thiết kế hệ thống vi cơ

Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS PHẠM XUÂN KHẢI - MỤC LỤC KT Cơ điện tử - K57 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI - LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển khoa học công nghệ thập niên gần đây, kỉ XIX coi kỉ kỉ nguyên số công nghệ cao.Xu tập trung ngành công nghiệp công nghệ cao, kĩ thuật tinh vi chuyên môn tự động sản xuất từ khâu nghiên cứu chế tạo đến bước cuối hành thành sản phẩm Đáp ứng nhu cầu yêu cầu cao người, phù hợp với tất yêu phát triển thời đại kinh tế tri thức ngày hoàn thiện tiên tiến Trong ngành khoa học công nghệ cao lĩnh vực vi điện tử phát triển có đóng góp to lớn cho phát triển khoa học công nghệ toàn nhân loại, đặc biệt ngành micromotor trọng nhiều cho cải tiến phát minh ứng dụng sâu rộng nghành công nghiệp, kĩ thuật điều khiển tự động, tự động hóa cao thay lao động trực tiếp người Được giúp đỡ giảng viên chúng em chọn đề tài : “ Vi động kiểu nhiệt điện ” làm đề tài nghiên cứu cho môn học thiết kế hệ thống vi điện tử Trong trình học tập nghiên cứu, giúp đỡ tận tình thầy giảng dạy môn học thiết kế hệ thống vi điện tử giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu Tuy có nhiều cố gắng không tránh khỏi sai sót hạn chế cần khắc phục Vì chúng em mong bảo đóng góp ý kiến từ thầy để chúng em khắc phục hoàn thiện đề tài mà chúng em nghiên cứu Cuối chúng em xin chân thành cảm ơn quan tâm bảo tận tình thầy PGS.TS.Phạm Hồng Phúc giúp chúng em hoàn thành đề tài ! Trân trọng cảm ơn Hà Nội, ngày 16 tháng năm 2016 Chương I: Tổng quan MEMS lựa chọn trúc 1.1Tổng quan MEMS Vào kỷ XX, thiết bị điện tử tích hợp với số lượng ngày lớn, kích thước ngày nhỏ chức ngày nâng cao Điều mang lại biến đổi sâu sắc mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối năm 50 kỷ XX, cách mạng hoá công nghệ micro diễn hứa hẹn tương lai cho tất ngành công nghiệp Hệ thống vi điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt MEMS đời phát triển giai đoạn Hệ thống vi điện tử -MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) hệ thống tích hợp phần tử khí, cảm biến, kích hoạt cấu kiện điện tử sản xuất công nghệ Micro Hai dòng sản phẩm MEMS sensor ( cảm biến) actuator (bộ kích hoạt) MEMS Sensor Gia tốc Lực Actuator Vận tốc góc Nhiêt Áp điện Nhiệt ` Hình 1.1: Sản phẩm ME Tĩnh điện Hợp kim Công nghệ vi tiến xa nhiều so với nguồn gốc công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành vi điện tử tích hợp chip (on chip) Các linh kiện MEMS thường cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường hệ thống vi tích hợp chip mà kết hợp phần chuyển động với yếu tố sinh học, hoá học, quang điện Kết linh kiện MEMS đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc gia tốc Với ưu thế: tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh tế nhạy cảm đặc thù, cho phép tích hợp mạch điện tổ hợp (IC) cấu trúc khác nhau, chế tạo hàng loạt, độ lặp lại cao, linh kiện đơn lẻ thiết bị hoàn chỉnh, công nghệ vi cho phép tạo cảm biến (sensor), chấp hành (actuator) ứng dụng rộng rãi sống Các cảm biến siêu nhỏ tiện ích thay cho thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước Song công nghệ MEMS giai đoạn đầu cần nhiều nghiên cứu hơn, sâu Bộ chấp hành ( dẫn động, truyền động – Actuator) cấu trúc biến đổi dạng lượng cơ, quang, nhiệt, điện từ, hóa học, sinh học thành lượng học, tạo chuyển động tương đương với trình điều kiển Kết trình tác động dạng: ngăn cản, kẹp chặt, kéo đẩy Được ứng dụng lĩnh vực tự động hóa quy trình sản xuất: motor, robot… Về Micro Motor, có loại động sử dụng kích hoạt điển hình là:  Động sử dụng kích hoạt tĩnh điện (Kiểu lược)  Động sử dụng kích hoạt nhiệt (Bộ kích hoạt nhiệt chữ V kích hoạt nhiệt hot – cold arm) Cảm biến áp suất Cảm biến gia tốc Micromotor Vi gương ( Micromiror ) Con quay vi Vi vận chuyển Hình 1.2: Một số ứng dụng MEMS 1.2.Lịch sử phát triển MEMS - Thập kỷ 50 + 1954: Charles Smith tìm hiệu ứng Áp điện trở vật liệu bán dẫn (Silicon - Si Germanium - Ge) + 1958: Cảm biến đo biến dạng (strain gauge - SG) trở thành thương phẩm (hãng Honeywell) + 12/1959: Richard P Feymann có thuyết trình tiếng “Plenty of Room at the Bottom” đề cập ý tưởng vi chế tạo linh kiện thiết bị… - Thập kỷ 60 + 1962: Công bố nghiên cứu ăn mòn ướt đẳng hướng vật liệu si-líc qui trình chế tạo bóng bán dẫn (Transistor) +1967: Công bố kết nghiên cứu ăn mòn ướt dị hướng (anisotropic etching) ăn mòn dừng (etch-stop) vật liệu si-líc +1967: Ra đời công nghệ vi bề mặt (surface micromachining) + 1969: Lần đầu tiên, transistor bán dẫn FET chếtạo theo công nghệ MEMS Thập kỷ 70 + 1977: Cảm biến áp suất kiểu tụ chế tạo lần + 1979: Cảm biến gia tốc silicon chế tạo Thập kỷ 80 + 1984: Linh kiện MEMS sở vật liệu polysilicon chế tạo lần + 1987: Thuật ngữ MEMS thức đưa thừa nhận để lĩnh vực công nghệ mới, kèm theo biến thể tương đương, MICROSYSTEM sử dụng châu Âu MICROMACHINED Nhật + 1989: Vi động hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện chế tạo thành công - Thập kỷ 90 + 1993: Cảm biến gia tốc vi bề mặt thức trở thành thương phẩm + 1995: Mở kỷ nguyên linh kiện MEMS y-sinh + 1999: Một loạt thiết bị công nghệ tiên tiến cho qui trình chế tạo ăn mòn khô sâu, cắt gọt laser, quang khắc UV sâu (deep UV) chế tạo giúp cải thiện cho trình chế tạo Thế kỷ 21 + 2000: Các chuyển mạch quang dùng sợi quang dẫn trở thành thương phẩm tạo doanh số lớn + 2001: Phát triển MEMS lượng ứng dụng làm nguồn điện thiết bị di động + 2002: Đánh dấu giai đoạn linh kiện MEMS phát triển ứng dụng mạnh mẽ lĩnh vực y-sinh làm phân tích hóa-sinh hoàn chỉnh siêu nhỏ hệ phân tích DNA + 2007: Hệ thống vi vận chuyển (Microtransportation) chế tạo Hình 1.3: Micro motor lược Chương II : Đề xuất mô hình Trong thực tế ngành khoa học công nghiệp MEMS phát triển lên tầm cao, đạt nhiều thành tựu đáng kể lĩnh vực Micro motor đặc biệt micro motor sử dụng kích hoạt nhiệt chữ V vấn đề mẻ, chưa phát triển xứng tầm với ưu việt mà kích hoạt mang lại Vì vậy, nhóm chúng em mạnh dạn chọn đề tài “Tính toán, thiết kế chế tạo động tuyến tính nhiệt điện chiều chữ V” Nhằm mục đích giới thiệu quy trình thiết kế Motor theo quy trình MEMS với kích hoạt nhiệt chữ V.Dựa vào yêu cầu chế tạo động tuyến tính nhiệt chữ V tham khảo kết cấu trước Nhóm chúng em thống ý tưởng mô sau : Nhóm - KT Cơ điện tử K56 Hình 2.1: Mô hình cấu trúc Nhóm - KT Cơ điện tử K56 Chương III : Tính toán thiết kế 3.1.Cấu tạo nguyên lí hoạt động kích hoạt nhiệt chữ V Hình 2.1: Bộ kích hoạt nhiệt chữ V Trong kích hoạt nhiệt chữ V (hình vẽ), dầm V có kích thước b nhỏ so với chiều dài L ( L ≈ 100.b ) Đặt hiệu điện dạng xung (f) vào hai đầu kích hoạt nhiệt chữ V Lúc hiệu điện hai đầu ngàm V, dầm mảnh có điện trở suất nóng lên có giãn nở nhiệt Càng gần phía ngàm dầm chữ V giãn nở nhỏ phía đầu ngàm nhiệt độ gần với môi trường nên giãn nở không đáng kể Càng xa phía ngàm giãn nở lớn kéo theo dầm đẩy tịnh tiến phía trước Lúc hiệu điện hai đầu ngàm 0, lúc nhiệt độ dầm chữ V với nhiệt độ môi trường dầm chữ V dịch chuyển vị trí ban đầu kéo theo dầm đẩy trở vị trí ban đầu 3.1.1.Nguyên lý hoạt động Hệ thống kích hoạt chữ V đặt hình , dầm chữ V bên đẩy kẹp giữ cóc với dầm chữ V ăn khớp đồng thời kết hợp với dầm chữ V di chuyển cóc lên xuống KT Cơ điện tử - K57 3.1.2.Ưu điểm, nhược điểm  Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, hoạt động cần điện áp đầu vào thấp  Nhược điểm: Hoạt động dựa vào thay đổi nhiệt độ độ dãn nở vật liệu làm dầm Kém nhạy kết cấu tĩnh điện 3.2.Tính toán vi động 3.2.1.Tính phân bố nhiệt lực đẩy dầm chữ V Hình 2.2.1: Cấu trúc dầm chữ V − Phương trình truyền nhiệt dầm chữ V: (1) (Trích tài liệu 4) Trong : T nhiệt độ vị trí x k hệ số dẫn nhiệt vật liệu điện trở suất dầm, J mật độ dòng điện − Nghiệm phương trình biểu diễn sau : (2) Trong đó: Tr =20 – Nhiệt độ phòng , điện trở suất Ts (nhiệt độ môi trường xung quanh) hệ số nhiệt độ tuyến tính , A2 = l = 2L ; − Từ (2) ta có độ giãn dài dầm đơn: − Lực đẩy dầm theo phương dịch chuyển là: Trong đó: n số cặp dầm kích hoạt; A tiết diện mặt cắt ngang dầm đơn (µm2 ); E mô đun đàn hồi vật liệu Silicon 3.2.2.Tính chuyển vị đỉnh dầm chữ V: Chuyển vị tính theo công thức sau: Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Hình 2.3: Sơ đồ tính chuyển vị dầm Ứng với giá trị điện áp dẫn: U=15 ÷ 25(V), n=6, A=5x30 µm2 , E=169.109 Pa, L=300 µm, α=4.10-6 K-1, λ=1,25.10-3, ρo=1200 Ω.m, k=1,56.10-4 Wμm-1 K-1 (tại 300 độ K) Ta thu bảng thông số: Bảng thông số tính toán nhiệt chuyển vị dầm chữ V Điện áp U(V) 17,5 15 0,18 0,12 278,3 200,9 4,3 6,4 4,2 20 22,5 23 25 0,28 0,39 0,42 0,55 370,2 494,5 526,4 659,8 6,1 8,1 8,6 10,5 9,7 13,9 14,9 19,4 3.2.3.Lực đàn hồi: Với n=6 , k= 233.05 , dựa vào bảng Ta có: Fdh = 400 3.3.Mô ANSYS: KT Cơ điện tử - K57 12 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Với thông số Silicon ta sử dụng để tính toán Ansys sau: Hình 3.3.1.Mật độ phân bố dòng điện KT Cơ điện tử - K57 13 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Hình 3.3.2.Chuyển vị dầm chữ V nhiệt độ 370 KT Cơ điện tử - K57 14 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Hình 3.3.3.Chuyển vị thân lực 400 Hình 3.3.4.Chuyển vị max 3.4.Mạch điện: KT Cơ điện tử - K57 15 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Thời gian cấp điện vào dầm chữ V Sơ đồ mạch cấp cho dầm chữ V Chương IV: Quy trình chế tạo Bước : Phủ lớp SI SIO2 lên đế phương pháp bốc bay Bước 2: Phủ chất cảm quang phương pháp quay li tâm Bước 3: So khuôn chiếu sang Sử dụng khuôn có hình chiếu sau: KT Cơ điện tử - K57 16 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Bước 4: Hiện hình cách ngâm dung dịch KOH ăn mòn Si dung dịch HF 49% : NHO3 65% : CH3COOH 100% (2:15:5) Bước 5: Tẩy lớp cảm quang Bước 6: Ăn mòn lớp SiO2 dịch H3PO4 85% : NHO3 : H2O 65% (20:1:65) KT Cơ điện tử - K57 17 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI KT Cơ điện tử - K57 18 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Chương IV:Kết Luận Qua thời gian tìm hiểu lĩnh vực vi điện tử chúng em có hiểu biết định ngành mà theo học, thông qua tập lớn chúng em đạt kết số kết định: Một số kĩ làm việc nhóm • Đề xuất ý tưởng thiết kế cấu micro motor • Tìm hiểu phương gia công MEMS Tuy nhiên bên cạnh đạt chúng em nhiều thiếu sót • Khả ứng dụng cấu vào thực tế hạn chế • Việc tính toán kích thước hạn chế chưa thật xác Định hướng phát triển: • Tiếp tục hoàn thiện cấu • Tối ưu hóa Giảm hiệu điện vào để tiết kiệm lượng KT Cơ điện tử - K57 19 Thiết kế hệ thống vi điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Tài liệu tham khảo TS.Nguyễn Nam Trung , Cơ sở công nghệ vi điện tử vi hệ thống , Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2001 PGS-TS Phạm Hồng Phúc , Bài giảng môn học “Nhập môn vi điện tử ” “Thiết kế hệ thống vi điện tử ”, Bộ Môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và Robot, Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội Gregory L Holst, Brian D Jensen, Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2011 November 11-17, 2011, Denver, Colorado, USA Nguyễn Tuấn Khoa, Slide “Tính toán hệ dẫn động MEMS” TS.Trương Đức Phức, Slide giảng CAD/CAM/CNC II, Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Tiến Dũng, Báo cáo “Hội nghị học KT 9-4-2014_Nguyễn Tiến Dũng” Viện kĩ sư điện, điện tử, Báo cáo “ JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL 10, NO 2, JUNE 2001’ Tài liệu học Solidworks phần mền khác tự học Youtube KT Cơ điện tử - K57 20 [...]... KT Cơ điện tử - K57 19 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Tài liệu tham khảo 1 TS.Nguyễn Nam Trung , Cơ sở công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống , Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 2001 2 PGS-TS Phạm Hồng Phúc , Bài giảng môn học “Nhập môn vi cơ điện tử ” và Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử ”, Bộ Môn Cơ Sở Thiết Kế. .. Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI KT Cơ điện tử - K57 18 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Chương IV:Kết Luận Qua thời gian tìm hiểu về các lĩnh vực vi cơ điện tử chúng em có những hiểu biết nhất định về ngành mà mình đang theo học, thông qua bài tập lớn chúng em đã đạt được kết một số kết quả... phỏng trên ANSYS: KT Cơ điện tử - K57 12 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Với những thông số của Silicon như trên ta sử dụng để tính toán trên Ansys như sau: Hình 3.3.1.Mật độ phân bố dòng điện KT Cơ điện tử - K57 13 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM... vị dầm chữ V khi nhiệt độ là 370 KT Cơ điện tử - K57 14 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Hình 3.3.3.Chuyển vị của thân khi lực là 400 Hình 3.3.4.Chuyển vị max 3.4.Mạch điện: KT Cơ điện tử - K57 15 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Thời... bằng như sau: KT Cơ điện tử - K57 16 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Bước 4: Hiện hình bằng cách ngâm trong dung dịch KOH tiếp theo ăn mòn Si bằng dung dịch HF 49% : NHO3 65% : CH3COOH 100% (2:15:5) Bước 5: Tẩy lớp cảm quang Bước 6: Ăn mòn lớp SiO2 bằng dịch H3PO4 85% : NHO3 : H2O 65% (20:1:65) KT Cơ điện tử - K57... quả nhất định: Một số kĩ năng làm vi c nhóm • Đề xuất ý tưởng thiết kế được một cơ cấu micro motor • Tìm hiểu về các phương gia công MEMS Tuy nhiên bên cạnh những gì đạt được chúng em vẫn còn nhiều thiếu sót • Khả năng ứng dụng cơ cấu vào thực tế còn hạn chế • Vi c tính toán các kích thước còn hạn chế chưa thật chính xác Định hướng phát triển: • Tiếp tục hoàn thiện cơ cấu • Tối ưu hóa Giảm hiệu điện... (µm2 ); E là mô đun đàn hồi của vật liệu Silicon 3.2.2.Tính chuyển vị của đỉnh dầm chữ V: Chuyển vị được tính theo công thức sau: Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD:TS.PHẠM XUÂN KHẢI Hình 2.3: Sơ đồ tính chuyển vị dầm Ứng với các giá trị điện áp dẫn: U=15 ÷ 25(V), n=6, A=5x30 µm2 , E=169.109 Pa, L=300 µm, α=4.10-6 K-1, λ=1,25.10-3, ρo=1200... Robot, Vi n Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội 3 Gregory L Holst, Brian D Jensen, Proceedings of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2011 November 11-17, 2011, Denver, Colorado, USA 4 Nguyễn Tuấn Khoa, Slide “Tính toán các hệ dẫn động trong MEMS” 5 TS.Trương Đức Phức, Slide bài giảng CAD/CAM/CNC II, Đại học Bách Khoa Hà Nội 6 Nguyễn Tiến Dũng, Báo cáo “Hội nghị cơ. .. trong các dầm chữ V: (1) (Trích tài liệu 4) Trong đó : T là nhiệt độ tại vị trí x k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu là điện trở suất của dầm, J là mật độ dòng điện − Nghiệm của phương trình trên được biểu diễn như sau : (2) Trong đó: Tr =20 – Nhiệt độ phòng , là điện trở suất tại Ts (nhiệt độ môi trường xung quanh) và là hệ số nhiệt độ tuyến tính , A2 = và l = 2L ; − Từ (2) ta có độ giãn dài của dầm đơn:... CAD/CAM/CNC II, Đại học Bách Khoa Hà Nội 6 Nguyễn Tiến Dũng, Báo cáo “Hội nghị cơ học KT 9-4-2014_Nguyễn Tiến Dũng” 7 Vi n kĩ sư điện, điện tử, Báo cáo “ JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL 10, NO 2, JUNE 2001’ 8 Tài liệu học Solidworks và phần mền khác được tự học trên Youtube KT Cơ điện tử - K57 20