Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của bộ vi chấp hành mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano (tt)

Việc ứng dụng những kỹ thuật này đã được bắt đầu từ năm 1990 và nó đã được phát triển để hình thành các phương pháp khắc nano khác nhau.. Thiết kế bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đặng Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG

CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MŨI DÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Vào hồi: ………… giờ, ngày … tháng… năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

A Bài báo quốc tế ISI (03)

1 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Duy Vy, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of a z axis microactuator with low mode cross-talk”, Journal of Mechanics, DOI: 10.1017/jmech.2020.48

2 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, and Chu Manh Hoang, (2020)

“Models for analyzing squeeze film air damping depending on oscillation mode of micro/nano beam resonators”, Achieve of Mechanics, DOI: 10.1007/s00419-020-01775-3

3 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Kazuhiro Hane, Chu Manh Hoang, (2020) “Design and simulation analysis of an integrated XYZ micro-stage for controlling displacement of scanning probe”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics DOI: 10.15632/jtam-pl/130549

B Bài báo trong nước (02)

4 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2017) “design and simulation analysis of an electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography” Vietnam Journal of Science and Technology 55 (4) (2017) 484-493, DOI: 10.15625/2525-2518/55/4/8803

5 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Chu Manh Hoang, (2019)

“Design and Simulation of Scanning Probe Micro-Cantilever for the Scanning probe lithography”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ 137 (2019) 084-088, ISSN: 2354-1083

C Bài báo hội nghị trong nước (04), quốc tế (02)

6 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016) “A micro-suspension electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7

7 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2016)

“Design and simulation of scanning probe micro-cantilever”, Advances in applied and engineering physics IV, Proceeding, ISBN: 978-604-913-232-2

8 Le Van Tam, Dang Van Hieu, Nguyen Duy Vy, Vu Ngoc Hung and Chu Manh Hoang, (2017) “Dependence of air damping in microcantilever resonators”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2017, ISBN: 978-604-95-0325-2

9 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Cuong, Chu Manh Hoang, (2017)

“Design and simulation of serpentine springs for scanning probe”, Hội nghị về Vật liệu và Công nghệ Nano Tiên tiến-WANN 2017, ISBN: 978-604-95-0298-9

10 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Quoc Chien, Chu Manh Hoang, (2019)

“Design and simulation of two-dimensional microstage for scanning probes”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu Toàn quốc–SPMS 2019, ISBN: 978-604-98-7506-9

11 Dang Van Hieu, Le Van Tam, Nguyen Van Duong, Nguyen Quoc Chien, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, (2019) “Fabrication of Scanning Nano-Probe Based

on Photolithography and Wet Chemical Etching” The 4th International Conference

on Advanced Materials and Nanotechnology ISBN: 978-604-95-0978-0

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Gần đây, khoa học và công nghệ nano đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và trên thế giới Đối tượng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano là dựa trên vật liệu nano Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà trước đây chưa có nhờ các hiệu ứng vật lý nổi bật xuất hiện ở tỉ lệ thang nano Chúng có thể được lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện tử và quang làm tăng tốc độ xử

lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin Các vi cấu trúc này là một trạng thái của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cấu trúc nano hữu ích trong khoa học và công nghệ đang gia tăng nhanh chóng Công nghệ chế tạo các cấu trúc nano luôn là thách thức đối với các nhà nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo Trong công nghệ vi điện tử, kỹ thuật quang khắc đã là một bước cơ bản trong quy trình sản xuất linh kiện và mạch tích hợp Với nhu cầu ngày càng tăng mật độ tích hợp linh kiện bán dẫn, công nghệ quang khắc với độ phân giải cao đang là yêu cầu cấp thiết được đặt ra đối với các nhà sản xuất công nghiệp bán dẫn Độ phân giải của kỹ thuật quang khắc bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học Để tăng độ phân giải của kỹ thuật quang khắc gần đây các nghiên cứu sử dụng bước sóng ngắn đang được quan tâm Hiện tại khi sử dụng kỹ thuật này, các cấu trúc với độ chính xác khoảng vài chục nano có thể đạt được Tuy nhiên đây vẫn là công nghệ phức tạp, đắt tiền và chưa phổ biến trên thế giới Một công nghệ khác được ứng dụng cho chế tạo cấu trúc nano là khắc chùm điện tử Đây là một công nghệ được dùng phổ biến trong các phòng thí nghiệm ở các nước tiên tiến Tuy vậy đây lại là một công nghệ cần chi phí lớn, nhưng quy mô sản xuất chỉ ở phòng thí nghiệm Hơn nữa, các kỹ thuật kể trên không phù hợp để điều khiển các hệ thống hữu

cơ và sinh học lớn, có ích trong công nghệ nano Do vậy, các loại điều khiển lực đã được xem xét cho sự phát triển công nghệ chế tạo nano Việc ứng dụng những kỹ thuật này đã được bắt đầu từ năm 1990 và nó đã được phát triển để hình thành các phương pháp khắc nano khác nhau Một trong những phương pháp quan trọng nhất là công nghệ khắc mẫu dựa trên mũi dò quét Để tạo ra các cấu trúc nano là khắc trực tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dò Mô hình điều khiển các đặc tính ở phạm vi nano với một đầu dò quét kính hiển vi lực nguyên tử được biết đến như là kỹ thuật khắc đầu dò quét Nhiều nghiên cứu đã giới thiệu về các phương pháp khắc với

kỹ thuật này Mũi dò quét trong kính hiển vi lực nguyên tử là một công cụ để chế tạo cấu trúc nano với kích thước tối thiểu mặt bên với kích thước của một nguyên tử độc lập và xấp xỉ 100 nm trên bề mặt Si hay các bề mặt khác Tuy nhiên, độ phân giải của cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước của mũi dò và độ sâu của mẫu khắc Kỹ thuật này được sử dụng cho việc chế tạo mạch tích hợp bán dẫn hay hệ thống cơ điện với độ phân giải ở thang nano Phương pháp này không hạn chế vật liệu dẫn điện Ưu điểm của kỹ thuật này là độ phân giải cao, điều khiển chính xác mà các kỹ thuật khắc truyền thống không đạt được Kỹ thuật khắc truyền thống sử dụng photon hoặc chùm tia điện

tử luôn phải dựa vào một vật liệu polyme (lớp phủ) như một lớp tạo hình Tuy nhiên,

kỹ thuật khắc đầu dò quét có thể được thực hiện với nhiều cơ chế khác nhau Lớp polyme mỏng có thể được chiếu bởi các điện tử phát xạ từ một đầu dò Bề mặt của mẫu có thể bị biến đổi dưới tác dụng của điện trường vùng rất lớn, như sự ôxi hóa vùng, sự phân hủy gây bởi điện trường hoặc nóng chảy gây bởi nhiệt độ cao Các vật liệu có thể được truyền từ đầu dò đến bề mặt mẫu tạo ra các cấu trúc, hoặc các mẫu

được hình thành đơn giản bằng khắc bề mặt mẫu với đầu dò một cách cơ học Các phương pháp tạo mẫu mới với đầu dò quét đang được tiếp tục phát triển Một vài kỹ thuật tạo mẫu dựa trên đầu dò quét đã được khai thác thương mại, trở thành công cụ dành riêng cho kỹ thuật khắc nano Tuy nhiên, hầu hết các kỹ thuật này vẫn còn trong phạm vi phòng thí nghiệm

Đây là một nghiên cứu thuộc lĩnh vực kỹ thuật có tính khả thi cao và hứa hẹn cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ nano Tuy vậy, nghiên cứu và ứng dụng lĩnh vực này trong nước vẫn chưa được quan tâm Do vậy, trong luận án này, nghiên cứu sinh lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển đầu dò quét định hướng ứng dụng trong chế tạo cấu trúc nano

2 Mục đích nghiên cứu

Phát triển các bộ vi chấp hành một chiều (trục z) có dịch chuyển thắng đứng để khắc phục độ lệch biên, có dịch chuyển lớn và chống nhiếu kết cặp mode Thiết kế bộ chấp hành ba chiều có thể điều khiển độc lập, tích hợp trên cùng một chíp, công nghệ chế tạo đơn giản, có thể thực hiện được với công nghệ hiện có ở trong nước, định hướng ứng dụng các bộ vi dịch chuyển có tích hợp mũi dò trong khắc các cấu trúc nano dạng một và hai chiều

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu đầu tiên của luận án là bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn và tần số hoạt động trong phạm vi rộng

+ Đối tượng nghiên cứu thứ hai là bộ chấp hành dịch chuyển mũi dò ba chiều, có thể điều khiển chuyển động độc lập và có nhiễu chéo thấp

+ Công nghệ vi cơ điện tử đơn giản cho chế tạo hiệu suất cao các mũi dò cũng như hệ thống vi dịch chuyển 1, 2 và 3 chiều có tích hợp mũi dò quét

4 Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án này, phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

+ Thiết kế và khảo sát đặc trưng hoạt động của các bộ chấp hành mũi dò khắc nano dựa trên cơ sở các phương trình giải tích được rút ra từ lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện Ngoài ra, các kết quả tính toán giải tích được so sánh với kết quả đạt được từ mô phỏng số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

+ Nghiên cứu chế tạo mũi dò được thực hiện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, đặc biệt sử dụng công nghệ vi cơ khối ướt và kỹ thuật quang khắc truyền thống Mũi dò được nghiên cứu chế tạo tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Vi hệ thống và cảm biến thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), trường đại học Bách khoa

Hà Nội Cấu trúc mũi dò được chế tạo được đánh giá dựa trên ảnh hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường (FESEM) tại viện AIST, trường ĐHBKHN

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Luận án đã phát triển các bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp và phạm vi tần số hoạt động rộng không bị giới hạn bởi tỷ lệ cạnh trong chế tạo Để đạt được kết quả này, các dầm zig-zag và vị trí đặt dầm được tối ưu cùng với dầm dạng kết cặp đã được

đề xuất trong luận án Khả năng chống nhiễu trong phạm vi tần số hoạt động rộng đã được chứng minh bằng các phương trình giải tích và mô phỏng số Các cấu trúc dầm

ưu tiên chuyển động trong trục z này có thể có đóng góp quan trọng không những trong phát triển các bộ chấp hành mà còn trong các cảm biến vật lý có độ chính xác cao

Luận án này cũng đã đề xuất và khảo sát đặc trưng hoạt động của bộ vi dịch chuyển 3 chiều Bộ vi dịch chuyển có thể được điều khiển một cách độc lập dựa trên kỹ thuật dùng rãnh cách ly điện trong khi các kết cấu được kết cặp cơ với nhau Bộ vi dịch chuyển 3 chiều được tạo thành do 3 bộ vi dịch chuyển độc lập được tích hợp trên cùng một chíp và có quy trình chế tạo đơn giản, không sử dụng các quá trình tập hợp phức tạp như các đề xuất trước đây Một mô hình lý thuyết hoàn chỉnh đã được thiết lập cho thiết kế bộ vi chấp hành dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tĩnh điện

Các mũi dò với kích thước ở thang nano đã được nghiên cứu chế tạo thành công sử dụng kỹ thuật quang khắc truyền thống và ăn mòn dị hướng ướt Kết quả này sẽ làm

cơ sở cho phát triển các hệ thống chấp hành với các mũi dò được tích hợp nhằm định hướng trong khắc các cấu trúc nano dạng 1 chiều hoặc 2 chiều

Các kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dụng trong chấp hành mũi dò quét trong khắc các cấu trúc nano, mà còn có thể ứng dụng trong các linh kiện vi cơ điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch chuyển có độ chính xác cao Các kết quả nghiên cứu của luận án đã được chấp nhận đăng trên các tạp chí trong nước, các

kỷ yếu hội nghị chuyên ngành, đăng trong các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI và đăng ký sáng chế/giải pháp hữu ích

b Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Mục tiêu của đề tài là phát triển các công cụ cho chế tạo các cấu trúc nano mà hiện nay ở trong nước chưa có khả năng đầu tư mua các thiết bị đắt tiền Hơn nữa, xu hướng phát triển các công cụ mới cho chế tạo các cấu trúc nano có hiệu suất cao, không bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiễu xạ quang học và có giá thành thấp cũng đang được đặt ra đối với lĩnh vực sản xuất các cấu trúc và linh kiện ở thang nano nhằm thay thế các thiết bị đắt tiền Do đó, đề tài đã phát triển các bộ chấp hành dịch chuyển mũi

dò theo 1, 2 và 3 chiều, có nhiễu chéo thấp và có thể chấp hành theo các phương độc lập Bộ chấp hành có gắn mũi dò có thể được chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc

và ăn mòn ướt, hoàn toàn được thực hiện ở trong nước Đây sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng trong phát triển các hệ thống khắc cho chế tạo các cấu trúc nano 1 chiều hoặc dạng mảng 2 chiều

6 Tính mới của đề tài:

Tính mới của đề tài nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây:

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển một chiều phương z: trong hướng nghiên cứu này, các cấu trúc lò xo dầm dạng zig-zag mở rộng

và lò xo dạng dầm kết cặp đáp ứng ưu tiên với dịch chuyển theo phương z trong khi chống lại các mode dao động không mong muốn khác đã được đề xuất và khảo sát bằng cả phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng số

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng bộ chấp hành dịch chuyển 3 chiều xyz: trong hướng nghiên cứu này, bộ vi dịch chuyển 3 chiều với khả năng điều khiển độc lập dựa trên việc đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ giữa các thành phần cấu trúc đã được thiết kế và mô phỏng Mô hình lý thuyết cho khảo sát hoạt động của bộ chấp hành đã được xây dựng làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành có đặc trưng hoạt động theo yêu cầu

- Nghiên cứu chế tạo mũi dò quét có kích thước ở thang nano: trong luận án này, mũi

dò quét có kích thước ở thang nano được nghiên cứu và chế tạo dựa trên công nghệ quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt

7 Nội dung luận án

Luận án bao gồm năm chương:

Chương 1: Tổng quan về khắc đầu dò quét

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô phỏng

Chương 3: Thiết kế và mô phỏng bộ chấp hành trục z

Chương 4: Tính toán thiết kế và mô phỏng bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz

Chương 5: Chế tạo mũi dò bằng phương pháp ăn mòn ướt

KẾT LUẬN CHUNG

1 TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT

Tìm hiểu tổng quan các kỹ thuật khắc đầu dò quét cũng như các ưu và nhược điểm của chúng để làm cơ sở cho lựa chọn kỹ thuật khắc được nghiên cứu trong luận

án này Phân tích ưu điểm và nhược điểm của các cơ chế chấp hành mũi dò quét để từ

đó lựa chọn phương pháp chấp hành đáp ứng các tiêu chí như công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng nhanh và có công nghệ chế tạo đơn giản và dễ dàng tích hợp với các mạch điều khiển Nghiên cứu và phân tích các dạng lò xo vi cơ và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam, để từ đó đề xuất các cấu trúc lò xo

và bộ vi dịch chuyển mũi dò quét định hướng ứng dụng trong khắc các cấu trúc nano 1.1.Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét

German Alois Senefelder đã phát minh ra kỹ thuật in mới gọi là lithography vào năm 1798 Sau đó Nicéphore Niépce đã tạo ra hình ảnh đầu tiên bằng phương pháp của ông được gọi là “heliography”, từ đó kỹ thuật chụp ảnh được phát minh Một khoảng thời gian dài sau đó, kỹ thuật quang khắc được phát minh sử dụng phương pháp quang hóa và xử lý hóa học Vào những năm 1950, Jack Kilby phát minh ra mạch tích hợp (IC) và phương pháp quang khắc được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các mạch IC, bởi vì nó có thể chế tạo ra các mẫu rất nhỏ và có hiệu suất cao để giảm chi phí sản xuất

Tuy nhiên, quang khắc cũng có nhược điểm: độ phân giải bị hạn chế bởi hiện tượng nhiễu xạ và đòi hỏi thiết bị đắt tiền, chỉ thích hợp cho ngành công nghiệp Do

đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số phương pháp để thay thế quang khắc Đặc biệt sau khi phát minh kính hiển vi quét đầu tiên (tiếng Anh: Scanning probe microscopy, thường viết tắt là SPM) vào năm 1981, có nhiều phương pháp sử dụng SPM để tạo mẫu có kích thước cỡ 100 nm như: kỹ thuật in lắng đọng dip-pen, kỹ thuật ôxi hóa vùng, kỹ thuật sử dụng lực cơ học… nó được gọi chung là khắc đầu dò quét (SPLs)

Khắc cơ học: Bằng việc đặt một lực lên mũi dò AFM hoặc bằng điều khiển thanh dầm lệch đi trong quá trình quét, mẫu khắc cơ học trên bề mặt cứng hoặc mềm sẽ được tạo với chiều rộng khoảng vài chục nano mét và chiều sâu khoảng vài nano mét [9]

Việc khắc trên mặt cứng có thể làm mòn mũi dò và làm giảm thời gian sử dụng, khắc phục bằng cách phủ mũi dò với một vật liệu cứng hoặc làm mũi dò trực tiếp từ các vật liệu cứng như kim cương có thể cải thiện thời gian sử dụng [10]

Hình 1.1: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học

Các vật liệu mềm giống như polymer là rất dễ khắc rãnh cơ học Đầu dò AFM

đã được sử dụng cho khắc trực tiếp trên lớp phủ PMMA, và dây nano kim loại có thể được tạo bằng quá trình lift- off [11]

Hình 1.2: Cấu trúc thanh dầm điều khiển bởi chấp hành tĩnh điện

Phương pháp này có tốc độ đáp ứng của các bộ truyền động tĩnh điện rất cao và chỉ giới hạn bởi tần số riêng của hệ thống dầm treo và hằng số thời gian của dao động điện đặt vào hệ thống

Để sử dụng phương pháp chấp hành tĩnh điện ta thiết kế một bản cực song song với thanh dầm và mặt sau của thanh dầm làm một điện cực, khi phân cực ngược cho hai điện cực thì thanh dầm sẽ bị hút và uốn cong như hình 1.2 [19]

1.2 Hiệu suất khắc đầu dò quét

Một vấn đề chung cho tất cả SPL là hiệu suất khắc thấp, nghĩa là diện tích mẫu được khắc trên một đơn vị thời gian rất nhỏ Đây sẽ không phải là một vấn đề đối với phòng thí nghiệm nhưng khi sản xuất thương mại thì chi phí sản xuất lại là vấn đề cần được chú ý Trong sản xuất công nghiệp, vấn đề hiệu suất phải được giải quyết Một giải pháp là sử dụng mô hình mảng với nhiều đầu dò song song (Hình 1.3) Có hai loại mảng đầu dò: mảng đầu dò tích cực và mảng đầu dò thụ động

Hình 1.3: Hình ảnh đơn đầu dò và mảng đầu dò [19]

1.3 Mục tiêu của luận án

Trong luận án này nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu tổng quan về các kỹ thuật khắc sử dụng đầu dò quét, các cấu trúc và phương pháp chấp hành điều khiển đầu dò quét Từ đó đưa ra các mục tiêu nghiên cứu cụ thể trong luận án như sau:

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng hoạt động các cấu trúc chấp hành đầu

dò quét dịch chuyển thẳng đứng, nhằm khắc phục sự bất đối xứng của các đầu dò dạng dầm thẳng cố định một đầu truyền thống để cải thiện độ lệch biên của mũi dò từ

đó nâng cao độ chính xác của các cấu trúc nano được khắc Ngoài ra, các cấu trúc đầu

dò được phát triển có khả năng chống nhiễu gây bởi kết cặp của các mode lân cận, tăng hiệu suất khắc và tăng độ dịch chuyển

- Nghiên cứu đề xuất và thiết kế mô phỏng hoạt động bộ chấp hành dịch chuyển ba chiều xyz với khả năng điều khiển độc lập dựa trên việc đề xuất phương pháp cách ly điện trong khi đảm bảo kết cặp cơ

- Xây dựng các mô hình lý thuyết làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ vi chấp hành

có các đặc trưng hoạt động theo yêu cầu

- Đề xuất quy trình chế tạo và chế tạo thành công mũi dò quét có kích thước ở thang nano dựa trên kỹ thuật quang khắc truyền thống và công nghệ vi cơ khối ướt

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG

Lý thuyết cơ bản làm cơ sở cho tính toán để lựa chọn các thông số của cấu trúc bộ chấp hành được đề xuất Tần số hoạt động, điện áp điều khiển, và độ dịch chuyển được tính toàn dựa trên lý thuyết cơ học vật rắn và lý thuyết trường tính điện Các đại lượng liên quan đến hoạt động của bộ vi dịch chuyển như nhiễu kết cặp mode và điều kiện môi trường hoạt động như hệ số cản không khí cũng được nghiên cứu Ngoài ra, trong luận án này phương pháp phần tử hữu hạn được lựa chọn để mô phỏng hoạt động của các bộ vi dịch chuyển Các kết quả tính toán từ các phương trình toán học được so sánh với các kết quả mô phỏng nhằm xác nhận độ chính xác của các phương pháp nghiên cứu đối với các bộ vi dịch chuyển có cấu tạo phức tạp

2.1 Tính toán độ cứng của lò xo

Trong kỹ thuật vi cơ điện tử, dịch chuyển của một bộ chấp hành thường được thực hiện bằng biến dạng đàn hồi của các phần tử lò xo đàn hồi Một cách để mô tả đáp ứng tĩnh của các phần tử lò xo đàn hồi là xác định độ cứng liên quan của chúng[32]

a Độ cứng của dầm thẳng

Xét trường hợp dầm cố định một đầu, đầu còn lại bị tác động một lực làm uốn cong, lúc này ngoài chịu tác dụng uốn nó còn chịu một lực xoắn như hình 2.1 (b)

Hình 2.1: Tải và biến dạng của: (a) lực và (b) mô-men xoắn [32]

Trong trường hợp này lực tác dụng theo phương z được xác định theo phương trình (2.1)

EIEI

  , (2.2)

b Độ cứng của dầm gấp khúc kiểu zig-zag

Một giải pháp khác cho thanh dầm nhằm tăng chiều dài, giảm kích thước của cấu trúc, có thể tạo độ cứng thấp và bảo đảm tỉ lệ cạnh không vượt quá 20 lần khi chế tạo thanh dầm, đó là lò xo gấp khúc có dạng zig-zag (serpentine) như hình ba chiều bên dưới (hình 2.2) Lò xo zig-zag có thể chuyển động kéo dãn hoặc nén lại hoặc uốn cong theo phương z[32] Ngoài ra nó còn giải quyết các vấn đề của sự vênh lên do các ứng suất dư[37]

Hình 2.2: (a) hình ảnh 3 chiều của một dầm dạng zig-zag, (b) sơ đồ tương đương

Nếu các khâu có độ dài không bằng nhau mà mà chiều dài l1 giảm một cách tuyến tính thì ta thu được cấu trúc như hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc của một lò xo dạng zig-zag có các khâu kích thước khác nhau và giảm

EGI IK

Kn

K

K K  K K   n

(2.4) (b)

(a)

Trong đó E là mô đung Young, Iy là mô men quán tính mặt cắt ngang của dầm theo trục y, It là mô men xoắn, l1 và l2 là chiếu dài của các đoạn dầm

3

4

10.21 1

c Độ cứng của dầm gấp khúc kiểu càng cua (Crab-leg)

Nhược điểm lớn nhất của việc thiết kế các cấu trúc dầm treo là khi phần tải trọng dịch chuyển dầm bị nén đạt đến giới hạn tới hạn nó tạo ra sự vênh của dầm đó Để khắc phục điều này ta có thể dùng cấu trúc lò xo gấp khúc dạng càng cua như hình 2.4

Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của lò xo dạng càng cua[38]

Do đó, độ cứng Kx có thể được tính theo công thức (2.7) [32]

F K

FK

EGI IK

Khối lượng của cấu trúc được tính như phương trình (2.11) [35]

2

( ) ( )

eq L

(2.11) Trong đó,  là khối lượng riêng, A(x) là diện tích mặt cắt ngang của thanh dầm ( )f x

là hàm phân phối uốn Khối lượng quy đổi có thể được tính theo công thức (2.12):

1335

eq

m  m

(2.12) Trong đó, m là khối lượng của thanh dầm

Tần số tự nhiên của cấu trúc có thể được tính bằng:

12eq

Kf

M





(2.13) 2.3 Tính toán điện áp tới hạn (Vpull_in) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo phương z

Một hiện tượng liên quan đến lực tĩnh điện với Vac= 0, khi cung cấp Vdc, điện cực dịch chuyển chịu ảnh hưởng của hai lực, lực tĩnh điện và lực đàn hồi Lực tác dụng Fnet lên vật ở vị trí cân bằng là:

2 2