Luận án Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

iên độ điện áp U=20V khi mô phỏng ANSYS 
 10 Đồ thị so sánh kết quả chuyển vị của đỉnh dầm chữ V
 9
 8
 7
 m)
 µ 6
 (
 vị 5
 4
 3 Mô phỏng
 Chuyển
 2 Tính toán
 1
 0
 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25
 Điện áp U (V) 
Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng bằng 
 ANSYS 
 44 
 2.2.4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ 
 a. Quá trình dẫn 
 Hệ thống bánh răng được dẫn động bằng bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V được 
bố trí đối xứng (Hình 2.2). Sử dụng phương pháp tách cấu trúc, xét riêng một bộ kích 
hoạt nhiệt dầm chữ V. Các lực tác dụng lên dầm như Hình 2.13b 
 Fn 
 Fe 
 F 
 Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động 
Phương trình cân bằng lực cho hệ dầm trên là: 
 '
 FFFFFFn  e 0 n  e F Fn n b k v d (2.50) 
 '
 Với d : Chuyển vị của đỉnh dầm chữ V theo phương ngang khi dẫn động (luôn 
 ' 
có d d là chuyển vị của đỉnh dầm chữ V khi tính toán); Fn : Lực giãn nở nhiệt 
của hệ dầm chữ V; nb là số cặp dầm chữ V; Fe là lực đàn hồi của một cặp dầm chữ V; 
 F là Nội lực xuất hiện tại mặt cắt A-A trên phần dẫn động dầm chữ V có giá trị bằng 
với lực đàn hồi ở cổ dầm; kv là độ cứng của dầm chữ V được xác định theo nguyên lý 
chuyển vị tương đương khi chịu một ngoại lực tác dụng lên thanh đẩy theo phương oy . 
Mô hình đặt lực để xác định độ cứng tương đương của một dầm đơn như trên Hình 
2.14. Trong đó, P là lực tác dụng tính trên một dầm đơn; X1, X2 lần lượt là phản lực 
theo phương ox và mô men phản lực liên kết được xác định theo điều kiện biên: 
 45 
 (lb ) 0
 X (lb ) 0 (2.51)
 Với ()lb và X(lb ) lần lượt là góc xoay và chuyển vị của dầm tại vị trí x lb . 
Khi đó, biểu thức tính mô men uốn và lực dọc trục tại tọa độ x trên dầm như sau: 
 M( x ) Px cos X1 x sin X 2
 N( x ) P sin X c os 
 1 (2.52) 
 y X1 
 X2 
 x Y P 
 O’ 
 X 
 O 
 Hình 2.14 Mô hình xác định chuyển vị tương đương của một dầm đơn 
 Chuyển vị theo phương oy của đầu dầm nối với thanh đẩy được tính như sau: 
 3
 Plb
 y 2 2 2 
 2E (12 I cos Alb sin ) (2.53)
Cuối cùng ta tính được độ cứng tương đương của hệ dầm theo phương oy như sau: 
 2(12cosE I2 AL 2 sin 2 )
 kv 3 (2.54) 
 lb
Thay các giá trị vào ta xác định được độ cứng của hệ n dầm: 
 nb k v 6.233,05 1398,3 µN/µm 
Gọi d là chuyển vị của thanh răng, đơn giản hóa dầm quay để tính toán chuyển vị tại 
phần đặt lực dẫn động F (Hình 1.15). 
 d' r r
Do vậy: 1 d' d 1 (2.55) 
 d r r
Trong đó: r1 440 µm: khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt hình 
chữ V; r 1040µm: là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc. 
 r
Thế vào (2.50) ta có: F F n k d' F n k d 1 (2.56) 
 n b v n b v r
 46 
 Đối với thanh răng và vành răng dẫn động, các lực tác dụng được thể hiện trên 
Hình 2.16. Trong đó: 
 F đóng vai trò là lực dẫn động (lực sinh để dẫn động vi động cơ khi đặt điện áp 
 u() t ). 
 Fel : Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi). 
 Ff 2 : Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền Si. 
 Ff 3 : Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền. 
 Fa : Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo. 
 Ff 5 : Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng cóc. 
 Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị d ' Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động 
 Trong trường hợp răng của bánh răng dẫn được dẫn động bởi thanh răng cóc thì 
khoảng dịch chuyển d của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: d ip (2.57) 
 Với i là số nguyên i=1,2 3, p=10µm là bước răng cóc 
 Để thuận lợi, ta qui các lực trên về mô men dẫn và mômen cản. Khi đó mô men 
dẫn động của vi động cơ được xác định bởi công thức sau: 
 M f 3
 MMMMMMd F- f2 - - f 4 - f 5 el 0 (2.58) 
 4 
 47 
Để cơ cấu có thể hoạt động được, mô men dẫn Md phải lớn hơn các mô men cản và 
mô men đàn hồi. Trong đó: 
 M d : Mô men của lực dẫn động F 
 Mfj ( j 2,3,4) : Mô men của các lực ma sát kể trên (tính quanh điểm đàn hồi). 
 Mel : Mô men đàn hồi của dầm dẫn động (quay quanh cổ đàn hồi O) 
 Trừ mô men của lực F đóng vai trò dẫn động trong cơ cấu, các mô men còn lại 
đều là mô men cản. Các mô men được tính theo các biểu thức sau: 
 MF F. r1 (2.59) 
 Mf 2 f. m 2 .g. r (2.60) 
 Mf 3 f. m 3 .g. r 2 (2.61) 
 Mf 4 f. m 4 .g. r 3 (2.62) 
 Fa k r . h (2.63) 
 Mf5 f. F a . c os . r (2.64) 
 Mel k p..... d r k p i p r (2.65) 
 Trong đó: g 9,81.106 µm/s2 là gia tốc trọng trường; f 0,3 là hệ số ma sát 
giữa Silicon-Silicon; m2,, m 3 m 4 lần lượt là khối lượng của thanh răng cóc, bánh răng 
dẫn và bánh răng bị dẫn (các khối lượng này được xác định gần đúng từ thể tích và 
khối lượng riêng của từng bộ phận); r 1040µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến 
răng cóc; k p 2,88µN/µm là độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi (được xác định tương 
tự k ); h 6µm là chiều cao của răng cóc; r 1220 µm khoảng cách từ điểm đàn hồi 
 v 3
(cổ đàn hồi) đến điểm tiếp xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn; kr 21,19
µN/µm là độ cứng của cơ cấu chống đảo (được xác định tương tự kv );  30 là góc 
nghiêng của răng cóc; r1 440 µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ 
kích hoạt chữ V; r 1180 µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng 
 2 
dẫn.Thay các các số liệu vào dễ dàng tính toán được các mô men lực cản như sau: 
 9 6 9
 Mf 2 f. m 2 . g . r 0,3.0,2.10 .9,81.10 .1040 0,612 µNµm ( m2 0,2.10 kg) 
 8 6 8
 Mf 3 f. m 3 . g . r 2 0,3.1,55.10 .9,81.10 .1180 53,83µNµm ( m3 1,55.10 kg) 
 48 
 9 6 9
 Mf 4 f. m 4 . g . r 3 0,3.4,27.10 .9,81.10 .1220 15,331µNµm ( m4 4,27.10 kg) 
 Mf5 f. F a . c os . r 0,3.21,19.6. c os30.1220 40298,97 µNµm 
 M
Thay vào (2.58) ta được: M 0 MMMMM- -f 3 - - 0 
 d F f24 f 4 f 5 el
 M M
 MMMMM f 3 Fr M f 3 M M k ip 
 F f24 f 4 f 5 el 1f 24 f 4 f 5 p
 1 M f 3 
 F Mf2 M f 4 M f 5 k p ip (2.66) 
 r1 4 
 r1 1 M f 3 
Từ (2.56) và (2.66) ta có: Fn n b k v d M f2 M f 4 M f 5 k p ip 
 r r1 4 
 1 M f 3 r1
 Fn M f2 M f 4 M f 5 kiprnkip p b v (2.67) 
 r1 4 r
 Để vi động cơ hoạt động được thì ngoài điều kiện (2.58) cần phải đảm bảo mỗi 
chu kỳ điện áp dẫn vành răng phải dịch chuyển được ít nhất 1 bước răng, tức là chuyển 
vị d ở đỉnh dầm quay phải lớn hơn 1 bước răng (2.57) 
 r r
 d p d 1 ip
 r r 
 1 (2.68)
 r 440
+ Với i 1 d ip 1 10 4,23µm 
 r 1040
Từ công thức (2.44) và các phần tính toán bên trên ta xác định được giá trị biên độ điện 
áp tối thiểu là Umin=17,32V 
Mô men Mel k p ip k p pr 10.2,88.1040 29952µNµm, từ đó xác định được điều 
kiện (2.67) Fther mal 173,17µN 
 Ứng với Umin=17,32V từ công thức (2.47) ta xác định được 
  Fn 6,3342 mN 6334,2 N 173,17  N 
 Do dó ứng với điện áp Umin thỏa mãn điều kiện chuyển vị thì luôn thoả mãn điều 
kiện về lực và mô men. 
 +Với i=2 ta tính toán tương tự và xác định được: Umin = 22,64V 
 Do chuyển vị thực tế d' khi dẫn động luôn nhỏ hơn chuyển vị d nên từ các 
điều kiện thực tế ta chọn các giá trị điện áp phù hợp. 
 49 
+) Để hệ thống chuyển động được 1 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin =17,5V 
+) Để hệ thống chuyển động được 2 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin = 23V 
 b. Quá trình hồi vị 
Trong chu kỳ hồi vị (khi điện áp dẫn bằng 0), do ảnh hưởng của lực đàn hồi của các 
dầm, thanh răng cóc hồi về vị trí ban đầu và tác dụng một lực lên vành răng. 
 Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị 
 '
 Trong đó: Fev là lực đàn hồi của bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V; Fev n b k v ( Fev là 
   
 '
phản lực đàn hồi: FFev ev ) 
   
 ' '
 Fel là lực đàn hồi của cổ dầm trên bộ kích hoạt ( Fel : phản lực đàn hồi: FFel el ) 
 Fn là phản lực đàn hồi theo phương vuông góc với bề mặt răng của thanh răng cóc dẫn. 
 Ff 1 là lực ma sát trượt giữa răng của thanh răng cóc dẫn và vành răng. 
 Fdhlx là lực đàn hồi của lò xo theo phương oy được tính theo công thức sau: 
 F k. y 
 dhlx lx (2.69)
Với: k 7, 43 µN/µm là độ cứng của lò xo theo phương oy (được xác định nhờ mô 
 lx 
phỏng): y y0 h 3,5 6 9,5 µm ( y0 3,5 µm là độ nén của lò xo ban đầu lúc 
ăn khớp răng cóc) 
 Fdhr : lực đàn hồi của cổ thanh răng cóc dẫn: Fdhr k rc. y r (2.70) 
Với: yr 2,5 µm là độ nén lớn nhất của thanh răng cóc dẫn khi trượt hai dãy răng 
cóc. 
 50 
 krc 4,88 µN/µm là độ cứng của cổ thanh răng cóc (được xác địnhtheo mô phỏng). 
Để hệ thống có thể hồi vị về vị trí ban đầu khi điện áp u() t ở nửa chu kỳ có biên độ 
U0 0 thì: 
 - Ở thời điểm bắt đầu chu kỳ, lực đàn hồi FFel ev thắng lực ma sát Ff 1 và Ff 2 
Lực Ff 1 có thể tính theo công thức sau: 
 ''
 Ff1 f. F n f F el F ev F f 2 sin  (2.71) 
Ta có do: f 0,3; sin sin30 0,5 f .sin 0,3.0,5 0,15 1 vậy từ (2.71) 
 ''''
 FFFFFFFFFFf1 ev el f 2 f 1 f 2 ev el ev el 
Điểu này luôn thỏa mãn FFFFel ev f1 f 2 
 - Thành phần lực Q theo phương y sẽ làm nén lò xo và tạo ra sự trượt của hai 
dãy răng cóc. 
 ''''1
 Q Fn. c os F el F ev F f2 sin  c os  F el F ev F f 2 sin2  (2.72) 
 2
Điều kiện để rãnh răng cóc có thể hồi về vị trí ban đầu là: 
 ' ' 2
 Q Fdhlx F dhr F f1sin F dhlx F dhr f F el F el F f 2 sin  (2.73) 
 ' ' 2
Vậy từ (2.71) ta có: Felevf F F2 sin 2 2 f sin  2 F dhlxdhr F 
 ''''2 FFFFdhlx dhr 2 dhlx dhr 
 FFFFFFel ev f2 2 el ev 2 f 2 
 sin2 2sinf  sin2  2sin f 
 r1 2 FFdhlx dhr 
 kp n b k v .. i p 2 F f 2 
 r sin 2 2 f sin 
 2 FFdhlx dhr 
 Ff 2 
 1 sin 2 2f sin 2 
 i (2.74) 
 r
 p k n k 1 
 p b v 
 r 
Thay FFdhlx dhr 7,43.9,5 4,88.2,5 82,79 µN;  30 ; Ff 2 0,612 µN; p 10 
µm; g0 2 µm; k p 2,88 µN/µm; nb k v 1398,3 µN/µm; r1 440 µm; r 1040 µm 
vào (2.74) ta được 
 51 
 2 FFdhlx dhr 2.82,79 
 Ff 2 0,612
 1sin 2 2f sin 2  1 sin60 2.0,3.sin2 30 
 i . 0,039 
 r 440
 p k n k 1 10 2,88 1398,3. 
 p b v 
 r 1040 
Vậy luôn luôn thỏa mãn điều kiện (2.74). 
Kết hợp cả điều kiện dẫn và điều kiện hồi vị ta có 
+) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 1 bước răng là: U min 17,5 V 
+) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 2 bước răng là: U min 23 V 
 2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ 
 Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến 
 Đối với vi động cơ có thiết kế và tính toán như trên (Hình 2.2), cơ cấu dẫn động 
ngoài phần răng cóc, có sử dụng các lò xo nhằm ép chặt răng cóc dẫn với vành răng 
bên ngoài (rotor), tuy nhiên với cấu trúc này cơ cấu dẫn động phức tạp, các lò xo đàn 
 52 
hồi làm tăng khe hở và giảm vận tốc thực của động cơ. Để khắc phục điều này, tác giả 
đề xuất thiết kế cải tiến cơ cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động sẽ được truyền 
trực tiếp từ bộ kích hoạt đến vành răng bên ngoài qua thanh răng cóc giúp giảm độ trễ 
do khe hở và lò xo, tức là giảm trượt vận tốc góc thực tế của vi động cơ. Đồng thời với 
kết cấu này ta có thể tăng chiều dài của các dầm chữ V trong cơ cấu dẫn động, điều đó 
sẽ làm tăng chuyển vị và giảm điện áp dẫn. 
 Sơ đồ cấu tạo của vi động cơ cải tiến được chỉ ra như Hình 2.18. Trong đó: (1) - 
Các điện cực cố định; (2) - Hệ thống dầm chữ V; (3) - dầm đàn hồi ; (4) - Thanh răng 
cóc; (5) - vành răng (Rotor); (6) - Cơ cấu chống đảo; (7) - Cơ cấu định vị rotor 
 Đối với các thiết kết này, ta giữ nguyên các kích thước cơ bản thì có thể tăng 
được chiều dài các dầm chữ V lên đến 450m, và theo tính toán khảo sát như bên trên 
thì điện áp dẫn tối thiểu là 16V (ứng với i=1) và 21,35V (ứng với i=2) 
 2.4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ 
 2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS 
 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) là một thuật ngữ được đưa ra tại 
Mỹ vào những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX [74]. Thuật ngữ này dùng để chỉ tới 
các thiết bị mà kích thước chiều dài của nó cỡ vài micro-mét tới vài mili-mét. Chúng là 
sự kết hợp của cả các linh kiện cơ khí, điện tử được chế tạo bằng công nghệ vi gia công 
[3], [6]. Ở châu Âu cùng thời gian này người ta gọi các thiết bị trên với tên gọi khác là 
hệ thống vi cơ (MST-Microsystem Technology). Hình 2.19 chỉ ra kích thước của các 
thiết bị MEMS so với kích thước các thiết bị khác trong thế giới vi mô và vĩ mô [74]. 
Các thiết bị MEMS đang là những hướng nghiên cứu cũng như ứng dụng có nhiều tiềm 
năng trong thực tế. 
 MEMS là một công nghệ tích hợp, phát triển từ công nghiệp mạch điện tử IC 
(Intergrated-Circuit) kết hợp với các qui trình vi chế tạo (Microfabrication) cấu trúc ba 
chiều dựa trên các kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Tất cả các thành phần gồm mạch điện, bộ 
nhớ, cảm biến và bộ kích hoạt đều được tích hợp trên một chíp duy nhất và hệ thống 
này cho phép chuyển đổi tín hiệu vào (điện, nhiệt, cơ, quang) thành các tín hiệu vật 
lý khác [6]. Ví dụ về thiết bị MEMS được tích hợp trên cùng một chíp điện tử IC được 
chỉ ra trên Hình 2.20. 
 53 
 Đường kính trái đất Đơn vị thiên văn học Năm ánh sáng
 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020
 Chiều tăng kích thước Chiều giảm kích thước
 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102
 Đường kính proton Đường kính nguyên tử Sợi tóc Con người
 NEMS MEMS Thiết bị của con người
 Hình 2.19 Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét [74] 
 Như vậy, hệ thống vi cơ điện tử - MEMS có thể nói là hệ thống tích hợp các 
phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng các 
công nghệ vi cơ. Các đặc trưng cơ bản của một hệ sản phẩm MEMS là kích thước nhỏ 
và khối lượng nhẹ, đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc 
các cấu trúc khác nhau, độ nhạy, độ tin cậy cao, có tính lặp lại và giá thành hạ do có 
thể chế tạo hàng loạt [3]. 
 Vi mạch Cảm biến Bộ kích hoạt 
 Tín hiệu vào 
 Tín hiệu ra 
 Hình 2.20 Chíp tích hợp các thiết bị MEMS [74] 
 2.4.2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối 
 Nhiều loại linh kiện MEMS khác nhau đã được nghiên cứu và phát triển trên cơ 
sở của 3 công nghệ MEMS chính. Công nghệ vi cơ khối (bulk micromachining) dựa 
 54 
trên quá trình ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng khối vật liệu Si hoặc SiO2. Công nghệ 
gia công bề mặt (surface micromachining) tạo cấu trúc từ các lớp màng mỏng. Công 
nghệ gia công bằng tia X (LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung) dựa trên 
kỹ thuật quang khắc dùng tia X, điện hóa để tạo khuôn [3]. Trong đó, phương pháp gia 
công khối (Bulk-micromachining) là phương pháp truyền thống, phát triển sớm, đơn 
giản, chi phí thấp và được sử dụng phổ biến trong các trường đại học, viện nghiên cứu. 
Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo vi động cơ 
bằng công nghệ vi cơ khối. 
 Hình 2.21 Thiết kế tổng thể mặt nạ và các mẫu vi động cơ 
 Để có thể tạo ra các vi cấu trúc trên bề mặt tấm silicon, việc đầu tiên cần làm là 
thiết kế và chế tạo mặt nạ (photo mask). Việc chế tạo mặt nạ phụ thuộc vào loại máy và 
điều kiện gia công. Với thiết bị thí nghiệm ở viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật 
liệu (ITIMS) có thể chế tạo khe hở nhỏ nhất g0 2µm, vì thế việc thiết kế mặt nạ tuân 
theo nguyên tắc này để đảm bảo không dính các phần với nhau [16], [75],[76]. Bản 
thiết kế được thiết lập nhờ công cụ vẽ (CAD –Computer Aided Design) trên phần mềm 
L-edit 8.3. Các vi động cơ được thiết kế đặt trên tấm SOI (Silicon On Insulator) có 
đường kính 100 mm, mỗi vi động cơ được thiết kế có kích thước 5x5 mm2 như Hình 
2.21. 
 55 
 Trên Hình 2.22 là sơ đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi 
động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bước chính gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mòn 
D-RIE, cắt chíp và ăn mòn bằng hơi HF (Hydrofluoric acid) [16], [75], [76]. 
 Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ 
 Bước chuẩn bị 
 Phiến SOI được sử dụng cho quá trình gia công là phiến có lớp silic linh kiện nằm 
trên lớp điện môi SiO2 (Hình 2.23). Một phiến SOI gồm có 3 lớp: 
  Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm 
  Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm 
 56 
  Dưới cùng là đế silic: dầy khoảng 450 – 500 µm 
 Sau đó, phiến SOI được làm sạch bằng các hóa chất như axêtôn hoặc có thể là 
axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt. Tiếp theo tiến hành sấy 
ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô phiến SOI. 
 Hình 2.23 Phiến silic kép SOI 
 Quá trình quang khắc 
 Quá trình quang khắc được thực hiện nhằm đưa hình ảnh của các linh kiện lên 
trên bề mặt phiến SOI (Hình 2.24 - www.bs.ac/physics/fabrication). 
 Hình 2.24 Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication 
 Trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS, vật liệu cảm quang (photoresist) được 
sử dụng trong kỹ thuật quang khắc. Trong đó, nhiệm vụ của lớp vật liệu cảm quang là 
 57 
để sao chép hình dạng các cấu trúc của linh kiện được thiết kế, vốn đã được tạo trên 
mặt nạ quang (photomask). Đồng thời, lớp vật liệu cảm quang cũng đóng vai trò là lớp 
bảo vệ cho các vật liệu được che phủ ở phía dưới. Vật liệu cảm quang là hợp chất hữu 
cơ nhạy sáng (ánh sáng cực tím UV- Ultraviolet). Dưới tác động của ánh sáng, thành 
phần hoặc cấu trúc của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn đến có thể bị hòa tan (cảm 
quang dương) hoặc không hòa tan (cảm quang âm) trong các hóa chất thích hợp (chất 
hiện hình – developer), thường là các dung dịch dạng kiềm. 
 Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI 
 Có thể chia quá trình quang khắc thành các bước chính sau: 
 - Phủ chất kết dính OAP để đảm bảo lớp vật liệu cảm quang liên kết tốt với bề 
mặt phiến SOI. 
 - Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt phiến SOI bằng 
phương pháp quay phủ (Hình 2.25a). 
 - Ủ sơ bộ làm bay hơi dung môi có trong vật liệu cảm quang. 
 - Thực hiện chiếu sáng bằng chùm tia cực tím cường độ lớn qua một mặt nạ có 
hình dạng và kích thước như thiết kế của vi động cơ xuống lớp cảm quang. Do sử 
dụng cảm quang dương nên phần không được mặt nạ che chắn sẽ bị phân rã (Hình 
2.25b). 
 58 
 - Tiến hành hiện hình trong dung dịch (tetramethyl ammonium hydroxide 2%) 
để nhận ảnh cấu trúc linh kiện trên bề mặt đế. 
 - Ủ đóng rắn lớp cảm quang để tạo lớp bảo vệ cho các bước công nghệ tiếp theo 
(Hình 2.25c). 
 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE 
 Ăn mòn khô (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mòn cơ bản trong công 
nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật ăn mòn ướt (Wetetching) truyền thống sử dụng các 
dung dịch dạng kiềm (KOH, TMAH ). Về cơ bản, ăn mòn khô có nguyên lý dựa trên 
cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/nguyên tử khí 
hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí được tạo ra trong môi trường 
plasma gây bởi quá trình ion hóa do va chạm. Trong nghiên cứu này, để ăn mòn silic 
tạo cấu trúc linh kiện, phương pháp ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu D-RIE trên cơ sở cơ 
chế ăn mòn hóa lý đã được ứng dụng. 
 Đối với phương pháp ăn mòn khô sâu, để tạo ra các cấu trúc MEMS 3D do ăn 
mòn sâu vào trong đế, chúng ta thường sử dụng quy trình gồm hai bước: ăn mòn và 
phủ lớp bảo vệ. Các bước trên được lặp lại nhiều lần cho đến khi độ sâu ăn mòn đạt 
đến giá trị hoạch định. Khi chế tạo các vi động cơ, để thực hiện bước ăn mòn, khí SF6 
(sulfur hexafluoride) đã được sử dụng. Khi plasma hình thành trong buồng phản ứng, 
 +
khí SF6 bị ion hóa hoặc phân ly thành nguyên tử Flo, ion SF5 hay SF5 và điện tử như 
trong phương trình dưới đây: 
 - + * - 
 SF6+ e SF5 + F +2e 
 - * - 
 SF6+ e SF5+ F +e 
 Nguyên tử F* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với 
silic tạo ra quá trình ăn mòn hóa học: 
 Si (rắn)+4F (khí) SiF4(khí) 
 Sản phẩm sau phản ứng hóa học SiF4 ở dạng khí sẽ bị hút ra khỏi buồng phản 
ứng nhờ hệ bơm chân không. Kết quả của quá trình ăn mòn là hình thành các rãnh/hốc 
sâu vào trong đế silic (Hình 2.26a). 
 59 
 Do quá trình ăn mòn thực hiện trên cơ sở phản ứng hóa học nên có tính đẳng 
hướng, nghĩa là vật liệu bị ăn mòn với tốc độ như nhau theo mọi phương. Chính vì vậy 
để tạo hốc ăn mòn có kích thước ngang xác định cần phải tiến hành bước phủ lớp bảo 
vệ (lớp thụ động) trên bề mặt các vách của hốc ăn mòn. Trong bước này, khí C4F8 
(Octafluorocyclobutane) đã được sử dụng. Trong môi trường plasma, khí C4F8 bị phân 
 - - 
ly thành C3F6 dễ bay hơi và CF2: C4F8+ e C3F6+ CF2+ e 
 Các phân tử khí CF2 hấp thụ trên bề mặt hốc ăn mòn và bị polyme hóa dẫn tới 
hình thành lớp bảo vệ có dạng giống p