Khóa luận tốt nghiệp Khảo sát tần số dịch chuyển thanh Cantilever

hản ứng CVD có thể được sử dụng cho lắng đọng silicon, silicon dioxide, và silicon nitride. Bảng 3. Một số phản ứng CVD. SiO2 : Si3N4 Si(poly): W: TiN: SiH4 + O2 à SiO2 + H2O SiH4 + N2O à SiO2 + NH3 + H2O SiO(CH3)4 + O2 à SiO2 + CH3 + O2 SiH4 + NH3 à Si3N4 + H2 SiH4Cl2 + NH3 à Si3N4 + HCl SiH4 à Si + H2 WF6 + SiH4 à W + SiF4 + H2 + F2 TCl4 + NH3 à TiN + Cl2 + H2 Phản ứng CVD thì là một hệ thống phức tạp trong áp suất, năng lượng và dòng chảy của phản ứng cần phải điều khiển cẩn thận để tạo được tấm film tốt. Hệ thống chân không thì không những cần thiết cho lò phản ứng để loại bỏ những phản ứng bởi chế tạo và để loại bỏ những phế phẩm. Phản ứng thì được thiết kế cẩn thận với chất lưu và gây ra chuyển động nhiệt trong để lưu ý chế tạo điều khiển một cách cẩn thận. Gây ra chuyển động chất lưu trong phản ứng CVD thiết kế bao gồm: - Điều khiển lớp chất lưu: ảnh hưởng lớn đến sự khuếch tán của phản ứng trên bề mặt wafer. - Lưu lượng dòng khí không đồng bộ: Hiện tượng như cell tuần hoàn có thể có va chạm đồng bộ của việc lắng đọng bên kia bề mặt wafer. Hình 1.13. Sơ đồ buồng phản ứng CVD. Tóm lại, các quá trình CVD cần phải điều khiển do động lực học hoặc bởi chuyển đổi khối lượng. Quá trình điều khiển động lực học bị giới hạn bởi tỉ lệ phản ứng trên bề mặt wafer. Quá trình điều khiển chuyển đổi khối lượng thì bị giới hạn bởi dòng khí phản ứng trong phản ứng CVD. Một vài kiểu của quá trình CVD: - CVD ở áp suất không khí (Atmospheric pressure CVD: APCVD), vì tỉ lệ lắng đọng cao, nhiều tạp chất. APCVD được sử dụng chủ yếu để lắng đọng chất như silicon nitride. - CVD ở áp suất thấp (Low pressure CVD: LPCVD) hoạt động ở áp suất 0.1 đến 1 torr và ảnh hưởng đến sự khuếch tán trong quá trình chế tạo là nhỏ nhất. LPCVD được dùng để lắng đọng silicon dioxide, polycrystalline silicon, Vonfamat(tungsen) và silicon nitride. - Plasma tăng cường (Plasma Enhanced CVD- PECVD). Plasma phân hủy phản ứng khí tạo ra ion và bức xạ, được kết hợp và hình thành nên bề mặt màng. Quá trình PECVD thường được sử dụng để lắng đọng lớp ôxi hóa chống gỉ silicon nitride. Việc lựa chọn quá trình thường phụ thuộc vào nhiệt độ chế tạo cực đại, ứng suất màng, chất lượng màng. 1.4.4. Vật liệu và cấu trúc tinh thể màn 1.4.4.1. Các loại cấu trúc tinh thể [13] Hiện nay, chúng ta đã biết đến 7 loại tinh thể đó là : lập phương (cubic), tứ phương ( tetragonal), trực thoi (orthorhombic), lục giác (hexagonal), đơn tà ( monoclinic) và tam tà ( triclinic) kết hợp với 3 phân loại khác như tâm khối (body centred), tâm mặt ( face centred) và tâm bên ( side centred). Như thế, chúng ta có tổng cộng 14 loại tinh thể như hình dưới: Hình 1.14. Tổng hợp các loại cấu trúc tinh thể của vật liệu . Như thế, khi tạo các màn mỏng trong công nghệ MEMS, định hướng mọc tinh thể và xác định cấu trúc tinh thể cần phải biết để chúng ta có thể điều chỉnh tốc độ mọc tinh thể, độ tinh khiết, bề dày,… các màn mỏng. 1.4.4.2. Chế tạo vật liệu bán dẫn [14] Những vấn đề cơ bản xuất hiện trong quá trình nhận đơn tinh thể bán dẫn liên quan đến việc không làm bẩn vật liệu đa tinh thể ban đầu, đến việc không làm bẩn vật liệu đa tinh thể ban đầu, đến việc nhận đơn tinh thể có đường kính tối ưu và khối lượng cực đại để giảm giá thành, đến sự phân bố các tính chất đồng đều trong thể tích đơn tinh thể và cấu trúc hoàn hảo tới mức tối đa của đơn tinh thể. Đơn tinh thể bán dẫn cần có tính chịu nhiệt cao để bảo đảm các tính chất lý điện không bị thay đổi, sau khi sử lý nhiệt các đế được xẻ ra từ chúng. Ngoài ra, đơn tinh thể bán dẫn cần chức rất ít ứng suất nhiệt trong thể tích. Quá trình kết tinh định hướng là nội dung chủ yếu của các phương pháp tổng hợp, làm sạch, cũng như cấu đơn tinh thể bán dẫn. Ba quá trình này có thể tiến hành riêng rẽ hoặc đồng thời trong một chu trình. Biện pháp sau thường tối ưu hơn vì tránh làm nhiễm bẩn thêm nguyên liệu đa tinh thể. Trong công nghệ vật liệu bán dẫn sử dụng các phương pháp nuôi đơn tinh thể như sau: phương pháp Bridgeman, phương pháp Czochralski và kết tinh định hướng ngang hoặc luyện vùng thẳng đứng, hay có tên gọi chung là luyện vùng. Tinh thể Ge và Silic: Ge được chế tạo từ các chất thải của các dây chyền sản xuất của ngành luyện kim, hoặc các phân xưởng cốt hóc than. Vì hàm lượng Ge có trong những chất thải này rất nhỏ, phải tiến hành làm giàu Ge tới nồng độ (50 ÷ 60)%. Ge tồn tại trong các chất thải đã cô đọng ở đạng Ge02 hoặc. Tinh thể Silic: Silic là nguyên tố có mặt khắp nơi trên trái đất. Hàm lượng Si có trong lòng đất là 27,7%. Hai phương pháp thông dụng để chế tạo Silic: Silic đa tinh thể có độ sạch cao được chế tạo bằng phương pháp hoàn nguyên triclosilan (SiHCl3). 1.4.4.3. Chế tạo màn mỏng [14] Các màng mỏng có thể được chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện (electro – deposition), bốc bay chân không (vacuum evaporation) và phún xạ (sputtering). Hai phương pháp đầu tiên đã được sử dụng từ những năm 50. Hiện nay, các màng mỏng, nhất là các màng mỏng đất hiếm – kim loại chuyển tiếp thường được chế tạo bằng phương pháp phún xạ. Đây cũng là phương pháp phổ biến được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm ở Việt Nam. Do đó, phần này chỉ tập trung giới thiệu công nghệ chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ mà các bạn đọc Việt Nam có thể đang quan tâm vào thời điểm hiện nay. Hình 1.15. Nguyên lý cơ bản của quá trình phún xạ. Quá trình phún xạ thực chất là một quá trình chuyển hóa xung lượng. Khi các ion bắn phá bề mặt của bida, tương tác giữa các ion khí và nguyên tử của bida xảy ra như quá trình va chạm. Sự va chạm có thể xảy ra đến độ sâu 5 ÷10nm như sự trao đổi xung lượng chỉ xảy ra trong khoảng cách 1nm từ bề mặt bida. 1.4.4.4. Xác định trục tinh thể [15] Sau khi chế tạo màn xong, chúng ta có thể kiểm tra cấu trúc tinh thể bằng nhiều phương pháp khác nhau như chụp nhiễu xạ tinh thể tia X. Chúng ta có thể dùng phần mềm mô phỏng Laue để xác định trục tinh thể khi biết thông số ban đầu: hằng số mạng, vị trí của nguyên tử trong ô cở sở cũng tinh thể thuộc hệ mạng nào. Sau đó, kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microcopy: SEM) được sử dụng xác định cấu trúc bề mặt, độ gồ ghề, độ dầy. Kết hợp với việc phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy: EDX) để phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng và xác định thông tin về thành phần các nguyên tố. Khả năng khuếch đại của SEM là rất lớn, trong phạm vi từ x 25 đến x 250,000, vượt xa giới hạn khuếch đại tốt nhất của kính hiển vi quang học là khoảng 250 lần. 1.4.4.5. Một số tính chất của vật liệu [16] Tính cơ tính của vật liệu là khả năng chịu lực tác động bên ngoài làm thay đổi hình dạng và trạng thái của vật liệu. Tức là độ biến dạng của vật liệu khi có tải trọng đặt vào. Chúng bao gồm: Biến dạng đàn hồi, Biến dạng dẻo và giả đàn hồi. Một số đặc tính khác như : nồng độ hạt tải, mật độ phân bố, điện trở suất, tính chất nhiệt, tính chất quang, độ truyền qua, khúc xạ, phản xạ,… là các tham số cần xác định trước, trong và ngay cả sau khi tạo màn nhằm so sánh và tính toán các hiện tượng vật lý đối với linh kiện. (a) (b) Hình 1.16. Ảnh SEM và phổ tán sắc năng lượng tia X của một tinh thể TmCoIn5 [15] (a): Ảnh bề mặt tinh thể phân tích và (b): Phổ tán sắc năng lượng tia X. 1.4.5 Vấn đề về tỉ lệ trong ngành công nghiệp MEMS [18] Con người đã trải qua hàng trăm năm hướng tới việc thu nhỏ các thiết bị cho những mục đích khác nhau. Một số đơn giản chỉ vì vấn đề thẩm mĩ nhưng phần lớn là để chế tạo ra những thiết bị có nhiếu chức năng hơn với kích thước nhỏ hơn. Tuy nhiên trong thế kỷ 20, khi những nghiên cứu về thu nhỏ kích thước thiết bị đến đơn vị 0.001(1 phần ngàn) thì nảy sinh ra một số vấn đề nguyên tắc về các tương tác vật lý. Vấn đề càng trở nên nghiêm trọng hơn đối với các thiết bị có tỉ lệ thu nhỏ cức cao như các thiết bị trong ngành công nghiệp MEMS hay những thiết bị thu nhỏ tới mức độ nguyên tử . Việc này có thể tạo ra một số vấn đề như: - Cần phải bổ sung một số lãnh vực vật lý khác nhau ở cấp độ hạt. - Các hiện tượng vật lý sẽ có những tỉ lệ khác nhau mà có thể thay đổi tầm quan trọng của chúng so với kích thước thường. Như vậy vấn đề như trên đặt ra cho các nhà khoa học một thách thức vì những kinh nghiệm vật lý hay những mô hình vật lý đã dược xây dựng trong cấp độ vĩ mô chưa chắc đã đúng trong cấp độ vi mô. Mục này sẽ làm rõ một số yếu tố và cách mà chúng thay đổi trong cấp độ nhỏ hơn như cơ học, điện và dòng chảy. 1.4.5.1. Sự thay đổi hình học do thay đổi tỉ lệ: Để đánh giá được sự thay đổi của hệ thống do sự thay đổi kích thước, trước tiên ta phải nghiên cứu về khía cạnh hình học và đưa ra một mấu hình chung để đánh giá. Muốn như vậy ta sẽ xem xét một hệ thống có tỉ lệ đẳng cấu(nghĩa là tỉ lệ thu nhỏ các cạnh sẽ bằng nhau). Giả sử chiều dài Xo sẽ được thu nỏh với tỉ lệ S. Do ta đang nghiên cứu ở cấp độ nhỏ hơn nên 0<S<1. Khi đó sự thay đổi trong diện tích, thể tích sẽ được liệt kê trong công thức 1.7 tới 1.9 [1.7] [1.8] [1.9] Ảnh hưởng của tỉ lệ Thước đo tỉ lệ Hình 1.17. Ảnh hưởng của sự thay đổi tỉ lệ S Khối lượng của một vật tỉ lệ với thể tích của vật đó.Vì vậy, khi kích thước bị giảm đi 1.000 lần( lần ) thì kích thể tích sẽ giảm đi lần . Khối lượng là một biến số vô cùng quan trọng trong các hiện tượng vật lý. Một số tỉ lệ hình học khác như tỉ lệ giữa diện tích và thể tích là rất quan trọng trong các bài toán dòng chảy và các bài toán truyền nhiệt. Vì vậy khi hệ thống được thu nhỏ tới kích thước MEMS thì giá trị tỉ lệ diện tích/thể tích sẽ tăng do công thức . [1.10] Điều này làm thay đổi những đại lượng vật lý được tính bằng tỉ lệ diện tích-thể tích. Sự thay đổi cơ học do thay đổi tỉ lệ Hai đại lượng vô cùng quan trọng trong các bài toán cơ học là khối lượng và độ cứng. Khối lượng tỉ lệ thuận với thể tích và mật độ khối của vật thể đó. Bởi vậy khối lượng cũng như thể tích sẽ thay đổi một tỉ lệ khi hệ thống thay đổi với tỉ lệ S. Tức là khối lượng và thể tích giảm nhanh hơn nhiếu so với sự giảm của kích thước vật thể. [1.11] Độ cứng của các hệ thống cơ học diễn tả khả năng biến dạng hình học của hệ thống dưới tác dụng của lực tác động. Độ cứng K là tỉ số giữa độ lớn lực tác động lên vật và độ biến dạng của vật. [1.12] Độ cứng của vật liệu ảnh hưởng tới độ biến dạng thanh và biến dạng xoắn Thanh cantilever tiết diện tròn có tải đồng trục. Thanh cantilever tiết diện tròn có tải ngang. Thanh cantilever tiết diện tròn có tải xoay tròn Hình 1.18. Biến dạng thanh và biến dạng đố xứng khi vật thể bị ngoại lức tác động. Biến dạng thanh là biến dạng chống lại sự thay đổi cong xuống hoặc cong lên của vật thể trong khi biến dạng đối xứng là chống lại sự biến dạng dãn ra của vật thể do lức kéo. [1.13] [1.14] Công thức [1.13] và [1.14] diễn tả sự thay đổi tỉ lệ cơ bản của độ cứng vật liệu cho 2 loại biến dạng trên. Với E là thuộc tính vật liệu gọi là molulus Young, A là diện tích và mô men quán tính I. Trong công thức này thì diện tích A và mô men quán tính I được chuyển sang tích của các thành phần kích thước để có thể thêm vào hệ số tỉ lệ S. Qua 2 công thức trên ta thấy rằng độ cứng tỉ lệ tuyến tính với hệ số tỉ lệ S. Ví dụ 1.1 Vấn đề: Hãy tìm ra sự thay đổi của độ cứng xoắn khi kích thước thay đổi theo hệ số tỉ lệ S: Giải: Dựa vào công thức tính độ cứng xoắn: [1.15] Với G: là hằng số cứng giữ vai trò như E trong công thức tính độ cứng thanh và độ cứng đối xứng , G là hằng số đặc trưng cho vật liệu. J: mô men quán tính của hình tròn . L: độ dài thanh. Mô men quán tính tiết diện tròn: [1.16] Vậy: [1.17] Do kích thước thay đổi với hằng số tỉ lệ S nên [1.18] Như vậy tỉ lệ thay đổi của độ cứng xoắn là , khác với độ cứng thanh và độ cứng đối xứng là S. Một đại lượng khác cũng có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong các mô hình cơ học là tần số tư nhiên. Tần số tự nhiên là đại lượng liên quan đến độ đàn hồi và lực quán tínhđể định nghĩa tần số dao động cơ học của hệ thống. Tần số dao động tự nhiên có liên quan trực tiếp tới độ cứng và là một vấn đề được sử dụng nhiều trong các công trình khoa học. Tần số dao động tư nhiên được tính bằng căn bậc 2 tỉ số giữa độ cứng và khối lượng của hệ thống . Như ở trên đã chứng minh, khi kích thước hệ thống thay đổi với tỉ lệ S thì độ cứng cũng thay đổi với tỉ lệ S (ở đây ta xét độ cúng ngang) và khối lượng thay đổi tỉ lệ với thể tích tức . Như vậy tần số giao động tự nhiên sẽ thay đổi với tỉ lệ . Để ý rằng lúc này ảnh hưởng do sự thay đổi của độ cúng K là chậm hơn nhiều so với khối lượng M. [1.19] Ví dụ 1.2 Một hệ thống như hình 1.16 sau: Diện tích= Thể tích= Hình 1.19. Mô hình hệ thống Hệ thống có một hình hộp vuông với kính thước cạnh là L được treo trên một thanh có tiết diện ngang là hình vuông với kích thước 0.1L là dài 2L. HỆ thống được cho thả xuống với gia tốc a. Hỏi khi hệ thống được thu nhỉ với tỉ lệ 0.001 lần thì lực căng thay đổi như thế nào Giải: Lực căng : [1.20] Với D là bậc tải trọn tự do.Trong mô hình trên thì D=2 [1.21] [1.22] Với là mật độ khối.Vậy: [1.23] Khi hệ thống bị thu nhỏ với tỉ lệ S thì: [1.24] Có nghĩa là [1.25] Kết luận: khi hệ thống bị thu nhỏ 0.001 lần thì a sẽ tăng thêm 1000 lần. 1.4.5.3 Thay đổi về điện do sự thay đổi tỉ lệ: Sự thay đổ về tỉ lệ cũng có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố cơ bản trong lĩnh vực điện và từ. Hình 1.17 mô tả sự thay đổi theo tỉ lệ của các đại lượng điện trở, điện dung của tụ và độ tự cảm của cuộn dây. Hình 1.20. Điện trở ,điện dung của tụ và độ tự cảm của cuộn dây Điện trở R là một đại lượng đặc trưng cho tính cản trở dòng điện của vật liệu phụ thuộc vào hằng số , chiều dài và diện tích bề mặt cắt ngang của vật dẫn. Khi vật dẫn giảm theo tỉ lệ S thì điện trở của vật đó tăng lên 1 lượng lần. [1.26] Điện dung C của một tụ điện là đại lượng phụ thuộc vào hằng số điện môi, diện tích của 2 bản điện và khoảng các giữa chúng. Vì vậy điện dung giảm S lần khi có hệ số tỉ lệ là S. [1.27] Độ tự cảm L của cuộn dây N vòng được tính bằng độ thẩm từ đặc trưng cho vật liệu, số vòng dây và tỉ số tiết diện ngang và chiếu dài. Cũng giống như diện dung C, khi vật thu nhỏ với hệ số tỉ lệ S thì L cũng giảm S lần. [1.28] Trong những mạch điện tử ở cấp độ MEMS, khi giảm kích thước với tỉ lệ S thì R và C cũng giảm trong khi L lại tăng. Như vậy những thiết bị vi điện CMOS với nhưng thành phần tụ, trở hay cuộn dây sẽ không hoạt động giống như bình thường nữa. Việc hiểu rõ những ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ trên lên các thiết bị vi điện là vô cùng quan trọng. Ví dụ như trong các cảm biến gia tốc hay bộ phận con quay hồi chuyển sử dụng những tụ để bật tắt những cảm biến dựa vào sự thay đổi khối lượng… Một cách để nghiên cứu sự thay đổi trong môi trường vĩ mô là xem xét sự thay đổi của 2 yếu tố mật độ điện trường và mật độ từ trường Công thức 1.29 và 1.30 xác định giá trị mật độ điện trường và mật độ từ trường trong đó và lần lượt là hằng số điện môi và độ từ thẩm trong khu vực có cường độ điện trường E và cường độ từ trường B. Trong môi trường chân không thì = và Giá trị từ trường tối đa là giá trị từ trường ngay trước khi nó đánh thủng. Hiện tượng đánh thủng này xảy ra khi electron hoặc ion trong vùng điện trường được gia tốc và va chạm với các phân tử khí. Ở môi trường khí quyển bình thường thì giá trị từ trường tối đa cho cấp độ vĩ mô(>~10) là Emax=. [1.29] [1.30] Mật độ năng lượng điện trường cực đại bị giới hạn bởi mật độ điện trường bão hòa trong vật liệu từ. Trong các vật liệu, ở cấp độ electron và nguyên tử thường xuất hiện sự ảnh hưởng của điện trường. Trong một số vật liệu thì sự ảnh hưởng này có thể bị loại bỏ do sự triệt tiêu nhau bắt nguồn từ hiện tượng sắp xếp hỗn độn. Tuy nhiên trong vật liệu sắt từ thì các nguyên tử liền sát nhau có khuynh hướng xếp thẳng hành để tạo ra nhưng ảnh hưởng từ trường. Mỗi vùng từ trường như vậy có thể ảnh hưởng trong phạm vi vài micron tới vài milimet. Tuy nhiên những vùng từ trường này thường sắp xếp ngấu nhiên. Nếu có một từ trương ngoài áp vào thì chúng sẽ quay đồng loạt theo hướng tứ trường ngoài. Giá trị B bão hòa thường là 1Tesla. Sử dụng giá trị Emax= và B max=1T ta có thể tính được mật độ năng lượng điện trường và mất độ năng lượng từ trường. [1.31] [1.32] Để ý thấy rằng giá trị mật độ năng lượng điện trường lớn gấp 1000 lần giá trị mật độ năng lượng điện trường. Đó là lý do tại sao từ trường là đại lượng chi phối trong thế giới vi mô. Tuy nhiên trong lĩnh vực MEMS khi mà khoảng cách giữa 2 bản tụ điện là rất nhỏ, chỉ khoảng 1 thì 2 giá trị này gần như là bằng nhau do trong thế giới vĩ mô Vì Dẫn đến [1.33] 1.4.6. Phát triển ngành vi cơ điện tử và MEMS tại Việt Nam Ở Việt Nam, trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010” đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới, có triển vọng, như: hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã trở thành điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài. Trong số đó có không ít công ty hàng đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ MEMS. Có thể thấy điều này ở những điển hình như Canon Inc. đã mở ra một nhà máy tại khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 và một tại Khu công nghiệp Quế Võ, Bắc Ninh sản xuất máy in phun với số vốn đầu tư gần 100 triệu USD, công suất 700.000 sản phẩm/tháng dành cho xuất khẩu, doanh thu dự kiến là 400 triệu USD/năm. Một trong những chi tiết quan trọng trong thiết bị máy in là bộ phận phun mực được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Trong ngành ô tô là Honda với một nhà máy ở Vĩnh Phúc, Toyota với một nhà máy trung tâm ở Mê Linh và một ở khu công nghiệp Thăng Long cùng hệ thống các nhà máy vệ tinh ở nhiều địa phương, Ford với một nhà máy hoàn chỉnh tại Hải Dương. Một số lượng lớn các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ MEMS để lắp đặt trong các xe ô tô gồm vi cảm biến áp suất cho hệ thống nhiên liệu và chỉ thị áp suất lốp xe, gia tốc kê cho bộ phận túi khí an toàn (airbag), vận tốc góc để cân bằng xe hoạt cho các thiết bị định vị khi xe lưu thông trong hệ thống giao thông (navigations)… Nhận xét về lợi ích của việc áp dụng công nghệ này vào ngành công nghiệp Việt Nam, do trình độ phát triển các ngành công nghệ cao ở nước ta còn hạn chế, việc phát triển công nghệ MEMS sẽ cho phép chúng ta thực hiện các chiến lược đi tắt đón đầu vì những tiềm năng to lớn phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Hiện nay rất nhiều sản phẩm của công nghệ MEMS như cảm biến MEMS quán tính dùng trong các hệ thống điều khiển, công nghiệp robot loại nhỏ với các microsensor dạng con quay vi cơ cho các thiết bị điều khiển bay, kỹ thuật môi trường với các microsensor đo độ ẩm, đo độ PH, ứng dụng y sinh với các microsensor đo áp suất màu, đo nồng độ Glucose, nồng độ khí… Để Việt Nam có tên trên bản đồ nồng công nghệ Micro-Nano thế giới, cần có những cơ sở nghiên cứu chế tạo và đưa ra thị trường những sản phẩm trên cơ sở công nghệ này. Một khi những nhà sản xuất bị thuyết phục rằng chúng ta có thể đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất, chế tạo linh kiện MEMS tại Việt Nam khi đó việc đầu tư xây dựng những nhà máy tại Việt Nam cho những mục đích này là hoàn toàn có tính khả thi. Từ năm 1997, những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến công nghệ chế tạo linh kiện MEMS đã được thực hiện tại viện ITIMS trong phòng sạch duy nhất tại Việt Nam do Hà Lan tài trợ. Về đội nghũ giảng dạy: ITIMS hiện đã có một đội ngũ cán bộ giảng dạy được đào tọa một cách bài bản và chất lượng cao về công nghệ MEMS tại các cường quốc về lĩnh vực này như Hà Lan, CHLB Đức, Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản. Giáo trình về công nghệ MEMS đã được đưa vào trong chương trình đào tạo kỹ sư và cao học tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong 2 năm 2005-2007, trên cơ sở dự án Hợp tác quốc tế giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội với Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản) do tổ chức NEDO tài trợ, phòng thí nghiệm MEMS hiện đại đã được thành lập tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nhiều thiết bị công nghệ hiện đại, đặc biệt là hệ thiết bị quang khắc 2 mặt và hệ thiết bị ăn mòn khô RIE) Dry reactive ion etching) đã được đầu tư. Đây là cơ sở cho việc nâng cao chất lượng nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực này tại Việt Nam, hội nhập trình độ quốc tế. Trong giai đoạn từ năm 2000 đến nay đã có nhiều hoạt động liên quan tới công nghệ MEMS được tổ chức như hội nghị quốc tế lần thứ 8 về công nghệ cơ điện tử tại Hà Nội năm 2004, khoá đào tạo Việt – Pháp đầu tiên về công nghệ micro và nano tổ chức vào tháng 1 năm 2003 tại Hà Nội. Hội nghị quốc tế lần thứ 1 về công nghệ Micro-nano 2008. Các hoạt động trên đã tạo điều kiện để các nhà khoa học Việt Nam quan tâm phát triển công nghệ micro và Nano có cơ hội giao lưu, hợp tác với các nhà khoa học, chuyên gia về phát triển công nghệ Micro và Nanô quốc tế. Chương 2 Cảm biến khối lượng dựa vào các thanh cantilever 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến dựa trên bộ cantilever [1] Thành phần chính của bộ cảm biến cantilever là 1 thanh kim loại dẹt có kích thước từ vài chục µm đến vài chục nanomet. Chính cấu trúc này cho phép thiết bị từng sự thay đổi nhỏ nhất ở cấp độ phân tử và chuyển đổi thành những tín hiệu mà có thể số hoá và có thể ghi chép và xử lý bằng các thiết bị đầu vào khác. Hình 2.1. Một thiết bị với các thanh cantilever. Có thể chia thành 2 loại thay đổi chính: - Thay đổi dạng tĩnh: Dựa trên sự thay đổi của ứng suất bề mặt của thanh cantilever do có sự xuất hiện của các phân tử cần dò. - Thay đổi dạng động: Dựa trên nguyên tắc phát hiện ra sự thay đổi tần số cộng hưởng của thanh cantilever do có sự xuất hiện của phân tử cần dò tìm trên thanh cantilever. A B Hình 2.2. Các loại thay đổi chính của thanh cantilever.Hình A là thay đổi ứng suất. Hình B là thay đổi tần số tự nhiên. Trong đề tài ta sử dụng nguyên lý thay đổi dạng động của thanh cantilever Mode động Mode tĩnh Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động bộ cảm biến cantilever. Hình 2.3 cho thấy những thanh cantilever được đặt trên lớp vật liệu nền cantilever . Tín hiệu kích thích dạng hình sin được tạo ra từ 1 máy phát tần số sẽ quét 1 tần số mong muốn lên thanh cantilever (1). Dựa vào kỹ thuật phát hiện sự thay đổi phương truyền của chùm tia laser sẽ cho phép ta đo dược sự đáp ứng của thanh cantilever (2). Một bộ phân tích tần số sẽ so sánh tín hiệu đầu vào và đầu ra, từ đó cho ta biết sự thay đổi tần số dao động do có sự có mặt của phân tử cần phát hiện. Một phần mềm sẽ cho pháp ta suy ra được khối lượng phân tử từ sự thay đổi tần số này. 2.2. Tần số cộng hưởng tự nhiên của thanh cantilever [7] [9] [11] Bản chất tần số cộng hưởng tự nhiên được giải thích như sau: Giả sử một bộ phát tần số tạo ra 1 tần số nhưng nhỏ hơn tần số tự nhiên mong muốn của mode 1 lên thanh dầm. Tần số này sau đó sẽ tự tăng dần đến mức của tần số dao động bậc 1 và biên độ dao động đỉnh-đỉnh của thanh dầm sẽ đạt đến giá trị cực đại tại tần số dao động này. Tương tự đối với tần số tự nhiên bậc 2 và bậc 3 Mục đích của mục này là cách xác định tần số tự nhiên của thanh cantilever của những bậc dao động (vibration modes) sử dụng kỹ thuật quét sóng Sin. Kỹ thuật quét sóng sin là kỹ thuật áp 1 kích thích dạng sóng sin lên một hệ thống để kiểm tra và đo lường đáp ứng của hệ thống như tần số trước sự kích thích nói trên. Những biến đổi cơ học (gia tốc, độ lệch) thay đổi một cách tuần hoàn được phát ra từ trong những hệ thống cơ học. Trong trường hợp này thì cantilever chính là các hệ thống cơ học với sự thay đổi về tần số dao động. Giả sử những thanh cantilever là một thanh dầm đồng nhất continnum (là một chuỗi những chất điểm sao cho những chất điểm gần nhau là giống như nhau nhưng lại có sư khác nhau giữa điểm đầu và điểm cuối) có thể dao động theo những bậc vô hạn mà biên độ dịch chuyển thay đổi dọc theo chiều dọc thanh. Lưu ý rằng những bậc nằm ngoài nút điểm đầu tiên( nút điểm là những vị trí mà không có sự thay đổi về biên độ dao động). Số các nút điểm = (bậc dao động – 1). Vd: dao động bậc 2 có 1 nút điểm ,bậc 3 có 2 nút điểm. Mỗi bậc dao động tự nhiên có 1 tần số dao động riêng của nó, ta gọi là tần số cộng hưởng riêng. Các tần số tự nhiên này được tính như sau: [11] [7] [9] Hình 2.4. Dao động bậc 1,2,3 của thanh cantilever. [2.1] [2.2] [2.3] Với E : Hằng số young của vật liệu(GPa hay N/m2 ) [2.4] [2.4 I : Mô men quán tính,được tính () b :chiều rộng và h là chiều dày của thanh cantilever. A :diện tích bề mặt ( m2 ), L:chiều dài thanh cantilever. Ta cũng có thể sử dụng công thức: [2] [2.5] Với: [2.6] Thực ra các công thức trên hoàn toàn chỉ là 1 nhưng do việc sử dụng khối lương khác nhau(tức khối lượng thô hay khối lượng hiệu dụng của thanh cantilever) Như vậy có thể dễ dàng thấy được tần số dao động bậc 1 và 2 sẽ chênh lệch nhau 1 lượng 3.526/22.03 (lần). Tương tự, bậc dao động 2 và 3 sẽ chênh lệch nhau 61.70/22.03 (lần). Cũng có thể tính được k ở các bậc 2, 3 với cách lập luận tương tự: Điều này hoàn toàn trùng khớp với số liệu thu được từ thí nghiệm thực tế trong bảng sau: Bảng 4. Tần số dao động của 4 mode đầu tiên.[3] Mode Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 fexp(Hz) 30712 192493 539060 1056640 fsim (Hz) 31734 198815 556486 1089920 ∆fmax (Hz) 480 2541 6059 9864 Như vậ