Báo Cáo Ứng dụng cảm biến đo áp suất MEMS

KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CỦA CẢM BIẾN ÁP SUẤT MEMS
1. Mục đích
Khảo sát cảm biến áp suất chế tạo theo công nghệ MEMS, trên cơ sở đó
thực hiện một bài toán sử dụng cảm biến áp suất: Bài toán cảnh báo áp suất.
2. Dụng cụ thực nghiệm
ã Buồng tạo áp suất
ã Bơm khí
ã Van xả
ã Áp kế thuỷ ngân
ã Các cảm biến
ã Mạch điều khiển
A. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Tổng quan về MEMS
Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng
lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. Điều này
đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những
năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và
hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử
(Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát
triển trong giai đoạn này.
Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là
công nghiệp 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 (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 mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động
với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện
MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động
vận tốc và gia tốc .Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế64
và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm
biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc
sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo
cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của
nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn.
2. Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS
Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các
chi tiết vi cơ. Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung
là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật
tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình.
Tuy nhiên các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng
(công nghệ planar nghĩa là phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những
thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v Do đó chúng không chỉ
nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt
phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích hợp thí
dụ có chi tiết cần đàn hồi như lò xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm
dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện. May mắn là trên cơ sở
silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic
(SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa
cứng vừa đàn hồi. Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo
những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn
hồi v.v lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm
gương, chỗ kia có lá kim loại đàn hồi dùng làm lò so v.v
Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở
công nghệ MEMS như sau:
¾ Gia công vi cơ khối
Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình
thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý
để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v