Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng

Bài viết này trình bày tổng quan về vi cơ điện tử MEMS, một lĩnh vực khoa học liên ngành dựa trên nền tảng của ngành vi điện tử và vi chế tạo. Các linh kiện MEMS hiện nay được sử dụng rộng rãi trong xã hội như cảm biến gia tốc, cảm biến góc, cảm biến áp suất, cảm biến sinh học,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng Thông tin khoa học công nghệ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Ngọc An1, Trần Văn Ngọc2, Đặng Đình Tiệp2, Đỗ Quang Lộc2, Trần Thị Thúy Hà4, Nguyễn Đắc Hải5, Vũ Văn Thể6, Nguyễn Như Cường1, Phạm Ngọc Thảo1, Bùi Thanh Tùng1, Chử Đức Trình1* Tóm tắt: Báo cáo này trình bày tổng quan về vi cơ điện tử MEMS, một lĩnh vực khoa học liên ngành dựa trên nền tảng của ngành vi điện tử và vi chế tạo. Các linh kiện MEMS hiện nay được sử dụng rộng rãi trong xã hội như cám biến gia tốc, cảm biến góc, cảm biến áp xuất, cảm biến sinh học,... Báo cáo cũng trình bày tóm tắt một số định hướng nghiên cứu của nhóm nghiên cứu Vi cơ điện tử và vi hệ thống, tại Khoa Điện tử- Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội.Từ khóa: MEMS; Cảm biến; Vi cơ điện tử. 1. HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ “Theres plenty of room at the bottom” tạm dịch là “Còn những khoảng trống ở cấp vimô” là tiêu đề của một bài diễn thuyết của Giáo sư Richard P. Feynman vào năm 1959,một thiên tài Vật lý [1]. Câu hỏi “Tại sao chúng ta không thể viết toàn bộ 24 chương củacuốn Bách khoa toàn thư Brittanica trên đầu một cây đinh ghim?” của giáo sư đã khai sángra một số lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới - công nghệ nano (nano technology), côngnghệ vi cơ điện tử (Microelectromechanical Systems – MEMS). (a) (b) Hình 1. Linh kiện MEMS với các chức năng được tích hợp trong một hệ thống. Hình 1-a thể hiện linh kiện MEMS là một linh kiện tích hợp có kích thước cỡ micrometvà tích hợp chức năng điện và các chức năng không điện trong một hệ thống. Cho đến nay,sau khoảng gần 40 năm phát triển, các linh kiện MEMS đã đạt đến thành tựu tích hợp rấtcao. Trong một linh kiện MEMS hiện nay có thể có các thành phần điện như mạch vi xử lý,linh kiện thụ động, bộ thu phát truyền tin, hệ thống nguồn nuôi, cảm biến và bộ chấp hành. Thuật ngữ hệ thống vi cơ điện tử ban đầu thể hiện hệ thống tích hợp các chức năngđiện, điện tử (electro, electronics) và cơ (mechanical). Theo thời gian, linh kiện MEMS cóthể tích hợp thêm nhiều các chức năng như quang, nhiệt, từ, chất lỏng, hóa học, sinh học,...do đó, bên cạnh thuật ngữ hệ thống vi cơ điện tử, thuật ngữ “vi hệ thống - microsystems”cũng được sử dụng phổ biến. Hình 1-b thể hiện MEMS là một lĩnh vực đa ngành, nó tíchhợp nhiều các chức năng khác nhau trong một hệ thống, trong một quy trình chế tạo vớiyêu cầu tích hợp cao. Thông thường quy trình chế tạo linh kiện MEMS được triển khai chủ yếu trên nền tảngquy trình vi chế tạo được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo vi điện tử để tận dụng tốiđa khả năng chế tạo hàng loạt của công nghệ này, cũng như khả năng tích hợp hệ thốngvới các linh kiện điện tử. Bên cạnh đó, công nghệ MEMS cũng phát triển một số kỹ thuật478 N. N. An,… , C. Đ. Trình, “Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng.”Thông tin khoa học công nghệvi chế tạo đặc thù như vi cơ khối (bulk micromachining), vi cơ bề mặt (surfacemicromachining), hàn phiến (wafer bonding), LIGA,... Ngoài sử dụng tất cả các vật liệu,quy trình của vi điện tử, MEMS còn sử dụng nhiều vật liệu mới như thủy tinh (glass),polymer, vật liệu y sinh học, hóa học,... Hình 2 là một số hình ảnh mô tả sản phẩm MEMSnhư bộ nhớ milipede của IBM (hình 2-a), và mô tả bề mặt một chip BioMEMS (hình 2-b). (a) (b) Hình 2. Một linh kiện MEMS: (a) bộ nhớ milipede của IBM và (b) mô tả bề mặt một chip BioMEMS. Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại họcCông nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội được thành lập vào năm 2004 tập trung vào việcthiết kế, chế tạo và ứng dụng các linh kiện MEMS vào thực tiễn. Với định hướng nghiêncứu liên ngành Bộ môn đã có nhiều hợp tác với các đối tác trong và ngoài nước trong khoahọc công nghệ và đào tạo như Viện DIMES, Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan; ViệnAIST, Nhật Bản; Phòng thí nghiệm MEMS, Trường Đại học Quốc gia Chungcheng, ĐàiLoan; Khoa Hóa học, Trường Đại học Bar-Ilan, Israel; một số phòng thí nghiệm vềMEMS, nano, y sinh học trong nước. Một số hướng nghiên cứu về MEMS cũng như cáckết quả đạt được được trình bày trong phần tiếp theo. 2. NGHIÊN CỨU MEMS TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘIA. Cảm biến áp điện trở piezoresistive Vật liệu áp điện trở được sử dụng rộng rãi trong thiết kế các cảm biến lực do khả năngdễ chế tạo, dễ tích hợp trong các quy trình chế tạo vi mạch điện tử. Hình 3 là ảnh của mộtvi kẹp dựa trên hiệu ứng nhiệt điện silicon-polymer có gắn cảm biến áp điện trở. Khi tácđộng một điện áp lên bộ chấp hành nhiệt điện silicon-polymer sẽ làm đầu kẹp có thể đóng ...