Thuyết minh cuối cùng

Thuyết minh tay kẹp vi cơ sử dụng hiệu ứng tĩnh điện: bao gồm bản word và slide về tính toán, mô phỏng, công nghệ gia công (kèm file đầy đủ) Ai cần file đầy đủ bao gồm thuyết minh, slide báo cáo và file thiết kế solid work mô hình và công nghệ gia công thì liên hệ facebook: facebook.comdinhsycong

BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TAY KẸP VI CƠ SỬ DỤNG

HIỆU ỨNG TĨNH ĐIỆN GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Mai

Đánh giá

Phạm Hải Triều 20168550

Dịch tài liệu, đề xuất mô hình, nguyên

lý hoạt động, tính toán hệ lực , tổng hợp tài liệu, kết luận

A

Vũ Đinh Đức 20168144

Tổng hợp tài liệu, dịch tài liệu, đề xuất

mô hình, tính toán hệ lực, kết cấu, thiết kế 3D, mô phỏng kết cấu, đề xuất phương pháp chế tạo

A

Đinh Sỹ Công 20168059

Tìm tài liệu, dịch tài liệu, đề xuất mô hình, tính toán hệ lực, trình bày quy trình công nghệ chế tạo, tổng hợp tài liệu, kết luận

A

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về MEMS

1.1.1 Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ) là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo Trong khi những thành phần có thuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thì những thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi có chọn lựa những phần wafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện

Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và cơ cấu chấp hành (actuator)

1.1.2 Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ

Công nghệ vi cơ : Các quy trình lắng đọng, khắc hay xác định vật liệu với đặc trưng tối thiểu được đo theo đơn vị micro hoặc nhỏ hơn

Công nghệ MEMS : Mọi thiết bị và hệ thống được sản xuất theo công nghệ vi cơ khác với mạch tích hợp hay với linh kiện bán dẫn truyền thống Kích thước của chúng được đo theo đơn vị nano (nm) đến centimet (cm) xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS Công nghệ này là cơ bản cho các sản phẩm MEMS Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình vi cơ

Hình 1.1 Một số những ứng dụng của MEMS

- Năm 1500 Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm

- Trong những năm1940 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 nghiệp mạch bán dẫn

- Năm 1949 Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày của transistor 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 ở dưới đáy” Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro

- Năm1960 Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tin cậy và giá thành của linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện 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 đươc những hiệu quả liên tiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ

- Năm 1964 Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson được trình bày trong hình dưới, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằng vàng thay đổi đặc 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, đáp ứng tạo nhu cầu về công nghệ IC cao hơn

- Trong những năm 1970 và 1980 Nền thương mại MEMS 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 phát triển của nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng mà công nghệ MEMS mang lại

- Năm 1984 Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinh thể và được dùng để sản

- 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 Thị trường MEMS

Các ứng dụng và thị trường MEMS mở ra khi các ứng dụng IC truyền thống kết thúc Đặc biệt công nghệ chế tạo vi mô và công nghệ MEMS có thể cung cấp một phương tiện giao tiếp với thế giới điện tử số, được chi phối bởi IC, với thế giới vật lý tương tự Trong thế giới vật lý, những tín hiệu quan tâm không có bản chất điện , cần các máy biến năng tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện (ví dụ cảm biến) có thể được xử lý bằng hệ thống điện

tử IC cho phép Ngoài ra, sự liên kết các máy biến năng trong một hệ thống cũng có nhiều thuận lợi (ví dụ đầu tiên chuyển tín hiệu nhiệt sang tín hiệu cơ sau đó, thành tín hiệu quang , và cuối cùng thành một tín hiệu điện) Hơn nữa, có thể kết hợp bộ cảm biến và

bộ kích hoạt tạo ra vi hệ thống hoàn chỉnh

Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây :

Thuận lợi về tỉ lệ một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro Chế tạo khối với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS

Tích hợp mạch sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và độ phức tạp có thể bị hạn chế

Theo quan điểm của các ứng dụng khác MEMS điểm được phân loại theo lĩnh vực thiết

kế bao gồm:

- Gia tốc trong xe ô tô hiện đại cho một số lượng lớn các mục đích bao gồm cả túi khí triển khai trong va chạm

- Gia tốc trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như bộ điều khiển trò chơi, truyền thông

cá nhân / điện thoại (di động của Apple iPhone , các mô hình điện thoại di động Nokia khác nhau v.v) và một số ảnh kỹ thuật số) Cũng được sử dụng trong máy tính để đầu đĩa cứng khi rơi tự do được phát hiện, ngăn chặn thiệt hại và mất mát dữ liệu

- Con quay hồi chuyển MEMS sử dụng trong xe hơi hiện đại

- Micro MEMS trong các thiết bị di động, ví dụ như điện thoại di động và máy tính xách tay

- Silicon áp lực cảm biến ví dụ, xe lốp áp lực cảm biến , và dùng một lần huyết áp cảm biến

- Màn hình ví dụ, chip DMD trong một máy chiếu dựa trên công nghệ DLP , trong đó

có một bề mặt với vài trăm ngàn micromirrors hoặc đơn vi quét-phản ánh cũng được gọi là microscanners

- Chuyển đổi quang học công nghệ, được sử dụng để chuyển đổi công nghệ và liên kết cho truyền thông dữ liệu

- Sinh học: MEMS ứng dụng trong y tế và sức khỏe các công nghệ liên quan đến phòng thí nghiệm ( cảm biến sinh học ), hoặc nhúng trong các thiết bị y tế như ống

đỡ động mạch

- Màn hình hiển thị điều biến giao thoa ứng dụng (IMOD) trong thiết bị điện tử tiêu dùng (chủ yếu là màn hình cho các thiết bị di động), được sử dụng để tạo ra điều chế giao thoa - công nghệ màn hình phản chiếu như được tìm thấy ở các màn hình

mirasol

- Tăng tốc chất lỏng như là vi làm mát

- Vi quy mô thu hoạch năng lượng bao gồm áp điện, điện

Vi cơ khí đầu dò siêu âm bao gồm áp điện vi cơ khí cảm biến siêu âm và điện dung dò

Hình 1.2 Một số loại tay kẹp vi cơ

1.4 Giới thiệu về tay kẹp vi cơ

Tay kẹp vi cơ là một trong nhưng ứng dụng phổ biến của ngành vi cơ điện tử

(MEMS) Nó được sử dụng rộng dãi trong y học, vật liệu… để kẹp các vật có kích thước nhỏ cỡ micro met, đạt độ chính xác đến nano met Ví dụ như kẹp tế bào…

Ngyên lý hoạt động của tay kẹp vi cơ rất đơn giản thường dựa trên các hiểu ứng cơ bản về nhiệt hay điện ( hiệu ứng tĩnh điện, sự trênh lệch khi giãn nở nhiệt) gây ra chuyển

vị cho các tay kẹp để kẹp vật

1.5 Đề suất cấu trúc

Dựa theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field”, ở trong bài báo này hiệu ứng vật lý được sử dụng là hiệu ứng tĩnh điện

 Về hiệu ứng tĩnh điện:

- Trong hiệu ứng tĩnh điện, sự phân cực giữa hai tấm điện cực tạo ra một lực tĩnh điện giữa chúng Lực tĩnh điên này là cơ sở để tạo ra các cơ cấu dịch chuyển (cơ cấu dịch chuyển tĩnh điện – electrostatic actuators)

- Mặt khác, chuyển động tương đối của hai tấm phân cực tạo ra dòng điện cảm ứng Lượng dịch chuyển chuyển giữ 2 tấm phân cực tỷ lệ thuận với dòng điện

Do đó hiệu ứng tĩnh điện được sử dụng để chế tạo các cảm biến biến đo dịch chuyển

(cảm biến điện cảm – capacitive sensors)

 Đề suất cấu trúc:

- Ở đây ta cần thiết kế cơ cấu dịch chuyển sử dụng hiệu ứng này, với mỗi cắp bản tụ

= hằng số điện môi, với không khí có = 8.85x10-12C2/(Nm2)

- Để tăng lực điện ta sẽ thiết kế nhiều cặp bản tụ như trên sẽ được cơ cấu dạng răng lược như sau:

Với n cặp bản tụ thì lực tĩnh điện tiếp tuyến thu được sẽ là:

= . .

2

- Để tăng độ cứng vững và linh hoạt cho cơ cấu thì ta thêm vào cơ cấu 4 dầm như sau, 4 dầm này có tác dụng đàn hồi, trả lại vị trí ban đầu của các cặp bản tụ khi ngắt điện

- Lực F được tận dụng làm lực kẹp thông qua cơ cấu tay kẹp được đề suất như sau như sau:

- Nguyên lý hoạt động của tay kẹp như sau: Khi cấp một điện áp V vào cơ cấu răng lược, các bản tụ sẽ tương tác với nhau theo hiệu ứng tĩnh điện Bằng lực tĩnh điện phương tiếp tuyến thì dầm chính sẽ được đẩy vào, dẫn đến tay kẹp cũng đẩy vào kẹp chặt đối tượng Khi ngừng cấp điện áp, dưới tác dụng của lực đàn hồi thì cơ cấu kẹp, tay kẹp trở về vị trí ban đầu Khi đó đối tượng được nhả ra

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN HỆ LỰC CHO HỆ THỐNG TAY KẸP VI CƠ 2.1 Xác định hệ lực tác dụng lên cơ cấu tay kẹp:

Xác định hệ lực tác động lên cơ cấu tay kẹp:

Tối giản cơ cấu tay kẹp, ta xác định được các lực như sau:

Xét một vế của cơ cấu kẹp (cơ cấu kẹp có 2 vế I và II) ta có:

F’ Lực thanh kẹp tác dụng ngược lại lên

thanh dầm chính (định luật III Niu tơn) F F'

Fdh Lực đàn hồi của thanh kẹp

3 3

Fk Lực kẹp của thanh kẹp tác dụng lên vật F k F k'

k

F F

2.2 Chuyển vị của tay kẹp

Đầu tiên, ta sẽ đi tìm chuyển vị cần thiết của thanh dầm để gắp được vật tại vị trí đặt lực

a b

L : Khoảng cách từ vị trí chân thanh kẹp tới vị trí gắp vật

l : Khoảng cách từ vị trí chân thanh kẹp tới vị trí đặt lực của dầm chính

2.3 Lực tĩnh điện giữa 2 bản tụ

Lực tĩnh điện tiếp tuyến giữa 1 cặp bản tụ :

2 2

0 1

.

r d

y :khoảng cách giữa hai bản tụ

V :điện áp đặt vào hai bản tụ

Vậy ta có tổng lực tĩnh điện gây tác dụng lên thanh dầm chính là:

2 2

0 .

r d

Ta có công thức tính lực đàn hồi của 4 thanh dầm :

FN :Tổng lực đàn hồi của 4 thanh dầm

E = 185 Gpa :Modun đàn hồi của vật liệu Si

t (m) :Chiều dày thanh dầm

xa :Chuyển vị của tay kẹp

2.5 Quan hệ giữa lực tĩnh điện và lực đàn hồi

Phương trình cân bằng lực cho 4 dầm và lực điện:

3 3 3 3

F : Lực thanh đẩy tác dụng lên tay kẹp

F’ : Phản lực tay kẹp tác dụng ngược lại thanh đẩy

F’

2.6 Các lực tác dụng lên tay kẹp

Phương trình cân bằng Momen:

3 3

3 3

Fđh :Lực đàn hồi của tay kẹp

t’ :Chiều dày tay kẹp

w’ :Chiều rộng đoạn đàn hồi của tay kẹp

l’ :Chiều dài đoạn đàn hồi của tay kẹp

2.6.1 Xét hệ lực tại vị trí kẹp vật:

Ta có:

2 F 2

ms k

ms

k

F F

P F

0 .

r d

2 0

CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ CƠ CẤU TAY KẸP BẰNG PHẦN MỀM 3D 3.1 Hệ số thu nhỏ S

Kích thước của cơ cấu tay kẹp vi cơ sẽ phải dưới 1mm theo các chiều, kích thước thiết

kế ban đầu của chúng em chọn là gấp 100 lần kích thước yêu cầu Tức kích thước cơ cấu sẽ nằm trong khổ giới hạn 100mm x 100mm x 100mm

Hệ số thu nhỏ của cơ cấu là S = 1/100 = 0.01

2 0

Công thức trên tính toán cho cơ cấu kẹp với kích thước gấp 100 lần so với yêu cầu Giả

sử hệ có cấu tạo đồng chất,với hệ số thu nhỏ S=0.01, thì các kích thước dài cũng giảm

100 lần, khối lượng sẽ giảm 1 triệu lần (106):

3.2 Thiết kế cơ cấu tay kẹp

- Để đảm bảo độ cứng vững, tăng tính ổn định cũng như giúp thanh dầm có thể hồi vị trí ban đầu thì ta thêm 4 thanh dầm đàn hồi như sau:

- Cơ cấu thanh kẹp vật sẽ thiết kế như sau:

- Vì phần chuyển động và phần cố định phải được tách nhau ra để cấp điện áp nên ta tạo những vách ngăn như sau:

- Vấn đề phát sinh nữa ở đây là cơ cấu kẹp của chúng ta cần phải cấp điện liên lục trong quá trình kẹp vật, ngoài điện áp cung cấp được điều khiển một cách chính xác, cung cấp cho ta một điện áp cần thiết để tạo ra một dịch chuyển cần thiết

những đối tượng như tế bào, hồng cầu… thì điện áp ở tay kẹp sẽ làm hỏng mất

tế bào của ta Vì vậy ta cần cách điện tay kẹp với vật

Có 2 phương pháp để cách điện trong trường hợp này:

• Mạ một lớp vật chất cách điện cho tay kẹp

• Thiết kế cách điện tay kẹp với dầm chính

Ở đây chúng em sẽ chọn cách thứ 2 vì có dễ dàng hơn cách thứ nhất, thiết kế sẽ như sau:

Tạo rãnh ngăn giữa tay kẹp và thanh dầm chính giúp cho 2 đối tượng này cách điện với nhau Lớp cách điện bên dưới có tác dụng nối 2 đối tượng này với nhau

mà vẫn cách điện chúng, lớp cách điên có tác dụng giúp thanh kẹp ổn định, khi ngắt điện, nhờ sự đàn hồi của 4 thanh dầm thì cũng đưa thanh kẹp về

- Thiết kế của tay cơ cấu tay kẹp sẽ như sau:

Những chỗ đánh dấu tròn sẽ là vị trí điện cực cung cấp điện áp cho cơ cấu kẹp

3.2.2 Kích thước của cơ cấu kẹp

Ở đây chúng em thiết kế cơ cấu kẹp với mục đích gắp tế bào, hồng cầu với kích thước cần kẹp trong khoảng từ 7-10 m

Kích thước của tay kẹp vi cơ nằm trong khổ giới hạn 1mm x 1mm x 1mm Kích thước của thiết kế như sau: (đơn vị  m)

- Kích thước phần mỏ kẹp, thanh kẹp của thiết kế:

• Kích thước mỏ kẹp:

• Kích thước thanh kẹp:

- Kích thước cơ cấu răng lược:

- Kích thước tổng thể:

3.2.3 Tính toán điện áp cung cấp

- Mối quan hệ giữa điện áp cung cấp và dịch chuyển của má kẹp được thể hiện qua công thức sau:

2 0

- Các giá trị của cái đại lượng trong công thức thể hiện trong bảng sau:

Lực tĩnh điện tiếp tuyến của n cặp tụ F

Chiều rộng bản tụ z 30  m

Modun đàn hồi vật liệu thanh kẹp

Chuyển vị của thanh dầm chính xa

.

a b

a b

- Với các kích thước của mỗi đối tượng thì cần lượng dịch chuyển và điện áp cung cấp như sau:

Đối tượng

Kích thước (đường kính)

m



Khối lượng (g)

Chuyển vị cần thiết của má kẹp  m

Điện áp cần cung cấp (mV)

3 6

4.185.30.10 4.10

7602.4.10

160.10185.30.10 5.10 6,1.10 180 2,7.10 760

↔ 3.717.10-9 V2 = 7.10-12

→ V = 0,043 V = 43 mV

Đối với những đối tượng khác nhau, chuyển vị cần thiết của má kẹp là khác nhau

và điện áp cung cấp cũng khác nhau, điện áp này được duy trì ổn định trong quá trình kẹp vật Tùy theo đối tượng cần gắp mà điện áp cung cấp được điều chỉnh

để cho ra giá trị tương ứng

CHƯƠNG 4: KIỂM NGHIỆM ĐỘ BỀN VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Kiểm nghiệm lại độ bền

Ta chọn lực tác dụng khi gắp hồng cầu, vì lượng dịch chuyển cần có ở đây là lớn hơn, cho nên các lực tác động lên các đầm cũng là lớn hơn

Biểu đồ Momen uốn thanh ngàm