Động cơ vi cơ quay nhiệt điên MEMS

MỤC LỤC Lời nói đầu 3 I. Tổng quan 4 1.1 Tổng quan về MEMS 4 1.2 Tổng quan về vi động cơ (micromotor) 7 1.2.1 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt 7 1.2.2 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện 11 1.3 Đề xuất mô hình 14 II. Tính toán vi động cơ 16 2.1 Tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V 16 2.2 Phân tích lực trong hệ thống vi động cơ 18 2.2.1 Quá trình dẫn động 18 2.2.2 Quá trình hồi vị 21 III. Chế tạo vi động cơ 24 3.1. Làm sạch phiến SOI 25 3.2. Phủ chất cảm quang photoresist 25 3.3. Quang khắc và tráng rửa 26 3.4. Ăn mòn khô hoạt hóa sâu DRIE 27 3.5. Cắt wafer ra thành từng chip. 28 3.6. Tách lớp photoresist. 28 3.7. Ăn mòn SiO2 bằng hơi axit HF 28 IV. Kết luận 29

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: Vi Động Cơ Quay Nhiệt Điện Giảng viên: TS Đặng Bảo Lâm

Nhóm 19

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Trong thế kỷ 21, công nghệ MEMS thực sự có tầm ảnh hưởng to lớn Các linh kiện

MEMS có thể được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi điện tử (IC) Công nghệ MEMS đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảmbiến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối Từ cuối những năm 80, giai đoạn phát triển thứ haicủa công nghệ MEMS được bắt đầu với sự phát triển của công nghệ vi cơ bề mặt Ngày nay, MEMS trở thành giải pháp công nghệ được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công

nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những cách tân trong kỹ thuật Mỗi thiết bị mới sử dụng MEMS mang những đặc tính cao hơn về chất lượng, khả năng hoạt động và giá thành Các thống kê gần đây cho biết các sản phẩm MEMS trong công nghiệp có trị giá khoảng 6.5 tỷ USDtrong năm 2003 (theo số liệu của System Planning Cooporation) và lên tới 10.5 tỷ USD trong năm 2005 Thị phần chính hiện nay của các sản phẩm MEMS là các cảm biến áp suất, các bộ điều khiển chất lỏng, cảm biến quán tính và các bộ chuyển mạch quang học Các khó khăn cần vượt qua hiện nay của công nghệ MEMS chủ yếu liên quan tới việc đóng vỏ, kỹ thuật đo các đặc trưng và việc tích hợp các linh kiện MEMS với các vi mạch

Hiểu được tầm quan trọng đó, những năm gần đây Viện Cơ khí, trường Đại học BáchKhoa Hà Nội đã đưa môn học Vi cơ điện tử vào chương trình học bắt buộc của kĩ sư ngành

Cơ điện tử Để hiểu sâu hơn về ngành công nghệ MEMS cũng như sản phẩm ứng dụng của

nó trong thực tế, nhóm chúng em xin chọn đề tài: “Vi động cơ quay và nhiệt điện dựa trên

công nghệ Mems”.

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được sự giúp

đỡ tận tình, tâm huyết từ thầy giáo TS Đặng Bảo Lâm đã giúp chúng em hoàn thành đề tài

này Tuy đã rất cố gắng nhưng trong quá trình làm đề tài còn một số thiếu sót, rất mong được

sự góp ý của thầy giáo và cácbạn

Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS.Đặng Bảo Lâm đã

giúp chúng em hoàn thành đề tài này!

I Tổng quan

1.1 Tổng quan về MEMS

Hệ thống vi cơ điện tử-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) làvi cơ điện tử bao gồm các cảm biến và các bộ chấp hành có kích thước rất nhỏ cỡ micro và milimet tích hợp các phần tử cơ khí(mechanical elements), cảm biến(sensors), bộ kích hoạt(actuators) và các cấu kiện điện tử (electronics) được sản xuất bằng công nghệ micro (micro-fabrication tech)

MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cảm biến (sensor) và bộ kíchhoạt (actuator)

Công nghệ chế tạo các MEMS là công nghệ sử dụng kỹ thuật giống như kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ như các công nghệ quang khắc, chùm ion hội tụ ) Tuy nhiên không giống như linh kiện IC được tạo ra từ những lớp cấu trúc 2D, sản phẩm của công nghệ MEMS là các linh kiện có cấu trúc không gian 3 chiều thực sự - gọi là thiết bị MEMS.

MEMS có ứng dụng rộng rãi trong đời sống: trong điện thoại thông minh (Smart Phone) ,trong ô tô, trong công nghệ hàng không – vũ trụ, trong y tế, trong Robot công nghiệp …

Hình 1.1 Ứng dụng của MEMS [google.com.vn]

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường

có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, cho phép tích hợp các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, chế tạo hàng loạt, độ lặp lại cao, có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một thiết bị hoàn chỉnh, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo

ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống

Bộ chấp hành ( dẫn động, truyền động – Actuator) là cấu trúc biến đổi các dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt, điện từ, hóa học, sinh học thành năng lượng cơ học, tạo ra chuyển động tương đương với một quá trình điều kiển Kết quả của một quá trình có thể là một tác động dướidạng: ngăn cản, kẹp chặt, kéo đẩy Được ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa trong các quy trình sản xuất: motor,robot…

Về Micro Motor, có 2 loại động cơ sử dụng 2 bộ kích hoạt điển hìnhlà:

-Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện (Kiểu rănglược)

-Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt (Bộ kích hoạt nhiệt chữ V hoặc bộ kích hoạt nhiệt hot– coldarm)

Lịch phát triển của MEMS:

Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình

vi cơ

Năm 1900 Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm

Trong những năm 1940 Sự phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si)

Năm 1947 Sự phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệpmạch bán dẫn

Năm 1949 Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày củatransistor bán dẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu

Năm1959 Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề "Có rất nhiều chỗ ởdưới đáy " Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đomicro

Actuator

Năm 1960 Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tincậy và giá thành của linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linhkiện bán dẫn lên một mẩu Si Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC

Năm 1960 Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal– oxide – semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươcnhững hiệu quả liên tiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ Năm 1964 Transistor cổngcộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson được trình bày trong hình dưới, linh kiện MEMS chếtạo khối đầu tiên Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng vàng thay đổiđặc tính điện của linh kiện

Năm 1970 Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi xã hội, đápứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn - Trong những năm 1970 và 1980 Nền thương mạiMEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sản xuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động -Năm 1982 Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề "Si một vật liệu cơ " trình bày sự pháttriển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết vềnhững khả năng mà công nghệ MEMS mang lại - Năm 1984 Howe và Muller thuộc đại họcCalifornia phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản xuất các mạchtích hợp dùng công nghệ MEMS Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS

Năm 1989 Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo công nghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện - Trong những năm 1990 Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục - Năm 1991 Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đường nền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều

Trong những năm 1990 Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục

Năm 1991: Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quy trình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đường nền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều

1.2 Tổng quan về vi động cơ (micromotor)

1.2.1 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt

Một số bộ kích hoạt nhiệt điện :

a,Bộ kích hoạt hot – cold arm b, Bộ kích hoạt dùng sự giãn nở

c,Bộ kích hoạt dầm chữV d, Bộ kích hoạt cặp nhiệt của chất khí, chất lỏng

Hình 1.2 Các bộ kích hoạt nhiệt điện

*Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt hot – coldarm

Cấu tạo của bộ kích hoạt nhiệt dạng hot- cold arm được thể hiện như hình vẽ đặt vào hai đầu ngàm của bộ kích hoạt một hiệu điện thế V, vì trong các thanh hot arm và cold arm đều có điện trở suất mà hot arm thường mỏng hơn so với cold arm, nên điện trở của hot arm trở nên cao hơn

so với cold arm Khi một dòng điện đi qua hot và cold arm, thì nhiệt tạo ra trong hot arm lớn

hơn nhiệt tạo ra trong cold arm Dẫn đến thanh hot arm dãn nở vì nhiệt lớn hơn cold arm, thanh hot arm có cấu trúc đàn hồi giãn ra đẩy cong về phía thanh cold arm, bộ kích hoạt chuyển động.Khi hiệu điện thế bằng 0, lúc này nhiệt độ trang các thanh hot và cold arm trở về nhiệt độ môi trường, trở về vị trí ban đầu, bộ kích hoạt không chuyểnđộng.

*Ưu điểm, nhược điểm

-Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vàothấp

-Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu làm dầm Kémnhạy hơn kết cấu tĩnhđiện

*Ứng dụng

Hiện nay các động cơ quay, tịnh tiến sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm đang được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Dưới đây là một số mô hình động

cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm của Đại học Texas Christian,Mỹ

Hình 1.4 Micro motor tịnh tiến 2 chiều sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – coldarm

Hình 1.5: Micro motor quay sử dụng bộ kích hoạt hot – coldar

*Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt chữV

Hình 1.6 Bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Trong bộ kích hoạt nhiệt chữ V (hình vẽ), dầm V có kích thước b rất nhỏ hơn so

với chiều dài L ( L ≈ 100.b ) Đặt hiệu điện thế dạng xung (f) vào hai đầu của bộ kích

hoạt nhiệt chữ V Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là V, dầm mảnh có điện trở suất

do đó sẽ nóng lên và có sự giãn nở vì nhiệt Càng gần về phía ngàm thì dầm chữ V

càng giãn nở nhỏ và phía đầu ngàm nhiệt độ gần như bằng với môi trường nên sự giãn

nở là không đáng kể Càng xa phía ngàm thì sự giãn nở càng lớn kéo theo dầm đẩy tịnh

tiến về phía trước Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là 0, lúc này nhiệt độ trong

dầm chữ V bằng với nhiệt độ môi trường do đó dầm chữ V sẽ dịch chuyển về vị trí ban

đầu kéo theo dầm đẩy cũng trở về vị trí banđầu.

*Ưu điểm, nhược điểm

-Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vàothấp

-Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu làm

dầm Kém nhạy hơn kết cấu tĩnhđiện

*Ứng dụng

Mô hình của một số động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữV

Hình 1.7 Cấu tạo vi động cơ (Hội nghị cơ học KT9/4/2014 )

JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL 10, NO 2, JUNE2001

Hình 1.8 Vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V

1.2.2 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện

Bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược có nguyên lí hoạt động như sau: Khi ta đặt

vào 2 bản tụ được xếp song song như hình vẽ một hiệu điện thế thì giữa chúng sinh ra

lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, lực này làm cho hai bản tụ bị hút vào vớinhau

Hình 1.9 Lực điện từ pháp tuyến Hình 1.10 Tĩnh điện kiểu răng lược

Lực tĩnh điện theo phương pháp tuyếnFn :

Trong đó:

A: Diện tích phần răng lược (bản tụ) trùng nhau, A = h.yo

ε; εo : Các hằng số điện môi

có thể được gắn với các thanh nhằm truyền chuyển động rangoài

Hình 1.11 Cấu tạo tĩnh điện kiểu rănglược

*Ứng dụng

Bộ kích hoạt nhiệt kiểu răng lược được ứng dụng và chế tạo rất rộng rãi trong nhiều lĩnh

đầu tiên chế tạo Tiếp sau đó là vi động cơ hoạt động theo nguyên lí tĩnh điện ( Rotary

electrostatic micromotor) cũng được chế tạo thànhcông

Hình 1.12 Vi cấu trúc của động cơ tĩnh điện

Năm 2007: Hệ thống vi vận chuyển (microtransportation) sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược được chế tạo thànhcông

Hình 1.13 Microtransportation

Hiện nay, việc chế tạo micro motor sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược đã đạt được một số thành tựu nhất định Trong tương lai ứng dụng của micro motor sẽ ngày càng nhiều và quan trọng hơn do những ưu thế vượt trội của các chi tiết kích thước micro mà các chi tiết kích thước thường không thể có Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo micro motor sẽ là một lĩnh vực khoa học và công nghiệp phát triển mạnh mẽ trong tương lai

*Ưu điểm, nhược điểm

-Ưu điểm: Tiêu hao năng lượng thấp, thích hợp với mạchIC

-Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, các bản tụ có xu hướng bị hút lại với nhau gây mất

cấu trúc tụ dẫn đến dễ hỏng linhkiện

1.3 Đề xuất mô hình

Trong thực tế hiện nay các ngành khoa học và công nghiệp về MEMS đã phát triển

lên tầm cao, đạt được nhiều thành tựu đáng kể nhưng lĩnh vực về Micro motor đặc biệt

là micro motor sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V đang là vấn đề khá mới mẻ, chưa phát

triển xứng tầm với những ưu việt mà bộ kích hoạt này mang lại Vì vậy, nhómchúng em

đã mạnh dạn chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và chế tạo Motor nhiệt điện 1 chiều chữ

V” Nhằm mục đích chính là giới thiệu quy trình thiết kế một Motor theo quy trình

MEMS với bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Dựa vào yêu cầu là chế tạo motor quay hai chiều nhiệt chữ V và sự tham khảo các

kết cấu trước đó Nhóm chúng em đã thống nhất ý tưởng của mô hình như sau :

7 A

3

Hình 1.14 Động cơ vi cơ nhiệt điện 1 chiều Nguyên lý hoạt động của vi động cơ dựa trên lý thuyết giãn nở nhiệt với trong tâm là

bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V (1) Khi cấp điện cho các điện cực trên bộ kích hoạt, các

dầm của bộ kích hoạt giãn nở và đẩy đỉnh dầm tịnh tiến làm cho thanh (9) quay quanh cổ

đàn hồi dầm O Thông qua các cơ cấu truyền chuyển động (A) được gắn trên (9) sẽ đẩy

bánh răng (3) quay thuận chiều kim đồng hồ Khi điện áp dẫn bằng 0, nhờ lực đàn hồi của

bộ kích hoạt nhiệt (1), lò xo đàn hồi (5) bị nén và đẩy thanh răng cóc dẫn (6) hồi về vị trí

ban đầu Bánh răng dẫn không quay ngược trở lại nhờ cơ cấu chống đảo (2) Sau mỗi chu

kỳ đẩy của bộ kích hoạt nhiệt (1), răng cóc dịch chuyển 1 đoạn i.p ( với p là bước của răng

cóc ứng với chiều cao răng cóc h, i phụ thuộc vào chuyển vị của răng cóc, tức là phụ thuộc

vào độ lớn điện áp dẫn Ngoài ra tốc độ của vi động cơ có thể thay đổi theo tần số điện áp

dẫn.

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu truyền động của cơ cấu truyền chuyển động: tác động

và lẫy cài (4) làm cho chân hãm vào vị trí khóa, lò xo đàn hồi (5) luôn giữ cho các răng của

thanh dẫn răng cóc (6) luôn tiếp xúc với răng của vành răng ngoài, do đó chúng di chuyển

cùng nhau trong suốt hành trình.

9

2 8

4 5

6

II Tính toán vi động cơ

2.1 Tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V

Phương trình truyền nhiệt dạng thu gọn :

(1)

Trong đó:

T là nhiệt độ tại vị trí x

k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

ρ là điện trở suất của dầm, J là mật độ dòng điện Nghiệm của phương trình trên được

biểu diễn như sau :

Hình 2.1 Phân bố nhiệt độ với độ dịch chuyển

Hình 2.2 Sơ đồ tính chuyển vị dầm

Ta có độ giãn dài của dầm đơn :

Chuyển vị của dầm đẩy : ( góc α chọn 2o)

Điện áp U(V) ∆L (µm) ∆D(µm) Fthermal (mN)

nhiệt của một cặp dầm chữ V;

n là số cặp dầm chữ V; Fe là lực đàn hồi của một cặp dầm chữ V; F là nội lực xuất hiện tại mặtcắt A-A trên phần dẫn động dầm chữ V; k = 233,05 µN/μm là độ cứng của một cặp dầm chữ V Gọi d là chuyển vị của thanh răng, đơn giản hóa dầm dầm quay để tính toán chuyển vị tại phần đặt lực dẫn động F (hình 4.c)

và bề mặt răng cóc Trong trường hợp vi động cơ được dẫn động bởi thanh răng cóc, khoảng dịch chuyển d của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: d =

i p Trong đó: i là số nguyên i=1,2 3…, p =10μm Qui các lực trên về mô men dẫn và mômen cản để tăng độ chính xác tính toán Mômen dẫn động của vi động cơ được xác định bởi công thức sau: