Thiết kế tay kẹp vi cơ điện tử sử dụng hiệu ứng tĩnh điện kết hợp cảm biến áp điện trở phản hồi

Thiết kế tay kẹp vi cơ điện tử sử dụng hiệu ứng tĩnh điện kết hợp cảm biến áp điện trở phản hồi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS 2

1.1 TỔNG QUAN VỀ MEMS 2

1.1.1 Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS 2

1.1.2 Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ 3

1.2 THỊ TRƯỜNG MEMS 4

1.3 ỨNG DỤNG 4

1.4 GIỚI THIỆU VỀ TAY KẸP VI CƠ 5

1.5 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN BỀN CHO HỆ THỐNG TAY KẸP VI CƠ 8

2.1 LỰC TĨNH ĐIỆN GIỮA 2 BẢN TỤ 8

2.2 LỰC ĐÀN HỒI CỦA THANH NGÀM 8

2.2.1 Quan hệ giữa chuyển vị của thanh đẩy và má kẹp : 8

2.2.2 Tính lực đàn hồi của thanh ngàm 10

2.2.3 Tính toán điện áp cấp vào cơ cấu răng lược 11

2.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của cơ cấu 12

2.2.4.1 Kiểm nghiệm độ bền thanh ngàm 12

2.2.4.2 Kiểm nghiệm độ bền chân tay kẹp 12

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHO HỆ THỐNG 14

3.1 CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ 14

3.2 TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP 15

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO 16

4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TRONG MEMS 16

4.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG 18

4.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO 18

BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế tay kẹp vi cơ điện tử sử dụng hiệu ứng tĩnh điện kết

hợp cảm biến áp điện trở phản hồi

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN CỦA NHÓM 3 VÀ PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Phân tích và tính toán quá trình điều khiển điện cho hệ thống

Làm báo cáo thuyết minh

Thuyết trình

Nhóm Trưởng

KTCĐT2-K55

Tính toán bền cho hệ thống tay kẹp

Mô phỏng chuyển vị và ứng suất trên phần mềm ANSYS

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS 1.1 TỔNG QUAN VỀ MEMS

1.1.1 Khái niệm về vi cơ điện tử - MEMS

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems ) là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kíchhoạt và các yếu tố điện chung trên một nền Si bằng công nghệ vi chế tạo Trong khi những thành phần cóthuộc tính điện được chế tạo dùng công nghệ mạch tích hợp (IC) như : CMOS, bipolar, BICMOS, thìnhững thành phần vi cơ được chế tạo dùng quá trình vi cơ phù hợp đó là khắc đi có chọn lựa những phầnwafer Si hoặc thêm vào những lớp có cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và cơ điện

Hai dòng sản phẩm chính của công nghệ MEMS là cảm biến (sensor) và bộ kích hoạt (actuator)

1.1.2 Lịch sử MEMS và công nghệ vi cơ

Công nghệ vi cơ : Các quy trình lắng đọng, khắc hay xác định vật liệu với đặc trưng tối thiểu được

đo theo đơn vị micro hoặc nhỏ hơn

Hình 1.1 Một số những ứng dụng của MEMS

Công nghệ MEMS : Mọi thiết bị và hệ thống được sản xuất theo công nghệ vi cơ khác với mạch tíchhợp hay với linh kiện bán dẫn truyền thống Kích thước của chúng được đo theo đơn vị nano (nm) đếncentimet (cm) xuất các mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS Công nghệ này là cơ bản cho các sảnphẩm MEMS Lịch sử MEMS, cùng với định nghĩa của nó phụ thuộc vào sự phát triển của các quy trình

vi cơ

- Năm 1500 Các quy trình in quang đầu tiên để xác định và khắc đặc tính dưới mm

- Trong những năm1940 Sự phát triển của chất bán dẫn tinh khiết (Ge và Si)

- Năm 1947 Sự phát minh của transistor tiếp xúc, báo trước sự khởi đầu nền công nghiệp mạch bándẫn

- Năm 1949 Khả năng phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày của transistor bándẫn, tuy nhiên chi phí cao và độ tin cậy chưa đạt yêu cầu

- Năm1959 Tiến sĩ Feynman đưa ra bài diễn thuyết nổi tiếng có tựa đề ”Có rất nhiều chỗ ở dướiđáy” Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro

- Năm1960 Sự phát minh của quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tin cậy và giáthành của linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lênmột mẩu Si Sự phát triển này báo trước sự khởi đầu của nền công nghiệp IC

- Năm 1960 Với sự phát triển của transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal – oxide –semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), nền công nghiệp IC đạt đươc những hiệu quả liêntiếp đối với các mạch phức tạp được thu nhỏ

- Năm 1964 Transistor cổng cộng hưởng, được sản xuất bởi Nathenson được trình bày trong hìnhdưới, linh kiện MEMS chế tạo khối đầu tiên Sự chuyển động tĩnh điện của thanh đệm điện cực cổng bằngvàng thay đổi đặc tính điện của linh kiện

- Năm 1970 Sự phát triển của vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi xã hội, đáp ứng tạonhu cầu về công nghệ IC cao hơn

- Trong những năm 1970 và 1980 Nền thương mại MEMS đã được bắt đầu bởi nhiều công ty sảnxuất ra các phần cho nền công nghiệp tự động

- Năm 1982 Bài thảo luận của Kurt Petersen với tựa đề “Si một vật liệu cơ “ trình bày sự phát triểncủa nhiều linh kiện theo công nghệ vi cơ và được xem là công cụ làm tăng sự hiểu biết về những khả năng

mà công nghệ MEMS mang lại

- Năm 1984 Howe và Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi cơ bề mặt Si đa tinhthể và được dùng để sản

- Năm 1989 Các nhà nghiên cứu ở UCB và MIT đã phát triển độc lập động cơ đầu tiên theo côngnghệ micro được điều khiển bằng tĩnh điện

- Trong những năm 1990 Sự phát triển mạnh về số lượng lớn linh kiện, công nghệ và các ứng dụng

mở rộng phạm vi ảnh hưởng của MEMS và ngày nay vẫn đang tiếp tục

- Năm 1991 Các mấu nối dùng công nghệ micro được phát triển tại UCB bởi Pister mở rộng quytrình xử lý poly được gia công micro bề mặt sao cho cấu trúc lớn có thể được tập hợp lại ra khỏi đườngnền, cuối cùng giới thiệu những bước xử lý đặc biệt của MEMS ba chiều.

vi hệ thống hoàn chỉnh

Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là vi cảm biến Vì vậy,

sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS là do khai thác các tích chất sau đây :Thuận lợi về tỉ lệ một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn khi tối thiểu hoá sangđơn vị đo micro Chế tạo khối với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batchfabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi phí sản xuất ra nhiềulinh kiện MEMS

Tích hợp mạch sự tích hợp mạch theo công nghệ MEMS mang lại giá trị lớn, tuy nhiên giá thành và

• Con quay hồi chuyển MEMS sử dụng trong xe hơi hiện đại

• Micro MEMS trong các thiết bị di động, ví dụ như điện thoại di động và máy tính xách tay

• Silicon áp lực cảm biến ví dụ, xe lốp áp lực cảm biến , và dùng một lần huyết áp cảm biến

Hình 1.2 Một số loại tay kẹp vi cơ

• Màn hình ví dụ, chip DMD trong một máy chiếu dựa trên công nghệ DLP , trong đó có một bề mặt với vài trăm ngàn micromirrors hoặc đơn vi quét-phản ánh cũng được gọi là microscanners

• Chuyển đổi quang học công nghệ, được sử dụng để chuyển đổi công nghệ và liên kết cho truyền thông dữ liệu

• Sinh học: MEMS ứng dụng trong y tế và sức khỏe các công nghệ liên quan đến phòng thí nghiệm( cảm biến sinh học ), hoặc nhúng trong các thiết bị y tế như ống đỡ động mạch

• Màn hình hiển thị điều biến giao thoa ứng dụng (IMOD) trong thiết bị điện tử tiêu dùng (chủ yếu

là màn hình cho các thiết bị di động), được sử dụng để tạo ra điều chế giao thoa - công nghệ màn hình phản chiếu như được tìm thấy ở các màn hình mirasol

• Tăng tốc chất lỏng như là vi làm mát

• Vi quy mô thu hoạch năng lượng bao gồm áp điện, điện

Vi cơ khí đầu dò siêu âm bao gồm áp điện vi cơ khí cảm biến siêu âm và điện dung dò siêu âm vi cơ khí

1.4 GIỚI THIỆU VỀ TAY KẸP VI CƠ

Tay kẹp vi cơ là một trong nhưng ứng dụng phổ biến của ngành vi cơ điện tử (MEMS) Nó được sử dụng rộng dãi trong y học, vật liệu… để kẹp các vật có kích thước nhỏ cỡ micro met, đạt độ chính xác đến nano met Ví dụ như kẹp tế bào…

Ngyên lý hoạt động của tay kẹp vi cơ rất đơn giản thường dựa trên các hiểu ứng cơ bản về nhiệt hayđiện ( hiệu ứng tĩnh điện, sự trênh lệch khi giãn nở nhiệt) gây ra chuyển vị cho các tay kẹp để kẹp vật

Trên mỗi tay kẹp thường được thiết kế thêm một hệ thống cảm biến dùng để phản hồi tín hiệu về đểđiều chỉnh khoảng cách và lực kẹp theo yêu cầu.

1.5 ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC

Dựa theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for

Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” nhóm có đề xuất kết cấu như sau:

Lớp Oxide cách điện Lớp đế Cảm biến áp điện trở Kết cấu răng lược

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN BỀN CHO HỆ THỐNG TAY KẸP VI CƠ 2.1 LỰC TĨNH ĐIỆN GIỮA 2 BẢN TỤ

Hình 1.3 Kết cấu đầu tay kẹp

Theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” ta có công thức tính lực

tĩnh điện tiếp tuyến giữa hai bản tụ :

2 2

h : Chiều rộng của mỗi bản tụ

 : hằng số điện môi (ε = 8,85.10-12)

g : khoảng cách giữa hai bản tụ

V : điện áp đặt vào hai bản tụVậy ta có tổng lực tĩnh điện gây tác dụng lên thanh đẩy là

2 2

e

h

F n V g





2.2 LỰC ĐÀN HỒI CỦA THANH NGÀM

2.2.1 Quan hệ giữa chuyển vị của thanh đẩy và má kẹp :

Ta sử dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin tính được chuyển vị tại A (điểm tác dụng lực) và tại B ( má kẹp) :

2.2.2 Tính lực đàn hồi của thanh ngàm

Theo bài báo “Monolithically Fabricated Microgripper With Integrated Force Sensor for

Manipulating Microobjects and Biological Cells Aligned in an Ultrasonic Field” ta có công thức tính lực

đàn hồi :

3 3

t : Chiều dày thanh ngàm

w : Chiều rộng thanh

l : Chiều dài thanh thanh ngàm

Để thỏa mãn điều kiện đầu vào, muốn gắp được vật thì cần má kẹp di chuyển một đoạn xB = 5 (μm).m)

Từ kết quả tính ở (2.1) ta có độ dịch chuyển của thanh đẩy là x = 5/3,25 = 1,54 (μm).m)

Với kết cấu thanh ngàm đề xuất ta có t = 1 μm).m,w = 4 μm).m, l = 73 μm).m

Vậy giá trị lực đàn hồi của ngàm tác dụng lên thanh đẩy là:

2.2.3 Tính toán điện áp cấp vào cơ cấu răng lược

Phương trình cân bằng Momen:

400FC – (FE – FN).100 = 0

→ FE = FN + 4FC = 1,2.10-14 + 100.10-9 ≈10-7 (N)

Từ công thức 2

.2

2.2.4 Kiểm nghiệm độ bền của cơ cấu

2.2.4.1 Kiểm nghiệm độ bền thanh ngàm

M

N m W

2.2.4.2 Kiểm nghiệm độ bền chân tay kẹp

Ta chuyển toàn bộ lực tác dụng lên tay kẹp về chân tay kẹp,lúc này ngoài các lực chuyển về còn

có thêm Momen do các lực này gây ra tại điểm chuyển tới

FT = FE -FN

MT+FT .

Chân tay kẹp có độ dài a = 20 µm

M

N m W

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN CHO HỆ

THỐNG 3.1 CẢM BIẾN LỰC ÁP ĐIỆN TRỞ

Như ta đã biết cảm biến lực vi cơ xuất hiện từ nhu cầu của điều khiển rô-bốt Cảm biến loại này dolực tương tự như bộ cảm nhận trên da người Cảm biến lực cũng có thể phân loại theo những nguyên tắc

chuyển biến cơ bản như: áp điện, áp điện trở, điện dung, quang Do lực tay kẹp cần đo là lực tĩnh, quan

hệ giữa điện trở và lực rất tuyến tính, giá thành chế tạo lại thấp nên ta chọn cảm biến áp điện trở có lợi

điểm là đo được lực tĩnh Ta mắc các áp điện trở theo nguyên lý của mạch cầu Wheatstone Sau đây ta sẽ

cụ thể điều này qua loạt công thức để chỉ ra sự phản hồi điện áp để điều khiển lực tay kẹp theo mongmuốn

Ta có :

2 1

2

R R

R V

V B in





4 3

3

R R

R V

V D in





D B

3 2

1

2

R R

R R

R

R V

3.2 TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

Lực đàn hồi tác dụng lên kẹp do lò xo gây ra: F N 4 K x 4.E t .w3 3.x

g

h n

Theo phương trình cân bằng moment ta có phản lực do vật kẹp tác động lại má tay kẹp :

4

N E C

F F

F  

4

4

g

h n F

out C

3

3

.)))(

)(

1(2

308,0(

l

w t E

F       

Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng lên tay kẹp

Hình 4.1 Minh họa quy trình gia công Vi Cơ bề

mặt

CHƯƠNG 4 QUY TRÌNH CHẾ TẠO 4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TRONG MEMS

Ngày nay, với các phương pháp gia công trong MEMS, có xu hướng chung là tận dụng tối đa vậtliệu Si để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điểnhình là kỹ thuật khắc hình, trên cơ sở silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí

dụ oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly-Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng, vừađàn hồi Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt như: lớp kimloại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi,…lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạtốt dùng làm gương, lá kim loại đàn hồi dùng làm lò xo…

Hiện nay, các phương pháp gia công tiêu biểu trong MEME kể đến như sau:

 Gia công Vi cơ bề mặt (Surface Micromachining)

Là phương pháp sản xuất MEMS bằng cách lắng đọng, tạo mẫu và khắc một chuỗi các màng mỏng,dày 1÷100µm Một bước xử lý quan trọng nhất yêu cầu với linh kiện MEMS là loại bỏ đi có chọn lọc lớpphim nằm dưới lớp đệm (sacrific layer) thường là SiO2, mà không có sự xâm lấn lớp bên trên, gọi là lớpkhung (structure layer) Polysilicon hoặc SiO2 thường là vật liệu đệm hoặc cấu trúc phổ biến trong vi cơ

bề mặt Khắc những vật liệu này dùng HF vì nó dễ dàng loại bỏ silic dioxide nhưng khó khắc đựợcPolysilicon.Vi cấu trúc silic chế tạo bằng vi cơ bề mặt thường là cấu trúc phẳng

 Gia công Vi Cơ khối (Bulk Machining)

Là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm,

 Liga (Lithographie, Galvanoformung,Abformung)

LIGA (Lithographie, Galvanoformung,Abformung), theotiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và

làm khuôn Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắchình bình thường

Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm đến hàng milimet Chấtcảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn,tia X chiếu vào lớp cảm theo những diện tích nhất định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bịhoà tan Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể

đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dungdịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ không phải là haichiều như ởquang khắc thông thường

Vật liệu hi sinh phải có độ dính tốt để dễ dàng loại bỏ Lớp vật liệu ban đầu mỏng được lắng đọng,

để mạ điện lớp vật liệu nền của LIGA Phương pháp tạo màng thường được dùng ở đây là phun hợp kimTitan và Nikel Sau đó, lớp vật liệu bảo vệ dày được tạo ra là polymethylmethacrylate (PMMA) Máy giatốc tạo nguồn bức xạ tia X với năng lượng cao để chiếu lớp vật liệu bảo vệ dày

a : Đế được phủ vật liệu thay thế, vật liệu mầm và PMMA

b : Chiếu PMMA bằng bức xạ tia X

c : Mạ điện kim loại trong khuôn PMMA

 Gia công bằng tia laser

Hình 4.2 Quá trình chế tạo bằng phương pháp

LIGA

Có thể dùng tia laser để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được.Vì vậy, ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laser thường chỉ dùng để làm khuôn.Laser dùng là laser Eximơ bởi nó mới đủ mạnh và vật liệu

để gia công thường là chất dẻo, polyme

4.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG

Dựa vào thông số đầu vào vào:

 Tay kẹp có 2 phần đế và tay kẹp

 Chiều sâu: 50 µm

 Khoảng cách giữa các rang lược: 6µm

 Hai tay kẹp cách nhau 380 µm

Ta lựa chọn phương pháp quang khắc hai mặt

lên trên lớp SiO2 ở bước 3- ăn

mòn ion phản ứng sâu DRIE,

tẩy bỏ lớp cảm quang

DRIE tay kẹp

Chuẩn bị tấm đế

 Bước 1 : Chuẩn bị tấm đế

Cấu tạo tấm đế: Lớp Si trên cùng dày 50µm

Lớp SiO2 ngầm (Buried Oxide) cách điện dày 2µm

Lớp Si nền dày 400µm

 Bước 2 : Tạo mặt nạ phần đế và tay kẹp

Ta sử dụng mặt nạ phần đế và tay kẹp bằng khuôn màu với lớp Oxide Fe2O3 Loại khuôn này được chế tạo bằng cách bay hơi chân không Fe2O3 trong bình kín Ưu điểm là Fe2O3 trong suốt với ánh sáng nhìn thấy và dưới tác dụng của tia laze hoặc chùm tia ion, Fe2O3 bền và không tan trong HCl, do đó ta có thể nhìn thấy những phần bị lấp khi so khuôn

Hình 4.3 Cấu tạo tấm đế