sổ tay cdt Chuong 5-Mirco, Nano

8/6/2019 sổ tay cdt Chuong 5-Mirco, Nano

http://slidepdf.com/reader/full/so-tay-cdt-chuong-5-mirco-nano 1/14

5Giới thiệu về công nghệmicro và nano

Michael Goldfard Đại học Vanderbilt

Eric J. Barth Đại học Vanderbilt

Alvin Strauss Đại học Vanderbilt

5.1Giới thiệu ....................................................................15.2Vi cơ cấu chấp hành ....................................................35.3Vi cảm biến .................................................................75.4Máy nano ...................................................................10

5.1 Giới thiệu

Xuất phát từ quá trình phát triển của công nghệ chế tạo vi điện tử, các thiết bị cỡ micro thườngđược phân loại không chỉ theo kích thước của chúng mà còn theo cấu tạo và cách sản xuất. Nóichung công nghệ nano được xem là có phạm vi từ những thiết bị cỡ micro nhỏ nhất xuống đến cácthiết bị cỡ phân tử là tổ hợp của các phân tử đơn lẻ. Do có sự chồng chéo lên nhau của các hệthống vi cơ điện tử (MEMS – MicroElectroMechanical Systems) và các hệ thống nano hay côngnghệ nano nên có sự chia sẻ một tập hợp các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật chung, duy nhất từ cáchệ thống kỹ thuật thông thường khác. Có 2 nhân tố chính để phân biệt sự tồn tại, tính hiệu quả vàsự phát triển của các bộ chuyển đổi cỡ micro và nano với các bộ biến đổi bình thường. Thứ nhất làkích thước vật lý và thứ hai là qui trình và công nghệ sản xuất. Nhân tố thứ nhất bị chi phối bởi cácđịnh luật vật lý và như vậy nó là nhân tố cơ bản trong khi nhân tố thứ 2 liên quan tới sự phát triểncông nghệ sản xuất, là một nhân tố quan trọng, mặc dầu không phải là chủ yếu. Nhờ sự kết hợp cácnhân tố này, các bộ chuyển đổi thường không thể chế tạo bằng cách giảm kích thước hình học các bộ chuyển đổi thông thường.

Kích thước vật lýCác lực tác động đến các thiết bị cỡ micro khác các thiết bị tương tự cỡ thường. Đó là vì kích

thước một hệ thống vật lý sự ảnh hưởng đáng kể tới các hiện tượng vật lý là cái quyết định ứng xửđộng lực học của hệ thống này. Ví dụ, các hệ thống kích thước lớn bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi các

1



Sổ tay Cơ điện tử

hiệu ứng quán tính so với các hệ thống kích thước nhỏ, trong khi các hệ thống nhỏ lại bị tác độngnhiều hơn bởi các hiệu ứng bề mặt. Hiện tượng các con côn trùng nhỏ có thể đứng trên bề mặtnước phẳng nhờ sức căng bề mặt là một ví dụ. Sức căng bề mặt đó cũng xuất hiện khi con ngườitiếp xúc với nước nhưng với kích thích của con người, các lực liên kết thường không đáng kể. Thếgiới mà trong đó con người đang sống bị chi phối bởi các lực giống với thế giới mà các con côntrùng đang sống, nhưng các lực này tồn tại theo các tỷ lệ rất khác nhau. Vì trong thực tế, nói chungcác lực quán tính thường tỷ lệ với thể tích, và các lực bề mặt thường tỷ lệ với diện tích bề mặt. Dothể tích thay đổi với lũy thừa bậc 3 của độ dài và diện tích với lũy thừa bậc 2 nên với cùng hìnhdáng thì các vật nhỏ hơn có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn các vật lớn.

Các mối quan hệ tỉ lệ chính xác cho các dạng lực khác nhau có thể nhận được bằng việc kếthợp chặt chẽ các kỹ thuật phân tích thứ nguyên [1-5]. Ví dụ, các lực quán tính có thể được biểudiễn theo kích thước như sau 3

i F L x ρ = , ở đây i

F là lực quán tính tổng quát, ρ là tỷ trọng củamột vật, L là độ dài tổng quát, và x là dịch chuyển. Mối quan hệ này hình thành một nhóm khôngthứ nguyên đơn, được cho bởi:

3

i F L x ρ

Π =

Với sự đồng dạng hình học và động học, quan hệ tỉ lệ có thể được biểu diễn như sau:

0 0

s s L x N L x= = ,

01

st t =

ở đây L là độ dài, x là động học,t là thời gian, chỉ số 0 là chỉ hệ ban đầu, và chỉ số s biểu thị hệ đã biến đổi. Do sự đồng dạng vật lý yêu cầu nhóm không thứ nguyên (P) không thay đổi giữa cáckích thước, nên mối liên hệ lực được cho bởi 4

0/ s F F N = , với giả thiết rằng đặc tính tập trung (tỷtrọng) không đổi (tức là, 0 s ρ ρ = ). Lực quán tính vì thế tỷ lệ theo hệ số4 N , ở đây N là hệ số tỷ lệhình học. Ngược lại, một hệ quán tính có kích thước nhỏ hơn với hệ số N, lực yêu để tạo ra mộtgia tốc tương đương là nhỏ hơn với hệ số4 N . Một phân tích đồng dạng chỉ ra rằng các lực nhớt

v F Lx µ = tỷ lệ theo hệ số N 2 (với độ nhớt µ không đổi), và các lực đàn hồie F ELx= tỷ lệ N 2(với suất đàn hồi E không đổi). Do đó, với cùng hình dáng hình học thì lực quán tính của hệ cókích thước nhỏ hơn sẽ có vai trò không đáng kế so với lực nhớt và lực đàn hồi.

Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ Cơ chế chủ yếu cho cảm biến và chấp hành là sự chuyển đổi năng lượng. Các dạng cơ bản của

sự chuyển đổi điện – cơ vật lý có thể được nhóm thành 2 loại. Loại thứ nhất là chuyển đổi đa thành phần, họat động dựa trên sự tương tác không tiếp xúc giữa các vật. Loại thứ hai là các chuyển đổihoạt động dựa trên sự biến dạng hay còn gọi là chuyển đổi bán dẫn, loại chuyển đổi này sử dụngcác đặc tính kết cấu của vật (ví dụ như sự thay đổi pha của tinh thể thạch anh hoặc sự liên kếtlưỡng cực phân tử). Loại thứ nhất gồm có chuyển đổi điện–từ dựa trên phương trình Lorentz vàđịnh luật Faraday, và tương tác tĩnh điện dựa trên định luật Coulomb. Loại thứ hai gồm có cáchiệu ứng áp điện, hợp kim nhớ thù hình, và các vật liệu từ giảo, điện giảo và quang giảo. Mặc dùvậy các vật liệu với những đặc tính như trên mới chỉ xuất hiện trong một số ít các ứng dụngnghiên cứu, còn sự phát triển của các hệ thống cỡ micro hiện nay bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự ứng

dụng các tương tác tĩnh điện và điện–từ. Với tầm quan trọng của chúng, chuyển đổi tĩnh điện vàđiện–từ sẽ được giới thiệu trong các phần tiếp theo.

Các đặc tính chuyển đổi cảm biến và cơ cấu chấp hành

2



Giới thiệu về công nghệ micro và nano

Các đặc tính liên quan cho cả công nghệ vi cảm biến và vi cơ cấu chấp hành là khả năng lặplại, khả năng chế tạo ở kích thước nhỏ, sự loại trừ các ảnh hưởng không cần thiết, dải thông thíchhợp và nếu có thể, cả tính tuyến tính. Các đặc tính riêng liên quan tới vi cơ cấu chấp hành là lực cóthể thực hiện, dịch chuyển, công suất, dải thông (hay tốc độ phản ứng), và hiệu suất. Các đặc tínhriêng liên quan tới vi cảm biến là độ phân giải cao và khả năng loại bỏ hiện tượng trễ và trôi.

5.2 Vi cơ cấu chấp hành

Chấp hành tĩnh điệnCác cơ cấu chấp hành đa thành phần được dùng rộng rãi nhất là những cơ cấu dựa trên chuyển

đổi tĩnh điện. Những cơ cấu chấp hành này cũng có thể được coi như một loại điện dung thay đổi, bởi chúng hoạt động giống như các cơ cấu chấp hành điện-từ kiểu từ trở biến thiên. (ví dụ, cácđộng cơ bước từ trở biến thiên). Các cơ cấu chấp hành tĩnh điện được phát triển cả dạng chuyểnđộng thẳng và dạng quay. Hai dạng phổ biến nhất của cơ cấu chấp hành tĩnh điện chuyển độngthẳng là loại truyền động vuông góc và loại tiếp tuyến hay còn gọi là loại truyền động dạng lược,được minh họa trên hình 5.1 và 5.2. Chú ý rằng cả hai loại cơ cấu chấp hành đều được treo bởi cơ cấu uốn và như vậy lực đầu ra bằng lực chấp hành tĩnh điện trừ đi lực đàn hồi dùng để bù việc treouốn. Loại truyền động vuông góc của vi cơ cấu chấp hành tĩnh điện hoạt động giống như một cáimicro dạng tụ. Với dạng truyền động này, lực chấp hành được cho bởi:

2

22 x Av F x

ε =

ở đây A là tổng diện tích của các bề mặt song song,ε là hằng số điện môi của không khí,v là điệnáp giữa các bề mặt và x là khoảng cách giữa các bề mặt. Lực chấp hành của truyền động dạng lượcđược cho bởi

2

2 x

wv F d

ε =

ở đâyw là độ rộng của các bề mặt,ε là hằng số điện môi của không khí,v là điện áp giữa các bềmặt, vàd là khoảng cách giữa các bề mặt. Sự nghiên cứu thứ nguyên của 2 mối liên hệ này chỉ rarằng lực là độc lập với hệ số tỷ lệ hình học và động học, với một cơ cấu chấp hành tĩnh điện được

làm giảm về hình học và động học bởi hệ số N thì lực sinh ra bởi cơ cấu chấp hành này trước vàsau khi giảm là như nhau. Vì các lực liên quan đến hầu hết các hiện tượng vật lý khác đều giảmđáng kể ở kích thước nhỏ, nên các lực tĩnh điện ở cỡ micro là tương đối lớn so với các lực khác.Sự quan sát này được minh họa rõ ràng bởi thực tế là tất cả các lực liên kết phân tử có bản chất làlực tĩnh điện và như vậy sức bền của tất cả vật liệu là kết quả của các lực tĩnh điện [6].

HÌNH 5.1Sơ đồ cơ cấu chấp hành tĩnh điện truyền động vuông góc

3






Furuhata [22]. Các vi cơ cấu chấp hành tĩnh điện vẫn còn là một chủ đề trong nghiên cứu và pháttriển, và như thế hiện nay chưa có mặt trên thị trường.

HÌNH 5.3Động cơ tĩnh điện dạng điện dung thay đổi. Các cặp điện cực đối diện được lần lượt nạpnăng lượng để làm quay rôto

HÌNH 5.4Động cơ tĩnh điện dạng truyền động điều hòa. Các điện cực kề liền được lần lượt nạpnăng lượng làm quay rôto (được cách ly) quanh stato

Chấp hành điện-từ Chấp hành điện-từ kích thước micro không có nhiều như ở kích thước thông thường. Có thể

một phần do sự hoài nghi gần đây về phạm vi của các lực từ, và một phần donhững khó khăntrong việc chế tạo theo bản saocủa các thiết kế kích thước thường. Hầu hết các chuyển đổi điện từdựa trên một dây dẫn mang điện trong một từ trường, được mô tả bằng phương trình Lorentz:

dF Idl B= ×

ở đây F là lực trên dây dẫn, I là dòng điện trong dây dẫn,l là chiều dài dây dẫn, và B là mật độ từthông. Trong mối liên hệ này, mật độ từ thông là một biến số tập trung và như vậy (với vật liệu đãcho) không đổi với thang đo. Tuy nhiên, xác định dòng điện cũng không đơn giản. Điện trở củadây được cho bởi

.l R A

ρ =

ở đây ρ là suất điện trở của dây (một biến số tập trung), l là chiều dài, và A là diện tích tiết diệnngang. Nếu một dây có kích thước hình học giảm dần bởi hệ số N , điện trở sẽ tăng dần bởi hệ số N . Do công suất tiêu hao trên dây là I 2 R, giả thiết dòng điện không đổi, suy ra công suất tiêu haotrên dây hình dáng nhỏ hơn sẽ tăng dần theo hệ số N . Giả sử tiêu hao công suất lớn nhất với một

5








thích cấu trúc và phương pháp phát hiện tần số cộng hưởng. Nhiều phương pháp chuyển đổi đãđược sử dụng kết hợp cho các mục đích này, bao gồm kích thích tĩnh điện, dò điện dung, kíchthích và phát hiện từ tính, kích thích nhiệt, và dò quang học.

Biến dạng Nhiều vi cảm biến dựa trên đo lường biến dạng. Một cách thức cơ bản của đo lường biến dạng

là qua biến dạng kế áp trở, là một dạng đo lường tương tự. Các biến dạng kế áp trở,hay còn gọilàthiết bị đo bán dẫn, thay đổi điện trở tương ứng với một biến dạng cơ học. Chú ý rằng các vật liệuáp điện cũng có thể được sử dụng để đo biến dạng. Nhớ rằng biến dạng cơ học sẽ gây ra một sựtích điện trong một vật liệu áp điện. Vấn đề cơ bản của việc dùng vật liệu áp điện là mạch đo bịgiới hạn trở kháng,nên điện ápđược tạo ra từ biến dạng cơ học sẽ dần dần yếu đi thông qua trở kháng đo. Ngược lại,sự thay đổi điện trở của một vật liệu áp điện là ổn định và có thể đo được dễdàng với các tín hiệu ra ổn định. Tuy nhiên, một vấn đề với các vật liệu áp điệnlà độ biến dạngcủa chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, và do đó thường phải bù nhiệt.

Mộtdạng khác củabộ áp trở bán dẫn là biến dạng kế cộng hưởng của Ikeda, nó cung cấp mộtdạng đo lường dựa trên tần số mà ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu [34]. Biến dạng kế cộng hưởng là mộtcái dầm được treo nhẹ trên một bộ phận biến dạng và dính với nó tại các điểm đầu. Dầm biến dạngkế được kích thích một cách từ tính bằng các xung, và tần số dao động được phát hiện bởi mộtmạch dò từ tính. Khi dầm bị kéo dãn bởi lực biến dạng cơ học, tần số dao động sẽ tăng. Các cảm

biến này có độ phân giải cao hơn các bộ điện áp thông thường và có hệ số nhiệt độ thấp hơn. Tuynhiên, các cảm biến cộng hưởng yêu cầu một công nghệ chế tạo 3 chiều phức tạp, không giốngnhư các bộ áp điện thông thường chỉ yêu cầu công nghệ trên mặt phẳng.

Áp suấtMột trong những công nghệ vi cảm biến thành công về mặt thương mại nhất là cảm biến áp

suất. Các cảm biến áp suất vi gia công bán dẫn hiện trên thị trường có thể đo áp suất từ một đếnmột vài nghìn kPa, với độ phân giải cỡ 1/10,000.Các cảm biến loại này có một màng làm bằngchất bán dẫn được vi gia công, dưới sự tác động của chất lưu (tức là chất lỏng hoặc chất khí) màngsẽ giãn nở . Dạng đơn giản nhất củanhững cảm biến áp suất sử dụng các bộ áp trở nằm ở phầnsau của màng để đo sự biến dạng do áp suất gây ra. Các ví dụ về thiết bị này được đưa ra bởi Fujii[35] và Mallon [36]. Một biến thể của dạng này là thiết bị của Ikeda. Thay vì một bộ áp trở để đo biến dạng,Ikeda sử dụng một bộ biến dạng kế cộng hưởng đovà điều khiển bằng điện-từ, như đãmiêu tả ở phần trước[37].Đo lường điện dung cũng là một phương pháp hay được sử dụng, phương pháp nàyđo điện dung giữa màng và một điện cực được gắn cứng và song song với màng.Một minh họa cho cách tiếp cận này được đưa ra bởi Nagata [38]. Một cách tiếp cận phức tạp hơncho đo lường áp suất là loại của Stemme và Stemme, dùng cộng hưởng của màng để xác định ápsuất [39]. Trong thiết bị này, màng được kích thích điện dung và được xác định bằng quang học.Áp suất tác động tải cơ học lên màng, làm tăng độ cứng và tần số cộng hưởng.

Gia tốcMột loại vi cảm biến khác cũng thành công về mặt thương mại là gia tốc kế vi gia công bán

dẫn, mà trong các dạng khác nhau có thể đo các khoảng gia tốc từ dưới 1 đến 1000 m/s2 (nghĩa làtới vài trăm g’s), với độ phân giải cỡ 1/10.000. Các cảm biến nàysử dụngmột khốicó khả năngchịu được sự treo uốn và đượcvi gia công. Lực quán tính gây ra bởi gia tốc sẽ làm chỗ treo uốnthay đổi. Một phương phápđo độ uốn là dùng các biến dạng kế áp trở gắn trên các chỗ uốn. Nhượcđiểm cơ bản của cách tiếp cận này là độ nhạy nhiệt của bộ đo áp trở. Một cách khác để đo độ uốnlà sử dụng phương phápđo điện dung. Trong các thiết bị này, điện dung được đo giữakhối đượctreo uốn và một điện cực được gắn cứng và song song với nó. Các ví dụ của cách tiếp cận nàyđược đưa ra bởi Boxenhorn và Greiff [40], Leuthold và Rudolf [41], và Seidel [42]. Một cách khác

8




để đo lực quán tính trên khốiđược treo uốnlà đo tần số cộng hưởng ở các chỗ uốn đỡ. Lực quántính do gia tốc sẽ tác động lên chỗ uốn gây ra biến thiên tần số cộng hưởng của nó. Vì thế, từ tầnsố dao động có thể đo được gia tốc. Các loại thiết bị này sử dụng một số dạng chuyển đổi để kíchthích cộng hưởng cấu trúc của các chỗ uốn đỡ, và sau đó sử dụng các kỹ thuật đo lường khác đểtìm ra tấn số dao động. Các ví dụ về loại thiết bị này được đưa ra bởi Chang [43], sử dụng kíchthích tĩnh điện và đo điện dung, và đưa ra bởi Satchell và Greenwood [44], sử dụng kích thíchnhiệt và đo áp trở.Các loại gia tốc kế này rất phức tạp, tuy nhiên độ phân giải được cải thiện đángkể. Một biến thể khácc ủa vi gia tốc kế là dạng cân bằng lực. Dạng thiết bị này đo vị trí của khốiđược treo uốn (thường bằng các phương pháp điện dung), sử dụng một vòng phản hồi và chấphành tĩnh điện hoặc điện từ để duy trì độ lệch không của khối. Gia tốc khi đó là hàm của lực chấphành. Thiết bị nàycó dải thông rộng và độ nhạy cao, nhưng thường phức tạp hơn và đắt hơn cácloại khác. Các ví dụ về thiết bị cân bằng lực được đưa ra bởi Chau và cộng sự [45], Kuehnel vàSherman [46], cả hai đều sử dụng cảm biến điện dung và chấp hành tĩnh điện.

LựcCảm biến lực vi gia công silicon sử dụng các phương pháp đo giống như kiểu cảm biến áp suất

và gia tốc kế vi gia công. Những dạng khác nhau của loại cảm biến lực này có thể đo lực trongkhoảng từ vài mN đến N, với độ phân giải 1/10000.Cảm biến cơ học thường sử dụng dầm hoặcgối đỡ linh hoạt, chúng bị thay đổi dưới tác động của lực, do đó có thể đo lực thông qua đo độ biếndạng hoặc dịch chuyển (có thể thực hiện bằng các phương pháp áp trở hoặc điện dung).Một vi dụvề dạng thiết bị này là thiết bị của Despont và cộng sự sử dụng để đo lường điện dung [47].Cácthiết bị có độ phân giải cao hơn thường là kiểu dầm cộng hưởng, mà ở đó lực tác dụng tạo tải lênmột dầm cộng hưởng dưới dạng sức căng. Sức căng càng tăng thì tần số cộng hưởng càng tăng.Một ví dụ về dạng thiết bị này là thiết bị của Blom và cộng sự [48].

Cảm biến đo vận tốc góc (Con quay hồi chuyển)Con quay hồi chuyển kích thước thông thường sử dụng khớp nối không gian của hiệu ứng hồi

chuyển dựa trên động lượng góc để đo vận tốc góc. Trong các thiết bị này, một đĩa được quay ở vận tốc cao không đổi quanh trục sơ cấp, sao cho khi đĩa quay quanh trục không thẳng hàng vớitrục sơ cấp (hoặc trục quay) thì mômen tạo nên hướng trực giao tỷ lệ với vận tốc góc. Các thiết bịnày thường được đặt trong khớp các đăng với ổ bi ma sát thấp, kết hợp với động cơ để duy trì vậntốc quay và sử dụng bộ đo ứng suất để đo mô men hồi chuyển (và do đó tính được vận tốc góc).

Một thiết kế như vậy có thể không thích hợp cho vi cảm biến do một vài yếu tố, một số trong đó bao gồm hiệu ứng thu nhỏ quán tính (như động lượng) ở kích thước nhỏ, thiếu ổ bi tương xứng, vàthiếu động cơ micro thích hợp và thiếu quá trình vi gia công ba chiều phù hợp. Thay vào đó, các vicảm biến vận tốc góc là dạng dao động kết hợp các hiệu ứng kiểu Coriolis hơn là cơ cấu hồichuyển dựa trên động lượng góc của thiết bị kích thước thông thường. Gia tốc Coriolis được tạo rado dịch chuyển tuyến tính trong hệ toạ độ đang quay đối với hệ qui chiếu quán tính. Cụ thể, nếu phần tử trên hình 5.8 đang chuyển động với vận tốcv trong hệ xyz,và nếu hệ xyzquay với vận tốcgóc ω đối với hệ qui chiếu quán tính XYZ , thì gia tốc Coriolis sẽ có kết quả bằng 2c vω = ×a . Nếu vật có khối lượngm, lực quán tính Coriolis sẽ có kết quả bằngF 2c m vω = − × (dấu trừ bởi vìhướng ngược vớica ). Một con quay hồi chuyển dao động sử dụng hiệu ứng này được minh họatrên hình 5.9. Một khối lượng quán tính treo động được dao động theo chiều x, thường với truyềnđộng dạng răng lược tĩnh điện. Vận tốc góc quanh trục z sẽ tạo ra gia tốc Coriolis và do đó tạo ra

lực theo chiều y. Nếu vận tốc góc “bên ngoài” không đổi và vận tốc theo chiều x là hình sin, thì lựcCoriolis sinh ra sẽ có hình sin, và khối lượng quán tính treo sẽ dao động theo chiều y với biên độtỷ lệ theo vận tốc góc. Chuyển động theo chiều y, thường được đo bằng điện dung, được dùng đểtính vận tốc góc. Các ví dụ về kiểu thiết bị này là các thiết bị của Bernstein và cộng sự.[49], Oh vàcộng sự [50]. Chú ý rằng mặc dù dao dộng là thành phần chủ yếu của thiết bị này,nhưngchúng

9






lượng để truyền dữ liệu nhằm thông báo việc thực thi và trạng thái của thiết bị.Một lý do khác chosự ưu tiên đối với thiết bị phân tử dựa trên quang hóa và điện hoá là khi các thiết bị này cần hoạtđộng theo chu kỳ thì phản ứng hoá học điều khiển hệ thống phải có tính thuận nghịch. Do các quátrình quang hoá và điện hoá không dẫn tới việc tích trữ sản phẩm phản ứng, nên chúng được ứngdụng trong thiết bị nano.

Thiết bị phân tửđược thiết kế hiện naycó khả năng chuyển động và điều khiển bằng phương pháp quang hoá. Một thiết bị là hệ thống khe và chốt cỡ phân tử, và một cái khác là hệ thống piston-xilanh [51]. Việc xây dựng các thiết bị siêu phân tử như thế thuộc về lĩnh vực của nhữngnhà hoá học, những người giỏi về điều khiển phân tử.

Như một sự tiến về kích thước tới mức tiếp theo của máy nano,chúng ta đã có những thiết bịđược sản xuất từ (hoặc với) các ống nano carbon vách đơn (SWNT – Single-walled carbonnanotubes) và/hoặc ống nano carbon đa vách (MWNT – Multi-walled carbon nanotubes) vớiđường kính vài nano mét. Chúng ta sẽ chỉ thảo luận về ống nano carbon (CNT),mặc dù có rấtnhiềuống nano được tạo ra từ các vật liệu khác, đặc biệt là bitmut. Độ bền và tính đa dụng củaCNT làm cho chúng trở thành một công cụ tốt cho kỹ sư thiết kế vi máy. Chúng có độ dẫn điệncao với khả năng mang dòng điện hàng tỷ ampe trên một centimét vuông. Chúng là bộ phát quangtrường tuyệt vời ở điện áp hoạt động thấp. Hơn nữa,CNT phát ra sáng một cách rõ nét và nó tạo ramột lĩnh vực mới hoàn toàn của ứng dụng chụp ảnh giao thoa laze. Suất đàn hồi của CNT là caonhất của tất cả các vật liệu được biết hiện nay[52]. Các tính chất điện và độ bền cơ học rất cao nàylàm MWNT trở thành đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử. CNT có khả năng được sử dụng như các

thiết bị lắp ráp phân tửđểchế tạo các máy nano một nguyên tử tại một thời điểm.Hai ứng dụng công nghệ nano rõ ràng của CNT là ổ bi nano và lò xo nano. Zettl và Cumings[53] đã tạo ra ổ bi tuyến tính và lò xo nano lực không đổi dựa trên MWNT. CNT có thể tạo ra tậphợp cơ bản các khối xây dựng cỡ nano mét,do đó các máy nano với nhiều loại khác nhau có thểđược chế tạo. Những máy nano này có thể được sử dụng để lắp ráp các máy nano mà sau đó đượcdùng để thiết kế máy với các kiểu và kích thước khác nhau. Những máy này có thể cạnh tranh,thậm chí vượt trội so với tất cả thiết bị hiện có.

SWNT cũng có thể được sử dụng như một cơ cấu chấp hành cơ-điện. Baughman và cộng sự[54] đã chứng minh rằng các tấm SWNT sinh ra lực lớn hơn cơ bắp tự nhiên và sức căng lớn hơnsắt từ môđun cao. Người ta dự đoán rằng cơ cấu chấp hành dùng các tấm SWNT có thể cung cấpmật độ công việc trên một chu kỳ cao hơn các cơ cấu chấp hành đã biết. Kim và Lieber [55] đã xâydựng những cái kẹp nano SWNT và MWNT. Những thiết bị cơ-điên cỡ nano này được dùng đểthao tác và kiểm tra cấu trúc nano. CNT dẫn điện được gắn vào các điện cực trên vi ống nghiệmthuỷ tinh dạng kéo. Điện áp đặt vào điện cực mở và đóng đầu tự do của CNT. Kim và Lieber đãchứng minh khả năng của kẹp Nano bằng cách tìm vàgắp những vật siêu nhỏ và dây cỡ nano.Thiết bị này có thể được dùng để điều khiển tế bào sinh học và thậm chí thao tác với các cơ quanvà các cụm tế bào người. Có lẽ, quan trọng hơn, những cái kẹp này có khả năng được sử dụng đểlắp ráp những máy nano khác.

Các dạng tay máy cỡ nano khác nhau đã được giới thiệu bởi [56] bao gồm tay máy khí nén cóthể được định hình để tạo nên các thiết bị dạng xúc tu, con rắn, hoặc nhiều khoang.Drexler đã chếtạo các tay máy nano có khả năng lồng vào nhaucho các công việc định vị và lắp ráp phân tửchính xác. Tay máy này có dạng hình trụ với đường kính 35 nm và chiều dài có khả năng mở rộngtới 100 nm. Một số tấm Stewart 6 bậc tự do được giới thiệu trong [56], trong đó có tấm cho phépchiều dài thanh giằng được thay đổi trong phạm vi 100 nm với bước thay đổi là 0.1 nm. Một số cácthiết bị nano khác bao gồm gia tốc kế lò xo- hộp, gia tốc kế dịch chuyển, gia tốc kế hồi chuyển

trục đứng và con quay hồi chuyển nano khớp các - đăng cũng đã được giới thiệu và thiết kế [56].Hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đạng tập trung vào các thiết bị lắp ráp và tự nhân bản cỡ phân tử (Nanorobot tự nhân bản ). Tự lắp ráp là cách duy nhất cho công nghệ nano phát triển theohướng kỹ thuật và công nghệ. Việc lắp ráp hàng tỷ hoặc hàng nghìn tỷ nguyên tử – một nguyên tửtại một thời điểm có thể là một công việc lớn. Nó cần một sự đầu tư khổng lồ về thiết bị, phòng thínghiệm và thời gian. Freitas [56] đã mô tả hạ tầng cơ sở cần thiết để chế tạo Nanorobot y tế đơn

11




giản: một tế bào hô hấp hình cầu 1µ m bao gồm 18 tỷ nguyên tử.Ông tính toán rằng để chế tạođược 2 nanorobot trong vòng 10 năm thì cần phải có một dây chuyền sản xuất để triển khai một hệthống gồm 100 bộ lắp ráp vi kính hiển vi đầu dò quét kích thước micro (SPM), trong đó mỗi bộ lắpráp có khả năng đặt một nguyên tử trong một giây lên một vùng lắp ráp hội tụ. Nếu như tốc độ chếtạo các bộ lắp ráp thậm chí là số lượng nanorobot được chế tạo trong mỗi phút có tăng lên nhiềulần, thì vẫn phải mất hai triệu năm để xây dựng một cm3 đầu tiên của các nanorobot y học. Bởivậy, rõ ràng là tương lai của công nghệ nano y học và kỹ thuật nano phải theo hướng tự lắp ráp và

tự nhân bản.Tài liệu tham khảo[1] Bridgman, P. W., Dimensional Analysis,2nd Ed., Yale University Press, 1931.[2] Buckingham, E., “On physically similar systems: illustrations of the use of dimensional

equations,” Physical Review,4(4):345–376, 1914.[3] Huntley, H. E., Dimensional Analysis,Dover Publications, 1967.[4] Langhaar, H. L., Dimensional Analysis and Theory of Models,John Wiley and Sons, 1951.[5] Taylor, E. S., Dimensional Analysis for Engineers,Oxford University Press, 1974.[6] Israelachvili, J. N., Intermolecular and Surface Forces,Academic Press, 1985, pp. 9–10.[7] Fearing, R. S., “Microactuators for microrobots: electric and magnetic,”Workshop on

Micromechatronics, IEEE International Conference on Robotics and Automation,1997.[8] Bobbio, S. M., Keelam, M. D., Dudley, B. W., Goodwin-Hohansson, S., Jones, S. K.,

Jacobson, J. D., Tranjan, F. M., Dubois, T. D., “Integrated force arrays,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems,149–154, 1993.

[9] Jacobson, J. D., Goodwin-Johansson, S. H., Bobbio, S. M., Bartlett, C. A., Yadon, L. N.,“Integrated force arrays: theory and modeling of static operation,” Journal of Microelectromechanical Systems,4(3):139–150, 1995.

[10] Yamaguchi, M., Kawamura, S., Minami, K., Esashi, M., “Distributed electrostatic microactuators,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems,18–23, 1993.

[11] Kim, C. J., Pisano, A. P., Muller, R. S., “Silicon-processed overhanging microgripper,” Journal of Microelectromechanical Systems,1(1):31–36, 1992.

[12] Matsubara, T., Yamaguchi, M., Minami, K., Esashi, M., “Stepping electrostaticmicroactuator,” International Conference on Solid-State Sensor and Actuators,50–53,1991.

[13] Niino, T., Egawa, S., Kimura, H., Higuchi, T., “Electrostatic artificial muscle: compact,high-power linear actuators with multiple-layer structures,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,130–135, 1994.

[14] Huang, J. B., Mao, P. S., Tong, Q. Y., Zhang, R. Q., “Study on silicon electrostatic andelectroquasistatic micromotors,”Sensors and Actuators,35:171–174, 1993.

[15] Mehragany, M., Bart, S. F., Tavrow, L. S., Lang, J. H., Senturia, S. D., Schlecht, M. F., “Astudy of three microfabricated variable-capacitance motors,”Sensors and Actuators,173– 179, 1990.

[16] Trimmer, W., Gabriel, K., “Design considerations for a practical electrostatic micromotor,”

Sensors and Actuators,11:189–206, 1987.[17] Mehregany, M., Nagarkar, P., Senturia, S. D., Lang, J. H., “Operation of microfabricatedharmonic and ordinary side-drive motors,” Proceeding of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,1–8, 1990.

12




[18] Dhuler, V. R., Mehregany, M., Phillips, S. M., “A comparative study of bearing designsand operational environments for harmonic side-drive micromotors,” IEEE Transactions on Electron Devices,40(11):1985–1989, 1993.

[19] Price, R. H., Wood, J. E., Jacobsen, S. C., “Modeling considerations for electrostatic forcesin electrostatic microactuators,”Sensors and Actuators,20:107–114, 1989.

[20] Trimmer, W., Jebens, R., “An operational harmonic electrostatic motor,” Proceeding of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,13–16, 1989.

[21] Trimmer, W., Jebens, R., “Harmonic electrostatic motors,”Sensors and Actuators,20:17– 24, 1989.[22] Furuhata, T., Hirano, T., Lane, L. H., Fontanta, R. E., Fan, L. S., Fujita, H., “Outer rotor

surface micromachined wobble micromotor,” Proceeding of the IEEE Conference onMicro Electro Mechanical Systems,161–166, 1993.

[23] Trimmer, W., Jebens, R., “Actuators for microrobots,” IEEE Conference on Robotics and Automation,1547–1552, 1989.

[24] Trimmer, W., “Microrobots and micromechanical systems,”Sensors and Actuators,19:267–287, 1989.

[25] Inoue, T., Hamasaki, Y., Shimoyama, I., Miura, H., “Micromanipulation using a microcoilarray,” Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation,2208–2213, 1996.

[26] Liu, C., Tsao, T., Tai, Y., Ho, C., “Surface micromachined magnetic actuators,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,57–62, 1994.

[27] Shinozawa, Y., Abe, T., Kondo, T., “A proportional microvalve using a bi-stable magneticactuator,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,233–237, 1997.

[28] Wagner, B., Benecke, W., “Microfabricated actuator with moving permanent magnet,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,27–32, 1991.

[29] Yanagisawa, K., Tago, A., Ohkubo, T., Kuwano, H., “Magnetic microactuator,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,120–124,1991.

[30] Judy, J., Muller, R. S., Zappe, H. H., “Magnetic microactuation of polysilicon flexurestructures,” Journal of Microelectromechanical Systems,4(4):162–169, 1995.

[31] Ahn, C. H., Kim, Y. J., Allen, M. G., “A planar variable reluctance magnetic micromotor with fully integrated stator and wrapped coils,” Proceedings of the IEEE Conference onMicro Electro Mechanical Systems,1–6, 1993.

[32] Guckel, H., Christenson, T. R., Skrobis, K. J., Jung, T. S., Klein, J., Hartojo, K. V.,Widjaja, I., “A first functional current excited planar rotational magnetic micromotor,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,7–11, 1993.

[33] Guckel, H., Sneigowski, J. J., Christenson, T. R., Raissi, F., “The application of finegrained, tensile polysilicon to mechanically resonant transducers,”Sensor and Actuators,A21–A23:346–351, 1990.

[34] Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, T., Watanabe, T., Nishikawa, T., Yoshida, T.,Harada, K., “Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm,”

Sensors and Actuators,A21–A23:146–150, 1990.[35] Fujii, T., Gotoh, Y., Kuroyanagi, S., “Fabrication of microdiaphragm pressure sensor utilizing micromachining,”Sensors and Actuators,A34:217–224, 1992.

[36] Mallon, J., Pourahmadi, F., Petersen, K., Barth, P., Vermeulen, T., Bryzek, J., “Low- pressure sensors employing bossed diaphragms and precision etch-stopping,”Sensors and Actuators,A21–23:89–95, 1990.

13




[37] Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, T., Watanabe, T., Nishikawa, T., Yoshida, T.,Harada, K., “Three-dimensional micromachining of silicon pressure sensor integratingresonant strain gauge on diaphragm,”Sensors and Actuators,A21–A23:1007–1009, 1990.

[38] Nagata, T., Terabe, H., Kuwahara, S., Sakurai, S., Tabata, O., Sugiyama, S., Esashi, M.,“Digital compensated capacitive pressure sensor using cmos technology for low-pressuremeasurements,”Sensors and Actuators,A34:173–177, 1992.

[39] Stemme, E., Stemme, G., “A balanced resonant pressure sensor,”Sensors and Actuators,A21–A23: 336–341, 1990.

[40] Boxenhorn, B., Greiff, P., “Monolithic silicon accelerometer,”Sensors and Actuators,A21–A23:273–277, 1990.

[41] Leuthold, H., Rudolf, F., “An ASIC for high-resolution capacitive microaccelerometers,”Sensors and Actuators,A21–A23:278–281, 1990

[42] Seidel, H., Riedel, H., Kolbeck, R., Muck, G., Kupke, W., Koniger, M., “Capacitive siliconaccelerometer with highly symmetrical design,”Sensors and Actuators,A21–A23:312– 315, 1990.

[43] Chang, S. C., Putty, M. W., Hicks, D. B., Li, C. H., Howe, R. T., “Resonant-bridge two-axis microaccelerometer,”Sensors and Actuators,A21–A23:342–345, 1990.

[44] Satchell, D. W., Greenwood, J. C., “A thermally-excited silicon accelerometer,”Sensorsand Actuators,A17:241–245, 1989.

[45] Chau, K. H. L., Lewis, S. R., Zhao, Y., Howe, R. T., Bart, S. F., Marchesilli, R. G., “Anintegrated force- balanced capacitive accelerometer for low- g applications,”Sensors and Actuators,A54:472–476, 1996.

[46] Kuehnel, W., Sherman, S., “A surface micromachined silicon accelerometer with on-chipdetection circuitry,”Sensors and Actuators,A45:7–16, 1994.

[47] Despont, Racine, G. A., Renaud, P., de Rooij, N. F., “New design of micromachinedcapacitive force sensor,” Journal of Micromechanics and Microengineering,3:239–242,1993.

[48] Blom, F. R., Bouwstra, S., Fluitman, J. H. J., Elwenspoek, M., “Resonating silicon beamforce sensor,”Sensors and Actuators,17:513–519, 1989.

[49] Bernstein, J., Cho, S., King, A. T., Kourepenis, A., Maciel, P., Weinberg, M., “A

micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope,” IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,143–148, 1993.[50] Oh, Y., Lee, B., Baek, S., Kim, H., Kim, J., Kang, S., Song, C., “A surface-micromachined

tunable vibratory gyroscope,” IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems,272–277, 1997.

[51] Venturi, M., Credi, A., Balzani, V., “Devices and machines at the molecular level,” Electronic Properties of Novel Materials, AIP Conf. Proc.,544:489–494, 2000.

[52] Ajayan, P. M., Charlier, J. C., Rinzler, A. G., “PNAS,” 96:14199–14200, 1999.[53] Zettl, A., Cumings, J., “Sharpened nanotubes, nanobearings and nanosprings,” Electronic

Properties of Novel Materials, AIP Conf. Proc.,544:526–531, 2000.[54] Baughman, R. H., et al., “Carbon nanotube actuators,”Science,284:1340–1344, 1999.

[55] Kim, P., Lieber, C. M., “Nanotube nanotweezers,”Science,286:2148–2150, 1999.[56] Freitas, R. A., “Nanomedicine,” Vol. 1, Landes Bioscience,Austin, 1999.

14

Documents

sổ tay cdt Chuong 5-Mirco, Nano