Hệ thống vi cơ điện tử mems và ứng dụng

ực tiễn. Với định hướng nghiên 
cứu liên ngành Bộ môn đã có nhiều hợp tác với các đối tác trong và ngoài nước trong khoa 
học công nghệ và đào tạo như Viện DIMES, Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan; Viện 
AIST, Nhật Bản; Phòng thí nghiệm MEMS, Trường Đại học Quốc gia Chungcheng, Đài 
Loan; Khoa Hóa học, Trường Đại học Bar-Ilan, Israel; một số phòng thí nghiệm về 
MEMS, nano, y sinh học trong nước. Một số hướng nghiên cứu về MEMS cũng như các 
kết quả đạt được được trình bày trong phần tiếp theo. 
2. 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 được sử dụng rộng rãi trong thiết kế các cảm biến lực do khả năng 
dễ chế tạo, dễ tích hợp trong các quy trình chế tạo vi mạch điện tử. Hình 3 là ảnh của một 
vi kẹp dựa trên hiệu ứng nhiệt điện silicon-polymer có gắn cảm biến áp điện trở. Khi tác 
động một điện áp lên bộ chấp hành nhiệt điện silicon-polymer sẽ làm đầu kẹp có thể đóng 
lại với độ dịch chuyển tới 30 μm. Bộ chấp hành này cho phép thao tác với các vi hạt có 
kích thước từ 10 đến 30 μm. Cánh tay chấp hành được nối với một thanh dầm silicon với 
các cấu trúc cảm biến piezoresistive. Cảm biến này cho phép giám sát được chuyển động 
của đầu kẹp và lực tương tác giữa đầu kẹp và vi hạt (xem hình 3-a). Hình 3-b là ảnh của vi 
kẹp được đóng gói trên đế IC chuẩn. Hệ thống vi kẹp này có thể ứng dụng trong thao tác 
các vi hạt, thao tác các tế bào sống trong y sinh học,... [2]. 
Hình 3. Ảnh SEM của vi kẹp nhiệt điện silicon-polymer có gắn cảm biến piezoresisive. 
Thông tin khoa học công nghệ 
 N. N. An, , C. Đ. Trình, “Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng.” 480 
Cảm biến piezoresistive còn được nhóm nghiên cứu ứng dụng để thiết kế và chế tạo 
đầu phun mực có có thể theo dõi được vận tốc và kích thước của hạt mực lối ra. Hình 5 là 
ảnh của một đầu phun mực có gắn cảm biến. Khi có áp xuất tác động lên buồng chứa mực 
sẽ làm cho màng mỏng đầu phun mực cong, cũng như hình thành giọt mực bắn ra khỏi đầu 
phun. Tốc độ của hạt mực, hình dạng, và thể tích của nó có thể ước tính thông qua tín hiệu 
thu được trên cảm biến piezoresistive gắn trên đầu phun. Cấu trúc này cho phép chế tạo ra 
các đầu phun mực thông minh có thể sử dụng trong các máy in màu chất lượng cao, các hệ 
thống xét nghiệm y sinh học,... [4]. 
(a) (b) 
Hình 4. Điện áp lối ra của cảm biến piezoresistive và độ dịch chuyển đầu ra của vi kẹp 
(a). (b) Vi kẹp được đóng gói trên đế IC chuẩn. 
B. Cảm biến piezoelectric 
(a) (b) 
Hình 5. Đầu phun mực có gắn cảm biến dựa trên nguyên lý piezoresistive. 
Cảm biến áp điện piezoelectric được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến siêu âm, các 
bộ lọc, bộ cộng hưởng có tần số cao, độ phẩm chất lớn. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và 
chế tạo bộ cảm biến piezoelectric ứng dụng trong các đầu phun mực thông minh, các hệ 
thống cảm nhận độ bay hơi của chất lỏng, đo góc tiếp xúc giữa chất lỏng và bề mặt,... Hình 
6 thể hiện cấu trúc cảm biến piezoelectric sử dụng để đo độ bay hơi của chất lỏng. Tín hiệu 
kích thích được đưa vào IDTs lối vào để tạo ra các sóng cơ bề mặt SAW. Các sóng SAW 
sẽ truyền đến IDTs lối ra. Theo dõi đặc trưng của tín hiệu lối ra có thể ước tính được đặc 
trưng của kênh truyền hay tính được hình dạng, khối lượng, độ bay hơi của chất lỏng trên 
bề mặt cấu trúc [5]. 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 481
Hình 6. Cảm biến piezoelectric dùng trong hệ thống cảm nhận độ bay hơi của chất lỏng 
và đáp ứng lối ra của cấu trúc. 
C. Cảm biến con quay vi cơ gyroscope 
Một mô hình gyroscope kép (tuning fork gyroscope – TFG) gồm hai gyroscope đơn 
được ghép nối bởi khung liên kết hình “quả trám” được nghiên cứu phát triển (hình 7). 
Một trong những ưu điểm của mô hình TFG là khả năng tạo và duy trì dạng dao động 
ngược pha của cả hai khung ngoài trên phương dẫn động (phương x) cũng như hai khối 
lượng cảm trên phương cảm ứng (phương y). 
4
1 1
2 2563
O
x
y
Hình 7. Mô hình 3D của TFG nghiên cứu. 
Hình 8. Đáp ứng trên phương cảm của phần tử khối lượng với 
một số dạng vận tốc góc (a) và khả năng duy trì trạng thái ngược pha dẫn (b). 
Thông tin khoa học công nghệ 
 N. N. An, , C. Đ. Trình, “Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng.” 482 
Bằng cách sử dụng hàm Lagrange loại 2, hệ phương trình vi phân dao động của hệ 
được thiết lập, đồng thời được giải bằng phương pháp số để xác định các đặc trưng dao 
động của phần tử khung dẫn và phần tử khối lượng cảm với những điều kiện đầu khác 
nhau. Đặc biệt khi thay đổi độ cứng của khung quả trám, khả năng duy trì lệch pha cho hai 
nhánh gyroscope đơn cũng tăng lên (hình 8) [6]. 
D. Cảm biến vận tốc góc kiểu khí 
Cảm biến vận tốc góc dựa trên nguyên lý lưu chất (lỏng hoặc khí) do không cần có dao 
động của khối quán tính nên có độ bền cao, khả năng chống chịu được các tác động cơ 
học. Cấu hình cảm biến phát triển gồm có bộ phận tạo ra luồng gió và bộ phận cảm nhận 
độ lệch của luồng gió khi cảm biến chịu tác động của vận tốc góc (Hình 9-a). Luồng gió 
được tạo ra trong một không gian kín tuần hoàn dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Độ lệch 
của luồng gió ion được tạo ra khi có vận tốc góc tác dụng được đo bằng cách sử dụng dây 
nhiệt điện trở (hotwire) đặt tại các vị trí thích hợp trong buồng làm việc chính. Khi có một 
vận tốc góc ảnh hưởng đến cảm biến, luồng gió ion được tạo ra bị lệch hướng bởi hiệu ứng 
Coriolis và được đo bởi các dây nhiệt điện trở này. Cấu trúc cảm biến đề xuất đã được 
thiết kế, chế tạo dựa trên công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh (hình 9-b,c). Hoạt động của cảm 
biến đã được khảo sát với khả năng đo vận tóc góc 2 chiều. Với việc không sử dụng bất kỳ 
một thành phần dao động cơ học nào như các cảm biến vận tốc góc kiểu con quay hồi 
chuyển thông thường, cấu trúc cảm biến này do đó có độ bền cơ học cao, phù hợp cho các 
ứng dụng khác nhau trong đo lường và điều khiển [7]. 
Hình 9. Cảm biến vận tốc góc kiểu khí: (a) Nguyên lý hoạt động; (b, c) Hình ảnh thực tế. 
E. Cảm biến đo nghiêng nhiều trục 
l
w
d2
r
k
Sensing 
electrodes
Excitation 
electrode
d2
Hình 10. Cảm biến đo độ nghiêng hai chiều. 
(a) 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 483
Cảm biến góc nghiêng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực từ: xây dựng, 
cơ khí, y tế, quân sự, robot và tự động hóa. Hình 10 thể hiện thiết kế của một cảm biến góc 
nghiên hai chiều. Cảm biến này được chế tạo bằng công nghệ in 3D bao gồm một hình cầu 
chứa chất lỏng và không khí, và bao quanh bên ngoài bởi 5 điện cực. Điện cực đáy là điện 
cực kích thích và 4 điện cực cảm biến phía trên. Cảm biến độ nghiêng được chế tạo có thể 
đo góc nghiêng trong [-35o, + 35o] với độ nhạy 124 mV/o trên cả hai trục với nhiễu xuyên 
kênh nhỏ. Ở trạng thái cân bằng, sự thay đổi góc tối thiểu có thể phát hiện là ~ 0,15°. 
F. Vi bơm không van dựa trên phương pháp in 3D 
Các hệ thống bơm vi lưu có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nhất là trong các ứng dụng 
phân tích xét nghiệm, cần thiết phải tạo áp lực truyền dẫn lưu chất. Với các cơ cấu bơm 
truyền thống, cần thiết phải có hệ thống van một chiều để chỉnh lưu luồng lưu chất di 
chuyển theo chiều xác định. Nghiên cứu này đề xuất một cấu trúc bơm không sử dụng van 
dựa trên hiệu ứng chỉnh lưu tại vị trí nozzle (hình 11-a) và màng rung áp điện. Cấu trúc 
van được mô phỏng tối ưu hoạt động và chế tạo thử nghiệm bằng phương pháp in 3D tạo 
mẫu nhanh (hình 11-b). Hoạt động của vi bơm được kiểm chứng bằng thực nghiệm, xác 
nhận bơm có khả năng bơm, trộn chất lỏng đồng thời có thể tạo ra các vi giọt (micro 
droplet) với kích thước có thể điều khiển được (hình 11-c, d) [8]. 
 (a) (b) (c) (d) 
Hình 11. Cấu trúc bơm không van (a) mô phỏng hoạt động, (b) nguyên mẫy chế tạo bằng 
phương pháp in 3D, (c) thực nghiệm bơm, trộn chất lỏng, và (d) tạo vi giọt. 
G. Hệ phun tĩnh điện ứng dụng trong y sinh học 
Electrospinning (phun tĩnh điện) là phương pháp tổng hợp sợi nano bằng cách kéo sợi 
từ dung dịch polymer nhờ lực tĩnh điện. Trên hình 15, sơ đồ của thiết bị phun tĩnh điện 
thông thường tạo sợi nano được minh họa. Phương pháp này cho phép tạo ra các sợi 
polymer rất mảnh, với đường kính dao động từ vài chục nanomet đến vài micromet. Tùy 
vào các tính chất của nguyên liệu sử dụng như độ nhớt, nồng độ và cường độ của điện thế 
đặt giữa kim phun và điện cực thu, mà sản phẩm của hệ có thể tạo thành các dòng chảy 
liên tục dạng sợi, hoặc dạng hạt. 
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của hệ phun tĩnh điện tạo sợi nano. 
Thông tin khoa học công nghệ 
 N. N. An, , C. Đ. Trình, “Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng.” 484 
Hình 13. Electrospinning ứng dụng trong y sinh học. 
Phun tĩnh điện là phương pháp ưu việt nhằm tiết kiệm nguồn nguyên vật liệu mà vẫn 
đảm bảo được hiệu quả sử dụng (hình 12). Trong thời gian chế tạo ngắn, chỉ cần một 
lượng rất nhỏ của vật liệu cũng có thể tạo được màng sợi nano có độ bao phủ rộng. Đặc 
biệt, phun tĩnh điện có ưu điểm khi cho phép tạo màng sợi nano từ đa dạng nguồn vật liệu 
nên có thể phát triển trong đa dạng lĩnh vực khác nhau, như tạo lớp da nhân tạo ứng dụng 
trong chữa trị vết thương, phân phối thuốc, hoặc trong ngành hóa mỹ phẩm làm đẹp, hoặc 
trong cảm biến và trong chất xúc tác. Hình 13 là kết quả 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 và cảm biến trở kháng nhằm phát hiện tế bào 
ung thư 
Bệnh ung thư là nguyên nhân gây tử vong thứ hai chỉ sau bệnh tim mạch. Trong quá 
trình sinh bệnh, các tế bào ung thư tách ra khỏi khối u ban đầu và đi vào máu, trở thành 
các tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs) và có thể được coi như giai đoạn đầu của quá trình di 
căn. Hơn nữa ngay cả khi căn bệnh ung thư đã được trị khỏi thì nó vẫn có thể tái phát và 
lan sang các mô khác. Nguyên nhân là do các mầm mống ung thư có thể phát tán các tế 
bào vào trong máu. Khi các CTC di chuyển khắp cơ thể và bám rễ chỗ nào thì nó có thể 
tạo nên khối u chỗ đó và trở thành mối đe dọa mới. Nhóm nghiên cứu đề xuất và phát triển 
một hệ thống chip BioMEMS để tập trung, sàng lọc và phát hiện các tế bào ung thu phổi 
A549, như sơ đồ nguyên lý thể hiện trên hình 14 [9, 10]. 
Hình 14. Hệ thống cảm biến vi lỏng kết hợp aptamer và cảm biến trở kháng nhằm phát 
hiện tế bào ung thư. 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 485
Cấu trúc này kết hợp tính mới trong các nghiên cứu về sinh học, các thành tựu về 
aptamer và các công nghệ phát hiện tế bào sử dụng công nghệ vi cơ điện tử MEMS. Chip 
MEMS sinh học này có khả năng bẫy, bắt và phát hiện được từng tế bào trong dòng chảy 
vi lỏng. Công nghệ này hứa hẹn cho ra một sản phẩm công nghệ cao đáp ứng được yêu 
cầu thực tế trong điều trị các bệnh ưng thư nói riêng và một số các bệnh khác đòi hỏi cần 
bắt từng tế bào trong quá trình chẩn đoán và điều trị. Hình 15 thể hiện các tế bào được bắt 
trên cảm biến và điện áp lối ra phản ánh số lượng các tế bào bắt được. 
Hình 15. Cấu trúc có thể đếm được số lượng các tế bào đích bắt được trên cảm biến. 
3. KẾT LUẬN 
Với định hướng nghiên cứu mang tính liên ngành, Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ 
thống, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 
đã đạt được nhiều thành tựu trong thiết kế, chế tạo và ứng dụng các linh kiện MEMS. 
Cùng với sự phát triển của khoa học, các nghiên cứu của bộ môn không ngừng được phát 
triển, cải tiến, nhằm ứng dụng các linh kiện MEMS trong các ứng dụng thực tế. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. R. P. Feynman, “There’s plenty of room at the bottom,” in Feynman and computation: 
exploring the limits of computers, USA: Perseus Books, 1999, pp. 63–76. 
[2]. T. C. Duc, G.-K. Lau, and P. M. Sarro, “Polymeric Thermal Microactuator With 
Embedded Silicon Skeleton: Part II-Fabrication, Characterization, and Application 
for 2-DOF Microgripper,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 17, no. 4, pp. 823–
831, 2008, doi: 10.1109/JMEMS.2008.924275. 
[3]. T. Chu Duc, G. K. Lau, J. F. Creemer, and P. M. Sarro, “Electrothermal 
microgripper with large jaw displacement and integrated force sensors,” in 2008 
IEEE 21st International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Jan. 2008, 
pp. 519–522, doi: 10.1109/MEMSYS.2008.4443707. 
[4]. “A piezoresistive sensor for pressure monitoring at inkjet nozzle - IEEE Conference 
Publication.” https://ieeexplore.ieee.org/document/5690353 (accessed Aug. 13, 2020). 
[5]. J. Wei, P. M. Sarro, and T. C. Duc, “A piezoresistive sensor for pressure monitoring 
at inkjet nozzle,” in 2010 IEEE SENSORS, Nov. 2010, pp. 2093–2096, doi: 
10.1109/ICSENS.2010.5690353. 
[6]. T. Van Vu, D. Q. Tran, and T. D. Chu, “Matching mechanical response for a MEMS 
vibratory tuning fork gyroscope,” Microsyst. Technol., May 2020, doi: 10.10. 
[7]. N. T. Van et al., “A Circulatory Ionic Wind for Inertial Sensing Application,” IEEE 
Electron Device Lett., vol. 40, no. 7, pp. 1182–1185, Jul. 2019, doi: 
10.1109/LED.2019.2916478. 
[8]. L. L. Van et al., “Simulation and Experimental Study of a Synthetic Jet Valveless 
Pump,” IEEEASME Trans. Mechatron., vol. 25, no. 3, pp. 1162–1170, Jun. 2020, 
doi: 10.1109/TMECH.2019.2960332. 
[9]. Loc Do Quang et al., “Circular electrodes stepping manipulation platform for A549 
cancer cell detection,” Int. J. Nanotechnol., vol. 15, no. 11,12, pp. 983–997, 2018, 
doi: 10.1504/IJNT.2018.099936. 
Thông tin khoa học công nghệ 
 N. N. An, , C. Đ. Trình, “Hệ thống vi cơ điện tử MEMS và ứng dụng.” 486 
[10]. Loc Quang Do et al., “Dielectrophoresis Microfluidic Enrichment Platform with 
Built-In Capacitive Sensor for Rare Tumor Cell Detection,” BioChip J., vol. 12, no. 
2, pp. 114–122, Jun. 2018, doi: 10.1007/s13206-017-2204-x. 
ABSTRACT 
MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS AND APPLICATIONS 
This report presents an overview of microelectromechanical systems - MEMS, an 
interdisciplinary scientific field based on the foundations of microelectronics and 
micro-fabrication. MEMS components are now widely used in society such as 
accelerometer sensors, angle sensors, pressure sensors, biological sensors, and so 
on. The report also summarizes some research directions of the MEMS and 
Microsystems research group at the Faculty of Electronics and 
Telecommunications, University of Technology, National University, Hanoi. 
Keywords: MEMS; Sensor; Microelectromechanical. 
Nhận bài ngày 31 tháng 7 năm 2020 
Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 
Địa chỉ: 1Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội; 
2Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 
3Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; 
4Học viện Bưu chính Viễn thông; 
5Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; 
6Học viện Kỹ thuật quân sự. 
*Email: trinhcd@gmail.com.