mở đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Từ cuối những năm 1980, giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ MEMS được đánh dấu bằng sự phát triển của công nghệ vi cơ bề mặt. Ngày nay, MEMS là giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những đổi mới kỹ thuật. MEMS đang là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển nhanh nhất hiện nay trên thế giới.
6 Với ưu thế về việc có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé, tinh tế, nhạy cảm và tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ MEMS cho phép tạo ra các bộ vi cảm biến (micro-sensors), các bộ vi kích hoạt/chấp hành (micro-actuators) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Trong công nghiệp, các sản phẩm của MEMS được ứng dụng trong các robot, các hệ thống tự động trong sản xuất, các thiết bị đo lường và kiểm tra… Hình 1. Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29] Trong công nghiệp sản xuất ô tô, các thiết bị MEMS được sử dụng gồm: cảm biến gia tốc để điều khiển hoạt động của túi khí an toàn (Hình 1.1), cảm biến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo áp suất, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, theo dõi dung dịch làm nguội động cơ,… Theo [29, 31] thống kê cho thấy, số lượng cảm biến MEMS sử dụng trong ngành này đã tăng từ 1,13 tỷ đơn vị từ năm 2005 lên 1,49 tỷ đơn vị năm 2008. Thị trường Châu Âu và Mỹ tăng trưởng từ 5,66 tỷ đô la năm 2005 lên 7,53 tỷ đô la năm 2008.
Theo [28], thị trường toàn cầu cho cảm biến ô tô đạt gần 23,5 tỷ đô la trong năm 2015, 26,3 tỷ đô la trong năm 2016 và sẽ đạt 43,4 tỷ đô la vào năm 2021, tốc độ tăng trưởng hàng năm trong 5 năm là 10,6%. Trong công nghệ y sinh, các ứng dụng của công nghệ MEMS còn được thể hiện rõ ràng hơn [15]. Chính sự tương thích giữa kích cỡ của các thiết bị MEMS với kích thước các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng và nghiên 7 cứu trong y học và sinh học mà công nghệ MEMS được ứng dụng nhiều. Các thiết bị đo huyết áp, nhịp tim [10], nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích mẫu máu, tế bào… đều có mặt các linh kiện MEMS.
Trong lĩnh vực viễn thông, MEMS được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị di động (các điện thoại thông minh), hệ thống truyền tín hiệu, các hệ thống ra đa, … Các sản phẩm MEMS cũng có đóng góp trong ngành chế tạo vũ khí cũng như hàng không vũ trụ, một trong những ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự và dân sự. Công nghệ MEMS cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày như trong các thiết bị giải trí, nghe nhìn, máy tính, máy in … [17]. Ngày nay, các thiết bị MEMS ngày càng được ứng dụng nhiều trong quân sự. Các loại tên lửa có điều khiển, các loại vũ khí thông minh, các hệ thống không người lái, … đều sử dụng đến các thiết bị vi cơ điện tử.
Để đáp ứng các yêu cầu về tác chiến điện tử, tự động tác chiến hay tác chiến thông minh đang từng bước phát triển đòi hỏi các thiết bị cần có độ chính xác về vị trí, tốc độ thì việc nghiên cứu, phát triển hệ thống cảm biến vi cơ điện tử có độ chính xác và tin cậy làm việc là một yêu cầu có tính cấp thiết cao. Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS Các thiết bị MEMS hoạt động dựa trên các hiệu ứng vật lý như: - Hiệu ứng tĩnh điện - Hiệu ứng áp điện - Hiệu ứng áp điện trở - Hiệu ứng điện từ - Hiệu ứng giãn nở nhiệt Sự khác nhau về mức độ phức tạp trong công nghệ chế tạo, khả năng tích hợp, kích thước các thiết bị và độ ổn định làm việc của các hiệu ứng được thể hiện trong Bảng 1. So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS Hiệu ứng Chế tạo Tích hợp Kích thước Độ ổn định Tĩnh điện Dễ Trung bình Nhỏ Tốt Áp điện Trung bình Trung bình Nhỏ Không tốt Áp điện trở Khó Dễ Nhỏ Rất tốt Điện từ Khó Khó Lớn Tốt Giãn nở nhiệt Dễ Trung bình Trung bình Tốt Dựa theo các phân tích về đặc tính trên, có thể thấy hiệu ứng tĩnh điện mặc dù có mức năng lượng tiêu thụ cao hơn song bù lại, hiệu ứng này có tốc độ đáp ứng nhanh, dễ chế tạo và điều khiển, có khả năng tạo ra hiệu suất cao và có thể tích hợp khá tốt. Vì vậy, hiệu ứng tĩnh điện được sử dụng nhiều hơn trong thiết kế, chế tạo các vi cảm biến hoặc vi kích hoạt/chấp hành theo công nghệ MEMS.
Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS kế thừa các đặc điểm của công nghệ vi điện tử và có phát triển thêm nhiều công nghệ mới đặc trưng của MEMS. Các kỹ thuật mới này nhằm mục đích chia tách các kết cấu cơ học với nền Silic. Công nghệ chế tạo được chia thành các nhóm chính sau [4]: a) Công nghệ vi cơ khối Bản chất của công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining) là dùng các phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực), tạo ra trên phiến Silic các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm … nhằm lấy đi một phần thể tích của phiến vật liệu chế tạo từ đó hình thành cấu trúc mong muốn. Để hình thành các cấu trúc vi cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến: Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Quá trình này dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn. Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc 9 dị hướng (có hướng mà tinh thể được ăn mòn nhanh, có hướng - chậm). Ăn mòn khô: là quá trình dùng tia plasma tương tác vào bề mặt của tấm silic tạo ra phản ứng hóa học ăn mòn silic. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu.
Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion hóa tức là tăng tốc độ các chùm tia bắn phá. b) Công nghệ vi cơ bề mặt Vi cơ bề mặt (Sacrificial Surface Micromachining) là một công nghệ gia công dựa trên các phương pháp phủ bề mặt, ăn mòn và lắng đọng các lớp vật liệu mỏng để tạo cấu trúc ba chiều. Các lớp cấu trúc gồm nhiều lớp vật liệu mỏng như các lớp vật liệu đệm và lớp vật liệu nền. Các lớp vật liệu đệm sẽ được loại bỏ một phần trong các bước gia công sau cùng bằng cách ăn mòn hóa học, các phần còn lại tạo thành một cấu trúc cơ học như mong muốn.
c) Công nghệ quang khắc LIGA LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung, theo tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Bản chất của phương pháp này là dùng chùm tia X có năng lượng lớn đi sâu vào chất cảm quang đến hàng milimet. Chất cảm quang thường dùng thuộc loại acrylic. Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, chất cảm quang bị tia X chiếu vào và bị hoà tan trong dung dịch hóa học.
Cấu trúc được hình thành từ phương pháp LIGA ở dạng ba chiều mà không phải hai chiều như phương pháp quang khắc thông thường. d) Công nghệ vi cơ dán Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, khoang kín. có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi dán úp hai mặt gia công lại với nhau. Trước hết, tạo một rãnh trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thường rồi dán lên trên phiến đó một phiến khác để đậy rãnh đó lại.
Bản chất của phương pháp gia công này là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm 10 một lớp lót để tăng cường sự kết dính. e) Công nghệ gia công vi cơ 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 công bằng tia laser thường chỉ dùng để làm khuôn.
Tia laser thường dùng là tia laser eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer. Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng 1. Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển Theo định nghĩa vật lí, cảm biến vận tốc góc, hay con quay hồi chuyển (Gyroscope) là một thiết bị dùng để đo đạc góc quay hoặc duy trì phương hướng của một trục quay, dựa trên nguyên lý bảo toàn mômen động lượng. Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20] Năm 1851, nhà khoa học người Pháp Jean-Bernard-Léon Foucault đã áp dụng chuyển động của con quay hồi chuyển để mô tả chuyển động quay của trái đất.
Ông cũng là người đưa ra thuật ngữ Gyroscope, được ghép từ tiếng Hi- lạp là “Gyro”- quay tròn và “skopeein”- quan sát [20]. Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (Hình 1.3), người ta sử dụng một đĩa quay (có mô men động lượng L = IΩ) nằm trên một trục quay xuyên tâm, trục quay này liên kết với khung quay bên ngoài thông qua các khớp quay. Mỗi con 11 quay có thể có từ 2, 3 hoặc 4 bậc tự do bao gồm: chuyển động quay quanh trục chính của đĩa quay so với khung trong, chuyển động quay của khung trong có chứa đĩa quay so với khung ngoài, chuyển động quay của các khung ngoài. Chuyển động tuế sai Trục quay L=IΩ Hình 1.
Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do Tốc độ quay của con quay quanh trục của nó thường rất lớn (có thể tới 22000÷30000 vòng/phút như trong thiết bị dẫn hướng của tên lửa), do đó con quay có momen động lượng lớn. Khi có các lực tác động bên ngoài, do momen động lượng lớn mà trục quay của đĩa vẫn duy trì được phương của nó. Nhờ tính chất này mà con quay cơ cổ điển đã sớm được ứng dụng trong các công cụ định hướng và dẫn lái trên các thiết bị đường biển. Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặt trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 nhờ các phát minh của nhà khoa học người Mỹ, Elmer Sperry (Hình 1.