THE MACHTRONICS TIẾNG VIỆT 20 3 CƠ CẤU VI CHUYỂN ĐỔI

Trong nhiều ứng dụng (từ y học và công nghệ sinh học đến hàng không và an toàn), việc dùng cáccấu trúc, thiết bị, và hệ thống cỡ micro và nano là rất quan trọng 14. Chương này sẽ thảo luận việcphân tích, mô hình hóa, thiết kế và chế tạo các vi cấu trúc và vi thiết bị dựa trên điện từ (các bộ vichuyển đổi điều khiển bằng IC). Rõ ràng rằng để đạt được đối tượng và mục tiêu của chúng ta, cần sửdụng sự tổng hợp kỹ thuật, khoa học và công nghệ đa ngành. Cụ thể, lý thuyết và cơ chế điện từ gồm cáccơ sở cho phân tích, mô hình hóa, mô phỏng, thiết kế, và tối ưu hóa trong khi việc chế tạo dựa trên cáccông nghệ và quá trình vi gia công và tỷ số tương quan cao là sự mở rộng của các công nghệ CMOSđược phát triển để chế tạo các IC. Trong nhiều năm, sự phát triển trong các hệ vi cơ điện tử (MEMS) tậptrung vào việc chế tạo các vi cấu trúc kế tục, sửa chữa và thiết kế lại các qui trình và công nghệ dựa trênsilicon được dùng trong vi điện tử tích hợp. Nguyên nhân của việc cải tiến các qui trình và công nghệ

Cơ cấu chấp hành

Sergey Edward Lyshevski

Purdue University Indianapolis

20.5 MEMS: Phân tích, thiết kế, và chế tạo bộ vi chuyển đổi20-1

20.5 MEMS: Phân tích, thiết kế, và chế tạo bộ vi chuyển đổi

Giới thiệu

Trong nhiều ứng dụng (từ y học và công nghệ sinh học đến hàng không và an toàn), việc dùng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống cỡ micro và nano là rất quan trọng [1-4] Chương này sẽ thảo luận việc phân tích, mô hình hóa, thiết kế và chế tạo các vi cấu trúc và vi thiết bị dựa trên điện từ (các bộ vi chuyển đổi điều khiển bằng IC) Rõ ràng rằng để đạt được đối tượng và mục tiêu của chúng ta, cần sử dụng sự tổng hợp kỹ thuật, khoa học và công nghệ đa ngành Cụ thể, lý thuyết và cơ chế điện từ gồm các

cơ sở cho phân tích, mô hình hóa, mô phỏng, thiết kế, và tối ưu hóa trong khi việc chế tạo dựa trên các công nghệ và quá trình vi gia công và tỷ số tương quan cao là sự mở rộng của các công nghệ CMOS được phát triển để chế tạo các IC Trong nhiều năm, sự phát triển trong các hệ vi cơ điện tử (MEMS) tập trung vào việc chế tạo các vi cấu trúc kế tục, sửa chữa và thiết kế lại các qui trình và công nghệ dựa trên silicon được dùng trong vi điện tử tích hợp Nguyên nhân của việc cải tiến các qui trình và công nghệ truyền thống cũng như ứng dụng vật liệu mới là đơn giản: nói chung, các vi cấu trúc ở dạng ba chiều với

tỷ số tương quan cao và độ cao cấu trúc lớn khác với các thiết bị vi điện tử phẳng hai chiều Các cấu trúc silicon có thể hình thành từ việc vi gia công khối silicon dùng qui trình ướt hoặc khô, hoặc thông qua vi gia công bề mặt Các công nghệ vi khuôn kim loại, dựa trên qui trình in ảnh, cũng được dùng rộng rãi nhằm gia công các vi cấu trúc Các khuôn được tạo trong phim polymer (thường là quang trở) trên các

bề mặt phẳng, và sau đó được phủ bởi kim loại kết tủa bằng điện (kết tủa bằng điện đóng vai trò quan trọng việc gia công các vi cấu trúc và vi thiết bị là các thành phần của MEMS) Công nghệ tỷ số tương quan cao dùng in quang, tia điện tử, và tia X để tạo rãnh sâu đến 1 mm trong polymethylmethacrylate resist on đế mạ điện (được gọi là lớp gieo) Sự kết tủa bằng điện của vật liệu từ tính và các chất dẫn, sự

mạ điện, khắc điện, và phóng là các quá trình rất quan trọng để chế tạo các vi cấu trúc và vi thiết bị Mặc

dù, có thể nhận thấy rằng khả năng sử dụng và cải tiến các công nghệ và vật liệu gia công vi điện tử có sẵn là rất quan trọng, và sự phát triển các quá trình mới nhằm chế tạo MEMS là nhân tố chính trong sự lớn mạnh nhanh chóng của MEMS Cụ thể, việc phát minh, thiết kế, mô hình hóa, phân tích và tối ưu MEMS mới là quan trọng nhất Vì vậy, gần đây, lý thuyết MEMS và cơ sở vi kỹ thuật được mở rộng để nghiên cứu thấu đáo các vấn đề then chốt khác như sự tổng hợp và tích hợp cấp độ hệ thống, sự phân loại và phân tích phối hợp, mô hình hóa và thiết kế, cũng như tối ưu hóa Chương này sẽ nghiên cứu về việc chế tạo, phân tích, và các vấn đề thiết kế cho các vi cấu trúc và vi thiết bị điện từ (bộ vi chuyển đổi với các IC) Đưa ra mô tả quá trình chế tạo, nhấn mạnh các vấn đề mô hình hóa và phân tích, thực hiện thiết kế

Thiết kế và chế tạo

Trong MEMS, việc chế tạo các vi cấu trúc và thành phần từ tính màng mỏng cần sự kết tủa của các

o

độ thẩm từ tương đối r, độ nở nhiệt t e, và hằng số điện môi r) ở dạng đơn vị SI được cho trong bảng 20.12

HÌNH 20.127 Hệ điện từ điểm cuối đóng và điểm cuối mở trong các bộ vi chuyển đổi (các vi cấu trúc

tôrôit với các cuộn dây đồng cách ly quấn quanh vật liệu từ và vi động cơ tuyến tính) với các lõi từ

(màng mỏng được kết tủa bằng điện stato và roto) Mặc dù hình học topo và cấu hình MEMS thay đổi (xem khái niệm phân loại MEMS [2]), nhưng nói chung, các bộ vi chuyển đổi đã được thiết kế như là các hệ thống điện từ điểm cuối đóng, điểm cuối mở,

và tích hợp Ví dụ, trên hình 20.127 minh họa vi tôrôit và vi động cơ tuyến tính lần lượt với các hệ thống điện từ điểm cuối đóng và điểm cuối mở Dây đồng và lõi từ (vi cấu trúc) có thể được làm thông qua mạ điện, và hình 20.129 mô tả các dây dẫn đồng hình tròn được mạ điện hình thành nên cuộn dây (10 m

chiều rộng và chiều dài với khoảng cách 10 m) được kết tủa trên lớp cách ly của lõi từ

Phân tích điện từ một cách toàn diện phải được thực hiện với các vi cấu trúc và vi thiết bị Ví dụ, momen (lực) và điện áp gây bởi các bộ vi chuyển đổi phụ thuộc độ tự cảm, và hiệu suất của các vi thiết

bị là một hàm của điện trở cuộn dây, suất điện trở của các lõi được kết tủa, dòng xoáy, độ trễ, v.v Để

nghiên cứu vi tôrôit, hãy xem xét đường tròn với bán kính R trong mặt phẳng vuông góc với trục Mật

độ từ thông được tính theo công thức dưới đây:





Giá trị của H là một hàm của R, và như vậy, từ trường không thay đổi

Các vi cuộn dây phải đảm bảo độ tự cảm đầy đủ trong vùng giới hạn với điện trở nhỏ nhất Ví dụ, trong các bộ vi chuyển đổi và các bộ biến đổi công suất thấp, cần độ tự cảm 0,5 H(hoặc cao hơn) tại tần số cao So với các thiết bị nhỏ truyền thống, bộ vi chuyển đổi điện từ dạng màng mỏng có công suất thấp hơn do suất điện trở cao hơn của màng mỏng, dòng điện xoáy, hiện tượng trễ, hiệu ứng rò từ trường, và các hiện tượng không xác định khác thường có hiệu ứng thứ yếu (không đáng kể) trong các thiết bị cơ điện cỡ nhỏ và truyền thống Có thể tăng độ tự cảm bằng cách đảm bảo số lượng lớn vòng, dùng các vật liệu lõi từ với độ thẩm từ tương đối cao, tăng diện tích mặt cắt lõi, và giảm chiều dài đường

đi Thực tế, tại tần số thấp, công thức cho độ tự cảm là

2

0 r N A L



Chúng ta tìm được độ tự cảm là hàm của số vòng, thông lượng, và dòng điện

Dùng phương trình:

2

0 r N A L

dài dây dẫn, A clà diện tích mặt cắt của dây dẫn Như vậy, quá trình khả thi nhất cho việc kết tủa chất dẫn

là mạ điện Các quá trình tỷ số tương quan cao đảm bảo các chất dẫn dày và độ rộng cùng khe hở rãnh nhỏ (các chất dẫn tỷ số tương quan cao có tỷ số độ dày/độ rộng cao) Tuy nhiên, vùng hoạt động bị giới hạn không cho phép đạt được diện tích mặt cắt chất dẫn lớn Giá trị độ tự cảm cao cũng có thể đạt được

bằng cách tăng diện tích mặt cắt lõi từ dùng các lõi từ dầy với A lớn Tuy vậy, hầu hết vật liệu từ màng

mỏng là các kim loại màng mỏng, thường có các đặc tính không tốt cho các vật liệu sắt từ dạng khối Nó làm cho có dòng điện xoáy và các hiệu ứng trễ không mong đợi khác, làm tăng tổn thất lõi và giảm độ tự cảm Cần nhấn mạnh rằng cần phải tối thiểu hóa các dòng điện xoáy

Như đã mô tả, các lõi từ và các cuộn dây là các thành phần cơ bản của vi cấu trúc, và cần tận dụng các quá trình và vật liệu từ và chất dẫn khác nhau để chế tạo các bộ vi chuyển đổi Người ta thường dùgn

các màng mỏng hợp kim pecmalci (hợp kim 80% niken và 20% sắt) Nên nhớ rằng hợp kim pecmalci

cũng như các vật liệu khác (như côban-phôphoric không định hình) là các vật liệu từ mềm có thể được tạo ra thông qua kết tủa bằng điện Nói chung, các kết tủa có độ dày và kết cấu không đồng nhất do tính không đồng nhất của dòng điện trên vùng kết tủa điện Hơn nữa, các hiệu ứng động lực trong chất điện phân thường cũng làm tăng tính không đồng nhất (giảm những tính không đồng nhất này bằng cách chọn các chất điện hóa riêng) Độ tự cảm và các tổn thất giữ không đổi đến một tần số nào đó (là một hàm của

độ dày lớp, vật liệu được dùng, quá trình chế tạo, v.v ), và trong chế độ hoạt động tần số cao, độ tự cảm

giảm nhanh và tổn thất tăng do dòng điện xoáy và các hiệu ứng trễ Ví dụ, với lõi từ màng mỏng hợp

kim pecmalci (80% niken và 20% sắt) và cuộn dây đồng, độ tự cảm giảm nhanh trên 1, 3, và 6 MHz với

các lớp dày tương ứng10, 8, và 5 m Cần nhấn mạnh rằng độ sâu lớp phủ của màng mỏng lõi từ là một

hàm của các đặc tính từ và tần số f được cho như sau   1/ f , ở đây và  lần lượt là độ thẩm từ

và độ dẫn của vật liệu lõi từ Các tổn thất năng lượng tổng được tìm bằng cách dùng véc tơ Pointing

    , và tổn thất năng lượng tổng có thể nhận được một cách xấp xỉ bằng cách dùng biểu thức cho năng lượng ngang bề mặt dẫn trong một diện tích, nghĩa là,

2 / 2 trung b×nh trung b×nh 0

1 4

f

Cần nhớ rằng độ sâu lớp phủ (độ sâu thấm) sẵn có, và với đồng khối cu 0, 066 / f

Nói chung, độ tự cảm bắt đầu tăng khi tỷ số độ dày dát mỏng/độ sâu lớp phủ lớn hơn 1 Như vậy, độ

dày dát mỏng phải nhỏ hơn độ sau lớp phủ tại tần số hoạt động f để đạt được gia trị độ tự cảm cao Để

thấy được sự cần thiết phải nghiên cứu đầy đủ các vi dây dẫn, chúng ta phân tích vi dây dẫn dạng xuyến (1mm x 1mm, độ dày lõi 3m, độ thẩm từ 2000) Độ tự cảm và điện trở cuộn dây được phân tích như là các hàm của tần số hoạt động Các kết quả mô hình hóa chỉ ra rằng độ tự cảm giữ không đổi lên tới 100 kHz và giảm với tần số cao hơn Điện trở tăng đáng kể tại các tần số cao hơn 150 kHz (độ dày dây dẫn đồng là 2m, và điện trở cuộn dây 1 chiều là 10  Độ tự cảm giảm và điện trở tăng tại tần số cao là do các hiệu ứng trễ và dòng điện xoáy

Độ sâu lớp phủ trong vật liệu lõi từ phụ thuộc vào độ từ thẩm và độ dẫn Các màng mỏng Nix%Fe x% có độ từ thẩm tương đôi trong khoảng từ 600 đến 2000, và suất điện trở là khoảng 20 cm Cần nhấn mạnh rằng các vật liệu với suất điện trở cao có tổn thất dòng điện xoáy thấp và cho phép kết tủa các lớp dày hơn do độ sâu lớp phủ cao Như vậy, các vật liệu từ có suất điện trở cao đang được xem xét, và các màng mỏng FeCo được mạ điện có suất điện trở 100-300  cm Các vật liệu có điện trở suất cao khác

100-có thể được kết tủa bằng cách bức xạ là FeZrO và CoHfTaPd (các bức xạ 100-có ưu điểm đối với việc kết tủa các lớp vật liệu từ và cách điện mỏng do các vật liệu từ và cách điện có thể được kết tủa ở bước quá trình giống hệt) Nói chung, mạ điện là kỹ thuật dùng cho kết tủa cấu trúc đa lớp được dát mỏng cần các quá trình khác nhau để kết tủa các vật liệu từ và cách điện (các lớp)

Các quá trình chính trong chế tạo bộ vi chuyển đổi điện từ là khắc và mạ điện từ thông qua các lỗ xuyên, và sau đó chế tạo các vị cấu trúc dạng dẫn phía trên lớp hố xuyên dùng các quá trình quang trở dày đa lớp [5-7] Ví dụ, chúng ta sẽ sử dụng chất nền silicon (các lớp xi silicon được đánh bóng hai mặt

dạng n hướng 100) với một lớp silicon đioxit mỏng phát triển bằng nhiệt (SiO2) Các hố xuyên được bố

trí ở mặt trên của lớp xi Si-SiO2 (quá trình in ảnh) và sau đó được khắc trên dung dịch KOH (cho tốc độ khắc khác nhau dựa trên sự cô đặc và nhiệt độ) Sau đó, lớp xi được loại bỏ khỏi dung dịch KOH với 20-

30m silicon giữ lại để khắc Lớp tạo mầm Ti-Cu hoặc Cr-Cu (độ dày tương ứng 20-40 nm và 400-500 nm) được kết tủa trên mặt sau của lớp xi bằng cách cho bay hơi tia điện tử Lớp đồng hoạt động như là lớp tạo mầm mạ điện trong khi lớp titan (hoặc crôm) được dùng để tăng khả năng kết dính của lớp đồng đối với lớp xi silicon Trên lớp tạo mầm bằng đồng, một lớp màng mỏng có tính bảo vệ NiFe được mạ điện trực tiếp trên các hố xuyên để đạt được tính bảo vệ và tính ổn định Các hố xuyên được khắc hoàn toàn một lần nữa (trong dung dịch KOH) và sau đó lớp SiO2 còn lại được bóc ra (dùng dung dịch BHF)

để lộ mặt các lớp kim loại ở mặt sau Tiếp theo, lớp dính titan được khắc bằng dung dịch HF (nếu dùng lớp tạo mầm Cr-Cu, có thể loại bỏ crôm bằng dung dịch K3Fe(CN)6-NaOH) Nó cho phép việc mạ điện các hố xuyên từ lớp tạo mầm bằng đồng lộ ra Các lỗ xuyên trong được mạ điện với màng mỏng NiFe

Nó sẽ hình thành thông qua từ tính Do quá trình khắc dựa trên KOH phụ thuộc vào tinh thể học nên các mặt bên của khuôn mạ điện là các tâm tinh thể hướng 111 (hướng góc 54,7o so với bề mặt) Như là một kết quả của các mặt bên hướng góc 54,7o, mạ điện có thể không đồng nhất Để giải quyết vấn đề này, các hố xuyên có thể được mạ quá và đánh bóng với cấp bề mặt [5-7] Sau khi mạ và đánh bóng hố xuyên, lớp tạo mầm sẽ bị loại bỏ, và lớp vỏ 10-20m được quay sang mặt sau và lưu hóa ở 300oC để phủ lớp NiFe bảo vệ Lúc này, có thể chế tạo vi dây dẫn ở mặt trên của lớp xi Cụ thể, các vi cuộn dây được gia công trên đỉnh các lớp xi dạng lỗ thông với cấu trúc lõi từ riêng (thí dụ, hình phẳng hoặc hình móng ngựa) song song với bề mặt lớp xi Các vi cuộn dây phải được cuộn quanh lõi từ để tạo hành hệ thống điện từ Như vậy, cần các lớp cấu trúc bổ sung (ví dụ, lớp thứ nhất dây dẫn là các đoạn dưới cùng của mỗi vòng vi cuộn dây, lớp thứ hai gồm lõi từ và các dây dẫn dọc nối phía trên và phía dưới của mỗi đoạn vi cuộn dây, và lớp thứ ba gồm các dây dẫn trên cùng được nối với đường điện và như vậy hình thành các cuộn vi dây quấn quanh lõi từ) Rõ ràng rằng cần các lớp cách ly (chất điện môi) để cách ly lõi

từ và các vi cuộn dây Có thể thực hiện việc chế tạo thông qua sự bốc hơi tia điện tử của lớp tạo mầm

Ti-Cu, và sau đó hình thành các khuôn mạ điện 25-35m(có thể dùng quang trở AZ-4000) Các vi cuộn dây đồng được mạ điện trên đỉnh khuôn Sau khi việc mạ điện được hoàn thành, người ta loại bỏ quang trở khỏi axeton Tiếp theo, lớp tạo mầm được xóa (đồng được khắc trong dung dịch H2SO4, trong khi lớp bám titan được khắc bởi dung dịch HF) Một lớp quang trở AZ-4000 mới được lật trên lớp xi để cách ly các dây dẫn phía dưới với lõi từ Phần ra của đường dây được đặt tại vị trí cuối của dây dẫn, và quang trở được xử lý để hình thành lớp cách ly Ngoài việc cách ly, việc xử lý cứng làm chảy ngược quang trở phục vụ mục đích phẳng hóa cần cho các lớp bổ sung Một lớp tạo mầm khác được kết tủa từ việc tạo hình và mạ điện dây dẫn và lõi từ Nó dẫn đến hai bước in liên tiếp, và dây dẫn (Cu được mạ điện) cùng lõi từ (màng mỏng NiFe) được mạ điện dùng lớp tạo mầm giống nhau Sau khi hoàn thành dây dẫn và lõi từ, người ta sẽ loại bỏ quang trở và các lớp tạo mầm Sau đó, thực hiện việc xử lý cứng Các vi dây dẫn phía trên được định hình và kết tủa từ một lớp tạo mầm khác dùng quá trình giống như đã mô tả ở trên cho các dây dẫn phía dưới Mô tả chi tiết về quá trình và các bộ vi chuyển đổi có thể xem trong [5-7] Chúng ta đã phác thảo sự chế tạo các vi dây dẫn do có thể chấp nhận và dùng các công nghệ này để chế tạo các bộ vi chuyển đổi Cũng cần nhấn mạnh rằng có thể thực hiện sự phân tích và thiết kế đo bằng các phương trình đã cho

Phân tích các bộ vi chuyển đổi tịnh tiến

Hình 20.128 minh họa một thiết bị vi cơ điện tử (bộ vi chuyển đổi tịnh tiến) với một thành phần đứng yên (lõi từ với các cuộn dây) và một thành phần chuyển động (vi pittông) có thể được chế tạo bằng công nghệ vi gia công Mục đích của chúng ta là thực hiện việc phân tích và mô hình hóa bộ vi chuyển đổi này bằng việc phát triển mô hình toán học tham số tập trung Như vậy, mục đích là bắt đầu từ các phương trình vi phân mô tả hành vi động lực và trạng thái ổn định của bộ vi chuyển đổi

HÌNH 20.128 Sơ đồ vi chuyển đổi tịnh tiến với các IC điều khiển

Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động tịnh tiến, ta có

2

2

2 ( ) d x v dx ( s s ) e( )

dt dt

ở đây x là dịch chuyển của vi pittông, m là khối lượng thành phần chuyển động (vi pittông), B vlà hệ số

ma sát nhớt, k s1và k s2là độ cứng lò xo, và F t e là lực từ

( , ) ( , ) c e

k xk x Giả thiết rằng hệ từ tuyến tính, đồng năng lượng được tìm là   1   2

, 2

0 ( )

ở đây fvà glà từ trở của vật liệu từ và khe hở không khí; A fvà A glà các diện tích mặt cắt; l f và

x 2d là độ dài vật liệu từ và khe hở không khí

Như vậy

2 2 2 0

2 2

Gán phương trình này vào phương trinh vi phân và động lực học cơ học xoắn

2

2

2 ( ) d x v dx ( s s ) e( )

dt dt

dt 

Các phương trình vi phân thu được biểu diễn mô hình toán học tham số tập trung của bộ vi chuyển đổi Nói chung, mặc dù cần thực thiện việc mô hình hóa có độ trung thực cao tích hợp những tính chất phi tuyến (vi dụ, các đặc tính và hiện tượng trễ từ phi tuyến) và các hiệu ứng thứ cấp, các mô hình toán học tham số tập trung được cho dưới dạng phương trình vi phân phi tuyến đã có giá trị với các bộ vi chuyển đổi Có thể thấy rằng các hiện tượng và hiệu ứng chính được mô hình cho dòng điện, vận tốc, và dịch chuyển (các hiệu ứng thứ cấp như ma sát Culông, hiện tượng trễ và dòng điện xoáy, hiệu ứng rò từ trường, và các hiện tượng khác đã không được mô hình và phân tích) Tuy nhiên, việc mô hình tham số tập trung cung cấp khả năng để thu được phân tích động lực học và trạng thái ổn định ban đầu bằng các biến cơ học và mạch điện cơ bản Cũng cần nhấn mạnh rằng điện áp trên cuộn dây được điều khiển bởi các IC Phần lớn IC điều khiển bộ vi chuyển đổi được thiết kế bằng hình học topo dạng điều chế độ rộng xung Tần số cắt của IC thường là 1 MHz hoặc cao hơn Như vậy, nghiên cứu hiện tượng của bộ vi chuyển đổi tại tần số hoạt động cao là rất quan trọng Nó có thể thực hiện bằng việc dùng các phương trình Maxwell tạo các mô hình toán học có tính trung thực cao [2]

Các vi động cơ từ trở đơn pha: Vi chế tạo, mô hình hóa, và phân tích

Xem xét các động cơ vi gia công từ trở đơn pha được minh họa trên hình 20.129

Sự nhấn mạnh tập trung vào phân tích, mô hình và điều khiển các vi động cơ từ trở trên các ứng dụng

vi chuyển đổi dạng quay Như vậy, phải tìm các mô hình toán học Kiểu mô hình tham số tập trung dựa trên việc dùng các biến cơ học (vận tốc và dịch chuyển) và các biến mạch (điện áp và dòng điện) để thu được phương trình vi phân bằng các định luật Newton và Kirchhoff Trong các phương trình vi phân này, người ta dùng các tham số vi động cơ Cụ thể, với vi động cơ được nghiên cứu, các tham số là điện trở stato r s , độ tự cảm từ hóa trên trục vuông góc và thẳng góc là L mqvà L md, độ tự cảm từ hóa trung bình

m

L , độ tự cảm khe hở L ls , momen quán tính J, và hệ số ma sát nhớt B m

HÌNH 20.129 Vi động cơ từ trở đơn pha với các IC và cảm biến dịch chuyển (vị trí) roto

Biểu thức cho momen điện từ được tìm trong [8] Cụ thể,

ở đây Lmlà một nửa biên độ của biên thiên độ tự cảm từ hóa hình sin L m,

L  L L Như vậy, để phát triển momen điện từ, phải nuôi dòng điện i asnhư là một hàm của dịch chuyển góc rôto r Ví dụ, nếu i as i MRe sin 2 r, thì

Mô hình toán học của vi động cơ từ trở đơn pha được tìm bằng cách dùng các định luật Kirchhoff và Newton II Ta có

Ở đây, vận tốc góc điện rvà dịch chuyển rđược dùng như là các biến của hệ cơ học

Nhược điểm của các vi động cơ từ trở đơn pha là gợn momen cao, dao động, nhiễu, độ tin cậy thấp, v.v Vì vậy, chúng ta sẽ nghiên cứu các vi động cơ từ trở đồng bộ ba pha

HÌNH 20.130 Vi động cơ từ trở đồng bộ 3 pha

Vi động cơ từ trở đồng bộ ba pha: mô hình và phân tích

Mục đích của chúng ta là xác định và giải quyết một loạt vấn đề trong phân tích, mô hình hóa và điều khiển các vi máy từ trở đồng bộ Cần phải phân tích các đặc tính điện từ trước khi thử điều khiển vi động

cơ Thực tế, các đặc tính điện từ khá hạn chế các thuật toán điều khiển được dùng Tùy theo phương pháp khái niệm dùng để phân tích các vi máy từ trở đồng bộ, có thể thiết kế và thực hiện các luật điều khiển khác nhau bằng cách dùng IC Có thể thực hiện việc phân tích và điều khiển các vi động cơ từ trở đồng bộ bằng cách dùng các khái niệm mô hình hóa, phân tích, và tối ưu hóa khác nhau Mô hình toán

học tham số tập trung đầy đủ của vi động cơ từ trở đồng bộ với các biến máy (abc) và vuông góc, thẳng

góc, và không (qd0) có thể được phát triển dưới dạng các phương trình vi phân phi tuyến Cụ thể, người

ta có thể tìm mô hình toán học tham số tập trung dạng mạch bằng cách dùng định luật điện áp Kirchhop

Ta có, xem trên hình 20.130,

abcs abcs s abcs

Các tham số vi máy là điện trở stato r s , độ từ cảm từ hóa trên trục vuông góc và thẳng góc L mqvà L md,

độ tự cảm từ hóa trung bình L m, độ tự cảm khe hở L ls , momen quán tính J, và hệ số ma sát nhớt B m Các biểu thức cho độ tự cảm là các hàm phi tuyến của dịch chuyển góc điện r Do đó, có thể dùng

động lực học cơ học xoắn Lưu ý định luật Newton II đối với chuyển động quay, và dùng rvà r(vận tốc và dịch chuyển góc điện) làm các biến trạng thái (biến cơ học), ta thu được

ở đây T evà T Llà momen điện từ và momen tải

Phân tích việc tạo momen – Dùng đồng năng lượng, có thể tìm được momen điện từ là hàm phi tuyến

của các biến vi động cơ (dòng điện pha và vị trí góc điện) và các tham số (số cực P và độ tự cảm Lm) [8]

1

2 sin

3 1

3 1

T  PL i

Do đó, T eđược cực đại và điều khiển bằng cách thay đổi cường độ dòng điện pha i M Hơn nữa, nó không có gợn momen (thực tế, dựa trên kết quả thực nghiệm, và việc thực hiện mô hình điện từ phi tuyến tích hợp dùng các phương trình Maxwell, ta tìm được sự tồn tại của gợn momen do momen ăn khớp, độ lệch tâm, bánh răng, điều chế độ rộng xung, và các hiện tượng khác)

Đa số các IC được thiết kế để điều khiển các điện áp pha u as, u bsvà u cs Do đó, việc cân bằng điện áp

ba pha là quan trọng Ta có

1

2 sin

3 1

3 1

ở đây u Mlà cường độ của điện áp đặt vào

Mô hình toán học của vi động cơ từ trở đồng bộ đối với các biến abc được tìm như sau

ở đây u as, u bs, u cs, i as, i bsvà i csvà as, bs, cslà các điện áp, dòng điện, liên kết thông lượng

Dùng động lực học mạch và cơ học xoắn, ta tìm được các phương trình vi phân phi tuyến dưới đây để

mô hình vi động cơ từ trở đồng bộ trong hệ qui chiếu rôto:

Có thể dễ dàng thấy rằng mô hình này đơn giản hơn nhiều so với mô hình toán học tham số tập trung

ở trên dùng các biến abc

Để thu được hoạt động cân bằng, cần phải bắt nguồn từ các điện áp và dòng điện vuông góc và thẳng

góc dùng biến đổi Park trực tiếp r 0 r

u ,và 0r

s

u được tìm bằng cách dùng tập điện áp cân bằng ba pha Cụ thể, ta có

Kết tủa màng mỏng dây dẫn

Có thể chế tạo các dây dẫn (vi dây tạo nên cuộn dây) tron vi cấu trúc và vi chuyển đổi bằng cách kết tủa bằng điện đồng và các kim loại điện trở thấp khác Việc kết tủa bằng điện của các kim loại được làm bằng cách nhúng bề mặt dẫn trong một dung dịch chứa các ion kim loại được kết tủa Bề mặt này được nối điện với một nguồn điện bên ngoài, và dòng điện được dẫn qua bề mặt vào trong dung dịch Nói chung, phản ứng của ion kim loại (Metalx+) với x điện tử (xe-) để hình thành kim loại (Metal) là Metalx+

+ xe- = Metal

Để kết tủa bằng điện đồng trên lớp xi silicon, người ta thường phủ lớp xi bằng một lớp dẫn mỏng bằng đồng (lớp tạo mầm) và nhúng trong một dung dịch chứa các ion đồng Tiếp xúc điện được tạo ra từ

lớp mầm, dòng điện được chạy theo phản ứng Cu2+ + 2e-  Cu trên bề mặt lớp xi Được tương tác điện làm cho các ion kim loai chuyển thành các nguyên tử kim loại nên lớp xi là catôt Một bề mặt hoạt động điện khác (anôt) là dung dịch dẫn tạo nên đường điện Tại anôt, phản ứng oxi hóa diễn ra làm cân bằng dòng điện tại catôt, như vậy sẽ giữ tính trung hòa điện Trong trường hợp mạ đồng bằng điện, tất cả các ion rời khỏi dung dịch tại catôt lớp xi được thay thế bởi sự phân hủy từ anôt đồng Theo định luật điện phân Faraday, khi không có phản ứng thứ cấp, dòng điện được đưa tới bề mặt dẫn trong khi mạ điện tỷ

lệ với số lượng kim loại kết tủa Như vậy, kim loại được kết tủa có thể được điều khiển bằng cách thay đổi dòng điện mạ (mật độ dòng điện) và thời gian kết tủa

2

Cu e Cu Cu e Cu Cu Cu Cu H e H

Dung dịch mạ đồng thường được dùng là CuSO4–5H2O (250 g/l) và H2SO4 (25 ml/l)

Có thể thấy các quá trình cơ bản trên hình 20.131, và cả mô tả tóm tắt về các bước tuần tự và thiết bị

Sau khi làm sạch, người ta phủ chất nền silicon bằng cách phun một lớp tạo mầm 5-10 nm crôm hoặc titan và 100-200 nm đồng Các vi cuộn dây đồng (vi cấu trúc) được định hình bằng cách dùng kỹ thuật

in ảnh UV Có thể phủ quay và làm khô ban đầu quang trở AZ-4562 trên tấm nóng làm dốc tại 90-100oC (dốc 30 – 40 % với nhiệt độ ban đầu 20-25oC) trong 1 h Sau đó, phơi quang trở trong Karl Suss Contact Masker (máy tạo mặt nạ tiếp xúc Karl Suss) với năng lượng 1200 – 1800 mJ cm2 Sự phát triển được giải phóng trong dung dịch alkaline loãng 1:4 (AZ-400) trong 4-6 phút Nó tạo nên độ dày quang trở 15 – 25 m Đồng được kết tủa với một hệ thống ba cực có một anot đồng và điện cực tham chiếu caloment bão hòa (nguồn công suất dòng điện là nguồn công suất dòng điện Parkin Elmer EG&G 263) Có thể dùng bình sunfat Shipley với chất tẩy quang 5-10 ml/l để làm mịn chất kết tủa Kết tủa điện được thực hiện tại 20-25oC với kích thích từ và mật độ dòng điện 1 chiều 40-60 mA/cm2 (mật độ dòng điện này làm mịn màng mỏng với độ nhám 5-10 nm rms với độ dày 10 m của màng mỏng đồng kết tủa) Điện trở của màng mỏng đồng kết tủa (vi cuộn dây) là 1,6 – 1,8   cm (gần với điện trở của đồng khối) Sau khi kết tủa, quang trở sẽ được loại bỏ

Chúng ta đã nhấn mạnh rằng mạ điện được dùng để kết tủa các dây dẫn màng mỏng và các vật liệu

từ Tuy nhiên, các bộ vi chuyển đổi cần các lớp cách ly, hay nói cách khác lõi từ và cuộn dây cũng như các vi cuộn dây đa lớp tự nó cũng sẽ được ngắn mạch Hơn nữa, các lớp tạo mầm được nhúng trong quá trình vi chế tạo Khi gia công lõi từ trên đỉnh của các vi cuộn dây (hoặc các vi cuộn dây được làm trên lõi từ), khó có thể loại bỏ lớp tạo mầm do chúng ở phía dưới hoặc tai vị trí trung tâm của vi cấu trúc Lớp tạo mầm mạng lưới có thể thích hợp như là lớp tạo mầm mạ cho các dây dẫn thấp hơn, và khi vi cấu trúc được làm, các góc của lớp tạo mầm mạng lưới có thể được làm lộ ra và loại bỏ bằng cách khắc plasma [6] Như vậy, các vi cuộn dây được cách ly Cần nhấn mạnh rằng cần sử dụng các công nghệ tỷ

số tương quan cao tương đối để chế tạo lõi từ và vi cuộn dây, và cần xác đinh các vấn đề tạo hình cũng như làm phẳng bề mặt

Kết tủa màng mỏng NiFe

Cần phải tạo các lõi từ trong vi cấu trúc và vi chuyển đổi Ví dụ, các màng mỏng Nix%Fe100-x% được

mạ, như hợp kim pecmalci Ni80%Fe20% có thể được kết tủa để hình thành lõi từ của bộ vi chuyển đổi (cơ cấu chấp hành và cảm biến), bộ cảm điện, bộ biến đổi, công tắc, v.v Các quá trình và các bước tuần tự

cơ bản được dùng tương tự với các quá trình cho kết tủa và mạ điện được thực hiện trong bể mạ Cần cách ly các cuộn dây (vi cuộn dây) với lõi từ, và do đó, cần kết tủa các lớp cách ly Vật liệu cách ly được dùng đeer cách ly các cuộn dây với lõi từ là benzocyclobutene, polyimide (PI-2611), v.v Ví dụ, cyclotene 7200-35 nhạy sáng và có thể được định hình nhờ công nghệ in ảnh Benzocyclobutene được dùng như là quang trở đưa ra các thuộc tính định hình và tạo phẳng tốt, ổn định tại tần số thấp, và có khả năng hút nước ít

HÌNH 20.132 Các bước gia công cơ bản cho vi chuyển đổi

Quá trình chế tạo được phác họa với các bước tuần tự để tạo bộ vi chuyển đổi với thành phần chuyển động được minh họa trên hình 20.132 Trên nền silicon, lớp tạo mầm dạng lưới crôm-đồng-crôm (Cr-

Cu-Cr) được kết tủa (nhờ bốc hơi tia điện tử) hình thành lớp tạo mầm cho mạ điện Lớp cách ly (polyimide Dupont PI-2611) được lật lên mặt trên của lớp tạo mầm dạng lưới để hình thành khuôn mạ Một vài lớp phủ được làm để thu được độ dày mong muốn của khuôn polyimide (một lớp phủ dẫn đến

độ dày lớp cách ly 8-12m) Sau khi phủ, polyimide được xử lý (tại 280-310oC) trong nitơ 1h Lớp nhôm mỏng được kết tủa trên đỉnh của polyimide được xử lý để hình thành mặt nạ cứng cho khắc khô Các khuôn dùng cho dây dẫn bậc thấp được định hình và khắc plasma đến khi lớp tạo mầm lộ ra Sau khi khắc nhôm (mặt nạ cứng) và crôm (lớp tạo mầm crôm-đồng-crôm trên cùng), các khuôn được phủ bằng đồng mạ, áp dụng quá trình mạ đồng đã được mô tả Một lớp phủ polyimide cách ly dây dẫn bậc thấp và lõi từ (do đó, hoàn thành sự cách ly) Lớp tạo mầm được kết tủa, định hình dạng lưới, phủ bằng polyimide, và xử lý cứng Các lớp nhôm mỏng (mặt nạ cứng cho khắc khô) được kết tủa và khuôn cho lõi từ được định hình và khắc đến khi lớp tạo mầm lộ ra Sau khi khắc nhôm (mặt nạ cứng) và crôm (lớp tạo mầm crôm-đồng-crôm trên cùng), khủ được phủ bằng các màng mỏng Nix%Fe100-x% được mạ (quá trình mạ) Vỏ của lớp cách ly (polyimide) được lật và xử lý để cách ly lõi từ và dây dẫn phía trên Các lỗ xuyên được định hình trong lớp nhôm được định hình trong lớp nhôm phun (mặt nạ cứng) và được khắc thông qua lớp polyimide dùng plasma oxit Các lỗ xuyên được phủ bằng đồng mạ (quá trình mạ) Người

ta kết tủa một lớp tạo mầm đồng-crôm và hình thành khuôn cho dây dẫn phía trên dùng quang trở dày Khuôn được phủ bằng đồng mạ và được loại bỏ Sau đó, khe hở cho các thành phần chuyển động được làm bằng cách dùng các quá trình truyền thống Sau khi loại bỏ lớp tạo mầm, người ta phủ và xử lý lớp chống rỉ để bảo vệ các dây dẫn trên cùng Polyimide được tạo mặt nạ và khắc trên nền silicon Lớp tạo mầm dạng lưới phía dưới được khắc ướt và bộ vi chuyển đổi (với các IC để điều khiển nó) được kẻ ô và đánh dấu

Nhôm mạ là vật liệu cần thiết để chế tạo vi cấu trúc Cụ thể, có thể dùng nhôm như là chất dẫn để chế tạo các vi cuộn dây cũng như các cấu trúc cơ học (bánh răng, trục, chốt, bề mặt phản xạ, v.v ) Có thể đọc các công nghệ và quá trình tiên tiến cho việc kết tủa nhôm trong [9]

Như đã trình bày, cần phải chế tạo lõi từ của vi cấu trúc và vi chuyển đổi Hai thách thức chính trong chế tạo các vi cấu trúc hiệu suất cao là việc tạo các màng mỏng từ được mạ với các tích chất từ tốt cũng như các cấu trúc phẳng hóa (các thành phần chuyển động hoặc đứng yên) [10] Có thể dùng các kỹ thuật

và quá trình vi khuôn và mạ điện để kết tủa hợp kim NiFe (màng mỏng Nix%Fe100-x%), và Ni80%Fe20%

được gọi là hợp kim pecmalci, còn Ni50%Fe50% được gọi là orthonol

HÌNH 20.133 Thành phần cấu tạo của niken và đồng trong màng mỏng Nix%Fe100-x% là một

hàm của mật độ dòng điện Chúng ta cùng xem xét quá trình kết tủa Để kết tủa các màng mỏng Nix%Fe100-x%, người ta phủ lớp xi silicon bằng một lớp tạo mầm (ví dụ, 15-25 nm crôm, 100-200 nm đồng, và 25-50 nm crôm) được kết tủa bằgn cách bốc hơi tia điện tử Lớp quang trở (ví dụ, 10-20 m Shipley STR-1110) được kết tủa trên lớp tạo mầm và được định hình Sau đó, người ta thực hiện việc kết tủa Ni Fe tại 20 – 30oC bằng

nhiệt độ và pH theo giá trị được đưa ra Độ pH cao làm cho các màng mỏng NiFe quá căng, còn độ pH thấp sẽ giảm độ bằng phẳng và dẫn đến việc phân hủy hóa học của anôt sắt gây nên sự phá vỡ cân bằng

bể chứa và tính không đồng nhất Nhiệt độ cao làm cho sự kết tủa mờ, và nhiệt độ thấp dẫn đến việc nung mật độ dòng điện cao Với sự kết tủa, có thể dùng điều chế độ rộng xung (khi dạng sóng thay đổi, biên độ thuận và nghịch khác nhau, và chu kỳ công suất được điều khiển) bằng cách ứng dụng các bộ

công suất xung dân dụng hoặc thương mại Gọi độ dài chu kỳ công suất là T, độ dài xung thuận và nghịch là T f và T t Độ dài xung T có thể là 5–20 s , và chu kỳ công suất (tỷ số T f /T t) có thể thay đổi từ 1

đến 0,1 Tỷ số T f /T t ảnh hưởng đến tỷ lệ phần trăm Ni trong màng mỏng Nix%Fe100-x%, chẳng hạn, kết cấu của Nix%Fe100-x% có thể điều khiển dựa trên các tích chất cần đạt, sẽ được mô tả sau Tuy nhiên, khi thay

đổi tỷ số T f /T t, các thay đổi Ni là có mức độ tương đối (từ 85% đến 79%), và như thế, các tham số khác phải thay đổi để đạt được kết cấu mong đợi

Phải nhấn mạnh rằng kết cấu niken (và sắt) là một hàm của mật độ dòng điện, và hình 20.133 minh họa kết cấu niken (sắt) trong màng mỏng Nix%Fe100-x%

Các màng mỏng Ni80%Fe20% có độ dày khác nhau (là một hàm của thời gian kết tủa) thường được chế tạo tạo mật độ dòng điện 14-16 mA/cm2 Có thể dùng khoảng mật độ dòng điện này để chế tạo độ dày

thay đổi cho các màng mỏng hợp kim pecmalci (từ 500 nm đến 50 m) Giá trị rms của độ nhám màng mỏng là 4-7nm cho độ dày 20 m Cần nhấn mạnh rằng để đảm bảo chất lượng bề mặt tốt, nên giữ mật

độ dòng điện trong một khoảng, và thường xuyên thay đổi kết cấu màng mỏng Nix%Fe100-x%, cần phải điều khiển dòng điện nghịch

Để đạt được kết tủa hợp kim pecmalci tốt, bể mạ cần chứa NiSO4 (0,7 mol/l), FeSO4 (0,03 mol/l), NiCl2 (0,02 mol/l), sacarin (0,0016 mol/l) như là chất san phẳng (để giảm biến dạng dư nhằm gia công các màng dày hơn), và axit boric (0,4 mol/l)

Không khí và sacarin đã được thêm để giảm biến dạng trong và giữ kết cấu Fe ổn định Tốc độ kết tủa thay đổi tuyến tính như là một hàm của mật độ dòng điện (tuân theo định luật Faraday) và độ dốc kết tủa

là 100-150 nm cm2/min mA Tỷ khối màng mỏng hợp kim pecmalci là 9 g/cm3 (với hợp kim pecmalci

khối)

HÌNH 20.134 Đường cong B-H của các màng mỏng hợp kim pecmalci Nix%Fe100-x% khác nhau Các tính chất từ tính của các màng mỏng Ni80%Fe20% (hợp kim pecmalci) được nghiên cứu, và độ kháng từ trường (H c ) là một hàm của độ dày Ví dụ, H c = 650 A/m khi độ dày là150 nm và H c = 30 A/m khi độ dày là 600 nm

Các dung dịch mạ khác Ni80%Fe20% (kết tủa tại 25oC) và Ni50%Fe50% (kết tủa tại 55oC) là:

 Ni80%Fe20%: NiSO4-6H2O (200 g/l), FeSO4-7H2O (9 g/l), NiCl2-6H2O (5 g/l), H3BO3 (27 g/l), sacarin (3 g/l), và pH (2,5-3,5);

 Ni50%Fe50%: NiSO4-6H2O (170 g/l), FeSO4-7H2O (80 g/l), NiCl2-6H2O (138 g/l), H3BO3 (50 g/l), sacarin (3 g/l), và pH (3,5-4,5)

Để mạ màng mỏng Nix%Fe100-x%, có thể dùng các phụ gia và thành phần khác nhau (có sẵn từ M&T Chemicals và các nhà cung cấp khác) để điều khiển biến dạng và tính mềm trong của kết tủa, giữ hàm lượng sắt được hòa tan, đạt được màng sáng và bằng phẳng cho quá trình, thu được độ nhám bề mặt cần thiết, và rất quan trọng để đảm bảo các tính chất từ tính cần thiết