Mô phỏng và chế tạo micro linear motor ứng dụng trong các thiết bị số

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết dãn nở nhiệt, tính toán nhiệt độ, sự dãn dài, và lực trong bộ kích hoạt tuyến tính sử dụng hiệu ứng nhiệt, đồng thời tính toán chuyển vị cho thanh trư

chạy qua Tính toán, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm ở điện áp U = 5÷30V

vôn, với từng hệ dầm khác nhau về số lượng cặp dầm là 3, 6 và 10, thu được chuyển vị 12÷18 µm và lực đẩy của bộ kích hoạt cỡ mN Mỗi motor tuyến tính được chế tạo trên chip có kích thước 5x5 mm

Luận văn gồm 4 chương

Chương 1 giới thiệu chung về công nghệ MEMS, những ứng dụng và tiềm

năng phát triển, phân loại các bộ kích hoạt MEMS

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết dãn nở nhiệt, tính toán nhiệt độ, sự dãn

dài, và lực trong bộ kích hoạt tuyến tính sử dụng hiệu ứng nhiệt, đồng thời tính toán chuyển vị cho thanh trượt được dẫn động Phần tiếp theo đề xuất cấu tạo và nguyên lý hoạt động của motor tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt Phần cuối của chương này trình bày mô phỏng bài toán cơ-nhiệt-điện trong

Chương 3 trình bày quy trình gia công motor tuyến tính sử dụng công nghệ

ăn mòn khô sâu (D-RIE), giới thiệu các máy và thiết bị được sử dụng để chế tạo motor tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt tại phòng thí nghiệm MEMS Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản)

Chương 4 trình bày sơ đồ đo đạc, các kết quả thực nghiệm về hoạt động và

các đặc tính của motor nhiệt tuyến tính So sánh tính toán lý thuyết, mô phỏng

và đo đạc đưa ra nhận xét chung

Kết luận:

Qua các kết quả đã trình bày có thể thấy rằng ưu điểm lớn nhất của motor tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt nhiệt đó là kết cấu nhỏ gọn và sinh ra lực đẩy lớn, đơn giản trong gia công và điều khiển, đạt độ chính xác cao vì chỉ sử dụng một mặt nạ nên dễ triển khai nghiên cứu, đo đạc và ứng dụng Nhưng đồng thời

theo kết quả mô phỏng với điện áp U = 30V, nhiệt độ cao nhất trên bộ kích hoạt

là 4000C, nhiệt độ này khá cao gây tác hại đến các chi tiết bộ phận làm việc xung quanh Đây cũng chính là nhược điểm của bộ kích hoạt nhiệt và cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo Kết quả đo đạc cũng chỉ ra dải tần số làm việc tránh hiện tượng trượt là 20Hz

Trong tương lai, motor tuyến tính sẽ được tiếp tục hoàn thiện (đặt điện áp vào bộ kích hoạt kẹp, tối ưu hóa các kích thước) để tránh hiện tượng trượt, nâng cao hiệu suất Motor tuyến tính sẽ được ứng dụng trong các hệ micro rôbôt, hệ vận tải siêu nhỏ, hệ phân tích mẫu siêu nhỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- NGUYỄN TUẤN KHOA

MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICRO LINEAR MOTOR ỨNG DỤNG

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI NÓI ĐẦU II TÓM TẮT LUẬN VĂN III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ MEMS 1

1.1 Tổng quan 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS 2

1.1.3 Những sản phẩm và ứng dụng chính của công nghệ MEMS 3

1.1.4 Thị trường và tiềm năng phát triển của công nghệ MEMS 6

1.2 Các công nghệ chế tạo MEMS 7

1.2.1 Công nghệ vi cơ khối (Bulk micromachining) 7

1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface micromachining) 8

1.2.3 Công nghệ tia laser (LIGA) 9

1.3 Bộ kích hoạt MEMS 10

1.3.1 Định nghĩa và phân loại 10

1.3.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện 11

1.3.3 Bộ kích hoạt nhiệt 12

1.3.3.1 Bộ kích hoạt dùng sự dãn nở của khí, chất lỏng 12

1.3.3.2 Bộ kích hoạt cặp nhiệt 13

1.3.3.3 Bộ kích hoạt sử dụng kim loại định hình 13

1.3.3.4 Bộ kích hoạt dầm chữ V 14

1.3.4 Các bộ kích hoạt khác 15

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MOTOR DỰA TRÊN BỘ KÍCH HOẠT NHIỆT 17

2.1 Lý thuyết nhiệt 17

2.1.1 Lý thuyết dãn nở nhiệt 17

2.1.2 Lý thuyết truyền nhiệt 18

2.2 Thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt tuyến tính 19

2.2.1 Đánh giá về các bộ kích hoạt nhiệt trước đây 19

2.2.2 Đề xuất thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt 20

2.3 Tính toán bộ kích hoạt nhiệt 21

2.3.1 Tính toán nhiệt 21

2.3.2 Tính toán chuyển vị 23

2.3.2.1 Chuyển vị do dãn nở nhiệt 23

2.3.2.2 Chuyển vị của dầm đẩy 24

2.3.2.3 Chuyển vị của thanh trượt 24

2.3.3 Tính toán lực 25

2.3.3.1 Lực trên dầm V 25

2.3.3.2 Tính lực đẩy thanh trượt 26

2.4 Mô phỏng chuyển vị, dãn nở nhiệt và nhiệt độ của bộ kích hoạt nhiệt 27 2.4.1 Giải bài toán đa trường bằng phần mềm ANSYS 29

2.4.2 Mô phỏng bộ kích hoạt nhiệt 30

2.4.2.1 Chọn mô hình và kiểu phần tử 30

2.4.2.2 Xây dựng mô hình và tiến hành mô phỏng 31

2.4.2.3 Kết quả mô phỏng 33

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MOTOR 38

3.1 Giới thiệu 38

3.2 Thiết kế mặt nạ 38

3.3 Quy trình gia công 41

3.4 Kết quả chế tạo 48

CHƯƠNG 4 KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ SƠ BỘ ĐẶC TÍNH CỦA MOTOR 51

4.1 Hệ thống đo đạc, kiểm tra 51

4.1.1 Sơ đồ đo đạc 51

4.1.2 Thiết bị đo đạc kiểm tra 52

4.1.3 Sơ đồ đặt điện trên chip 53

4.2 Đánh giá hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt 54

4.2.1 Kết quả đo đạc chuyển vị của dầm đẩy 54

4.2.2 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc 54

4.2.2.1 Loại 3 cặp dầm 54

4.2.2.2 Loại 6 cặp dầm 55

4.2.2.3 Loại 10 cặp dầm 56

4.2.2.4 Nhận xét 58

4.3 Đánh giá hoạt động của motor 59

4.4 Kiểm tra lực đẩy của motor 60

4.5 Nhận xét 61

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 66

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này

là của bản thân tôi, không phải sự sao chép từ các tác giả khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) là một lĩnh vực công nghệ mới xuất hiện đang được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế giới; còn tại Việt Nam, công nghệ MEMS đã bước đầu đã tạo ra được những sản phẩm ứng dụng

Tôi đã thực hiện luận văn thạc sỹ đề tài “MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICRO LINEAR MOTOR ỨNG DỤNG TRONG CÁC THIẾT BỊ SỐ” với mong muốn đóng góp nghiên cứu của mình cho ngành công nghệ MEMS ở Việt Nam nói riêng

và cho sự phát triển của khoa học công nghệ Việt Nam nói chung

Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới TS Phạm Hồng Phúc vì sự hướng dẫn rất nhiệt tình, chu đáo, và các thành viên trong nhóm nghiên cứu MEMS - Bộ môn

Cơ sở thiết kế máy & Rôbôt – Trường ĐHBK Hà Nội đã cộng tác, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này Đồng thời xin gửi lời cảm ơn tới Phòng thí nghiệm MEMS, Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản đã giúp đỡ chế tạo sản phẩm để có được các kết quả đo đạc thực nghiệm trình bày trong luận văn

Luận văn này mới là những nghiên cứu bước đầu về motor tuyến tính nhiệt nên không tránh khỏi những thiếu sót Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ tiếp tục được hoàn thiện, phát triển và dự kiến sẽ công bố trong các tạp chí khoa học trong nước và quốc tế trong tương lai gần

Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2011

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày kết quả thiết kế, tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và đo đạc thực nghiệm bộ kích hoạt nhiệt dẫn động hệ motor tuyến tính bởi biến dạng nhiệt của dầm silicon dạng chữ V khi cho

dòng điện chạy qua Tính toán, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm ở điện áp U =

5÷30V vôn, với từng hệ dầm khác nhau về số lượng cặp dầm là 3, 6 và 10, thu được chuyển vị 12÷18 µm và lực đẩy của bộ kích hoạt cỡ mN Kết quả mô phỏng cho thấy ưu điểm khi sử dụng bộ kích hoạt nhiệt dẫn động là kích thước của hệ thống nhỏ, sinh ra lực đẩy lớn và có thể xem là tuyến tính Qua đó có thể thấy việc sử dụng bộ kích hoạt nhiệt dẫn động hệ motor tuyến tính là hướng nghiên cứu mới, có tính ứng dụng tốt trong công nghệ MEMS

Luận văn gồm 4 chương

Chương 1 giới thiệu chung về công nghệ MEMS, những ứng dụng và tiềm

năng phát triển, phân loại các bộ kích hoạt MEMS

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết dãn nở nhiệt, tính toán nhiệt độ, sự dãn dài,

và lực trong bộ kích hoạt tuyến tính sử dụng hiệu ứng nhiệt, đồng thời tính toán chuyển vị cho thanh trượt được dẫn động

Phần tiếp theo đề xuất cấu tạo và nguyên lý hoạt động của motor tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt

Phần cuối của chương này trình bày mô phỏng bài toán cơ-nhiệt-điện trong ANSYS để tìm sự phân bố nhiệt độ, chuyển vị của bộ kích hoạt; so sánh và kiểm nghiệm tính toán lý thuyết

Chương 3 trình bày quy trình gia công motor tuyến tính sử dụng công nghệ ăn

mòn khô sâu (D-RIE), giới thiệu các máy và thiết bị được sử dụng để chế tạo motor

tuyến tính hai chiều sử dụng hiệu ứng nhiệt tại phòng thí nghiệm MEMS, Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản)

Chương 4 trình bày sơ đồ đo đạc, các kết quả thực nghiệm về hoạt động và các

đặc tính của motor nhiệt tuyến tính So sánh với tính toán lý thuyết và mô phỏng, đưa ra nhận xét chung

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

2D, 3D Two dimensions, three dimensions

BICMOS Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor

CAD Computer Aided Design

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

D-RIE Deep Reactive Ion Etching

FEA Finite Element Analysis

GUI Graphic User Interface

HF Hydrofluoric acid

IC Integrated Circuit

LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LIGA LIthographie Galvanoformung Abformung Tiếng Đức MEMS Micro Electro Mechanical Systems

PMMA Poly Methyl Methacrylate

RF Radio Frequency

SEM Scanning Electron Microscope

SMAs Shape Memory Alloys

SOI Silicon On Insulator

UV Ultraviolet

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các thiết bị MEMS tích hợp trên mạch điện tử IC 2

Hình 1 2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc bằng công nghệ MEMS trong điện thoại Iphone 3

Hình 1 3 Các ứng dụng của MEMS trong ô tô hiện đại ngày nay 4

Hình 1 4 Các hệ MEMS cơ 5

Hình 1 5 Biểu đồ thị trường MEMS thế giới (2006-2013) 6

Hình 1 6 Công nghệ vi cơ khối 7

Hình 1 7 Quy trình công nghệ vi cơ bề mặt 9

Hình 1 8 Công nghệ LIGA 10

Hình 1 9 Lực tiếp tuyến Ft giữa hai bản tụ 11

Hình 1.10 Bộ kích hoạt cặp nhiệt 13

Hình 1 11 Cấu trúc của một số bộ kích hoạt nhiệt 14

Hình 1 12 Bộ kích hoạt áp điện trong bơm vi cơ 15

Hình 2 1 Sự dãn nở theo một chiều của thanh ngàm một đầu dưới tác dụng nhiệt 17

Hình 2.2 Sự truyền nhiệt qua phân tố dầm 18

Hình 2 3 Mô hình dầm nhiệt chữ V 19

Hình 2 4 Cấu tạo của motor tuyến tính dẫn động bởi bộ kích hoạt nhiệt 20

Hình 2 5 Sơ đồ tính chuyển vị dầm đơn 24

Hình 2 6 Sơ đồ tính chuyển vị thanh trượt 25

Hình 2 7 Sơ đồ tính lực dầm V 26

Hình 2 8 Sơ đồ tính lực đẩy thanh trượt 26

Hình 2 9 Mô phỏng trên phần mềm ANSYS 28

Hình 2 10 Mô hình bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm 32

Hình 2 11 Chia lưới thưa tại ngàm 32

Hình 2 12 Chia lưới dày tại các dầm nhiệt 33

Hình 2 13 Chuyển vị của dầm chữ V 34

Hình 2 14 Đồ thị kết quả mô phỏng quan hệ chuyển vị - điện áp mô phỏng 34

Hình 2 15 Phân bố nhiệt độ của dầm chữ V 35

Hình 2 16 Đồ thị quan hệ nhiệt độ cao nhất - điện áp theo mô phỏng 36

Hình 2 17 Sơ đồ tính lực bằng ANSYS 36

Hình 2 18 Ứng suất trên dầm V 37

Hình 3 1 Mask tổng thể 39

Hình 3 2 Motor tuyến tính với các bộ kích hoạt góc nghiêng α =20 40

Hình 3 3 Cấu tạo một phiến wafer 41

Hình 3 4 Quang khắc và tráng rửa 42

Hình 3 5 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist 42

Hình 3 6 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 44

Hình 3 7 Quá trình ăn mòn bốc bay bằng HF 45

Hình 3 8 Mặt cắt ngang của tấm wafer sau khi HF etching 45

Hình 3 9 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF 46

Hình 3 10 Quy trình gia công 46

Hình 3 11 Tổng thể motor nhiệt (loại 10 cặp dầm) 49

Hình 3 12 Dầm chữ V loại 10 cặp 49

Hình 3 13 Cặp dầm đẩy thanh trượt 50

Hình 4 1 Sơ đồ đo đạc 51

Hình 4 2 Hệ thống đo đạc 52

Hình 4 3 Sơ đồ đặt điện áp 53

Hình 4 4 Kết quả đo đạc quan hệ chuyển vị - điện áp 54

Hình 4 5 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm (trước-sau) tại điện áp 30V 55

Hình 4 6 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm 55

Hình 4 7 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm (trước-sau) tại điện

áp 30V 56Hình 4 8 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm 56Hình 4 9 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm (trước-sau) tại điện

áp 30V 57Hình 4 10 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm 57Hình 4 11 Chuyển vị của thanh trượt ở 30V với các tần số từ 1-20Hz 60Hình 4 12 Sơ đồ kiểm tra lực đẩy của thanh trượt (thử tải) 60

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ MEMS

1.1 Tổng quan

1.1.1 Giới thiệu chung

Công nghệ vi điện tử chế tạo ra vi mạch hay mạch tích hợp đã trở nên quen thuộc trên thế giới từ khoảng giữa thế kỷ XX Trên một phiến bán dẫn, thường là silic người ta có thể tạo ra lớp mỏng oxyt silic để cách điện, bảo vệ, lớp silic pha tạp loại p, loại n để làm ra tranzito, lớp kim loại để làm điện cực, dẫn điện v.v Công nghệ vi điện tử ngày nay đã đạt được thành tựu lớn: trên một mảnh silic diện tích cỡ vài centimet vuông đã có thể làm đến từ vài trăm triệu đến một tỷ linh kiện, tạo thành một mạch với bộ nhớ lớn, tốc độ xử lý nhanh, là bộ não của các thiết bị điện

tử (từ chiếc điện thoại di động cho đến những siêu máy tính hiện đại)

Tuy vậy, công nghệ vi điện tử chỉ chế tạo được những linh kiện điện, nằm trên mặt phẳng gắn chặt với đế silic Mạch tích hợp cực kỳ phức tạp, có rất nhiều điện cực vào - ra, chỉ thực hiện được những chức năng về điện Mạch tích hợp không thể thực hiện các chức năng khác (ví dụ chức năng cơ học như quay, dịch chuyển, dao động, bơm v.v ) Muốn có các bộ phận thực hiện những chức năng về cơ thì các bộ phận này được chế tạo theo kiểu cổ điển, phải ghép nối thủ công với mạch tích hợp

và rất cồng kềnh

Vài thập kỷ gần đây, công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện cơ và linh kiện điện

tử được phát triển mạnh, thường được gọi là công nghệ chế tạo các hệ vi cơ điện tử

(MEMS) Công nghệ MEMS đã giải quyết được nhiều yêu cầu kỹ thuật theo cách hoàn toàn mới

MEMS là hệ thống 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

Hình 1 1 Các thiết bị MEMS tích hợp trên mạch điện tử IC

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 cơ được chế tạo bằng cách loại bỏ (giống như gia công trong cơ khí) những phần của phiến chất bán dẫn hoặc thêm vào những lớp vật liệu mới để tạo nên các cấu trúc, cơ cấu

vi mô, có khả năng biến đổi giữa điện năng, quang năng, hóa năng, cơ năng

1.1.2 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS

Các mốc thời gian thể hiện sự phát triển của MEMS:

- Thập niên 50: các nhà khoa học tìm hiểu được đặc tính của silicon, từ đó đặt tiền đề cho sự phát triển của công nghệ MEMS sau này

- Thập niên 60: chế tạo ra cảm biến áp suất silicon đầu tiên

- Thập niên 70: chế tạo cảm biến gia tốc và đầu in mực đầu tiên

- Thập niên 80: công nghệ MEMS trở nên phổ biến và được đưa vào nghiên cứu nhiều hơn với phương pháp gia công bề mặt (Surface) và gia công tia laze (LIGA)

- Thập niên 90: tiếp tục có những nghiên cứu, cải tiến các thiết bị trong công

nghệ MEMS và bắt đầu ứng dụng nhiều trong đời sống

Bộ kích hoạt Cảm biến

Bộ nhớ, mạch điện

RA VÀO

Điện, Cơ Nhiệt, Hóa Quang

- Từ năm 2000 đến nay: công nghệ MEMS được ứng dụng vào hầu như mọi

lĩnh vực của khoa học, công nghệ, đời sống

1.1.3 Những sản phẩm và ứng dụng chính của công nghệ MEMS

MEMS là một ngành công nghệ mới (khi so sánh với nhiều công nghệ khác trên thế giới) Nhưng cho đến ngày nay, những ứng dụng của MEMS trong khoa học kỹ thuật, trong sản xuất và trong đời sống là vô cùng phong phú và đa dạng MEMS có trong những chiếc máy ảnh kỹ thuật số (digital camera), điện thoại thông minh (smart phone) cho đến phương tiện giao thông: ôtô, máy bay v.v

Các cảm biến (sensors) và bộ kích hoạt (actuators) có thể được coi là hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS:

Các cảm biến dùng để đo lực, vận tốc, gia tốc được sử dụng nhiều và chiếm thị phần lớn nhất trong các cảm biến MEMS

Hình 1 2 Ứng dụng của cảm biến gia tốc bằng công nghệ MEMS trong điện thoại

Iphone a) Cảm biến gia tốc 3 trục và chức năng la bàn điện tử sử dụng cảm biến MEMS b) Khối cảm biến MEMS lắp trên mạch điện tử

c) Cấu trúc cảm biến gia tốc (ảnh SEM)

Hình 1 3 Các ứng dụng của MEMS trong ô tô hiện đại ngày nay

- Trong xe ôtô, trước chỗ ngồi của hành khách để đảm bảo an toàn người ta đặt những túi rỗng để đựng khí nhưng xếp nhỏ, dấu kín không trông thấy Trường hợp xe bị va chạm tức là lúc có gia tốc đột ngột (gia tốc âm), bộ phận tự động sẽ điều khiển cực nhanh cho khí xì ra, căng phồng túi khí, người chồm lên chỉ va vào túi khí Trước đây bộ cảm biến gia tốc để điều khiển tự động có kích thước tương đương lon nước giải khát giá hơn 15 đôla, nay làm bằng công nghệ MEMS nhạy hơn, nhỏ hơn đốt ngón tay giá chỉ vài đôla Trong một chiếc xe ôtô loại hiện đại có vài trăm bộ cảm biến dùng công nghệ MEMS như vậy (điều khiển túi khí, theo dõi áp suất và nhiệt độ bánh xe, điều khiển bơm khi lốp non hơi, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, nước làm nguội v.v ) Mỗi năm chỉ riêng ngành công nghiệp ôtô cần tới hàng trăm triệu linh kiện MEMS

c) Hệ vận tải micro Hình 1 4 Các hệ MEMS cơ

- Những bộ kích hoạt cùng với các micro-robot ứng dụng trong các hệ vận tải micro [2] và lắp ráp micro cũng là các thành phần rất quan trọng được ứng dụng trong vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi phân tích, phòng thí nghiệm trên chip, phân tích sinh hoá và tự động hoá…Công nghệ MEMS được sử dụng thành công trong công nghệ quang học (hệ vi gương-micro mirror có thể xoay để đổi hướng tia LASER trong viễn thông), trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Ngoài ra MEMS còn được ứng dụng trong:

- Trong gia công cơ khí: robot công nghiệp, các thiết bị đo lường, kiểm tra trong công nghiệp, micro robot dùng để kiểm tra chất lượng sản phẩm

- Trong khoa học: ngành hàng không, đo lường, khoa học vật liệu, quang học - kính hiển vi

- Trong y học: vi phẫu thuật, nội soi với các đầu nội soi can thiệp, thiết bị trợ giúp cho người mù và khiếm thính, hệ thống cấp thuốc và hút dẫn implant, phân tích mẫu máu, lấy mẫu tế bào,…

- Các ứng dụng khác: hệ thống lưu trữ dữ liệu, cảm biến sinh hóa, các hệ thống phân tích, phân tích dược phẩm, cảm biến âm thanh…

1.1.4 Thị trường và tiềm năng phát triển của công nghệ MEMS

Theo iSuppli, năm 2009, thị trường MEMS đạt 5,5 tỉ USD; đồng thời dự báo

tốc độ tăng trưởng hàng năm từ 2009 đến 2013 đạt trung bình 10%, và sẽ đạt 8,5 tỉ USD vào năm 2013

Hình 1 5 Biểu đồ thị trường MEMS thế giới (2006-2013)

Từ biểu đồ (Hình 1.5) có thể thấy các dòng sản phẩm MEMS trên thế giới rất đa

dạng và các bộ cảm biến luôn chiếm thị phần lớn nhất trong ngành công nghiệp MEMS, đó là: cảm biến gia tốc, cảm biến áp suất, cảm biến gyroscop, Các sản phẩm MEMS trong quang học, đo lường và thiết bị chuyển đổi (micro switch), bộ kích hoạt đang ngày càng phát triển và được sử dụng rộng rãi

1.2 Các công nghệ chế tạo MEMS

1.2.1 Công nghệ vi cơ khối (Bulk micromachining)

Công nghệ vi cơ khối là một trong những công nghệ vi chế tạo MEMS phổ biến nhất Nó được hình thành từ đầu những năm 1960 và được sử dụng cho việc chế tạo nhiều vi cấu trúc khác nhau, đặc biệt là trong các thiết bị thương mại: hầu hết trong các cảm biến lực, van và các cảm biến gia tốc

Trong công nghệ vi cơ khối người ta lấy đi một phần thể tích (dùng phương pháp hóa lý để ăn mòn tạo ra trên phiến các lỗ, rãnh) trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ theo hai cách phổ biến:

Hình 1 6 Công nghệ vi cơ khối

Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh

Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH Việc

ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng), hoặc dị hướng (có

hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm)

Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho dòng ion hay plasma tác dụng thường

là ở nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo hình ảnh của mặt nạ (mask) thông qua lớp cản quang (photoresist) Để tăng cường tốc độ ăn mòn

có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế cao để tăng tốc độ ion bắn phá

1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt (Surface micromachining)

Khác với công nghệ vi cơ khối, công nghệ vi cơ bề mặt không loại bỏ lớp vật liệu từ phiến silicon, mà đưa thêm (depositing) một lớp vật liệu mỏng nhằm tạo nên cấu trúc trên bề mặt phiến silicon Lớp vật liệu mỏng được lắng đọng để tạo phần trống cấu trúc mong muốn (lớp vật liệu trung gian) Lớp vật liệu được đưa vào các phần trống (lớp tạo cấu trúc) Cuối cùng, loại bỏ lớp trung gian và tách phần còn để được cấu trúc yêu cầu

Ví dụ: trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một đầu tự do có thể làm theo quy trình sau:

- Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic

- Dùng mặt nạ thứ nhất khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn vào đấy đầu cố định của dầm

- Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ thứ hai để khắc hình, khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

- Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng không hoà tan silic) ta có được dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do

Hình 1 7 Quy trình công nghệ vi cơ bề mặt

1.2.3 Công nghệ tia laser (LIGA)

LIGA là công nghệ khắc hình, mạ điện và làm khuôn Đây là kỹ thuật tạo ra các

hệ vi cơ ba chiều, khác với các cách khắc hình thông thường (hai chiều)

Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh bắn phá lớp vật liệu gia công (có thể đến hàng trăm micromet)

Cùng với sự phát triển công nghệ MEMS đặt ra yêu cầu chế tạo những cấu trúc phức tạp với bề dày hàng trăm micromet Những nghiên cứu về công nghệ chế tạo MEMS đã tìm ra cách tạo ra cấu trúc có tỷ lệ chiều sâu trên chiều rộng rãnh cao (high aspect ratio) và các cấu trúc MEMS 3D LIGA là một trong những công nghệ

đó Công nghệ LIGA cho phép tạo ra những cấu trúc 3D với chiều sâu gia công được lên đến hàng trăm micromet, điều mà các công nghệ chế tạo MEMS truyền

thống khác không thể làm được Hình 1.8 mô tả các bước trong quy trình công nghệ LIGA

a) Quy trình chế tạo dùng tia laser - LIGA

b) Bánh răng vi cơ gia công bằng LIGA

Hình 1 8 Công nghệ LIGA

1.3 Bộ kích hoạt MEMS

1.3.1 Định nghĩa và phân loại

Bộ kích hoạt là các cơ cấu biến đổi năng lượng điện (hay các dạng khác như nhiệt, quang, hóa ) thành cơ năng Yêu cầu của một bộ kích hoạt là phải có công suất tiêu thụ nhỏ, hiệu suất cao, có khả năng chuyển động nhanh nếu cần thiết, có tỉ

lệ giữa công suất với khối lượng cao, và có sự cân đối tuyến tính giữa lực/mô men/tốc độ… và điều khiển đơn giản Tuy nhiên, trong thực tế không phải tất cả các yêu cầu trên đều có thể đáp ứng cùng một lúc được

Các loại bộ kích hoạt phổ biến hiện nay là bộ kích hoạt tĩnh điện, bộ kích hoạt nhiệt, bộ kích hoạt áp điện Ngoài ra, bộ kích hoạt từ, bộ kích hoạt hóa học, bộ kích hoạt sinh học… cũng đang được áp dụng rộng rãi

1.3.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện

Bộ kích hoạt tĩnh điện sử dụng hiệu ứng tĩnh điện giữa hai bản cực tích điện trái dấu để sinh lực hút

Hình 1 9 Lực hút tiếp tuyến F t và pháp tuyến F n giữa hai bản tụ

Các bộ kích hoạt tĩnh điện được sử dụng rộng rãi và có tính ứng dụng cao trong các thiết bị vi cơ vì nguyên lý hoạt động, chế tạo và điều khiển đơn giản: các bộ kích hoạt tĩnh điện hoạt động nhờ lực hút giữa hai tấm kim loại mang điện trái dấu Tuy vậy, năng lượng sinh ra và hiệu suất của bộ kích hoạt này thường nhỏ so với các loại bộ kích hoạt khác

Điện dung của tụ được tính:

εε A εε hy C

Với,  là hằng số điện môi giữa hai bản cực, với môi trường không khí  = 1, 0

= 8,854.10-12 Fm-1 là hằng số điện môi của chân không, A là diện tích trùng nhau của hai bản cực (A = hy), g 0 là khe hở giữa hai bản tụ, h là bề rộng bản tụ, y là độ

dịch chuyển theo phương y của bản tụ di động

2.

Nguyên lý kích hoạt từ các hiệu ứng nhiệt được sử dụng rộng rãi trong MEMS

để tạo nên các bộ kích hoạt nhiệt Các hiệu ứng nhiệt thường gặp như: hiệu ứng dãn

nở khí, chất lỏng khi cấp nhiệt (thermal pneumatic), hiệu ứng nhiệt của kim loại định hình (SMAs), hiệu ứng cặp nhiệt (bimetal effect), hiệu ứng dãn nở nhiệt (mechanical thermal expansion)…

1.3.3.1 Bộ kích hoạt dùng sự dãn nở của khí, chất lỏng

Hình 1 10 Mô tả nguyên lý của bộ kích hoạt dùng dãn nở khí (chất lỏng)

Bộ kích hoạt này sử dụng sự dãn nở nhiệt của khối khí hay khối chất lỏng để tạo chuyển vị Trên hình 1.10, bộ kích hoạt chứa khối khí hay chất lỏng bên trong

và lớp trên rất mỏng (có tác dụng như một màng co dãn) Khi cấp điện vào một

Chất khí (lỏng)

Nhiệt điện trở Lớp màng

nhiệt điện trở sẽ làm nóng khối khí (chất lỏng) bên trong làm tăng thể tích và đẩy lớp màng ở trên Khi không có điện áp, khối khí tỏa nhiệt và trở về trạng thái ban đầu, lớp màng co lại (xẹp xuống) về vị trí đầu

1.3.3.2 Bộ kích hoạt cặp nhiệt

Bộ kích hoạt cặp nhiệt (Hình 1.11) sử dụng sự khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt của hai vật liệu được liên kết với nhau Hình 1.11 mô tả cấu trúc dầm là cặp kim loại Khi cấp nhiệt dầm kép này sinh ra chuyển vị ở đầu tự do (lệch về phía dãn nở

ít hơn) do sự dãn nở nhiệt khác nhau của hai kim loại

Hình 1.11 Bộ kích hoạt cặp nhiệt

1.3.3.3 Bộ kích hoạt sử dụng kim loại định hình

Một số vật liệu, nhất là hợp kim titanium/nikel có thể thay đổi đáng kể chiều dài khi chịu nhiệt, và chúng được gọi chung là kim loại định hình (SMAs) Các hợp kim đó, sau khi bị biến dạng cơ học sẽ trở lại trạng thái ban đầu của chúng, trạng thái không biến dạng khi cấp nhiệt Do có khả năng dẫn điện, chúng được gia nhiệt bằng cách cho một dòng điện chạy qua Sự biến dạng làm cho các vật liệu biến đổi

từ một pha tinh thể này thành pha khác, và quá trình này có thể đảo ngược nhờ sự cấp nhiệt Loại bộ kích hoạt này được ứng dụng chủ yếu trong nhiệt kế

- Ưu điểm: sự điều khiển tương đối tuyến tính và chịu được ứng suất rất cao (>200 MPa) và nếu sức căng được giữ dưới 2% chúng có thể hoạt động hàng triệu chu kì

Lớp kim loại 1

Lớp kim loại 2

- Nhược điểm: cần đến các hợp kim đặc biệt, đắt tiền và công suất tiêu hao cao (hiệu suất  3%)

1.3.3.4 Bộ kích hoạt dầm chữ V

Cấu trúc phổ biến của bộ kích hoạt nhiệt (Hình 1.12) được ứng dụng trong các

hệ vi cơ Có thể thấy cả hai cấu trúc đó đều sử dụng sự dãn nở theo nhiệt của một loại vật liệu để sinh ra chuyển vị, lực cơ học

a Bộ kích hoạt “hot arm-cold arm“

Bộ kích hoạt “hot arm-cold arm” (hình 1.12 (a)) Trong đó điện trở ở nhánh

“hot arm” (hay “thin arm”) sẽ cao hơn nhánh “cold arm” (hay “wide arm”) Do đó khi xuất hiện dòng điện chạy qua hai nhánh, nhánh “thin arm” sẽ tăng nhiệt độ nhiều hơn, trong khi nhánh “wide arm” ít thay đổi nhiệt độ và vẫn “lạnh hơn” Lúc này bộ kích hoạt sẽ lệch về phía “cold arm” theo phương ngang (phương vuông góc với hai thanh) Ưu điểm là đạt được lực và chuyển vị lớn nhưng nhược điểm là kết cấu kiểu dầm công-xôn kém cứng vững và dễ bị võng, đồng thời chuyển vị là hàm phi tuyến

b Bộ kích hoạt dầm V

Hình 1 12 Cấu trúc của một số bộ kích hoạt nhiệt

Bộ kích hoạt nhiệt (Hình 1.12 (b)) cũng sử dụng tính chất dãn nở nhiệt của vật liệu để tạo ra chuyển vị trong cùng mặt phẳng Cấu tạo của bộ kích hoạt nhiệt này gồm một hay nhiều cặp dầm chữ V được bố trí song song theo hai phía đối với một thanh trượt ở chính giữa Khi đặt điện áp vào hai phần ngàm cố định, xuất hiện

dòng điện đi qua các dầm chữ V Sự dãn nở nhiệt của từng dầm với góc nghiêng α

sẽ đẩy thanh trượt theo hướng của đỉnh chữ V Bộ kích hoạt nhiệt có khả năng tạo

ra lực đẩy lớn (>1 mN) và chuyển vị đến 10µm (hoặc cao hơn) với điện áp đặt vào khoảng 10V Kết cấu này đơn giản, tạo ra lực và chuyển vị lớn

Tuy nhiên, các bộ kích hoạt nhiệt nói chung đều có nhược điểm là tiêu hao năng lượng và hiệu ứng dãn nở nhiệt làm giảm độ bền và thời gian sử dụng

V

Hình 1.13 là sơ đồ một vi bơm, khi cấp điện áp hai đầu của màng, do tính chất

áp điện ngược của vật liệu sẽ làm màng cong lên phía trên tạo tăng thể tích khoang chứa áp suất chất lỏng hay khí giảm xuống Áp suất ở bên ngoài cao hơn đẩy cửa ở phần vào (inlet) đi lên và mở ra cho khí (chất lỏng) đi vào, sự chênh lệch áp suất làm cho phần cửa ra (outlet) đóng lại Chất khí (lỏng) sẽ được hút vào trong khoang Khi điện áp ở hai đẩu bằng 0, màng trở về vị trí ban đầu, đẩy chất khí (lỏng) trong khoang ra ngoài ở cửa ra đồng thời tạo áp lực đóng cửa vào

- Ưu điểm: ứng suất cao (hàng chục MPa), dải tần cao, mật độ năng lượng cao,

và điện áp điều khiển thấp hơn bộ kích hoạt tĩnh điện

- Nhược điểm: chế tạo phức tạp

Bộ kích hoạt này thường được ứng dụng làm vi bơm (micropump), cảm biến áp suất, bộ rung, bộ cộng hưởng…

Chương 2 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN MOTOR DỰA TRÊN BỘ KÍCH HOẠT NHIỆT

Với α là hệ số vật liệu đặc trưng cho khả năng dãn dài tuyến tính của vật liệu

Hình 2 1 Sự dãn nở theo một chiều của thanh ngàm một đầu dưới tác dụng nhiệt

Mô hình thanh ngàm một đầu, một đầu tự do (Hình 2.1) dãn nở nhiệt khi nhiệt

độ tăng (T >0) Đầu dịch chuyển được của thanh sẽ được gắn với các bộ phận khác

để thực hiện tác dụng lực và chuyển vị Lực sinh ra tại đầu này là:

 l 

Với:

E là mô đun Young của vật liệu chế tạo,

A là diện tích mặt cắt ngang của thanh

2.1.2 Lý thuyết truyền nhiệt

Có ba vấn đề trong bài toán nhiệt: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ Dẫn nhiệt là sự chuyển năng lượng từ chỗ có nhiệt độ cao sang chỗ nhiệt độ thấp Đối lưu là sự truyền nhiệt giữa hai bề mặt thông qua lớp không khí ngăn cách khi có sự chênh lệch nhiệt độ Bức xạ nhiệt là sự phát tán nhiệt ra bên ngoài môi trường thông qua sóng điện từ

Hình 2.2 Sự truyền nhiệt qua phân tố dầm

Coi lượng nhiệt do bức xạ và lượng nhiệt tỏa ra do đối lưu của lớp không khí nhỏ hơn nhiều so với lượng nhiệt được truyền qua các dầm Hình 2.2 mô tả sự

truyền nhiệt qua phân tố dầm dx với chiều dày h, chiều rộng b Khi có sự truyền nhiệt ở trạng thái ổn định, lượng nhiệt thu vào và phát ra trên phân tố dx là bằng

nhau theo phương trình vi phân truyền nhiệt:

t t R

Với:

k a và k s lần lượt là hệ số dẫn nhiệt của không khí và của lớp đế

t a và t s lần lượt là chiều dày lớp không khí giữa bề mặt dưới dầm với nền và chiều dày nền

2.2 Thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt tuyến tính 2.2.1 Đánh giá về các bộ kích hoạt nhiệt trước đây

chênh lệch độ dài) của hệ dầm và sinh ra momen uốn Ưu điểm là đạt được lực và chuyển vị lớn nhưng nhược điểm là kết cấu kiểu dầm công-xôn kém cứng vững và

dễ bị võng, đồng thời chuyển vị là hàm phi tuyến Các bộ kích hoạt nhiệt sử dụng kết cấu dầm chữ V (mục 1.3.3.4b): khi cấp điện áp, do sự dãn nở nhiệt sinh ra chuyển vị tại đỉnh dầm Kết cấu này đơn giản, tạo ra lực và chuyển vị lớn

2.2.2 Đề xuất thiết kế và nguyên lý hoạt động của motor nhiệt

Luận văn này trình bày tính toán, thiết kế, chế tạo bộ kích hoạt nhiệt ứng dụng kiểu dầm chữ V dẫn động thanh trượt trong motor tuyến tính Bộ kích hoạt nhiệt được sử dụng có cấu trúc gồm nhiều dầm ngàm một đầu (hình 2.3), xếp song song,

với góc nghiêng lần lượt là α = 20 so với phương vuông góc với phương dịch chuyển của đỉnh dầm Số các cặp dầm đơn là 3, 6 và 10 Mỗi dầm đơn có chiều dài

là L = 750 µm, chiều rộng b = 6µm, chiều sâu h = 30 µm

Hình 2 4 Cấu tạo của motor tuyến tính dẫn động bởi bộ kích hoạt nhiệt

Hình 2.4 mô tả thiết kế của bộ kích hoạt nhiệt bao gồm bốn bộ kích hoạt dẫn động và hai bộ kích hoạt kẹp (4), thanh trượt (1) di chuyển được sang cả hai phía trái và phải nhờ từng cặp bộ kích hoạt nhiệt hoạt động đôi một Khi cấp điện áp

dạng xung V 1 cho hai bộ kích hoạt bên trái (2) (đặt vào hai đầu ngàm (7) của dầm

chữ V), ở khoảng thời gian V 1 >0, hiệu ứng nhiệt-điện làm cho các dầm (6) của bộ

kích hoạt dãn nở nhiệt đẩy dầm đỉnh chữ V (nghiêng góc β so với phương ngang)

tiến theo hướng đã định trước (nhờ góc nghiêng ban đầu α), dầm (3) sau khi khắc

phục khe hở g 1 với thanh trượt sẽ kẹp và đẩy thanh trượt di chuyển sang trái Bộ

kích hoạt kẹp (được đặt điện áp V 2 chậm pha hơn một khoảng Δt định trước) sẽ hoạt động (tương tự bộ kích hoạt đẩy thanh trượt) và kẹp chặt thanh trượt Ở giai đoạn V 1

= 0, dầm giảm nhiệt độ (truyền nhiệt qua đế, bức xạ nhiệt…) và co lại trở về kích thước ban đầu Lúc này bộ kích hoạt (4) đã kẹp chặt và giữ thanh trượt không bị chuyển vị hồi về của bộ kích hoạt (2) kéo ngược trở lại Ở chu kỳ điện áp tiếp theo

bộ kích hoạt tiếp tục dãn nở đẩy thanh trượt tiếp tục trượt sang trái Chuyển động của thanh trượt là thẳng và gián đoạn Các khối cố định (5) có vai trò định hướng

cho thanh trượt (1) Khe hở g 2 giữa khối (5) và thanh trượt đủ lớn để thanh trượt (1) chuyển động dễ dàng nhưng không bị lệch hướng Khi chuyển động sang phải thì motor hoạt động tương tự

2.3 Tính toán bộ kích hoạt nhiệt

Khi đặt điện áp vào hai đầu dầm V, do tác dụng nhiệt của dòng điện làm cho dầm nóng lên và dãn nở Để tính toán sự dãn nở do nhiệt và tính lực sinh ra của dầm

V, trước hết ta phải tìm được sự phân bố nhiệt độ trên dầm

k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/µmK),

T là nhiệt độ tại vị trí x, ρ là điện trở suất của dầm,

U

J

ρL

 mật độ dòng điện (A/µm2) ( ta biết rằng khi đặt điện áp U vào hai

đầu dây dẫn có điện trở suất ρ, chiều dài L , diện tích tiết diện A thì mật độ dòng điện J đƣợc tính:

Với điều kiện biên [7]:

 T(x) là nhiệt độ tại vị trí x (µm) trên dầm đơn,

 α(T) là hệ số dãn nở nhiệt (phụ thuộc nhiệt độ)

Với :

2 2 2

2.3.2.2 Chuyển vị của dầm đẩy

Hình 2 5 Sơ đồ tính chuyển vị dầm đơn

Trong mô hình tính toán, để đơn giản dầm (6) được coi như chỉ dãn nở dọc theo chiều dài dầm (thực tế dầm này sẽ bị cong đi khi biến dạng) Theo hình 2.5, EF là vị trí dầm (6) trước khi dãn nở nhiệt, EF’ là vị trí sau khi dãn nở nhiệt, đỉnh dầm F dịch chuyển đến F’, dầm đẩy (3) chuyển vị dọc một đoạn D là:

2.3.2.3 Chuyển vị của thanh trượt

Giả sử dầm đẩy chỉ biến dạng ở cổ (hình 2.6), và không có sự trượt giữa dầm đẩy và thanh trượt, ta có chuyển vị ngang của thanh trượt:

G

6

3

7

Hình 2 6 Sơ đồ tính chuyển vị thanh trượt

2.3.3 Tính toán lực

2.3.3.1 Lực trên dầm V

Từ hàm phân bố nhiệt trên các dầm đơn (2.12), ta đã xác định đƣợc độ dãn dài

L của dầm đơn, lực sinh ra do biến dạng nhiệt là:

Trong đó: A: diện tích mặt cắt ngang của dầm V

E: mođun đàn hồi của vật liệu silicon