(Micro Electronic Mechanical System – MEMS)
Vi cơ điện tử (Microelectromechanical system - MEMS): hệ thống bao gồm các bộ phận cơ khí và các mạch điện tử kết hợp để tạo ra các thiết bị thu nhỏ, thông thường là trên một con chip bán dẫn, có kích thước từ hàng chục micromet đến vài trăm micromet (1 micromet bằng một phần triệu của 1 mét). Các ứng dụng phổ biến cho MEMS bao gồm cảm biến, cơ cấu chấp hành, và các đơn vị kiểm soát quá trình. Một số hình ảnh linh kiện MEMS được cho trên hình 1.
(a)
(b)
Cơ cấu truyền động MEMS so với kích thước của một con bọ có kích thước bằng đường kính sợi tóc (a) và cảm biến gia tốc MEMS ba chiều (b) (Nguồn: http://www.sandia.gov/mstc/mems/)
Cấu trúc và hình ảnh thực tế của vi gương với khả năng điều khiển độc lập (Nguồn http://dx.doi.org/10.1117/12.273880)
Mối quan tâm trong việc tạo ra các linh kiện MEMS đã tăng lên trong những năm 1980, nhưng phải mất gần hai thập kỷ để thiết lập cơ sở hạ tầng thiết kế và sản xuất cần thiết cho sự phát triển thương mại của các linh kiện này. Một trong những sản phẩm đầu tiên được ứng dụng rộng rãi là bộ điều khiển túi khí ôtô. Bộ điều khiển túi khí là sự kết hợp các cảm biến quán tính để phát hiện va chạm và mạch điều khiển điện tử để bung túi khí khi phát hiện có va chạm. Một sản phẩm khác cũng được sử dụng từ rất sớm là đầu in của máy in phun với khả năng kiểm soát lượng mực in.
Vào cuối những năm 1990, sau nhiều thập niên nghiên cứu, một loại máy chiếu điện tử mới đã được bán trên thị trường, sử dụng hàng triệu vi gương (micromirror), trong đó góc nghiêng của mỗi vi gương được điều khiển độc lập bằng mạch điện tử riêng, để chuyển đổi các tín hiệu số thành những hình ảnh có khả năng cạnh tranh với các màn hình truyền hình truyền thống tốt nhất.
MEMS cũng được sử dụng trong các sản phẩm mới nổi bao gồm các mảng vi gương cho việc chuyển mạch quang trong lĩnh vực viễn thông, các chip bán dẫn với bộ dao động cơ học tích hợp cho các ứng dụng tần số vô tuyến (như điện thoại di động) và một loạt các cảm biến sinh hóa dùng cho sản xuất, y học và an ninh. Vi gương là phần tử cơ khí căn bản cho việc chuyển quang ở các mối đấu chữ thập cho phép chuyển tín hiệu ánh sáng từ một sợi quang này đến một sợi quang khác. Quá trình này được thực hiện nhờ hệ thống bao gồm cả các cổng vào/ra, bộ chấp hành, và một bề mặt gương. Khi áp thế vào bộ phận chấp hành, làm cho gương dịch chuyển và hướng ánh sáng về một lối ra xác định, vi gương sẽ giữ nguyên vị trí cho tới khi cần phải dịch chuyển quang lộ theo một hướng khác.
Ngoài ra các linh kiện MEMS cũng đang được nghiên cứu phát triển để sử dụng trong các lĩnh vực tiềm năng như trong các thiết bị phân tích hóa học, môi trường, y sinh học.
Các linh kiện MEMS được chế tạo sử dụng các công nghệ chế tạo và vật liệu sử dụng trong sản xuất mạch tích hợp (IC). Thông thường, các lớp silic đa tinh thể được lắng đọng (deposition) cùng với các lớp oixit silic (SiO2) hay những vật liệu khác. Các lớp này được làm mẫu và khắc (etching) trước khi các lớp hy sinh được giải phóng (release) để lộ cấu trúc ba chiều, bao gồm các vi kênh, buồng không gian, vòi phun, bánh rang, gương... Bằng cách xây dựng các cấu trúc này bằng các phương pháp xử lý theo lô (batch-processing) giống nhau được sử dụng trong sản xuất IC, nhiều linh kiện MEMS được hình thành trên một tấm wafer silicon duy nhất, làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, các thành phần MEMS còn được xây dựng tại chỗ, không cần lắp ráp các bộ phận riêng rẽ như trong quy trình sản xuất các thiết bị cơ khí thông thường.
Một vấn đề kỹ thuật trong chế tạo MEMS liên quan đến thứ tự để xây dựng các thành phần điện tử và cơ khí. Việc ủ nhiệt độ cao là cần thiết để giảm căng thẳng và biến dạng của lớp silic đa tinh thể, nhưng nó có thể làm hỏng bất kỳ mạch điện tử nào đã được thêm vào. Mặt khác, việc xây dựng các bộ phận cơ khí trước tiên đòi hỏi phải bảo vệ các bộ phận này trong khi mạch điện tử được chế tạo. Các giải pháp khác nhau đã được sử dụng, bao gồm chôn (bearing) các bộ phận cơ khí trong các rãnh nông trước khi chế tạo điện tử và sau đó phát hiện chúng sau đó.
Các rào cản đối với sự thâm nhập thương mại của MEMS hơn bao gồm chi phí của họ so với chi phí của các công nghệ đơn giản hơn, không chuẩn hóa các công cụ thiết kế và mô hình, và nhu cầu đóng gói đáng tin cậy hơn. Trọng tâm nghiên cứu hiện tại là khám phá các tài sản ở kích thước nano mét (tức là ở phần tỷ phần của mét) đối với các thiết bị được gọi là các hệ thống cơ điện nano (NEMS). Ở những quy mô này, tần suất dao động cho các cấu trúc tăng lên (từ tần số megahertz lên tần số gigahertz), cung cấp các khả năng thiết kế mới (chẳng hạn như các bộ lọc tiếng ồn); tuy nhiên, các thiết bị trở nên ngày càng nhạy cảm với bất kỳ khuyết tật phát sinh từ chế tạo của họ.
Tình hình phát triển và ứng dụng công nghệ MEMS tại Việt Nam
Công nghệ MEMS được đưa vào nghiên cứu tại Việt Nam ngay từ cuối thập niên 90. Trước tiên là tại công ty hàng đầu trong công nghệ điện tử, bán dẫn và sản xuất các sản phẩm dựa trên công nghệ MEMS như Canon Inc tại khu công nghiệp Thăng Long chuyên sản xuất máy in phun với đầu in sử dụng công nghệ MEMS. Ngoài ra còn rất nhiều các công ty khác trong ngành ôtô đã đầu tư tại Việt Nam như Honda, Toyota, Ford…
Các đơn vị quản lý và các chuyên gia đầu ngành về công nghệ MEMS đã ý thức được rất sớm tầm quan trọng của công nghệ tiên tiến này và sớm đưa các nội dung nghiên cứu ban đầu về công nghệ vi cơ điện tử, triển khai tại các cơ sở nghiên cứu trong nước. Công nghệ này đòi hỏi có sự đầu tư ban đầu khá lớn, đồng bộ và trọng điểm. Vào thời điểm ban đầu, chỉ rất ít Giáo sư có kinh nghiệm trong lĩnh vực này, tập trung ở một số trường đại học lớn như ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Quốc gia Hà Nội.
Ngoài khu vực công nghiệp, các cơ sở nghiên cứu tại Việt Nam đã có những khởi động đón đầu xu hướng này, điển hình là Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội với định hướng phát triển một số sản phẩm mang tính chiến lược và phù hợp với điều kiện công nghệ, như: cảm biến áp suất kiểu áp trở, cảm biến gia tốc kiểu áp trở, cảm biến áp suất kiểu tụ, cảm biến gia tốc kiểu tụ; khoa điện tử Viễn thông – trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội với định hướng nghiên cứu ứng dụng như sử dụng cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc và cảm biến vận tốc tốc góc trong các ứng dụng giám sát thông số bệnh nhân, các hệ thống dẫn đường quán tính hay ứng dụng cảm biến MEMS trong việc điều khiển robot từ xa cũng như thiết kế các robot tự cân bằng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
https://www.britannica.com/technology/microelectromechanical-system
Larry J. Hornbeck, Digital Light Processing for high-brightness high-resolution applications, Proc. SPIE 3013, Projection Displays III, (8 May 1997); doi: 10.1117/12.273880;
