Luận án Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

LỜI CAM ĐOAN.i

LỜI CẢM ƠN .ii

MỤC LỤC . iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix

DANH MỤC HÌNH VẼ .x

MỞ ĐẦU .1

1. Tính cấp thiết của đề tài .1

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.1

3. Mục tiêu nghiên cứu.2

4. Phương pháp nghiên cứu .2

5. Những đóng góp mới của luận án.2

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .2

7. Bố cục và nội dung của luận án .3

CHƯƠNG 1 .5

TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN.5

1.1 Tổng quan về vi động cơ .5

1.1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor). 5

1.1.2 Phân loại . 5

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước . 5

1.1.4 Nhận xét và định hướng nghiên cứu . 19

1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ .19

1.2.1 Điều khiển vòng hở. 20

1.2.2 Điều khiển vòng kín . 21

1.2.3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp. 23

1.2.4 Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt. 24

1.2.5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu . 27

pdf143 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 16/02/2022 | Lượt xem: 315 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
 2 3 0 2 2 2 2 2 2 1 16 cos 1 1 24                             tbn n b l nF F n cos e n l n (2.47)  Quá trình nguội:   2 ' '' 2 1 21 1 2 b nA B t lb a b c l v b na F t g l nl q l e cos k S n C C                                  (2.48) A H B B’ ∆dy α lb lb+∆lb 0 y x 41      2 3 0 2 2 2 2 2 2 1 16 1 cos 1 24                           tbc n b l nF F n cos e n l n (2.49) Ứng với các thông số hình học và tính chất vật liệu Silic được cho như bảng 2.1; sk được tra theo nhiệt độ tính toán hoặc xác định thông qua công thức gần đúng [33]. Bảng 2.1 Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Chiều dài dầm đơn lb 320 m Khối lượng riêng D 2330 Kg/m3 Chiều rộng dầm đơn wb 4,5 m Modul Yuong của vật liệu silic E 169.109 Pa Chiều dày của mỗi dầm tb 30 m Nhiệt dung riêng cp 0,71 J/g.0C Chiều dài thanh trượt ls 125 m Điện trở suất tại 20 0C 0 120 Ωm Chiều rộng thanh trượt ws 40 m Hệ số nhiệt của điện trở suất   1,25.10-3 1/0C Chiều dày thanh trượt ts 30 m Hệ số giãn nở dài l  4.10 -6 1/0C Số cặp dầm đơn nb 6 Hệ số dẫn nhiệt của không khí ka 0,026 W/m. 0C Khe hở không khí ga 4 m Nhiệt độ môi trường 0 20 0C Bằng cách tính toán từng điểm, ta có bảng tính toán nhiệt độ của dầm chữ V ứng với dải điện áp từ 5 25 (V), Bảng 2.2 và các Hình 2.8-2.11. 42 Bảng 2.2 Kết quả tính toán nhiệt độ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V STT Biên độ điện áp (V) Nhiệt độ đỉnh dầm (0C) Nhiệt độ trung bình trên dầm (0C) Chuyển vị đỉnh hệ dầm ∆dy (m) 1 2.5 32 30 0.1 2 5 53 43 0.5 3 7.5 86 65 1.2 4 10 129 93 2.0 5 12.5 179 127 3.0 6 15 236 164 4.1 7 17.5 298 206 5.4 8 20 364 249 6.7 9 22.5 432 295 8 10 25 503 343 9.5 Hình 2.8 Sự phân bố của nhiệt độ trên dầm theo thời gian và không gian Nhiệt độ phân bố trên dầm N hi ệt độ [0 C ] 43 Hình 2.9 Nhiệt độ phân bố trên dầm ứng với điện áp U=20V khi mô phỏng bằng ANSYS Hình 2.10 Đồ thị so sánh nhiệt độ của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng ANSYS 0 100 200 300 400 500 600 700 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 N hi ệt đ ộ (º C ) Điện áp U (V) Đồ thị so sánh nhiệt độ Tmax của dầm chữ V Mô phỏng Tính toán 44 Hình 2.11 Chuyển vị của hệ dầm ứng với biên độ điện áp U=20V khi mô phỏng ANSYS Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng bằng ANSYS 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 C hu yể n vị (µ m ) Điện áp U (V) Đồ thị so sánh kết quả chuyển vị của đỉnh dầm chữ V Mô phỏng Tính toán 45 2.2.4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ a. Quá trình dẫn Hệ thống bánh răng được dẫn động bằng bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V được bố trí đối xứng (Hình 2.2). Sử dụng phương pháp tách cấu trúc, xét riêng một bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V. Các lực tác dụng lên dầm như Hình 2.13b Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động Phương trình cân bằng lực cho hệ dầm trên là: 0n e n eF F F F F F              ' n b vF F n k d      (2.50) Với 'd : Chuyển vị của đỉnh dầm chữ V theo phương ngang khi dẫn động (luôn có ' d d là chuyển vị của đỉnh dầm chữ V khi tính toán);  n F : Lực giãn nở nhiệt của hệ dầm chữ V; b n là số cặp dầm chữ V;  e F là lực đàn hồi của một cặp dầm chữ V;  F là Nội lực xuất hiện tại mặt cắt A-A trên phần dẫn động dầm chữ V có giá trị bằng với lực đàn hồi ở cổ dầm; vk là độ cứng của dầm chữ V được xác định theo nguyên lý chuyển vị tương đương khi chịu một ngoại lực tác dụng lên thanh đẩy theo phương oy . Mô hình đặt lực để xác định độ cứng tương đương của một dầm đơn như trên Hình 2.14. Trong đó, P là lực tác dụng tính trên một dầm đơn; X1, X2 lần lượt là phản lực theo phương ox và mô men phản lực liên kết được xác định theo điều kiện biên: Fe Fn F 46 (l ) 0 (l ) 0     b bX (2.51) Với ( ) bl và X( )bl lần lượt là góc xoay và chuyển vị của dầm tại vị trí  bx l . Khi đó, biểu thức tính mô men uốn và lực dọc trục tại tọa độ x trên dầm như sau: 1 2 1 ( ) cos sin ( ) sin os           M x Px X x X N x P X c (2.52) Hình 2.14 Mô hình xác định chuyển vị tương đương của một dầm đơn Chuyển vị theo phương oy của đầu dầm nối với thanh đẩy được tính như sau: 3 2 2 22 (12 cos sin )      b b Ply E I Al (2.53) Cuối cùng ta tính được độ cứng tương đương của hệ dầm theo phương oy như sau: 2 2 2 3 2 (12 cos sin ) v b E I ALk l     (2.54) Thay các giá trị vào ta xác định được độ cứng của hệ n dầm: 6.233,05 1398,3 b vn k µN/µm Gọi d là chuyển vị của thanh răng, đơn giản hóa dầm quay để tính toán chuyển vị tại phần đặt lực dẫn động F (Hình 1.15). Do vậy: ' '1 1     d r rd d d r r (2.55) Trong đó: 1 440r µm: khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt hình chữ V; 1040r µm: là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc. Thế vào (2.50) ta có: ' 1n b v n b v rF F n k d F n k d r      (2.56) X Y O P X2 X1 y x O’ 47 Đối với thanh răng và vành răng dẫn động, các lực tác dụng được thể hiện trên Hình 2.16. Trong đó:  F đóng vai trò là lực dẫn động (lực sinh để dẫn động vi động cơ khi đặt điện áp ( )u t ).  elF : Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi).  2fF : Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền Si.  3fF : Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền.  aF : Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo.  5fF : Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng cóc. Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị 'd Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động Trong trường hợp răng của bánh răng dẫn được dẫn động bởi thanh răng cóc thì khoảng dịch chuyển d của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: d ip (2.57) Với i là số nguyên i=1,2 3, p=10µm là bước răng cóc Để thuận lợi, ta qui các lực trên về mô men dẫn và mômen cản. Khi đó mô men dẫn động của vi động cơ được xác định bởi công thức sau: 32 4 5- - - - 04   fd F f f f el M M M M M M M (2.58) 48 Để cơ cấu có thể hoạt động được, mô men dẫn dM phải lớn hơn các mô men cản và mô men đàn hồi. Trong đó:  dM : Mô men của lực dẫn động F  ( 2,3,4)fjM j : Mô men của các lực ma sát kể trên (tính quanh điểm đàn hồi).  elM : Mô men đàn hồi của dầm dẫn động (quay quanh cổ đàn hồi O) Trừ mô men của lực F đóng vai trò dẫn động trong cơ cấu, các mô men còn lại đều là mô men cản. Các mô men được tính theo các biểu thức sau: 1.FM F r (2.59) 2 2. .g.fM f m r (2.60) 3 3 2. .g.fM f m r (2.61) 4 4 3. .g.fM f m r (2.62) .a rF k h (2.63) 5 . . os .f aM f F c r (2.64) . . . . .el p pM k d r k i p r  (2.65) Trong đó: 69,81.10g µm/s2 là gia tốc trọng trường; 0,3f  là hệ số ma sát giữa Silicon-Silicon; 2 3 4, ,m m m lần lượt là khối lượng của thanh răng cóc, bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn (các khối lượng này được xác định gần đúng từ thể tích và khối lượng riêng của từng bộ phận); 1040r µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc; 2,88pk µN/µm là độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi (được xác định tương tự vk ); 6h µm là chiều cao của răng cóc; 3 1220r µm khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn; 21,19rk µN/µm là độ cứng của cơ cấu chống đảo (được xác định tương tự vk ); 30   là góc nghiêng của răng cóc; 1 440r µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt chữ V; 2 1180r µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng dẫn.Thay các các số liệu vào dễ dàng tính toán được các mô men lực cản như sau: 9 6 2 2. . . 0,3.0,2.10 .9,81.10 .1040 0,612   fM f m g r µNµm ( 9 2 0,2.10 m kg) 8 6 3 3 2. . . 0,3.1,55.10 .9,81.10 .1180 53,83   fM f m g r µNµm ( 8 3 1,55.10 m kg) 49 9 6 4 4 3. . . 0,3.4,27.10 .9,81.10 .1220 15,331   fM f m g r µNµm ( 9 4 4,27.10 m kg) 5 . . os . 0,3.21,19.6. os30.1220 40298,97  f aM f F c r c µNµm Thay vào (2.58) ta được: 0dM  3 2 4 5- - - - 04   fF f f f el M M M M M M 3 2 4 54      fF f f f el M M M M M M 31 2 4 54      ff f f p M Fr M M M k ip 3 2 4 5 1 1 4            f f f f p M F M M M k ip r (2.66) Từ (2.56) và (2.66) ta có: 31 2 4 5 1 1 4 f n b v f f f p MrF n k d M M M k ip r r            3 1 2 4 5 1 1 4 f n f f f p b v M rF M M M k ipr n k ip r r             (2.67) Để vi động cơ hoạt động được thì ngoài điều kiện (2.58) cần phải đảm bảo mỗi chu kỳ điện áp dẫn vành răng phải dịch chuyển được ít nhất 1 bước răng, tức là chuyển vị d ở đỉnh dầm quay phải lớn hơn 1 bước răng (2.57) 1 1       r rd p d ip r r (2.68) + Với 1 4401 10 4,23 1040       ri d ip r µm Từ công thức (2.44) và các phần tính toán bên trên ta xác định được giá trị biên độ điện áp tối thiểu là Umin=17,32V Mô men 10.2,88.1040 29952el p pM k ip k pr    µNµm, từ đó xác định được điều kiện (2.67) er 173,17  th malF µN Ứng với Umin=17,32V từ công thức (2.47) ta xác định được 6,3342 6334,2 173,17    nF mN N N Do dó ứng với điện áp Umin thỏa mãn điều kiện chuyển vị thì luôn thoả mãn điều kiện về lực và mô men. +Với i=2 ta tính toán tương tự và xác định được: Umin = 22,64V Do chuyển vị thực tế 'd khi dẫn động luôn nhỏ hơn chuyển vị d nên từ các điều kiện thực tế ta chọn các giá trị điện áp phù hợp. 50 +) Để hệ thống chuyển động được 1 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin =17,5V +) Để hệ thống chuyển động được 2 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin = 23V b. Quá trình hồi vị Trong chu kỳ hồi vị (khi điện áp dẫn bằng 0), do ảnh hưởng của lực đàn hồi của các dầm, thanh răng cóc hồi về vị trí ban đầu và tác dụng một lực lên vành răng. Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị Trong đó: evF là lực đàn hồi của bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V; ev b vF n k  ( ' evF là phản lực đàn hồi: 'ev evF F   ) elF là lực đàn hồi của cổ dầm trên bộ kích hoạt ( ' elF : phản lực đàn hồi: 'el elF F   ) nF là phản lực đàn hồi theo phương vuông góc với bề mặt răng của thanh răng cóc dẫn. 1fF là lực ma sát trượt giữa răng của thanh răng cóc dẫn và vành răng. dhlxF là lực đàn hồi của lò xo theo phương oy được tính theo công thức sau: . dhlx lxF k y (2.69) Với: 7, 43lxk µN/µm là độ cứng của lò xo theo phương oy (được xác định nhờ mô phỏng): 0 3,5 6 9,5      y y h µm ( 0 3,5 y µm là độ nén của lò xo ban đầu lúc ăn khớp răng cóc) dhrF : lực đàn hồi của cổ thanh răng cóc dẫn: .dhr rc rF k y  (2.70) Với: 2,5 ry µm là độ nén lớn nhất của thanh răng cóc dẫn khi trượt hai dãy răng cóc. 51 4,88rck µN/µm là độ cứng của cổ thanh răng cóc (được xác địnhtheo mô phỏng). Để hệ thống có thể hồi vị về vị trí ban đầu khi điện áp ( )u t ở nửa chu kỳ có biên độ 0 0U thì: - Ở thời điểm bắt đầu chu kỳ, lực đàn hồi el evF F thắng lực ma sát 1fF và 2fF Lực 1fF có thể tính theo công thức sau:  ' '1 2. sin    f n el ev fF f F f F F F (2.71) Ta có do: 0,3f ; sin sin30 0,5    .sin 0,3.0,5 0,15 1   f vậy từ (2.71) ' ' ' ' 1 2 1 2f ev el f f f ev el ev elF F F F F F F F F F         Điểu này luôn thỏa mãn 1 2el ev f fF F F F   - Thành phần lực Q theo phương y sẽ làm nén lò xo và tạo ra sự trượt của hai dãy răng cóc.    ' ' ' '2 21. os sin os sin 22         n el ev f el ev fQ F c F F F c F F F (2.72) Điều kiện để rãnh răng cóc có thể hồi về vị trí ban đầu là:  ' ' 21 2sin sin        dhlx dhr f dhlx dhr el el fQ F F F F F f F F F (2.73) Vậy từ (2.71) ta có:     ' ' 22 sin 2 2 sin 2     el ev f dhlx dhrF F F f F F      ' ' ' '2 22 2 2 2 sin 2 2 sin sin 2 2 sin                dhlx dhr dhlx dhr el ev f el ev f F F F F F F F F F F f f  1 22 2 . . sin 2 2 sin dhlx dhr p b v f F Frk n k i p F r f            22 1 2 1 sin 2 2 sin dhlx dhr f p b v F F F fi rp k n k r              (2.74) Thay 7, 43.9,5 4,88.2,5 82, 79   dhlx dhrF F µN; 30   ; 2 0,612fF µN; 10p µm; 0 2g µm; 2,88pk µN/µm; 1398,3b vn k  µN/µm; 1 440r µm; 1040r µm vào (2.74) ta được 52   22 2 1 2 2.82,79 0,612 1 1sin 2 2 sin sin 60 2.0,3.sin 30. 0,03944010 2,88 1398,3. 1040 dhlx dhr f p b v F F F fi rp k n k r                            Vậy luôn luôn thỏa mãn điều kiện (2.74). Kết hợp cả điều kiện dẫn và điều kiện hồi vị ta có +) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 1 bước răng là: min 17,5U  V +) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 2 bước răng là: min 23U  V 2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến Đối với vi động cơ có thiết kế và tính toán như trên (Hình 2.2), cơ cấu dẫn động ngoài phần răng cóc, có sử dụng các lò xo nhằm ép chặt răng cóc dẫn với vành răng bên ngoài (rotor), tuy nhiên với cấu trúc này cơ cấu dẫn động phức tạp, các lò xo đàn 53 hồi làm tăng khe hở và giảm vận tốc thực của động cơ. Để khắc phục điều này, tác giả đề xuất thiết kế cải tiến cơ cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động sẽ được truyền trực tiếp từ bộ kích hoạt đến vành răng bên ngoài qua thanh răng cóc giúp giảm độ trễ do khe hở và lò xo, tức là giảm trượt vận tốc góc thực tế của vi động cơ. Đồng thời với kết cấu này ta có thể tăng chiều dài của các dầm chữ V trong cơ cấu dẫn động, điều đó sẽ làm tăng chuyển vị và giảm điện áp dẫn. Sơ đồ cấu tạo của vi động cơ cải tiến được chỉ ra như Hình 2.18. Trong đó: (1) - Các điện cực cố định; (2) - Hệ thống dầm chữ V; (3) - dầm đàn hồi ; (4) - Thanh răng cóc; (5) - vành răng (Rotor); (6) - Cơ cấu chống đảo; (7) - Cơ cấu định vị rotor Đối với các thiết kết này, ta giữ nguyên các kích thước cơ bản thì có thể tăng được chiều dài các dầm chữ V lên đến 450m, và theo tính toán khảo sát như bên trên thì điện áp dẫn tối thiểu là 16V (ứng với i=1) và 21,35V (ứng với i=2) 2.4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ 2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) là một thuật ngữ được đưa ra tại Mỹ vào những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX [74]. Thuật ngữ này dùng để chỉ tới các thiết bị mà kích thước chiều dài của nó cỡ vài micro-mét tới vài mili-mét. Chúng là sự kết hợp của cả các linh kiện cơ khí, điện tử được chế tạo bằng công nghệ vi gia công [3], [6]. Ở châu Âu cùng thời gian này người ta gọi các thiết bị trên với tên gọi khác là hệ thống vi cơ (MST-Microsystem Technology). Hình 2.19 chỉ ra kích thước của các thiết bị MEMS so với kích thước các thiết bị khác trong thế giới vi mô và vĩ mô [74]. Các thiết bị MEMS đang là những hướng nghiên cứu cũng như ứng dụng có nhiều tiềm năng trong thực tế. MEMS là một công nghệ tích hợp, phát triển từ công nghiệp mạch điện tử IC (Intergrated-Circuit) kết hợp với các qui trình vi chế tạo (Microfabrication) cấu trúc ba chiều dựa trên các kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Tất cả các thành phần gồm mạch điện, bộ nhớ, cảm biến và bộ kích hoạt đều được tích hợp trên một chíp duy nhất và hệ thống này cho phép chuyển đổi tín hiệu vào (điện, nhiệt, cơ, quang) thành các tín hiệu vật lý khác [6]. Ví dụ về thiết bị MEMS được tích hợp trên cùng một chíp điện tử IC được chỉ ra trên Hình 2.20. 54 Hình 2.19 Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét [74] Như vậy, hệ thống vi cơ điện tử - MEMS có thể nói là hệ thống tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng các công nghệ vi cơ. Các đặc trưng cơ bản của một hệ sản phẩm MEMS là kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ, đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, độ nhạy, độ tin cậy cao, có tính lặp lại và giá thành hạ do có thể chế tạo hàng loạt [3]. 2.4.2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối Nhiều loại linh kiện MEMS khác nhau đã được nghiên cứu và phát triển trên cơ sở của 3 công nghệ MEMS chính. Công nghệ vi cơ khối (bulk micromachining) dựa 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 10210010-210-410-610-810-1010-1210-1410-16 Chiều tăng kích thước Chiều giảm kích thước Đường kính trái đất Đơn vị thiên văn học Năm ánh sáng Con ngườiĐường kính proton Đường kính nguyên tử Sợi tóc NEMS MEMS Thiết bị của con người Bộ kích hoạt Cảm biến Vi mạch Tín hiệu ra Tín hiệu vào Hình 2.20 Chíp tích hợp các thiết bị MEMS [74] 55 trên quá trình ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng khối vật liệu Si hoặc SiO2. Công nghệ gia công bề mặt (surface micromachining) tạo cấu trúc từ các lớp màng mỏng. Công nghệ gia công bằng tia X (LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung) dựa trên kỹ thuật quang khắc dùng tia X, điện hóa để tạo khuôn [3]. Trong đó, phương pháp gia công khối (Bulk-micromachining) là phương pháp truyền thống, phát triển sớm, đơn giản, chi phí thấp và được sử dụng phổ biến trong các trường đại học, viện nghiên cứu. Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối. Hình 2.21 Thiết kế tổng thể mặt nạ và các mẫu vi động cơ Để có thể tạo ra các vi cấu trúc trên bề mặt tấm silicon, việc đầu tiên cần làm là thiết kế và chế tạo mặt nạ (photo mask). Việc chế tạo mặt nạ phụ thuộc vào loại máy và điều kiện gia công. Với thiết bị thí nghiệm ở viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) có thể chế tạo khe hở nhỏ nhất 0 2g µm, vì thế việc thiết kế mặt nạ tuân theo nguyên tắc này để đảm bảo không dính các phần với nhau [16], [75],[76]. Bản thiết kế được thiết lập nhờ công cụ vẽ (CAD –Computer Aided Design) trên phần mềm L-edit 8.3. Các vi động cơ được thiết kế đặt trên tấm SOI (Silicon On Insulator) có đường kính 100 mm, mỗi vi động cơ được thiết kế có kích thước 5x5 mm2 như Hình 2.21. 56 Trên Hình 2.22 là sơ đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bước chính gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mòn D-RIE, cắt chíp và ăn mòn bằng hơi HF (Hydrofluoric acid) [16], [75], [76]. Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ Bước chuẩn bị Phiến SOI được sử dụng cho quá trình gia công là phiến có lớp silic linh kiện nằm trên lớp điện môi SiO2 (Hình 2.23). Một phiến SOI gồm có 3 lớp: Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm 57 Dưới cùng là đế silic: dầy khoảng 450 – 500 µm Sau đó, phiến SOI được làm sạch bằng các hóa chất như axêtôn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt. Tiếp theo tiến hành sấy ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô phiến SOI. Hình 2.23 Phiến silic kép SOI Quá trình quang khắc Quá trình quang khắc được thực hiện nhằm đưa hình ảnh của các linh kiện lên trên bề mặt phiến SOI (Hình 2.24 - www.bs.ac/physics/fabrication). Hình 2.24 Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication Trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS, vật liệu cảm quang (photoresist) được sử dụng trong kỹ thuật quang khắc. Trong đó, nhiệm vụ của lớp vật liệu cảm quang là 58 để sao chép hình dạng các cấu trúc của linh kiện được thiết kế, vốn đã được tạo trên mặt nạ quang (photomask). Đồng thời, lớp vật liệu cảm quang cũng đóng vai trò là lớp bảo vệ cho các vật liệu được che phủ ở phía dưới. Vật liệu cảm quang là hợp chất hữu cơ nhạy sáng (ánh sáng cực tím UV- Ultraviolet). Dưới tác động của ánh sáng, thành phần hoặc cấu trúc của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn đến có thể bị hòa tan (cảm quang dương) hoặc không hòa tan (cảm quang âm) trong các hóa chất thích hợp (chất hiện hình – developer), thường là các dung dịch dạng kiềm. Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI Có thể chia quá trình quang khắc thành các bước chính sau: - Phủ chất kết dính OAP để đảm bảo lớp vật liệu cảm quang liên kết tốt với bề mặt phiến SOI. - Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt phiến SOI bằng phương pháp quay phủ (Hình 2.25a). - Ủ sơ bộ làm bay hơi dung môi có trong vật liệu cảm quang. - Thực hiện chiếu sáng bằng chùm tia cực tím cường độ lớn qua một mặt nạ có hình dạng và kích thước như thiết kế của vi động cơ xuống lớp cảm quang. Do sử dụng cảm quang dương nên phần không được mặt nạ che chắn sẽ bị phân rã (Hình 2.25b). 59 - Tiến hành hiện hình trong dung dịch (tetramethyl ammonium hydroxide 2%) để nhận ảnh cấu trúc linh kiện trên bề mặt đế. - Ủ đóng rắn lớp cảm quang để tạo lớp bảo vệ cho các bước công nghệ tiếp theo (Hình 2.25c). Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE Ăn mòn khô (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mòn cơ bản trong công nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật ăn mòn ướt (Wetetching) truyền thống sử dụng các dung dịch dạng kiềm (KOH, TMAH ). Về cơ bản, ăn mòn khô có nguyên lý dựa trên cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/nguyên tử khí hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí được tạo ra trong môi trường plasma gây bởi quá trình ion hóa do va chạm. Trong nghiên cứu này, để ăn mòn silic tạo cấu trúc linh kiện, phương pháp ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu D-RIE trên cơ sở cơ chế ăn mòn hóa lý đã được ứng dụng. Đối với phương pháp ăn mòn khô sâu, để tạo ra các cấu trúc MEMS 3D do ăn mòn sâu vào trong đế, chúng ta thường sử dụng quy trình gồm hai bước: ăn mòn và phủ lớp bảo vệ. Các bước trên được lặp lại nhiều lần cho đến khi độ sâu ăn mòn đạt đến giá trị hoạch định. Khi chế tạo các vi động cơ, để thực hiện bước ăn mòn, khí SF6 (sulfur hexafluoride) đã được sử dụng. Khi plasma hình thành trong buồng phản ứng, khí SF6 bị ion hóa hoặc phân ly thành nguyên tử Flo, ion SF5+ hay SF5 và điện tử như trong phương trình dưới đây: SF6+ e - SF5 ++ F*+2e- SF6+ e - SF5+ F *+e- Nguyên tử F* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với silic tạo ra quá trình ăn mòn hóa học: Si (rắn)+4F (khí)  SiF4(khí) Sản phẩm sau phản ứng hóa học SiF4 ở dạng khí sẽ bị hút ra khỏi buồng phản ứng nhờ hệ bơm chân không. Kết quả của quá trình ăn mòn là hình thành các rãnh/hốc sâu vào trong đế silic (Hình 2.26a). 60 Do quá trình ăn mòn thực hiện trên cơ sở phản ứng hóa học nên có tính đẳng hướng, nghĩa là vật liệu bị ăn mòn với tốc độ như nhau theo mọi phương. Chính vì vậy để tạo hốc ăn mòn có kích thước ngang xác định cần phải tiến hành bước phủ lớp bảo vệ (lớp thụ động) trên bề mặt các vách của hốc ăn mòn. Trong bước này, khí C4F8 (Octafluorocyclobutane) đã được sử dụng. Trong môi trường plasma, khí C4F8 bị phân ly thành C3F6 dễ bay hơi và CF2: C4F8+ e - C3F6+ CF2+ e - Các phân tử khí CF2 hấp thụ trên bề mặt hốc ăn mòn và bị polyme hóa dẫn tới hình thành lớp bảo vệ có dạng giống polyme teflon (Hình 2.26b). nCF2(CF2)n Lớp polyme (CF2)n sẽ được bóc đi nhờ quá trình va đập của dòng ion SFx+ trong bước ăn mòn tiếp theo. Do quá trình ăn mòn ion có tính dị hướng cao (chủ yếu theo phương vuông góc với bề mặt phiến SOI do tác dụng của điện trường) nên tốc độ tẩy bỏ lớp polyme ở đáy hốc ăn mòn là lớn nhất, trong khi lớp polyme ở thành hốc ăn mòn vẫn được giữ lại để bảo vệ vách. Nếu khi đó khí SF6 được đưa vào buồng phản ứng, quá trình ăn mòn sẽ được thực hiện (Hình 2.26c). Hình 2.26 Quá trình ăn mòn khô D-RIE Như vậy, bằng việc lặp lại nhiều lần hai bước ăn mòn và phủ lớp bảo vệ, quá trình ăn mòn thẳng đứng sâu xuống đế sẽ được thực hiện. Một đặc điểm cần chú ý là vách của hốc ăn mòn có dạng nhấp nhô như lớp vỏ sò (scalloping). Để khống chế độ 61 nhám bề mặt của vách ăn mòn gây bởi hiện tượng trên, cần thay đổi các thông số công nghệ thích hợp đối với quá trình ăn mòn và phủ lớp bảo vệ. Quá trình ăn mòn tạo cấu trúc linh kiện sẽ dừng lại khi hốc ăn mòn sâu xuống chạm tới bề mặt lớp SiO2. Kết quả là ta nhận được cấu trúc linh kiện như trên hình 2.26d. Tiếp theo, một lớp chất cảm quang được phủ lên phiến SOI bằng phương pháp quay phủ để bảo vệ các cấu trúc linh kiện đã chế tạo để tránh bị hỏng hóc trong quá trình cắt phiến thành từng chíp nhỏ. Sau khi cắt phiến SOI thành từng chíp, ta sẽ dùng dung dịch đặc biệt để tẩy rửa một phần lớp cảm quang rồi tẩy sạch hoàn toàn bằng dung dịch H2SO4 loãng. Cuối cùng chíp được sấy khô ở nhiệt độ khoảng 1000C trong 10÷20 phút để chuẩn bị cho quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (vapor HF etching). Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching) Mục đích của quá trình này là ăn mòn lớp SiO2 nằm dưới các cấu trúc linh kiện được thiết kể để có thể chuyển động sau khi ăn mòn khô (D

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_vi_dong_co_theo_nguyen_ly_dien_nhiet_dang.pdf
Tài liệu liên quan