thiết kế hệ thống vi cơ điện tử LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: Tổng quan về MEMS 3 1.1. Tổng quan về MEMS 3 1.2. Tổng quan về vi động cơ trong MEMS 4 1.2.1. Phân loại 4 1.2.2. Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 5 1.3. Các nghiên cứu về vi động cơ quay tĩnh điện. 6 1.4. Lý do chọn đề tài. 7 Chương 2: Lý thuyết về tĩnh điện 8 2.1. Hiệu ứng tĩnh điện 8 2.1.1. Lực pháp tuyến trên bản cực 8 2.1.2. Lực tiếp tuyến trên bản cực 10 2.2. Chuyển vị pháp tuyến 11 2.3. Đề xuất thiết kế mới. 12 Chương 3: Tính toán và thiết kế 13 3.1. Kích thước hệ thống 13 3.2. Phân tích lực và mô phỏng 15 3.2.1. Lực trong kì dẫn động 15 3.2.2. Tính toán lực trong kì hồi vị 19 3.2.3. Điều kiện hồi vị 21 3.2.4. Tính tần số và vận tốc quay 21 3.2.5. Mô phỏng ứng suất. 22 Chương 4: Quy trình chế tạo sản phẩm 24 4.1. Bước chuẩn bị 24 4.2. Quá trình quang khắc. 24 4.3. Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu DRIE 25 4.4. Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF 25 Chương 5: Kết luận. 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27
Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ - & - BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VI ĐỘNG CƠ QUAY KIỂU TĨNH ĐIỆN Nhóm 4: Nguyễn Văn Hoàng (NT) Hồ Thanh Nhân MSSV: 20131625 20132844 Dương Xuân Thủy Nguyễn Quốc Cường 20130523 Nguyễn Văn Thành 20133543 Phạm Văn Hải 20115109 Nguyễn Văn Hoàng 20131624 Nguyễn Tiến Lộc 20132431 Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hà Nội 11-2016 Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc LỜI NÓI ĐẦU Thế kỉ XXI coi kỷ nguyên Công nghệ số với phát triển vũ bão Khoa học – Công nghệ Thành tựu tạo sản phẩm công nghệ nhỏ gọn, tích hợp nhiều ứng dụng, an toàn với người thân thiện với môi trường Cùng với phát triển chung này, phát triển ngành Vi điện tử ( Micro ElectroMechanical Sytems – MEMS ) đạt thành tựu ấn tượng Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn, mạch tích hợp, hoạt động thông minh, độ xác cao, thiết bị MEMS trở thành phận thiếu điện thoại thông minh, thiết bị số, thiết bị y tế, y sinh, công nghệ ô tô, công nghệ hàng kh ông - vũ trụ, dây chuyền sản suất linh hoạt CIM & FMS…Mặc dù nhiều thiếu thốn kinh tế sở vật chất ngành công nghệ MEMS Việt Nam có nhiều thành tựu bản, có nhiều công trình nghiên cứu nước quốc tế MEMS đặc biệt Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa T.p Hồ Chí Minh, Đại học Quốc Gia Hà Nội…Công nghệ MEMS trở thành ngành khoa học – công nghệ chiến lược quốc gia tới năm 2020 Với tầm quan trọng đó, nhiều năm gần Viện Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đưa môn học Thiết kế hệ thống Vi điện tử vào chương trình học bắt buộc kĩ sư ngành Cơ điện tử Để hiểu sâu ngành công nghệ MEMS sản phẩm ứng dụng thực tế chúng em lựa chọn đề tài: “ Thiết kế tính toán vi động quay kiểu tĩnh điện ’’ Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Hồng Phúc giúp nhóm em hoàn thành báo cáo ! Hà Nội, tháng 11/2016 Nhóm sinh viên thực Nhóm MỤC LỤC Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương 1: Tổng quan MEMS 1.1 Tổng quan MEMS Công nghệ vi chế tạo, biết đến công nghệ MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) công nghệ tiến tiến cho phép chế tạo linh kiện vi hệ thống điện tử MEMS bao gồm dạng vi cấu trúc cơ, cảm nhận tín hiệu (sensor), chấp hành (actuator) MEMS ngành công nghệ (khi so sánh với nhiều công nghệ khác thê giới) ứng dụng MEMS khoa học kỹ thuật ,trong sản xuất, đời sống vô phong phú đa dạng MEMS có máy ảnh kĩ thuật số, điện thoại thông minh, cac phương tiện giao thông vận tải ô tô, máy bay,… Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc MEMS hứa hẹn tạo cách mạng cho lọai sản phẩm, cho phép phát triển sản phẩm thông minh, tăng khả kết hợp yếu tố vi điện tử với vi cảm biến kích hoạt, tạo khả nhận biết điều khiển Ngoài ra, MEMS mở rộng khả thiết kế ứng dụng Tổng quan vi động MEMS 1.2 Trong năm gần đây, với phát triển với nghành công nghệ Micro Nano, việc nghiên cứu chế tạo động kích thước micro- hay gọi vi động trở thành yêu cầu cấp thiết Vi động với vi kích hoạt/chấp hành nguồn dẫn động cho thiết bị MEMS Vi động định nghĩa loại động kích thước micro có chức chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…), hóa học, sinh học… thành chuyển động học (thằng quay) dung dẫn động vi hệ thống 1.2.1 Phân loại Phương pháp phân loại dựa dạng chuyển động mà vi động tạo Theo phương pháp vi động chia thành vi động quay (rotary/rotational micro motor) vi động tịnh tiến (linear micro motor) (hình 1.3) Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Hình 1.3: Phân loại vi động theo tính chất chuyển động Phương pháp phân loại thứ hai dựa hiệu ứng dùng để dẫn động vi động Có thể liệt kê hiệu ứng thường sử dụng hiệu ứng điện từ (electromagnetic), tĩnhđiện(electrostatic), nhiệt điện (electrothermal), áp điện (piezoelectric) hiệu ứng hợp kim nhớ hình SMA (shape memory alloy) 1.2.2 Vi động quay kiểu tĩnh điện Lực tĩnh điện dùng để vận hành vi động có khả quay tròn Cấu trúc động bao gồm roto quay , dùng điện cực, stator điện cực đối diện điện cực stator dùng điều biến pha khiến rotor quay liên tục xử lý bề mặt trục quay phương pháp kết tủa, động bôi trơn làm việc lâu dài ổn định Động xử lý bôi trơn hoạt động liên tục hàng ngàn Phần lớn động quay tĩnh điện chế tạo công nghệ vi bề mặt với nhiều lớp oxide hy sinh silic đa tinh thể Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm 1.3 • GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Các nghiên cứu vi động quay tĩnh điện Bài báo: “ Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting Actuator”(Danelle M 2001) - • Bài báo: “Micro system Technologies, Micro and Nanosystem information storage and processing system” -Phuc Hong Pham • Dzung Viet Dao (2013) Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Tác giả đưa mô hình vi động quay kiểu tĩnh điện, nhờ lực tĩnh điện lược giúp cho vi động quay Nhờ cấu chống đảo chiều vi động quay theo chiều Ưu, nhược điểm báo khoa học Ưu điểm: - Kết cấu nguyên lý làm việc đơn giản - Điều khiển dễ dàng - Truyền chuyển động tốt, hiệu suất cao - Tiêu tốn lượng • Nhược điểm: - Cơ cấu chống đảo khó chế tao - Tạo lực ma sát cấu với - Điện áp dẫn cao - Công suất dẫn động nhỏ, dễ trượt tốc độ cao Lý chọn đề tài - Vi động quay kiểu tĩnh điện phổ biến sử dụng hiệu cho việc truyền chuyển động - Cấu tạo nguyên lý hoạt động vi động quay kiểu tĩnh điện đơn giản - Có nhiều tài liệu, báo, luận văn viết vi động quay tĩnh điện • 1.4 Thiết kế hệ thống vi điện tử Page Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Chương 2: Lý thuyết tĩnh điện 2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 2.1.1 Lực pháp tuyến bản cực Giả sử cung cấp điện áp chiều V vào tụ điện gồm cặp điện cực song song hình vẽ 2.1 Điện cực bên trái cố định tọa độ x=0, điện cực bên phải di chuyển theo phương x,điện dung tụ điện song song C= tính: A.ε ε x (2.1) Hình 2.1 Lực điện từ pháp tuyến điện cực Trong đó: A điện tích điện cực ε = 8,854.10−12 F m số số điện môi chất điện môi hai tụ điện (với không khí ) Điện tích tụ điện là: Qc = C ( x ).V Và lượng điện trường trữ tụ là: Thiết kế hệ thống vi điện tử Page (2.2) Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ec = C ( x ).V 2 (2.3) Có lực điện xuất hai điện cực Lực F n tác dụng vào điện cực bên phải làm dịch chuyển khoảng vô nhỏ x, lượng hệ bảo toàn gồm lượng nguồn cung cấp DC tụ điện: Fn ∆x + dEc dE ∆x + s ∆x = dx dx (2.4) Trong ES lượng nguồn cung cấp DC Vì ta có: Fn = − Từ biểu thức (2.3), ta có: dEc dEs − dx dx dy ∂C ( x) = V dx ∂x (2.5) (2.6) V: điện áp nguồn cung cấp, V không đổi thay đổi phụ thuộc dòng điện tích vào hoạt động nguồn cung cấp Vì ta có: dEs dQ = −V c dx dx Từ biểu thức (2.1) (2.2) ta được: dEs ∂C ( x) = V dx ∂x Từ biểu thức(2.5) ta tìm ra: Thiết kế hệ thống vi điện tử Page (2.7) (2.8) Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc A.ε ε ∂C ( x ) Fn = V = − V ∂ ( x) 2.x (2.9) Dấu “ -” biểu thức lực tác dụng hướng điện cực di chuyển phía điện cực cố định 2.1.2 Lực tiếp tuyến bản cực Ta tiếp tục khảo sát tụ điện gồm hai cực song song cách khoảng không đổi Tấm bên cố định, bên di động theo phương y hình vẽ (2.2) Giả sử khoảng cách trùng y lớn nhiều khe hở hai Hình 2.2 Lực điện từ tiếp tuyến điện cực C= Điện dung hai tụ điện là: A.ε ε h y.ε ε = g0 g0 (2.10) Trong h chiều rộng tụ Điện tích tụ điện là: Qc = C ( y ).V Và lượng điện trường là: Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 10 (2.11) Nhóm 3.2.1 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Lực kì dẫn động Là trình dẫn động cho bánh quay, tác động lực tĩnh điện dầm dẫn động kéo bánh Các lực cóc dẫn cóc vành phân tích nửa đầu chu kỳ (hình 3.5) Hình 3.5 Lực kì dẫn động Trong đó: Fes lực tĩnh điện sinh từ tụ lược Fel lực đàn hồi từ cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi) Fms1 lực ma sát vành lớp Fdh2 lực đàn hồi lẫy chống đảo Fms2 lực ma sát chân hãm cóc Khi cóc vành dẫn động vành cóc dẫn, chuyển vị vành cóc dẫn phải thỏa mã điều khiện sau: Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 16 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc d = ip + θ Với d chuyển vị vủa cóc dẫn, số nguyên i = 1, 2,… thể số bước dịch chuyển, p = 10 µm bước cóc θ = µm khe hở chế tạo cấu truyền chuyển động - Lực dẫn : (3.1) - Các lực xác định sau: (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) Với: n = 55 số lược dầm đàn dồi dẫn động b=30 m độ dày lược g=2 m khe hở lược fm = 0.3 hệ số ma sát lớp silic dẫn với m1,m2,m3 khối lượng cấu tương ứng i = 1, 2,… số bước dịch chuyển p = 10 µm bước cóc =2 m Là khe hở chế tạo - kp tính qua mô Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 17 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc kp = = 3.85µ N / µ m 0.26 Hình 3.6 Mô độ cứng cổ dầm mang lược tĩnh điện kp = = 3.85µ N / µ m 0.26 Với kp = 3.85 µN.µm-1 độ cứng cổ dầm quay quanh điểm đàn hồi Giá trị kp xác định qua mô hình 3.6 Với lực Fsim1 = µN, ta tính độ cứng dầm mang lược tĩnh điện: - kp2 tính qua mô Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 18 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Giá trị lực tính toán - Xác định điện áp tối thiểu Điều kiện để lực dẫn làm vành cóc chuyển động là: Suy ra: Hay Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 19 Nhóm Vậy: GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc với i=1 điện áp nhỏ Vmin =82.06 (V) với i=2 điện áp nhỏ Vmin =109.56 (V) 3.2.2 Tính toán lực kì hồi vị Hình 3.8 Sơ đồ phân tích lực kì hồi vị Trong kỳ hồi vị, tác dụng lực đàn hồi dầm, cóc dẫn hồi vị vị trí ban đầu trượt vành ngoài, lực tác dụng chúng (hình 3.8) Ở đầu kỳ hồi vị, lực đàn hồi thắng lực ma sát Và công thức tính toán lực: Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 20 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Mô tính toán Hình 3.9 Mô độ cứng cổ dầm lò xo cấu chống đảo Từ ta tính được: - Từ ta có thông số lực sau: với i=1 Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 21 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc với i=2 với i=1 với i=2 với i=1 với i=2 3.2.3 Điều kiện hồi vị - Điều kiện 1: Hay: Vậy nên điều kiện dẫn động : i = -> = 46.2 > 14.32 i = -> = 84.7 > 26.68 - Thỏa mãn điều kiện Điều kiện Nếu i = -> Q = 20 < 27.16 (không thỏa mãn) Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 22 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc i = -> Q = 36.68 > 27.16 (thỏa mãn) i = thỏa mãn điều kiện Vậy để vành quay bước bước dẫn cần điện áp V = 109.56 (V) 3.2.4 Tính vận tốc quay động 60.i f 60.2 f n= = = (rpm) t z 345 Trong đó: Công thức: n: số vòng quay phút t: thời gian quay vòng z=345: số cóc vành i=2 : số cóc dịch chuyển sau lần dẫn f: tần số dòng điện cấp Vậy tùy thuộc vào tần số đặt vào mà ta tính số vòng quay bánh phút, từ số vòng quay ta suy tần số đặt vào Điện áp cấp (Vpp = 115V), dải tần số cấp từ 1Hz đến 500Hz ta có kết vận tốc góc tương ứng theo lý thuyết : Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 23 Nhóm GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Mô ứng suất Ứng suất dầm - Ứng suất cấu chống đảo 3.2.5 Thiết kế hệ thống vi điện tử Page 24 Nhóm - GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ứng suất cấu dẫn Các giá trị ứng suất [...]... tạo của vi động cơ quay (MRM) gồm có bốn bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược liên kết với các cơ cấu truyền động, vành răng cóc và bốn cơ cấu chống đảo Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử Page 12 Nhóm 4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Nguyên lý hoạt động: Khi đặt một điện áp giữa hai điện cực cố định và điện cực di động của dầm của bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, do lực tĩnh điện tiếp... ta có kết quả vận tốc góc tương ứng theo lý thuyết : Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử Page 23 Nhóm 4 GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Mô phỏng ứng suất Ứng suất của dầm - Ứng suất của cơ cấu chống đảo 3.2.5 Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử Page 24 Nhóm 4 - GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ứng suất của cơ cấu dẫn Các giá trị ứng suất đều ... i=2 với i=1 với i=2 3.2.3 Điều ki n hồi vị - Điều ki n 1: Hay: Vậy nên điều ki n dẫn động : i = -> = 46 .2 > 14. 32 i = -> = 84. 7 > 26.68 - Thỏa mãn điều ki n Điều ki n Nếu i = -> Q = 20 < 27.16... suất cao - Tiêu tốn lượng • Nhược điểm: - Cơ cấu chống đảo khó chế tao - Tạo lực ma sát cấu với - Điện áp dẫn cao - Công suất dẫn động nhỏ, dễ trượt tốc độ cao Lý chọn đề tài - Vi động quay ki u... chế tạo sản phẩm 4. 1 Bước chuẩn bị Phiến SOI sử dụng cho trình gia công phiến có lớp silic linh ki n nằm lớp điện môi SiO2 (hình 4. 8) Một phiến SOI gồm có lớp: • Lớp Si (lớp linh ki n): dày khoảng