Thiết kế mô phỏng và chế tạo micromotor dựa trên actuator tĩnh điện và cơ cấu cóc

DƯƠNG XUÂN CHUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC DƯƠNG XUÂN CHUNG HÀ NỘI - 2009 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO MICROMOTOR DỰA TRÊN ACTUATOR TĨNH ĐIỆN VÀ CƠ CẤU CÓC NGÀNH : KHOA HỌC VẬT LIỆU MÃ NGÀNH: DƯƠNG XUÂN CHUNG Người hướng dẫn khoa học : TS PHẠM HỒNG PHÚC HÀ NỘI – 2009 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn kết than tơi, khơng phải chép hay cóp nhặt tác giả Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Hồng Phúc, người trực tiếp hướng dẫn trình làm luận văn Những kiến thức kỹ mà thầy truyền lại cho giúp nghiên cứu chủ động sáng tạo, thu nhiều kết khả quan Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy, anh bạn nhóm MEMS bảo giúp đỡ nhiều để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể cán bộ, nhân viên Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu ITIMS tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu suốt hai năm học vừa qua Cuối cùng, dành tất lịng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, người bên động viên q trình học tập cơng tác Hà Nội, ngày 16 tháng 11 năm 2009 Dương Xuân Chung Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu MỤC LỤC Trang Mục lục i Tóm tắt luận văn (tiếng Việt) iv Tóm tắt luận văn (tiếng Anh) v MỞ ĐẦU Chương 1: Tổng quan vi điện tử - MEMS 1.1 Sơ lược công nghệ vi điện tử MEMS 1.1.1 Khái niệm vi điện tử 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Những sản phẩm & ứng dụng linh kiện MEMS, cơng nghệ MEMS 1.1.4 Tình hình phát triển ứng dụng công nghệ MEMS Việt Nam 1.1.5 Vật liệu thị trường MEMS 10 1.2 Phân loại ứng dụng actuator 11 1.2.1 Định nghĩa actuator 11 1.2.2 Actuator nhiệt 12 1.2.2.1 Actuator cặp nhiệt 12 1.2.2.2 Actuator sử dụng kim loại định hình 13 1.2.3 Actuator áp điện 14 1.2.4 Actuator tĩnh điện 14 1.2.4.1 Actuator tĩnh điện kiểu dầm công xôn 16 1.2.4.2 Actuator tĩnh điện quay 16 1.2.4.3 Actuator tĩnh điện tuyến tính 17 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 i Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu 1.2.4.4 Actuator kiểu lược 18 Chương 2: Lý thuyết actuator tĩnh điện tính sai số chuyển vị sai số chế tạo 21 2.1 Khái niệm actuator tĩnh điện 21 2.1.1 Hiệu ứng tĩnh điện lực điện 21 2.1.2.1 Lực pháp tuyến Fn 22 2.1.2.2 Lực tiếp tuyến Ft 24 2.1.2 Chuyển vị lực pháp tuyến 25 2.2 Giới thiệu actuator tĩnh điện kiểu lược 26 2.3 Ứng dụng comb actuator để thiết kế motor 28 2.3.1 Mô tả actuator sử dụng để thiết kế 28 2.3.2 Ứng dụng comb actuator để thiết kế motor 30 2.3.2.1 Thiết kế 30 2.3.2.2 Cấu trúc lược 32 2.3.2.3 Cấu trúc lò xo đẩy 33 2.3.2.4 Cơ cấu chống đảo 34 2.3.2.5 Cơ cấu truyền chuyển động 35 Chương 3: Mô chế tạo micromotor sử dụng comb actuator 36 3.1 Giới thiệu phần mềm Ansys 36 3.2 Xây dựng mô hình comb actuator xoay 38 3.2.1 Mơ tả tốn 38 3.2.2 Mơ hình tốn 38 3.2.3 Mơ Ansys 40 3.3 Quy trình chế tạo 46 3.3.1 Các bước chế tạo 46 3.2.2 Quy trình rửa chip 49 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 ii Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu 3.4 Kết luận kết đạt 51 3.5 Thí nghiệm ăn mịn SiO2 HF 51 3.5.1 Bố trí thí nghiệm 51 3.5.2 Quy trình thí nghiệm 52 3.5.3 Kết 53 Chương 4: Đo đạc đặc tính micromotor 56 4.1 Xây dựng hệ đo kiểm tra hoạt động micromotor 56 4.1.1 Yêu cầu hệ đo 56 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ đo 58 4.1.3 Hệ đo 58 4.2 Tính tốn vận tốc góc motor theo lý thuyết so sánh với thực nghiệm 60 4.3 Giải thích sai số đề biện pháp khắc phục 62 4.1.1 Giải thích sai số 62 4.1.2 Biện pháp khắc phục 62 Chương 5: Kết luận 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC 67 A BÀI TỐN CẤU TRÚC MƠ PHỎNG ACTUATOR XOAY 67 B BÁI TỐN TĨNH ĐIỆN MƠ PHỎNG ACTUATOR XOAY 72 Dương Xuân Chung – ITIMS K15 iii Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu LỜI NÓI ĐẦU Gần cơng nghệ chế tạo tích hợp linh kiện linh kiện điện tử phát triển mạnh, gọi công nghệ chế tạo hệ vi điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Tại Việt Nam, công nghệ MEMS đưa vào nghiên cứu sau có dịch chuyển kinh tế, kêu gọi đầu tư nửa cuối thập kỉ 90 (thế kỉ XX) Trong luận văn tốt nghiệp này, em giao nhiệm thiết kế, chế tạo mô micromotor – loại motor có vai trị quan trọng việc phát triển hệ vi rôbốt Sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS để thiết kế mô actuator tĩnh điện kiểu lược loại xoay dùng micromotor Dưới hướng dẫn, bảo tận tình, chu đáo thày giáo TS Phạm Hồng Phúc, quan tâm góp ý thày giáo, anh nhóm nghiên cứu MEMS, viện ITIMS, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến luận văn tốt nghiệp em hồn thành Tuy nhiên thời gian có hạn nên luận văn chúng em trình bày đầy đủ vấn đề liên quan, chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận thông cảm ý kiến đóng góp thầy để luận văn tốt nghiệp hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Dương Xuân Chung – ITIMS K15 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ - MEMS 1.1 Sơ lược công nghệ vi điện tử MEMS 1.1.1 Khái niệm vi điện tử Công nghệ vi điện tử chế tạo vi mạch hay mạch tích hợp Trên phiến bán dẫn, thường silic người ta tạo lớp mỏng oxyt silic để cách điện, bảo vệ, lớp silic pha tạp loại p, loại n để làm tranzitor, lớp kim loại để làm điện cực, dẫn điện v.v Công nghệ vi điện tử đạt đỉnh cao, mảnh silic diện tích cỡ vài centimet vng làm từ vài trăm triệu đến tỉ linh kiện, tạo thành mạch chức nhớ nhiều, xử lý cực nhanh, trái tim máy tính Tuy nhiên cơng nghệ vi điện tử làm linh kiện điện, nằm mặt phẳng gắn chặt với đế silic Mạch tích hợp phức tạp, có nhiều điện cực vào ra, thực nhiều chức chức điện Mạch tích hợp khơng thể làm chức thí dụ quay, dịch chuyển, dao động, bơm v.v Nếu cần có phận thực chức phận chế tạo theo kiểu cổ điển, phải ghép nối thủ cơng với mạch tích hợp, tất nhiên cồng kềnh Gần công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện linh kiện điện tử phát triển mạnh, gọi công nghệ chế tạo hệ vi điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Về mặt chuyên môn, công nghệ MEMS giải nhiều yêu cầu kỹ thuật theo cách hồn tồn Thí dụ xe ôtô, trước chỗ ngồi hành khách để đảm bảo an toàn người ta đặt túi rỗng để đựng khí xếp nhỏ, dấu kín khơng trơng thấy Trường hợp xe bị va chạm tức lúc có gia tốc đột ngột (gia tốc âm), phận tự động điều khiển cực nhanh cho khí xì ra, căng phồng túi khí, người Dương Xuân Chung – ITIMS K15 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu chồm lên va vào túi khí Trước cảm biến gia tốc để điều khiển tự động to lon nước giải khát giá 15 đôla, làm công nghệ MEMS nhạy hơn, nhỏ đốt ngón tay giá vài đơla Tính xe ơtơ đại có đến hàng trăm cảm biến làm theo công nghệ MEMS (điều khiển túi khí, theo dõi áp suất nhiệt độ bánh xe, điều khiển bơm lốp non hơi, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, nước làm nguội v.v ) Nhiều loại tự động cồng kềnh trước đây, thay linh kiện vi điện thể tích khơng đáng kể, chất lượng hẳn Tính năm để dùng riêng cho xe ôtô người ta sản xuất 100 triệu linh kiện MEMS Một thí dụ linh kiện DMD (Digital Micromirror Device - linh kiện vi gương kỹ thuật số) Ðó hệ gồm cỡ triệu gương , gương kích thước 16x16µm2, quay phạm vi 10o điều khiển mạch vi điện tử, tất chế tạo phiến silic Các gương khít xếp thành hàng, thành dãy trật tự gương có tia sáng (laze màu) chiếu vào Chương trình cài đặt máy vi tính điều khiển để gương quay cho tia phản xạ không phản xạ, chiếu lên ảnh (tấm vải, tường) tạo hình ảnh Linh kiện nhỏ gọn, đóng kín, khơng bị nước bụi ảnh hưởng, sử dụng phổ biến máy chiếu phim kỹ thuật số, máy chiếu hình điều khiển vi tính để thuyết trình hội thảo v.v Ra đời chưa đến cỡ triệu linh kiện DMD đưa sử dụng, nâng cao hẳn kỹ thuật nghe nhìn 1.1.2 Lịch sử phát triển Lịch sử MEMS, với định nghĩa phụ thuộc vào phát triển quy trình vi - Năm 1500 Các quy trình in quang để xác định khắc đặc tính mm Dương Xuân Chung – ITIMS K15 Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Khoa học vật liệu PHỤ LỤC A BÀI TOÁN CẤU TRÚC !==== Material Properties ==== poisson=0.28 youngm=170e3 !MPa density=2.33e-15 !kg/micron3 gravity=9.81*1e6 ! Micron/sec2 !====== Dien ap vol=20 !==== actuator Size and Division ========= ncomb=80 !!So rang luoc dkhoi=10 lmin=10 !Chieu dai comb w=2 !Chieu rong comb gap=w !Khe ho giua comb ovlmin=3 !Do trung cua ban cuc co=4 lco=12 kc=397 pi=3.1415926 r1=775 ! Ban kinh fmin=10 ! alfa=lmin/r1 ! Goc om beta=fmin/r1 r2=r1+2*(ncomb-1)*(w+gap)+w fmax=beta*r2 bmin=5 fixed=100 bdepth=30 ! Be day dam delta=1e-2 !===== Division depth=30 beam=25 comb=3 fix=5 depthdiv=5 !============================ /prep7 mp,ex,2,youngm mp,prxy,2,poisson mp,dens,2,density /vup,all,z /view,1,1,1,1 !