ chế tạo vi mạch (IC) trong thập niên 1960, con người có khả năng chế tạo các chip có mật độ từ vài trăm đến vài triệu tranzitor nằm trên bề mặt silic. Đây được xem như một sự tiến bộ lớn về công nghệ vi mạch. Yếu tố cạnh tranh và tính kinh tế trong ngành công nghiệp IC đòi hỏi phải không ngừng cải tiến. Do đó một yêu cầu được đặt ra là phải chế tạo càng nhiều vi mạch trên một tấm wafer (vật liệu bán dẫn để chế tạo vi mạch tích hợp) càng tốt.
Vì thế, cấu trúc mạch cần phải được thu nhỏ lại, tuy nhiên chức năng vẫn tương tự, thậm chí là tiến bộ hơn trước. Thành công của sự tiến bộ này sẽ mang lại lợi nhuận rất lớn về kinh tế. Song song với các quá trình thu nhỏ kích thước bo mạch thì việc thu nhỏ kích thước các linh kiện, chi tiết hay bộ phận không thể chế tạo trực tiếp trên vi mạch là điều kiện tiên quyết để giảm kích thước. Các bộ phận nằm ngoài chip (off - chip) thường là các cơ cấu chấp hành và thường được chế tạo bằng kỹ thuật cơ khí.
Yêu cầu đặt ra là những bộ phận này vẫn giữ được các tính chất nguyên gốc cơ học một cách trung thực, tuy nhiên với những bộ phận nhỏ thì không thể chế tạo được với các kỹ thuật cơ khí truyền thống. Vì vậy cần phải có công nghệ chế tạo cho các bộ phận dạng này.TS Thái Thị Thu Hà Trang 3 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu Từ những kết quả đạt được của công nghiệp vi mạch là khả năng sản xuất hàng loạt các vi mạch kích thước rất nhỏ, điều này giúp các nhà nghiên cứu có cơ sở để áp dụng các công nghệ vi mạch để sản xuất các thiết bị cơ khí, quang học … với hy vọng có được những cải tiến về hiệu suất và chi phí tương tự như trong ngành công nghiệp bán dẫn. Và đó là lý do dẫn đến sự ra đời của công nghệ MEMS. Công nghệ MEMS cho phép thu nhỏ kích thước linh kiện nhưng vẫn giữ được các đặc tính cơ khí cần thiết.2 Khái niệm về MEMS MEMS là thuật ngữ viết tắt của Micro – Electro – Mechanical – Systems (Hệ vi cơ điện tử).
Thuật ngữ MEMS dùng để chỉ sự tích hợp giữa hệ thống điện tử và cơ khí để tạo thành một cấu trúc vi hệ thống (có kích thước micromet) có thể hoạt động, vận hành như các sản phẩm cơ điện truyền thống.1 Tương quan kích thước và chất lượng các loại máy Tổng quát hơn, MEMS đồng thời vừa là một công cụ, vừa là một sản phẩm vật lý và cũng là một giải pháp. Xét từ gốc độ vật lý, MEMS tích hợp các thành phần cơ và điện trên một tấm nền được chế tạo bằng các kỹ thuật vi chế tạo. Các thành phần điện được chế tạo bằng các kỹ thuật IC ví dụ như CMOS. Còn thành phần cơ được chế tạo bởi vi chế tạo tương thích với công nghệ IC.
Hình sau mô tả nguyên lý cấu tạo của một chip MEMS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 4 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của một chip MEMS Từ khái niệm trên cho thấy một số đặc tính của MEMS như sau: Là cấu trúc vi mô có kích thước từ 1μm đến 1mm. Mang các đặc tính điện (Electro), ví dụ cần phải cung cấp hiệu điện thế nguồn để hoạt động, có các tín hiệu điện/ điện tử vào ra … Mang các đặc tính cơ (Mechanical): chuyển động cơ học, khớp nối theo 2 hoặc 3 chiều, các truyền động bánh răng, biến dạng các màng … Mang đặc tính tích hợp giữa các hệ thống (Systems): gồm các nhóm linh kiện điện – cơ trong các cấu trúc khác nhau, chúng tích hợp với nhau trên một hệ thống thống nhất và có thể điều khiển được (Systems on chip). Một thiết bị được tạo ra đã có sẵn sự tích hợp các tính chất điện - cơ mà không cần các bước lắp ráp các phần chính của thiết bị (ví dụ như mạch điện, các cơ cấu cơ khí) trừ bước đóng gói sản phẩm. Công nghệ MEMS đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc trước đây là công nghệ bán dẫn.
MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (System on chip). Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ Silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip và có thể kết hợp với những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện … CBHD: PGS.TS Thái Thị Thu Hà Trang 5 HVTH: Nguyễn Hùng Vỹ - 09040393 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ MEMS trong thiết kế khuôn mẫu Hình 1.3 Các lĩnh vực có thể ứng dụng trong MEMS Một hệ thống có thể bao gồm: Cảm biến để thu nhận thông tin cho hệ thống. Mạch điện tử để xử lí các tín hiệu mà cảm biến đưa về.
Cơ cấu chấp hành (Actutors): thực hiện các chuyển động đáp ứng theo các tín hiệu đã được mã hóa. Các cảm biến cơ cấu chấp hành thực hiện các chuyển động cơ, còn việc xử lý tín hiệu và kiểm soát hoạt động của cơ cấu có thể được xây dựng bằng cách sử dụng mạch điện tử.
