Luận văn thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính Ứng dụng cho hệ hiển vi lực nguyên tử

Đây là công cụ cho phép ghỉ lại hình ảnh bể mặt, áo đạc phân tích tính chất và thao tác với các vật liệu ở kich thước từ micromét dén một số tuơng tác khác nhau giữa bê mặt và mũi đỏ n

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ,

DAI HOC QUOC GIA HÀ NỘI

CHU THI PHUONG DUNG

THIET KE VA MO PHONG CAU TRUC VI CO TI? TINH

UNG DUNG CHO HE HIEN VI LUC NGUYEN TU

Newéi hwéng dan TS: NGUYEN TIANG LONG

Tà Nội 2007

MG DAU

‘Trong nhimg nim gan day, công nghệ micro và nano đang trở thành những công, nghệ mũi nhọn trong nhiều lĩnh vực quan trọng như điện tử, lưu trữ thông tim, y sinh

học

Một ví dụ điển hình là công nghệ hệ vì cơ điện tử - MEMS (Micro Electro

Mechamical Šystems), được phát triển trên nên của sông nghệ vi diện tử cùng với việc tích hợp, tiểu hình hoả các thành phan cơ, nhiệt, quang , đã tạo ra một cuộc cách mang trong các ứng dụng như ví dụ vẻ gia tỐc, con quay, gương vi cơ

Bên cạnh sự phát triển của công nghệ ví chế tạo như công nghệ vi điện tử và

công nghệ MEMS, véng nghệ nano cũng không ngừng được quan tâm nghiên cửu Đây là một công nghệ đa đạng, từ việc phát triển các vật liệu chức năng với cầu trúc

thấp chiêu cho những tình ning mon nhu carbon temolube, nano composite, nano wire, nano dol dén vige phal trién các linh kiện kích hước mano ni single clectron

transislor, quantum dol hay uanoresonator

Một trong những công cụ quan trọng của công nghệ micro nano nói chung là kính hiễn vi hực nguyén ti (Atomic Force Microscope - AFM), duoc phat minh nam

1986 bởi Binnig, Quate và Gerber Đây là công cụ cho phép ghỉ lại hình ảnh bể mặt,

áo đạc phân tích tính chất và thao tác với các vật liệu ở kich thước từ micromét dén

một số tuơng tác khác nhau giữa bê mặt và mũi đỏ như lực tương tác gifa các nguyên

tử, lực ma sát, lục từ, lục tĩnh điện và bic bam dính, Từ những phát triển trên, hệ thống được gọi với tên chưng là SPM (Scarming Probe Microscope)

Với một số kính hiển vi phân giải cao như biển vi điện tử truyền qua (TEM) chỉ

khảo sát được các mẫu din điện thị SPM sử đụng được cho cả mẫu dẫn điện và mẫu

không đẫn điện Hen thẻ nữa SPM đặc biệt thích hợp đề nghiên cứu các mẫu sinh hoc

trong môi trường lỏng,

Một trong những thánh phản quan trọng của hệ thông, SPM 1a dau do (probe) Dâu đỏ thường là một mũi nhọn với kích thước nano (1-70 nm) gắn trên một thanh

đảm (cantilever) cho phép cam những lực tác động rất nhỏ từ bê mặt mẫn Sau

một thời gian sử dụng, các đầu đò cần được thay thế Tuy nhiên giả thành của ching

còn tương đối cao, vì vậy việc nghiên cứu thiết kế chế tao cac đầu đỏ là rất cần thiết

Mục đích luận văn này nhằm nghiên cửu thiết kế và mô phỏng các dầu dò phục

vụ cho hệ thống SPM Đã

công đoạn chẻ tạo Luận án tập trưng váo nghiên cửu ứng dụng phương pháp phần tứ hữu hạn (FEM) sử dụng phân mềm ANSYS để thiết kế vả mô phỏng các đều do Ngoài các đầu dò thông thường dựa trên vật liệu SiHc, hoạt động trong môi trường không khí, luận án cũng tập trung váo việc thiết kế loại đầu đỏ đặc biệt, được kích

thích bằng lực từ, cho phép thực hiện các phép đo trong môi trường lông Ngoài phân

mở đầu và kết luận, luận văn gầm 4 chương:

là một bước quan trọng cần thiết trước khi thực hiện các

Chương I: Giới thiệu về hệ hiển vị lực nguyễn tử Trong đó dưa ra những nguyên

lý hoạt động chung cũng như các lý thuyết về hoạt động của đầu dó

Chương TT: Các lý tuyết cơ bản về từ học và phương pháp phần tử hữu hạn

Chương II: Thiết kế và kết quả mô phỏng

cuỗi củng là phân tài liệu tham khảo

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VE HỆ HIEN VI LUC NGUYEN TU

Cấu tạo của hệ hiển vi lực nguyên tử

Hình 1.1: Kinh hiển vi lực nguyên tử AFM

Kinh hién vi luc nguyén tit (Atomic Force Microscope - AFM) duge phat minh

yao nim 1986 béi Gerd Binnig, Calvin F.Quate va Christopher Herber Nguyén ly lam

việc của AFM là đo lực tương tác giữa bẻ mặt mâu vả típ sử dụng đầu đỏ đặc biệt

được làm bởi thanh dầm đàn hồi với đầu típ nhọn ở phía cuối (hình 1.2) Lực đặt vào típ với bê mặt làm cong thanh dầm Bằng việc đo độ uốn của thanh dam ta có thẻ tính

được lực tương tác giữa tip va mau

Base Cantilever

Tip

Hình 1.2 Ảnh lược đỗ đầu do AFM

Thông thường lực nảy gồm một thành phan vuông góc với bẻ mặt mâu và một thảnh phần bên ( nằm trong mặt phẳng của bẻ mặt mâu ) Tương tác thực của tip-mâu phúc tạp hơn nhiều tuy nhiên bản chất thì như nhau: tip AEM bị hút bởi mau ở khoảng,

cách xa và bị day ở khoảng cách nhỏ Bẻ mặt địa hình mẫu AFM thu được bằng cách

ghi lại độ uốn cong của thanh dâm đàn hỏi Trong kính hiện vi lực nguyên tử ta sử dụng phương pháp quang học để đo đô uốn cong của thanh dam đản hỏi

Hình 1.3 Lược đồ mô tả hệ thông quang học để dỏ độ cong thanh dâm

Hệ thông quang học được căn chinh sao cho tia phat ra tir laser diode được hội

tụ vào thanh dầm vả tia phản xạ đập vao tâm của bộ do quang (photodetector) Bồn

phan chia ra của photodiode sử dụng như là bộ đò quang nhạy vị trí

(2)

(bì

Hình 1.4 Mỗi liên hệ giữa độ biển dạng cong thanh dam và sự thay đổi

của vị trí châm laser trên phân photodiode

4

Chum sang Laze chiều qua thâu kính tập trung tại một điểm cực nhỏ trên gáy

lỗ cantilever, tia phản xa đi đoạn đường dài đến đetectơ đã loe rông thành hình tròn cỡ

5 mm Khi cantilever chưa bị uốn cong, vết sáng hình tròn này chiếu đều vào đetectơ quang điện Khi đầu dỏ lại gần nguyên tử ở bê mặt, lực tương tác giữa 2 nguyên tử làm

lò xo lá bị uốn cong, vét sáng tròn dịch chuyên, hai nửa tâm quang điện không dược

chiêu đều như nhau, dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo thành tín hiệu vi sai

sẽ cho dòng điện lớn hay nhỏ tủy thuộc vảo lò xo lá bị uốn cong nhiều hay ít, tức là lực tương tác giữa hai nguyên tử là mạnh hay yếu Mâẫu nghiên cứu được gắn liên với bộ quét và được điều khiến đề đầu đỏ quét trên mẫu theo hai chiêu x, y Dùng dong quang điện ở bộ khuêch đại vị sai để tạo ảnh bề mặt ứng với các điểm sáng, tôi Trong AEM:

thường dùng dong quang điện phản hỏi để điều khiển mẫu dịch chuyên lên, xuống,

theo trục z sao cho dong quang điện không đổi Bằng cách như vậy, đầu dò đã lượn

theo đúng độ mắp mô bê mặt trong quá trình quét Sử dụng các số liệu x, y, Z ta sẽ thu

được ảnh ba chiều bẻ mặt ở mức độ tình v¡ nhất và thấy rõ từng nguyên tử trên bê mặt

mẫu

1.1.1 Phần đầu dò

Phân chỉnh của dau do la can áp điện (caltilever) Độ day của cân áp điện

khoảng vai jum Dau tip được phủ một lớp vật liệu sắt từ Loại vật liệu thường được

ding dé phi tip la hop kim ctia Co va Fe Để có độ phân giải tốt thi tip cang nhon cảng, tét Dé cao ctia tip vao khoảng 10 + 15 pum Sau khi due phi lép sat tir, tip con được phủ một lớp rất mỏng vật liệu dẫn điện có tác dụng chủ yếu là bảo về lớp từ tính Hiện nay có nhiều kỹ thuật chế tạo mảng mỏng khác nhau đã được áp dung dé ché tao dau

đồ

Caltilever la phan ti cảm biến vi lực đỏng vai trỏ chủ yếu trong hệ hiển vi lực nguyên tử Caltlever phải có tính lặp lại trong các phép đo và phải đủ mém dé nhạy cảm với các lực nhỏ Thực nghiệm cho thấy, lực cân thiết cho các phép đo vào cỡ 108 + 10?! N, giả sử độ nhạy của phép đo cho độ lệch của cantilever lả 1Ắ thì caltilever

phải có hệ số đản hỏi từ 0,1 đến 100 N/m

Caltilever phâi cỏ tần số công hưởng cao đề tránh tạo ảnh nhanh Hơn thể nữa cantilever phải cỏ tản số cộng hưởng cỡ 100 lần lớn hơn téc độ quét nhanh nhất

10100 kHz

Caltilever có thẻ được chế tạo bằng vật liệu Si, Silie vô định hình, oxit silic

SiO; hoặc nitrit silic (SisN,) voi kich thude và hình dạng khác nhau Mũi dò (tp),

cantilever và giá đỡ được chẻ tạo bằng đơn tinh thê silic sẽ giảm thiểu được sự thay đổi không quy luật của nhiệt đỏ Loại caltilever tốt cỏ thể đo được đỏ lệch nhỏ hơn 2Ä Loại cantilever chữ nhật thường được dùng để đo mâu cứng cỏn loại cantilever hình tam giác thường được sử dụng cho mâu mềm

> Luc tuong tic

Lue, dai luong bằng građien của thẻ tương tác, dễ dàng do được bằng các thiết

bị vật lý Khi hai nguyên tử hoặc phân tử được đặt sát nhau năng lượng tương tác cỏ

thể được biểu diễn bằng thẻ Lennard — Jones Lực giữa các hạt là một hàm của khoảng, cách giữa chúng như được minh họa trong hình 1.5 Có hai miễn, miền trải của cực

tiểu thể, ở đỏ các hạt đây nhau và miền bên phải, ở đỏ các hạt hút nhau

Hinh 1.5: Dang dinh tinh thé Lennard Jones

Hình học của kính hiển vi lực không tương ứng với các nguyên tử được đặt sát

nhau mà giồng nhau như một quả câu nhỏ đặt trên mặt phẳng Có thẻ xác định được

đường cong lực phụ thuộc khoảng cách cho mô hình nảy Hình 1.5 cho thấy lực đây

{mg với khoảng cách nhỏ và lực hút ứng với khoảng cách lớn Phân lớn các kính hiển

vi lực hoạt động ở chế độ tiếp xúc hay chế độ lực đây Mặc đủ lực lả rất nhỏ

(107+10N), song sự phá hủy bê mặt mẫu vẫn có thị

ty ra Đề tránh tác hại này cỏ

thể sử dụng chế độ lực hút vi khi đỏ sẽ không có sự tiếp xúc giữa tịp và mẫu

Lue hut hay luc Van Der Waals phat sinh do hiện tượng phân cực của đám mây:

điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử Lực Van Der Waals đổi với quả câu trên mặt phẳng thay đổi tỉ lệ nghịch với binh phương khoảng cách tip - mâu Trong kính hiển vi

lực với tịp kích thước cỡ nanomet, lực hút do phân cực cảm ứng là nhỏ vả lực mạnh hơn từ ngoài sẽ điều khiển chuyển động của tip Kinh hiển vi lực thường hoạt động trong không khí âm nơi có thể sinh ra hiện tượng tĩnh điện Hơn thể nữa, độ âm của Không khi sẽ dẫn đến sự tạo thành lớp chất lỏng trên bẻ mặt vả hiện tượng mao dân khi

tip tiếp cận với lớp mang chat long Lue mao dan va luc tinh điện là các lực chủ yêu trong phân cuc Van Der Waals Trong chế độ lực hút, tip được quét trên bẻ mặt ở

Khoang cach 50 + 200 A Khoảng cách này được điều khiển bằng sự điều chỉnh tần số

công hưởng của caltilever Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp và được giải

thích như sau:

Hẳng số đàn hỏi k của cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển AZ của điểm mút caltilever và lực F như sau:

T =kAz 11 Tâm số cộng hưởng w cba oalilcver với khỏi lượng tì của ró tược cho bởi biêu thức a= fkin 12

Trạng thái này giữ nguyên nếu lực tác đựng lên caltlever không thay đối theo

vị trì z của caltilever Nói chung, trường hợp này không xảy ra Lực sẽ thay đổi theo khoảng cách giữa tp và mẫu Như vậy, ta có thể viết như sau:

Từ đó thấy rằng, hằng số đàn hồi hiệu dụng thay đổi khi có gradient trường lực

Khi đó, tân số cộng hướng trở thành

Su thay doi nay cho ta phương pháp diễu chỉnh khoảng cach giữa tịp và mẫu

Vì được gắn trên bộ dao dộng diện áp nên caltilever có thể được dịch chuyên theo phương z bằng cách giữ cho tân só cộng hưởng không dỗi Điều dó có nghĩa tp địch chuyển trong một khoảng cách mà ở đó gradienL lực là không đổi Từ đó suy ra rang

khoảng cách giữa lắp và mẫu là không đổi vì gradien là hàm đơn trị của khoảng cách z

> Đo độ lệch của calfilever

Kinh hiển vị lực nguyên tử không do lực, nó đo độ lệch của caltilever cực nhó

Quan hệ tuyến tính thể hiện trong phương trình 1.1 giữa lực và dệ dai dịch chuyển cho phép †a sử dụng só liêu dé dich chuyển đề do lực

Có bảy (07) phương pháp cơ bản để xác định độ lệch cia cantilever Iai phương pháp điện tử là phương, pháp tunnel và điện dưng Năm phương pháp quang

học bao gồm homodyne, heierodyne, phán hồi laze-diot, phân cực và phương, pháp đo

độ lệch quang học hay phương pháp đòn bẩy quang học

Thương pháp tunnel: Ngoai đầu đỏ với cantilever thông thường, phương pháp tumnel sử dụng đầu đò thứ hai là đâu đò tunnel đề điều khiến độ lệch của cantilever Khi lực tác động lên đầu dỏ thay đổi thi cantilever bj uén cong làm cho khoáng cách giữa cantilever và đầu dé tunnel thay đổi, do đỏ dòng tumel cũng bị thay đổi và tín hiệu vị sai nảy được sử dụng để điều khiển cantilever Phương pháp này cở nhược diém Ia dau do tunnel chỉ hoạt dòng được ở trên bể znặt cantilever co kha ning din điện Hệ thống diéu khiển điện dụng dựa trên sự thay đổi điện dưng giữa canlilever và một hàn

cực cổ định khi cantilever bị lệch ra khôi vị trí ban đâu

«

-_ Phương pháp điện dụng: Tương tự như phương pháp tunnel, phương pháp

diện dung cũng căn một cantlever dẫn điện vỉ nó hoạt déng nhu mét ban

của ụ điện

-_ Kỹ thuật homodyne sử dụng hai photodetector trong quá trình diều khiển dộ lệch của cantilever trong chế độ vị sai, một dẻ do tín hiệu laze dau vao va một do tin hiệu laze sau khi bi phan xa trén bé mit cantilever Phương pháp

này có ưu điểm là khở được tin hiệu nhiễu gũa chủm laze

- Phương pháp heterodvne: liệ thông nảy có điểm khác biệt là chỉ sử dụng một photodetector để thu cá tin hiệu vào và tín hiệu ra và sử dụng thêm hai

bộ bủ Soleil l3abznet Phương pháp này khử được hiện tượng trỏi tin hiệu

nhưng lại không hoạt động được rong chế độ một ch

-_ Phương pháp phản hề laze — diot: Có tra điểm là đơn giản và gọn nhẹ nhất

so với tất cả các hệ thông điều khiển quang học khác nhưng lại không thể hoạt động trong chế độ vị sai

Phương pháp phân cục: Sử dụng Tăng kính Wollaton và lăng kính aleite để phan cực ánh sáng truớc và sau khi phản xạ trên cantilever Hai photodetector duce sit dung đề thu các chum ánh sáng phan eure này như là

một tin hiệu vi sai điều khiển hoạt động của cantilever

-_ Phương pháp đòn bây quang học: Sử dụng dụng cụ quang học ma dộ lệch

của caltilever được phát hiện từ xa bởi một chủm laze Hệ thống này được

sử dụng rất phố biến trong chế độ tiếp xúc của AEM và là hệ duy nhất có

khả năng thương mại hiện nay

1.12 Hệ thống điều khiến

Mạch hệ thống điểu khién AFM voi hoạt động của thanh dằm trong chế dộ tiếp

xúe (hinh vẽ)

Hình 1.6 Hệ thông điều khiển AFM trong hoạt động ở chế độ tiếp xúc

Hệ thống điều khiển bao gồm một khỏi số học được thực hiện bởi my tính, và một khỏi tương tự, thường lả đứng riêng Khôi số học bao gồm bộ chuyển đổi số sang,

tương tự (Đ4C) vả tương tự sang số (4Ð) Hai kênh sỏ ra tương tự chuyên đồi DAC-X va DAC-Y cung cập sự quét mảnh mẫu Vòng lặp phản hỏi gồm cấu trúc bộ

tiền khuếch đại P44 định vị trong dau do AFM, bé khuéch dai vi phan 244), bộ khuếch

đại điên thẻ cao 442 và một bộ chuyển đổi áp điện đề điều chỉnh giá trị độ cong của

thanh đâm hay điều chỉnh lực tương tác tỉp -bề mặt Trong trạng thái ban dau khoa

tương tự SW] bị đóng và SW2 mở

Đầu tiên bộ điều khiến căn chỉnh hệ thông quang học, hội tụ châm laser vào thanh dâm và tôi đa dòng tổng photodiode, cực tiêu hoá sự chênh lệch giữa các phân

9

photodiode déi dién Dién thé Us xp xi gid trị làm việc của dộ uốn thanh đẫm 4Z (nó

thống phán hổi) được thực hiện bởi bộ DAC-Set Sau đó

biểu khiển từ DAC-SM đội vào môiơ

được giữ không đổi nhờ

thủ tục để tip-mẫu tiên gần nhau được mổ: thế

bước Trạng thái ban dầu diện thé trong vòng phán hỏi ( xáp xí dòng chénh léch giữa các phần photodiode đọc ) nhỏ hơn giá trị đặt bởi bộ DAC-Set, và máy quét được mở rộng hết cỡ theo hướng của típ Trong câ quả trình tipxnẫu tiến đến gan nhau thanh dâm bị cong, dòng photodiode vi phan ting va phạm vi hoạt động của máy quét được

tối tm hoá Môtơ bước điêu khiển chuyển động của mẫu vẻ phia tip va đồng thời máy quét điều khiển sự ra xa của mẫu ( trong khi phân hồi giữ thanh đầm cong không đổi )

đến tận khi mặt phẳng bể mặt mẫu đặt váo vị trí tương ứng ở giữa phạm vi hoạt động

của máy quế Sau đó kinh hiến vi sẵn sàng hoạt động Cho điện thế hình răng cua vào

các cực bên ngoài cửa máy quét hình ông thông qua hai kênh chuyển 461 DAC-¥ va DAC-Y và hai kênh khuếch đại diện thể cao 414, ⁄15 thẻ là quá trình quét mẫu dược bắt đầu Treng quá trình quét mẫu giả trị đông vi phan photodiode được chọn bởi bộ điều khiến ( tương ứng với giá trị lam cong thanh đầm) dược giữ không đối

Trong chế độ lực không đổi (F =eoms9 diện thể cho vào cực Z của nấy quét t

lệ với địa hình bề mặt Giá trị thời gian thực của điện thể Ở tí lệ với dòng photodiode

vi phân, được so sánh bởi bộ khuếch đại vi phân (24) với gid tri Up (dat bởi bộ điều

khiển), Điện thể vi phân (cũng có thể được gợi là tín hiệu lỗ) AU —U-U, duge khuếch

đại bởi 12 và đặt váo cực Z bên trong của may quét Máy quét mở rộng hay thu hẹp (quy chiều với vị trí thực đặt bởi 2⁄4C-Z), phụ thuộc vào dấu cửa tín hiệu 417, đến khi

tiến tới 0 Vì vậy trong khi quét diện thẻ đặt vào cực Z của máy quét tí lệ với dộ địch

chuyến z được thực hiện bởi máy quét để giữ khoảng cách tip-mẫu không đổi tức là điên biến bể mặt trong chiêu Z ADC ghi lại tín hiệu đầu ra của khuếch dai vi phan là théng tin trêu địa hình bể mặt Trong điểm được chọn của mẫu độ uốn của thanh đầm

phụ thuộc vào khoảng cách đâu do-mau AZ =/(z) Do đó khoá tương tự SWE ngắt phan

héi, dién thé dang răng cưa đuợc đặt vào cực Z của máy quét từ DAC-7, Đồng thời diện thể lỗi ra của bộ tiền khuếch đại PA tỉ lệ với dộ uốn của thanh dẫm hay là tỉ lệ với

hữc tương táo tip-mẫn được ADC ghi lại Dữ liện thu được dạng đường cong 4Z=f2)

được hiển tu đưới dạng đồ thị trên máy tính

Anh AFM trong chế độ khoảng cách khong doi thu duge như sau Đầu tién ghi

sw phy thuée 42-/(z) va khoang cách của típ và mẫu được chọn Sau đỏ tắt bó phản

ới độ uốn của thanh đầm được

héi va quối mẫu Điện thể lối ra Liền khuếch đại tỉ

shủ lại như là thông tin của sự phân bổ lực #%,yJ dọc theo bẻ mặt mãu Với mẫu co dé

gỗ ghề nhỏ thì ảnh chiều cao không đổi cho thông tin là ảnh lực không đổi

Ghi lại đặc tính V-A của tiếp xúc xuyên hàm tip-mẫu trên một điểm được chọn của bề mặt thì cá thể sử đụng thanh đâm phủ lép dẫn điện Khoa SW2 dong dé thu được VAC, vá điện thể hình răng cưa từ DAC-U được đặt vào thanh dầm Đồng thời

Al khuéch đại điện thể tỉ lệ với đòng qua tiếp xúc, được ghi lại bởi bộ ADC trong bộ

nhớ máy tỉnh và gìú đồ thị hiển thị lên máy tính

Hạn chế của kĩ đuật tiếp xúc AFM là lương tác cơ học trực liếp của típ với bể mặt Nó thường dẫn đến hỏng típ và bể mặt mẫu Kĩ thuật tiếp xúc đo đó không thích hợp để phân tích mẫu mềm Những mẫu mễm thì thỉch hợp với thanh đầm đao động

Kí thuật đáo động làm giảm nhiều anh huởng cơ học của tp, trên bề mặt trong suối

quả trình quét

Nguyên lý hoạt động của hệ hiển vi lực nguyên tử

Trong AFM có hại chế độ hoạt động là chế độ tiếp xúc (conlaeL mode) va chế

độ không liếp xúc (non-conlacl mode) di dave s ñä dụng và nghiên cửu thành công cho

nhiểu loại vật liệu khác nhan Tuy nhiên, mỗi chế độ đền có những hạn ch

khắc phục Vì vậy, người ta đã đưa ra một giải pháp là cho dau đỏ đao đồng và tiếp xúc gián đoạn (tapping) với mẫn Chế độ tiếp xúc gián đoạn (tapping mode) cé kha năng tạo ảnh với độ phân giải cao và ứng dụng rat da dang cho nhiễu loại mau Dac

biệt là các mẫu mễm như polymer và các tế bảo sống, AND, mà đối với các chế độ

trước không có khả năng thực hiện

1.2.1 Chế độ tiếp xúc trong kính biển vi hrc nguyên tứ

Trong ché độ tiếp xúc đỉnh đâu típ tiếp xúc trục tiếp với bề mặt mẫn và cho anh địa hình bẻ mặt Thanh đầm sử đựng trong chế độ tiếp xúc có độ cứng nhỏ cho phép cung cấp độ nhạy cao và tránh ảnh hưởng quả mức của típ trên mẫu Lực tác dụng lên

tip la lye diy có giả trị trung binh cỡ 10°N Luc nay được tạo bằng cách nhân mạnh

caltilever lên bẻ mặt mãu nhờ phần tử dịnh vị áp điện Tuy kỹ thuật nảy dã thành công, với nhiều loại mẫu khác nhau song nó có một số nhược diễm khả lớn Quá trinh

chuyên động quét ci dau do trén bé mat mau dé tao ra eae lize ma sal và lực bám dink

giữa đầu đò và bề mặt Chính điều này có thể gây nên sự phá huỷ cả bể mặt mẫu và

đâu đò, đẳng thời cũng làm sai lệch đữ liệu hình ảnh

dì

Trong điều kiên môi trường tự nhién hau hết các bề mặt được phủ một lớp rất mỏng các chất khi hấp phụ (bao gồm hơi nước vả các khí khác trong môi trường) cỏ bẻ dày cỡ vài nanomet Khi đầu đỏ quét trên bẻ mặt mẫu chạm vảo lớp lỏng đó thì sự mao

dan sé tao ra mot mat khum vả sức căng bé mặt kéo đâu đỏ vảo lớp nước nảy Đồng thời các điện tích bị bẩy trên đầu dò vả bề mặt mẫu tạo ra các lực tĩnh điện đóng góp

thêm vào lực bám dinh Chỉnh các lực hướng xuống phía dưới này làm tăng lực nhiều

tổng cộng trên bẻ mặt mẫu và kết hợp với các lực cắt vả lực ngang gây bởi quá trình chuyển động quét làm nhiều tín hiệu đo, phả hủy bẻ mặt mẫu và cũng có thể gây nên

sự thay đổi các đặc tính bề mặt

Có thê khắc phục được những khó khăn liên quan đến lực bám dinh và tĩnh điện

nay bằng cách nhúng mẫu trong chất lỏng Tuy nhiên không phải bất cứ mẫu nào cũng,

có thể nhúng được trong chất lông mà không làm thay đổi đặc tính ban đâu của nó, thí

dụ như các mâu bán dân Ngoài ra, vi các mẫu ướt thường mềm hơn các mẫu khô nên

khi đầu dò thực hiện việc quét sẽ làm biên dạng, sai hỏng bẻ mặt và tạo ra các vết làm

giảm chất lượng ảnh nên cũng có thê gây phá huỷ mẫu

Chế độ tiếp xúc có thể đo trong cả chế độ lực không đổi (constant force) hoặc

khoảng cách trung bình không đổi (constant average distance) gitta tip va mau Trong

khi quét ché độ lực không đổi thì hệ thống phản hỏi làm độ cong của thanh dầm ở giả

tri không đổi và do đó lực tương tác sẽ rõ nét (hình 1.7) Điện thể đặt trên cực Z của

máy quét đúng bằng điện thể điều khiến trong vòng phản hỏi sẽ tỉ lệ với địa hình bê

Hình 1.7: Anh AFM thu duge ở chế độ lực không đổi

Quét trong chế độ khoảng cách trung bình không đổi giữa tip và mẫu thường sử

dụng trên mẫu có độ gỗ ghề nhỏ (vải A) Trong ché dé nay đầu dò chuyển động ở

chiều cao trung bình bẽn trên mẫu (hình 1.8) và độ cong của thanh dầm 1Z tỉ lẻ với lực

12

đặt vào ghi trên môi điểm Ảnh AEM trong trường hợp này mô tả phan bé không gian

của lực tương tác

Hình 1.8; Anh AFM 6 chế đô chiêu cao không đôi

Hạn chế của chế độ nảy là tương tác cơ học trực tiếp của tip- mẫu có the lam

nút típ và phá hỏng bẻ mặt mẫu đồng thời cũng làm sai lệch dữ liệu hình ảnh

1.2.2 Chế độ không tiếp xúc trong kính hiển vi lực nguyên tử

Có thể khắc phục được những khỏ khăn trong chế độ tiếp xúc khi điều khiển AFM ở chế độ không tiếp xúc Ở chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rat nho (5 + 15 nm) ngay sát trên be mặt mâu Sự thay đôi luc hit Van Der Waals giữa đầu do và mâu khi quét trên bê mặt sẽ được phát hiện và sử dụng đề tạo ảnh ba chiêu

bể mặt mẫu Tuy nhiên trong trường hợp này, lực hút Van Der Waals quá yêu so với

các lực được sử dụng trong chế độ tiếp xúc Hơn nữa, các lực hút cũng chỉ xuất hiện ở

một đải khoảng cách nhỏ trên bề mặt mà trên đó lớp khí hấp phụ chiêm phân lớn dai

str dung nay Vi vay, khi khoảng cách dau dé va mau được duy trì đúng yêu cầu, chế

độ không tiếp xúc cũng chỉ cho độ phân giải rất thấp so với chế độ tiếp xúc hay tapping Trên thực tế, đầu dỏ ngay lập tức bị kéo xuống bể mặt mẫu do sức căng bể mặt của lớp khí háp phụ, kết quả là tin hiệu bị sai lệch vả bê mặt mâu cũng bị phá hủy giỏng như trong kỹ thuật tiếp xúc Ngoài ra, chế độ không tiếp xúc thường không thé

thực hiện được vi

quét trong chất lỏng vì lực hút Van Der Waals còn nhỏ hơn nữa và đây là hạn chế chủ yêu trong nghiên cứu các mẫu sinh học của ch độ không tiếp xúc

1.2.3 Chế độ tapping (chế độ bán tiếp xúc) trong kính hiển vi lực nguyên tử

Chế đồ tapping (chế đô bán tiếp xúc) sẽ tránh được việc kéo lẻ dầu dỏ trên bê

mặt làm phá hủy mẫu trong quá trình quét do các lực luôn có phương thẳng đứng,

Khác với chẻ độ tiếp xúc và không tiếp xúc, trong quá trình tapping đầu dỏ gõ vào bê mặt với năng lượng đủ lớn có thẻ bỏ qua lực bảm dinh giữa mâu và dau đỏ Một lợi ích

13

khác của kỹ thuật tapping la miễn hoạt động tuyển tỉnh rất rộng của nó, Điều này khiến cho hé thông phản hồi theo phương thẳng đứng có độ Šn dinh rat cao Chế dé tapping tránh được tính không ốn định lực đo sự trôi nhiệt ở chế độ tiếp xúc, đo vậy chất lượng,

ảnh, phép đo được nâng cao và tiết kiệm được thời gian

Ché d6 tapping trong chất lỏng; Chế độ tapprng trong chất lỏng cũng có những,

uu diém tuong tự như ở chế đệ tapping trone không khi uy nhiên ở trường hpị nảy,

môi trường chết lông có xu thể làm suy giảm lân số công hưởng thông thường của

callilever Thật vậy, toàn hệ tế bảo - chất lỏng có thể bị đao động rồi điều khiển

callilevor dao động Ki một tân số tức thời được lựa chợn (thường trong khoảng 5.000

— 10.000 chu ky‘giay) thi bién độ caltilever sẽ giảm khi tip bắt đầu gõ lên mẫn tương,

tự như chế độ tapping trong không khi

Ngay khí đao động của caltilever được thiết lặp, hệ thông phần hỏi sẽ điển chữnh vị trí của lp dễ đuy trì biên dé dao động không đổi Khác với trường hợp trong kháng khi, dao động của tip trong chất lỏng khử được các lực ma sát và lực cắt tác dụng lên mẫu Hen thê nữa, quá trinh lặp tiếp xúc bê mặt và kéo típ lần với tắc độ cao cho phép giữ lực nhân không đổi ở một giả trị nhỏ nhất

CHƯƠNG U: CAC LY THUYET CO BAN VE TU HOC

2.1 Khái niệm và phân loại các vật liệu từ

2.11 Khái niệm

Cáo vật tị từ hoá nhiều hay ít trong lừ trường được gọi là các vật liêu tù

Từ tính của các vật liệu từ khác nhau tuỳ thuộc vào câu trúc từ của chúng,

Dại lượng vật lý đặc trung cho vật liệu tử là độ nhiễm từ L Độ nhiễm từ L là

xuômen tù cửa các vật liệu từ tính trên một đơn vị thể tích (Im”) Đơn vị của 1 là

Wb/mẺ hay Tesla

Ngoài độ nhiễm tử I ta còn sử dựng cảm ứng từ hay mật độ tử thông T3

1 = L+ pại1 (hệ SĨ)

Mỗi liên hệ giữa độ tù hoá T và Lừ trường H có thể biểu điễn dui dang:

1 =z x H Ÿ gọi là độ căm từ hay hệ số từ hoá, đơn vị là Henri/met (H/m))

Ta cờn định nghĩa độ cảm tr hrơng đổi (không thử nguyên):

1= #

Py

trong hé Sf linhon + trong hệ CGS 4x lần

Thay giả trị của | vào tạ có: B = (+ + nạ)H = HH

Đại lượng # dược aợi là dộ thẩm từ, Đơn vị của ¡ cũng là Hún

'Ta cũng định nghĩa độ thẩm từ tương đổi:

¬

2.1.2 Phân loại các vật liện từ

Dựa trên câu trúc của các vật liệu từ ta có thê phân loại các vật liện từ như sau:

3 |10< x<10Ẻ vật liệu phân sắt lừ, từ giã

ben, sit từ ký sinh, I'erit từ

15

Trong các vật liệu từ trên, | y] cd thé co gia tri từ 10° déi với vật liệu từ rất yếu

đến 10Ế đối với vật liệu từ rất mạnh + cỏ thể không phụ thuộc H ( phụ thuậc tuyển

tính vào H) hoặc phụ thuộc H ([ phụ thuộc phí tuyến vào H)

a) Vật liệu nghịch từ

Vật liêu nghịch từ là vật liệu có độ căm từ + có giá trị âm và dộ lớn chỉ vào cỡ

10” (rất yêu) Nguồn gốc tính nghịch từ là chuyển động quỹ đạo của điện tử quanh hạt

nhân đo cảm ứng điện từ bởi từ trưởng ngoài Theo định luật Lenz, dàng cảm ứng sinh

Ta từ thông ngược với biển đổi của tử trường bên ngoài Irường hợp đặc biệt thì vật

liệu siêu dẫn đôi khi được gọi là vật liệu nghịch từ lý tướng vi có l3 = Ó ở trong lòng,

vật liệu tức lä + — -T

b) Vật liệu thuận tù

Vật liệu thuận từ là vật liệu có độ cảm từ tương đối „ đương và có độ lớn vào

cỡ 10' + 107 (rất nhớ) Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion từ rnả mômen tử (hay

còn gọi là spin) cê lập, dịnh hưởng hồn loạn do tác dụng nhiệt Khi dặt vào từ trường,

ngoài (H z Ø) các mômen từ nguyên tứ định hưởng theo từ trường lâm 1 tăng dẫn theo

H Vat liệu nảy có y tỷ lệ với L/T

Các điện tử dẫn trong các kim loại tạo thành vùng (dãi) năng lượng cũng biểu

tiện tính thuận từ, gợi là thuận từ Panli Trong trường hợp này tính thuận từ gây lối sự

kích thích cáo diện tử có spim âm lên vùng có spa dương và + không phụ thuộc T,

c) Vật liệu phân sắt từ

Vật liệu phần sắt tù cũng giống vật liệu thuận tử ở chỗ nó có từ tính yếu, nhưng

khảe với vật liệu thuận tử, sự phụ thuộc nhiệt độ của 1/x cúa nó có một hồn tại nhiệt

độ Tw gợi là nhiệt độ Nécl Khi T < Tụ các spin có trật tự phản song song (gây bởi

tương tác phản sắt từ) Khi T > Ty sw sp xép spin trở nên hỗn loạn, + lại tăng như vật

liệu thuận tử

đ) Vật liệu ferit từ (ferit)

Voi vat

khác nhau sắp xếp phần song song với nhau dẫn đến từ dộ tổng cộng khác không cả

u ferit từ hai vị tri mang A va B trong tinh thể có các spia có độ lớn

khi từ trường ngoài bằng không Từ độ tổng công này được gọi là từ độ tự phát tôn tại

nhiệt độ chuyên pha Te gọi là nhiệt độ Cưane lại T > Tc trật tự từ bị phá võ và vật liệu

trở thành thuận ti

e) Vật liệu sắt từ

Trong vật liều này tương tác giữa các spin là dương và lớn nên cảc spin sắp xếp song song với nhau Khi T tăng, do đao động nhiệt từ độ giảm dân và biến mắt 6 To

Trên nhiệt độ Tẹ thi 1⁄y tuân theo định luật tuyến tính với † (gọi 14 định luật Curie - Weiss)

Trạng thái sắt từ cũng lả trạng thải từ hoá tự phát: Khi T < Te, fir d6 ty phat

xuất hiện cä khi 11 = 0 Tuy nhiên, thông thường khi 11 = 0 ta nhận thấy vật liệu bị khứ

từ Diễu nảy được giấi thích bởi cứu trúc đômen Cấu trúc đêmen làm đường cong từ

Thoá của sắt từ phức tạp, có dặc trưng phi tuyến và có hiện tượng trễ,

2.2, Vật liệu sắt từ cứng và vật liệu sắt tử mềm

qì Lật liệu sắt từ mm - Soff magnotie materials

Sắt từ mềm, không phái lả các chất mêm về mặt cơ học, mả "mềm” về phương, diện từ (tức là dễ bị từ hòa và khử từ) Sắt tử mềm có đường trể hẹp (lực khang từ rất

chỉ cỡ đưới 1Ô0 Œe) nhưng bạn có từ độ bão hòa rãi cao, có độ bir thâm lớn, Titưng,

tir Linh Jai dé dang bị mất đi sau khí ngất Lừ trường ngoài Hình vế dưới đây so sánh

cáo chất Lử min ở hai phương điện là từ độ bão hòa và độ Lừ thâm

Hinh 2.1 So sdnh cdc vat ligu te mém ở tần số từ trường ngoài 1 ks

Cáo chất từ mềm “trayén théng" da biét la s&t non, ferrite MnZin Cac chat s&t

†ừ mềm được sử đụng trong cáo lõi nam châm điện, lõi biến thê, lõi đẫn từ , só nghĩa

là sử dụng nó như vật dụng trong từ trưởng ngoài Do vậy, đặc trưng mả người ta quan

tâm đến nó lá: tổn hao trễ và tắn hao xoáy

- Ténhao tré sinh ra đo sự mất mát năng lượng tong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích của dường cong tử trễ Do vậy, vật liêu sắt từ mm tốt có đường, trễ cảng hẹp cảng tối

- ‘én hao xoay: sinh ra do các đóng, Fouealt sinh ra trong trưởng xoay chiẻu lâm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số tử tưởng, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu Điều này lý giải tại sao du cỏ phâm chất tất cao, những lõi tôn Sĩ chỉ có thể sử dụng trong từ trường lần số thấp (thường,

là 50-100H+) đo chúng cô điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrie lại sử đụng, được trong kỹ thuật cao tân và siêu cao lân đủ có phẩm chất kém hơn nhiều (vì

chứng là gêm, có điện trở suát rất lớn, làm giảm tốn hao xoáy)

Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mỗm mới đã khắc phục diều này (như hình vẽ

trên là các vật liệu từ nanoerystaHne như Fe-Si-B-Nb-Cu ) Chúng là các vật liệu có

cấu tric nano, cd tính chất Lừ siêu rnẩnn (có lực kháng Lir cực nhỗ, độ từ thẩm rất cao,

từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (đủ là các băng nên kim loại)

do câu trúc đặc biệt của nó nên có thế sử đụng ở các ứng đụng cao tân cỡ từ kHz-MHz Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế ký 20, và được coi là vật liệu tờ mềm tốt

ất hiện nảy (ultrasoft magnetic materials), va la mét chú để nghiên cửu mạnh cửa

‘Trung tim Khoa hoe Vật liệu, DLIKHTTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (DLU3KLIN) Die

biệt một số loại trong số các vật liều nảy có thể sử dụng trong các mỗi trường khắc

xghiệt như chúu nhiệt độ cao (ứng dung lam dong cơ của máy bay phần lực do khả

răng chịư nhiệt dộ cao, ö Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn môn:

như nước biển, kiêm

b) Vật liệu sắt từ cứng (bard magnetie raaierials)

Cũng tương tự như sắt từ mắm, từ "cửng" trong cải tên của vật liệu này không

phải do cơ tính cứng của nó Ngược với sắt từ mẻm, sắt từ cũng là vật liệu khó tử hoa

và cũng khỏ bị khử từ (có nghĩa là từ tỉnh có thể giữ được tối đưới tác dựng của trường, ngoài), Một vì dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các run châm vĩnh cửu

Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phãi trên 100 Oe), nhưng chúng thường,

có từ độ bão hỏa không cao Tỉnh "cửng" của vật liệu từ củng đến từ tính dị hưởng tử,

liên quan đến nắng lượng từ có dược dơ tỉnh dối xứng tĩnh thẻ của vật liệu Tức là, thông thường các vật liệu lừ cứng thường có câu trúc tỉnh thể có tỉnh đối xứng kém

(bắt dối xứng) ví dụ như Lử giác, hay lục giác

Do khả năng giữ lại từ tỉnh, nên vật liệu từ cứng được đùng làm vật liệu giữ

nang lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (Ö đĩa cứng, đĩa từ ) Nói dén khả năng tích trữ nắng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là

tích năng lượng từ (B.H)„„ (cỏ đơn vị là dơn vị của mật độ năng lượng Tám”), là năng,

lượng cực đại có khả nắng lồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể Đề có (BH)„„ lớn,

18

can có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và dường tré cang lỗi cảng tốt Đơn vị thường, dùng của (BH)„„„ là GÓc, 1 MGOc-8 kJ/mẺ,

Các nam châm vĩnh cửu truyền thông được sử dụng là ferrite từ cứng TaSr, hợp

kim AINiCo (kha dat tién) hế hệ nam cham vinh cứu mới ra dời sau là các nam

chăm dất hiểm, mỡ đâu là các hợp chất RCos (như SmCo¿ ) và sau đỏ là RaEeu2B như (Nd;FeuiB, PryFe,aH ), R thường ký hiệu dễ chí các nguyên tổ dất hiểm

9 Te By

Hình 2.2: Đường cong từ trễ cơ bân của một vậi liệu từ

2.3 Căm ứng từ cửa ding dây

Xét một ống dần điện thẳng gồm những vòng dây dẫn cuộn xít nhau trên một khung hình trụ tròn, ống dây loại này được gọi là ông dây xölênoit Ta tính cắm ứng tử

do ống dây sinh ra tại một điểm O nằm trên trục của ông Cảm ửng từ của cá ông đây tại điểm O chính là tổng hợp cám ứng từ của tùng vỏng dây riêng biệt gây ra tại O Vi thể, ta có thể tính cảm ứng từ của từng vòng dây tại O, rồi cộng các vectơ cảm ứng từ

lại

Do vậy, ta chia chiều dài của ống dây thành các đoạn nhỏ dl Giả sử déng điện trong ống đây có cường độ I vả số vòng đây trên mỗi đơn vị độ dai của ông là n thì

đoạn ống dl có thê coi như mồt đàng điện tròn eẻ cường độ Indl Nếu khoảng cách từ

đoạn dl dén O là ] thì cắm ứng từ 48 do dóng dién trong Indl tao 1a tai O có phương,

đọc theo trục của ông đây, có chiều thuận với chiếu đàng điện trong dng day theo quy táo đỉnh vít, có giá trị

trong dé: R là bản kinh tiết điện của ống day

1 là cường độ dòng điện

n là số vòng dây

1 là khoảng cách từ diễm O đến đoạn dÌ

2.4 Phương phấp phần từ hữu hạn và phần mềm ANSYS

Thương pháp phần tử hữu hạn (FBM — Einile Element Method) la muội phương

pháp số dùng để giải các bài toán cơ học Phương pháp nảy ngày cảng được sử dung

rộng tấi với sự trợ giúp của máy tính đễ giải các bài Loán có dạng hệ phương trình vì

phân vi tinh hiệu quả cao của nó Nội dung của phương pháp là chia vật thê ra thành một tập hợp hữu hạn các miễn cơn liên nhau nhưng không liên kết hoàn toản với nhau trên khắp từng mặt biên của chủng, Irường chuyển vị, biển dang, ửng suất dược xác định trong từng miễn con Mỗi miễn con dược gọi là một phân tử hữu hạn Dang phan

tử có thể là thanh dằm, tắm, vỏ, khói Các phản tử dược nói kết với nhau qua các nút,

nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến rì (n là số nút của phân tử),

ANSYS được lập ra từ nằm 1970, đo nhóm nghiên cứu của Dr John Swanson, hé

théng tinh toan Swanson (Swanson Analysis Systems, Inc.), ta MY Trong hệ thống, nay, bai toản cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phân tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gắc

2.4.1 Phương pháp phần tử hữu bạn

Phương pháp phản tử hữu hạn dựa trên phương pháp Ritz và Galerkin Tư tưởng, của phương pháp phân tử hữu hạn (TM) nói chưng và ANSYS nói riêng dé 1A chia cầu trúc thành một tập hữu hạn các rniễn cơn liên rhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng, Độ địch chuyên vị trí, biến dạng, ứng suất được xác dịnh trên từng miễn con Mỗi miễn con dược gọi là một phản tử hữu

han M6 binh phan từ hữu bạn (EEM) cũ

thanh dâm nhằm xáu định chính xác phân bố ứng suất

n biến được chữa lưới đây đặc trên các

Các bước giải bài toán bằng plưương pháp phần tứ hữu hạn

- Chia vat liệu ra thành nhiêu phân tử sao cho tính chất vật lý của mỗi phân tử

không thay đối

- Néu vat liệu có dạng biên phức tạp, ta có thẻ chía các phần tử ở gần biển sao cho thật nhuyễn Nếu làm như vậy, ta có thể dùng các phần tử dơn giản thay

vì dùng các phân tử phức lap

- Tim phiém ham

-_ Tm điều kiện biên

- Ding cdc ham số tạo hình đề tìm ra các ma trận cứng của các phân tử

20

- Kétnéi nhting phan tử với nhau qua các nút, ta sẽ có hệ thông phương trình

cho cầu trúc

-_ Giải hệ thông phương trình để xác định cáo ẩn số là chuyển vị

- Suy ra đô biển đạng và ứng suất

-_ Kết quả sẽ thoả mãn các điều kiện biên, cáo điều kiện vật lý

a) Thuật toán giải bài loán cơ học bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.4.2 Phần mềm ANSYS

ANSYS (Analysis Systems) là một hệ thông tính toàn đa năng, Trong hệ thống này, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr Íahn 5wanson,

hệ thống tỉnh toán Swanson (Swanson Analysis Systems, Inc ), tai IIop Ching Quéc Tloa Ky Tù đó, ANSYS đã nhanh chóng lan sang các nước khác trên thể giới như CHLB Đức, Ao, Thuy 3ÿ, Nhật, Lrung Quốc, qua nhiều phiên bản với những khả

năng dặc trưng nÏư sau:

-_ Phiên bản 2x: Tình học, động lục họo, nhiệt động họo, đỏng điện

-_ Phiên bản 3+: Mở rộng dân những khả năng cũ, hình thành các mnodule hình

học, thư viện phân tử

-_ Phiên bản 4x: Khả năng về trường điện từ, vật liệu Composite, âm học,

ngôn ngữ APDL (Ansys Parametric Design Language) chứa các hàm cơ

ban: sin, cos, aresin, areos, sinhyperbola, coshyperbola, lopa, hảm e mũ,

hảm căn, giá trị tuyệt dối, vector, các phép tính ma trận

-_ Phiên bản 5.x: Phép toán Boolean, tạo lưới tự động, dùng thêm “p-method”, biến đạng lớn, mặt tiếp xúc, siều đàn hỏi,

-_ Cụ thể như: ANSYS 4.4, ANSYS 5.0, ANSYS 5.1, ANSYS 5.3, ANSYS

5.4, ANSYS 5.7, phiên bản mới nhật hiện uay là ANSYS 6.1

©_ ANSYS có những tính năng nổi bật như sau

-_ Khả năng để hoạ mạnh mẽ (rửu I chương trinh CAD), giúp cho việc mô

hinh cấu trúc rất nhanh, chính xác

-_ Giải được nhiều loại bài toán: điện, điện tử, điện từ, nhiệt, tính toán chỉ tiết

máy,

- _ Thư viện phân tử lớn, có thêm phản tử sinh ra vá chót, đùng để loại bỏ phản

tử hay thêm phản tử hoặc thay dỗi dộ cứng phần tử trong mỏ hình khi tính

toán

- Baa dang vé ty trong: tai tap tung, phan bé, nhiệt, vận tốc góc

-_ Phần xử lý kết quả cao cấp, cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối tm

-_ Có thể đùng ANSYS như một ngôn ngữ lập trình

-_ Có khả năng nghiên cứu những đáp ủng vật lý như: trường ứng suất, trường, nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ

- Giảm chỉ phí sẵn xuất vì có thể tính toán thử nghiệm

-_ Tạo những mẫu kiểm tra cho những môi trường có điều kiện làm việc khó

khăn (dùng trong cơ sinh học)

-_ Chương trình có thể truy cập đề dàng đến các hàm, lệnh, tải liệu tham khẩn -_ Hệ thống Menu cỏ tỉnh trực giác giúp cho người sử dụng định hướng di xuyên suốt chương trinh ANSYS Người sử đụng có thể nhập dữ liệu trực tiếp bằng chuột, bằng bàn phím hay kết hợp cô hai

e_ Câu trúc bài tỉnh trong ANSYS

a) Câu trúc đây đủ của một bài tính trong ANSYS

Câu trúc dây đủ của một bài tính trọng ANSYS gồm các phân:

- Tinh toan méi (Clear & Start New)

- Binh nghiia tn bai tinh Jobname)

- Dinh nghia tigu dé (Change Title}

-_ Định hướng bài tinh (Preferences)

- Tạo mô hình tính (Preprocessor)

+ Định nghĩa kiểu phân tử

+ Các hằng số

+ Đặc trưng vật liệu

+ Dơn vị đo người sử dụng thông nhất và hiểu ngẫm

+ Tạo mô hình tính (nút và phẩn tữ)}

® Tạo các núi trước, các phần Lử sẽ tuỷ theo các mút mà tạo ra Cách

nay ít dùng, chỉ thích hợp cho những bài tính có dạng hình học đơn giãn

® Tạo các nút và các phần tử từ các điểm chính, đường, điện tích, thể

tích theo các hàm trong ANSYS Cách này thông đụng hơn

- Tinh toan (Solution)

bề 8

Xử lý kết quả (Postproccssor)

Téi uu trong thiét ké (Design Opt}

Taru két qua vao dia

Doe lai két qua

Câu trúc cơ bản của bải tính trong ANSYS

Tao mé hinh tinh (Preprocessor)

Tinh toan (Solution)

Xử lý kết qua (Postprocessor)

kề be

CHUONG I: THIET KE VA KET QUA MO PHONG

4.1 Thiết kế cẫu trúc vỉ cơ tử tính

Trong phân hiận văn này sẽ tiên hành việc thiết kế thanh Cantilever, cuộn day tao

Ta lù trường và sau đó sẽ thiết kế câu Inte vi co tir tinh gam thank Cantilever co them phần Ni và cuộn dây tạo từ trường Thanh Cantilevcr ở dây được thiết kế bằng vat héu

Si và làm theo kiểu hình chữ nhật, hình tam giác Như vậy ngoài việc thiết kế loại đầu

đỗ hoại động trong mỗi trường không khí thủ ở đây còn thiết kế loại đầu đỏ đặc biệt, dược kich thích bằng lực từ và nó cho phép thực hiện các phép do trong môi trường, lỏng

3.1.1 Thiết kế thanh Cantilever

Thanh Cantilever dược thiết kế theo kiểu hình chữ nhật hoặc hình tam giác Loại cantilever chữ nhật trường được dùng để do mẫu cửng còn loại cantilever hình tam:

giác thường được sử đụng cho mẫu mêm

- Thanh Cantilever hinh tam gic:

Thanh Cantilever binh lam giac duge ché tao tuong tu nhur thanh Cantilever

hình chữ nhật nhưng chỉ khác ở chỗ là phản thanh ngang hình tam giác Câu tạo của nó

gồm thanh ngang hình tam giác, đầu típ bằng Si, phía cuối có gắn thêm một khối có khối lượng m Thanh ngang có chiểu đài L„ chiêu rộng W, chiều cao T, phần đầu tp chế tạo theo kiểu hình lục tam giác nhọn có chiêu cao thay đổi từ 10+ 15 pm

3.1.2 Thiết kế cuộn dây

Thiết kế cuộn đây theo kiển cuộn đây Solenaid gồm nhiều vòng đây dẫn cuộn xit

nhau trên một khung hình trụ tròn Do dó khi cho đóng diện I chạy qua cuộn dây thi sé

có từ trưởng LÍ sinh ra.