59 chu duc trinh done 8516

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 trình bày tổng quan vi điện tử MEMS, lĩnh vực khoa học liên ngành dựa tảng ngành vi điện tử vi chế tạo Các linh kiện MEMS sử dụng rộng rãi xã hội cám biến gia tốc, cảm biến góc, cảm biến áp xuất, cảm biến sinh học, Báo cáo trình bày tóm tắt số định hướng nghiên cứu nhóm nghiên cứu Vi điện tử vi hệ thống, Khoa Điện tử- Viễn thông, Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội Từ khóa: MEMS; Cảm biến; Vi điện tử HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ “There's plenty of room at the bottom” tạm dịch “Còn khoảng trống cấp vi mô” tiêu đề diễn thuyết Giáo sư Richard P Feynman vào năm 1959, thiên tài Vật lý [1] Câu hỏi “Tại khơng thể viết tồn 24 chương Bách khoa toàn thư Brittanica đầu đinh ghim?” giáo sư khai sáng số lĩnh vực khoa học hồn tồn - cơng nghệ nano (nano technology), công nghệ vi điện tử (Microelectromechanical Systems – MEMS) (a) (b) Hình Linh kiện MEMS với chức tích hợp hệ thống Hình 1-a thể linh kiện MEMS linh kiện tích hợp có kích thước cỡ micromet tích hợp chức điện chức khơng điện hệ thống Cho đến nay, sau khoảng gần 40 năm phát triển, linh kiện MEMS đạt đến thành tựu tích hợp cao Trong linh kiện MEMS có thành phần điện mạch vi xử lý, linh kiện thụ động, thu phát truyền tin, hệ thống nguồn nuôi, cảm biến chấp hành Thuật ngữ hệ thống vi điện tử ban đầu thể hệ thống tích hợp chức điện, điện tử (electro, electronics) (mechanical) Theo thời gian, linh kiện MEMS tích hợp thêm nhiều chức quang, nhiệt, từ, chất lỏng, hóa học, sinh học, đó, bên cạnh thuật ngữ hệ thống vi điện tử, thuật ngữ “vi hệ thống - microsystems” sử dụng phổ biến Hình 1-b thể MEMS lĩnh vực đa ngành, tích hợp nhiều chức khác hệ thống, quy trình chế tạo với u cầu tích hợp cao Thơng thường quy trình chế tạo linh kiện MEMS triển khai chủ yếu tảng quy trình vi chế tạo sử dụng rộng rãi ngành chế tạo vi điện tử để tận dụng tối đa khả chế tạo hàng loạt công nghệ này, khả tích hợp hệ thống với linh kiện điện tử Bên cạnh đó, cơng nghệ MEMS phát triển số kỹ thuật 478 N N An,… , C Đ Trình, “Hệ thống vi điện tử MEMS ứng dụng.” Thông tin khoa học công nghệ vi chế tạo đặc thù vi khối (bulk micromachining), vi bề mặt (surface micromachining), hàn phiến (wafer bonding), LIGA, Ngoài sử dụng tất vật liệu, quy trình vi điện tử, MEMS cịn sử dụng nhiều vật liệu thủy tinh (glass), polymer, vật liệu y sinh học, hóa học, Hình số hình ảnh mơ tả sản phẩm MEMS nhớ milipede IBM (hình 2-a), mơ tả bề mặt chip BioMEMS (hình 2-b) (a) (b) Hình Một linh kiện MEMS: (a) nhớ milipede IBM (b) mô tả bề mặt chip BioMEMS Bộ môn Vi điện tử vi hệ thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội thành lập vào năm 2004 tập trung vào việc thiết kế, chế tạo ứng dụng linh kiện MEMS vào thực tiễn Với định hướng nghiên cứu liên ngành Bộ mơn có nhiều hợp tác với đối tác ngồi nước khoa học cơng nghệ đào tạo Viện DIMES, Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan; Viện AIST, Nhật Bản; Phịng thí nghiệm MEMS, Trường Đại học Quốc gia Chungcheng, Đài Loan; Khoa Hóa học, Trường Đại học Bar-Ilan, Israel; số phịng thí nghiệm MEMS, nano, y sinh học nước Một số hướng nghiên cứu MEMS kết đạt được trình bày phần NGHIÊN CỨU MEMS TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI A Cảm biến áp điện trở piezoresistive Vật liệu áp điện trở sử dụng rộng rãi thiết kế cảm biến lực khả dễ chế tạo, dễ tích hợp quy trình chế tạo vi mạch điện tử Hình ảnh vi kẹp dựa hiệu ứng nhiệt điện silicon-polymer có gắn cảm biến áp điện trở Khi tác động điện áp lên chấp hành nhiệt điện silicon-polymer làm đầu kẹp đóng lại với độ dịch chuyển tới 30 μm Bộ chấp hành cho phép thao tác với vi hạt có kích thước từ 10 đến 30 μm Cánh tay chấp hành nối với dầm silicon với cấu trúc cảm biến piezoresistive Cảm biến cho phép giám sát chuyển động đầu kẹp lực tương tác đầu kẹp vi hạt (xem hình 3-a) Hình 3-b ảnh vi kẹp đóng gói đế IC chuẩn Hệ thống vi kẹp ứng dụng thao tác vi hạt, thao tác tế bào sống y sinh học, [2] Hình Ảnh SEM vi kẹp nhiệt điện silicon-polymer có gắn cảm biến piezoresisive Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 479 Thông tin khoa học cơng nghệ Cảm biến piezoresistive cịn nhóm nghiên cứu ứng dụng để thiết kế chế tạo đầu phun mực có theo dõi vận tốc kích thước hạt mực lối Hình ảnh đầu phun mực có gắn cảm biến Khi có áp xuất tác động lên buồng chứa mực làm cho màng mỏng đầu phun mực cong, hình thành giọt mực bắn khỏi đầu phun Tốc độ hạt mực, hình dạng, thể tích ước tính thơng qua tín hiệu thu cảm biến piezoresistive gắn đầu phun Cấu trúc cho phép chế tạo đầu phun mực thơng minh sử dụng máy in màu chất lượng cao, hệ thống xét nghiệm y sinh học, [4] (a) (b) Hình Điện áp lối cảm biến piezoresistive độ dịch chuyển đầu vi kẹp (a) (b) Vi kẹp đóng gói đế IC chuẩn B Cảm biến piezoelectric (a) (b) Hình Đầu phun mực có gắn cảm biến dựa nguyên lý piezoresistive Cảm biến áp điện piezoelectric sử dụng rộng rãi cảm biến siêu âm, lọc, cộng hưởng có tần số cao, độ phẩm chất lớn Nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến piezoelectric ứng dụng đầu phun mực thông minh, hệ thống cảm nhận độ bay chất lỏng, đo góc tiếp xúc chất lỏng bề mặt, Hình thể cấu trúc cảm biến piezoelectric sử dụng để đo độ bay chất lỏng Tín hiệu kích thích đưa vào IDTs lối vào để tạo sóng bề mặt SAW Các sóng SAW truyền đến IDTs lối Theo dõi đặc trưng tín hiệu lối ước tính đặc trưng kênh truyền hay tính hình dạng, khối lượng, độ bay chất lỏng bề mặt cấu trúc [5] 480 N N An,… , C Đ Trình, “Hệ thống vi điện tử MEMS ứng dụng.” Thông tin khoa học cơng nghệ Hình Cảm biến piezoelectric dùng hệ thống cảm nhận độ bay chất lỏng đáp ứng lối cấu trúc C Cảm biến quay vi gyroscope Một mơ hình gyroscope kép (tuning fork gyroscope – TFG) gồm hai gyroscope đơn ghép nối khung liên kết hình “quả trám” nghiên cứu phát triển (hình 7) Một ưu điểm mơ hình TFG khả tạo trì dạng dao động ngược pha hai khung phương dẫn động (phương x) hai khối lượng cảm phương cảm ứng (phương y) y O x Hình Mơ hình 3D TFG nghiên cứu Hình Đáp ứng phương cảm phần tử khối lượng với số dạng vận tốc góc (a) khả trì trạng thái ngược pha dẫn (b) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 481 Thông tin khoa học công nghệ Bằng cách sử dụng hàm Lagrange loại 2, hệ phương trình vi phân dao động hệ thiết lập, đồng thời giải phương pháp số để xác định đặc trưng dao động phần tử khung dẫn phần tử khối lượng cảm với điều kiện đầu khác Đặc biệt thay đổi độ cứng khung trám, khả trì lệch pha cho hai nhánh gyroscope đơn tăng lên (hình 8) [6] D Cảm biến vận tốc góc kiểu khí Cảm biến vận tốc góc dựa nguyên lý lưu chất (lỏng khí) khơng cần có dao động khối qn tính nên có độ bền cao, khả chống chịu tác động học Cấu hình cảm biến phát triển gồm có phận tạo luồng gió phận cảm nhận độ lệch luồng gió cảm biến chịu tác động vận tốc góc (Hình 9-a) Luồng gió tạo khơng gian kín tuần hồn dựa hiệu ứng dịng xả corona Độ lệch luồng gió ion tạo có vận tốc góc tác dụng đo cách sử dụng dây nhiệt điện trở (hotwire) đặt vị trí thích hợp buồng làm việc Khi có vận tốc góc ảnh hưởng đến cảm biến, luồng gió ion tạo bị lệch hướng hiệu ứng Coriolis đo dây nhiệt điện trở Cấu trúc cảm biến đề xuất thiết kế, chế tạo dựa công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh (hình 9-b,c) Hoạt động cảm biến khảo sát với khả đo vận tóc góc chiều Với việc khơng sử dụng thành phần dao động học cảm biến vận tốc góc kiểu quay hồi chuyển thông thường, cấu trúc cảm biến có độ bền học cao, phù hợp cho ứng dụng khác đo lường điều khiển [7] (a) Hình Cảm biến vận tốc góc kiểu khí: (a) Ngun lý hoạt động; (b, c) Hình ảnh thực tế E Cảm biến đo nghiêng nhiều trục Sensing electrodes w k r l d2 Excitation electrode d2 Hình 10 Cảm biến đo độ nghiêng hai chiều 482 N N An,… , C Đ Trình, “Hệ thống vi điện tử MEMS ứng dụng.” Thông tin khoa học cơng nghệ Cảm biến góc nghiêng ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực từ: xây dựng, khí, y tế, quân sự, robot tự động hóa Hình 10 thể thiết kế cảm biến góc nghiên hai chiều Cảm biến chế tạo cơng nghệ in 3D bao gồm hình cầu chứa chất lỏng khơng khí, bao quanh bên điện cực Điện cực đáy điện cực kích thích điện cực cảm biến phía Cảm biến độ nghiêng chế tạo đo góc nghiêng [-35o, + 35o] với độ nhạy 124 mV/o hai trục với nhiễu xuyên kênh nhỏ Ở trạng thái cân bằng, thay đổi góc tối thiểu phát ~ 0,15° F Vi bơm không van dựa phương pháp in 3D Các hệ thống bơm vi lưu có nhiều ứng dụng thực tiễn, ứng dụng phân tích xét nghiệm, cần thiết phải tạo áp lực truyền dẫn lưu chất Với cấu bơm truyền thống, cần thiết phải có hệ thống van chiều để chỉnh lưu luồng lưu chất di chuyển theo chiều xác định Nghiên cứu đề xuất cấu trúc bơm không sử dụng van dựa hiệu ứng chỉnh lưu vị trí nozzle (hình 11-a) màng rung áp điện Cấu trúc van mô tối ưu hoạt động chế tạo thử nghiệm phương pháp in 3D tạo mẫu nhanh (hình 11-b) Hoạt động vi bơm kiểm chứng thực nghiệm, xác nhận bơm có khả bơm, trộn chất lỏng đồng thời tạo vi giọt (micro droplet) với kích thước điều khiển (hình 11-c, d) [8] (a) (b) (c) (d) Hình 11 Cấu trúc bơm không van (a) mô hoạt động, (b) nguyên mẫy chế tạo phương pháp in 3D, (c) thực nghiệm bơm, trộn chất lỏng, (d) tạo vi giọt G Hệ phun tĩnh điện ứng dụng y sinh học Electrospinning (phun tĩnh điện) phương pháp tổng hợp sợi nano cách kéo sợi từ dung dịch polymer nhờ lực tĩnh điện Trên hình 15, sơ đồ thiết bị phun tĩnh điện thông thường tạo sợi nano minh họa Phương pháp cho phép tạo sợi polymer mảnh, với đường kính dao động từ vài chục nanomet đến vài micromet Tùy vào tính chất nguyên liệu sử dụng độ nhớt, nồng độ cường độ điện đặt kim phun điện cực thu, mà sản phẩm hệ tạo thành dịng chảy liên tục dạng sợi, dạng hạt Hình 12 Sơ đồ nguyên lý hệ phun tĩnh điện tạo sợi nano Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 483 Thông tin khoa học cơng nghệ Hình 13 Electrospinning ứng dụng y sinh học Phun tĩnh điện phương pháp ưu việt nhằm tiết kiệm nguồn nguyên vật liệu mà đảm bảo hiệu sử dụng (hình 12) Trong thời gian chế tạo ngắn, cần lượng nhỏ vật liệu tạo màng sợi nano có độ bao phủ rộng Đặc biệt, phun tĩnh điện có ưu điểm cho phép tạo màng sợi nano từ đa dạng nguồn vật liệu nên phát triển đa dạng lĩnh vực khác nhau, tạo lớp da nhân tạo ứng dụng chữa trị vết thương, phân phối thuốc, ngành hóa mỹ phẩm làm đẹp, cảm biến chất xúc tác Hình 13 kết chế tạo sợi nano từ đa dạng nguồn nguyên liệu sử dụng phương pháp electrospinning (phun tĩnh điện) H Hệ thống vi lỏng kết hợp aptamer cảm biến trở kháng nhằm phát tế bào ung thư Bệnh ung thư nguyên nhân gây tử vong thứ hai sau bệnh tim mạch Trong trình sinh bệnh, tế bào ung thư tách khỏi khối u ban đầu vào máu, trở thành tế bào ung thư tuần hồn (CTCs) coi giai đoạn đầu trình di Hơn bệnh ung thư trị khỏi tái phát lan sang mô khác Nguyên nhân mầm mống ung thư phát tán tế bào vào máu Khi CTC di chuyển khắp thể bám rễ chỗ tạo nên khối u chỗ trở thành mối đe dọa Nhóm nghiên cứu đề xuất phát triển hệ thống chip BioMEMS để tập trung, sàng lọc phát tế bào ung thu phổi A549, sơ đồ nguyên lý thể hình 14 [9, 10] Hình 14 Hệ thống cảm biến vi lỏng kết hợp aptamer cảm biến trở kháng nhằm phát tế bào ung thư 484 N N An,… , C Đ Trình, “Hệ thống vi điện tử MEMS ứng dụng.” ... biến piezoresistive Cảm biến cho phép giám sát chuyển động đầu kẹp lực tương tác đầu kẹp vi hạt (xem hình 3-a) Hình 3-b ảnh vi kẹp đóng gói đế IC chu? ??n Hệ thống vi kẹp ứng dụng thao tác vi hạt,... sinh học, [4] (a) (b) Hình Điện áp lối cảm biến piezoresistive độ dịch chuyển đầu vi kẹp (a) (b) Vi kẹp đóng gói đế IC chu? ??n B Cảm biến piezoelectric (a) (b) Hình Đầu phun mực có gắn cảm biến... học Công nghệ Delft, Hà Lan; Viện AIST, Nhật Bản; Phịng thí nghiệm MEMS, Trường Đại học Quốc gia Chungcheng, Đài Loan; Khoa Hóa học, Trường Đại học Bar-Ilan, Israel; số phịng thí nghiệm MEMS, nano,