Thiết kế mô phỏng vi gương sử dụng phần mềm comsol

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VI GƢƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM COMSOL Sinh viên thực : LƢƠNG THẾ MẠNH Lớp : 52K - ĐTTT Giảng viên hƣớng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ QUỲNH HOA NGHỆ AN 5/2016 i MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix THUẬT NGỮ VIẾT TẮT x Chƣơng Giới thiệu hệ thống vi điện tử MEMS 1.1 Tổng quan MEMS .1 1.1.1 Giới thiệu MEMS 1.1.2 Lịch sử phát triển MEMS 1.1.3 Thực trạng MEMS nƣớc 1.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm MEMS 1.2.1 Quang khắc - Lithography .4 1.2.1.1 Cảm quang .5 1.2.1.2 Quang khắc ánh sáng - Photolithography .5 1.2.1.3 Quang khắc laze - Electron Beam Lithography 1.2.2 Vi khối 1.2.2.1 Ăn mòn ƣớt - Wet Etching 1.2.2.2 Ăn mịn khơ - Dry Etching 1.2.3 Vi bề mặt 1.2.4 LIGA 1.2.5 Hàn 1.3 Ứng dụng MEMS cho vi gƣơng Chƣơng Giới thiệu phần mềm COMSOL .11 2.1 Giới thiệu phần mềm COMSOL 11 2.2 Các môi trƣờng làm việc COMSOL 11 2.2.1 Môi trƣờng làm việc 11 2.2.2 Môi trƣờng nghiên cứu 12 2.3 Thao tác với đối tƣợng COMSOL 13 2.3.1 Thiết lập giá trị 14 ii 2.3.2 Thiết lập đối tƣợng .15 2.3.3 Thao tác đối tƣợng 17 2.3.4 Chia lƣới 19 2.3.5 Thƣ viện vật liệu 20 2.3.6 Tiến hành mô 21 2.3.7 Hiển thị kết .22 2.4 Kết luận chƣơng .24 Chƣơng Thiết kế mô khảo sát vi gƣơng 25 3.1 Động lực nghiên cứu 25 3.2 Các chế điều khiển vi gƣơng 27 3.2.1 Cơ chế điện từ ( Electromagnectic ) 27 3.2.2 Cơ chế áp lực điện (Piezoelectric) 27 3.2.3 Cơ chế nhiệt (Thermal) 28 3.2.4 Cơ chế điện cực (Electrostatic) .29 3.3 Thiết kế, mô vi gƣơng khảo sát vật liệu 30 3.3.1 Thiết kế, mô so sánh hình dạng .30 3.3.2 Thiết kế, mô so sánh độ dài dầm 34 3.3.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng vật liệu 37 3.3.3.1 Khảo sát vật liệu cho dầm 37 3.3.3.2 Khảo sát vật liệu cho mặt gƣơng trung tâm 39 3.3.4 Vi gƣơng ứng dụng chuyển mạch 2D 40 3.4 Kết luận chƣơng .43 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 iii LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ vi điện tử (MEMS) đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực truyền thông, y tế, công nghiệp ô tô Gần đây, với bùng nổ thông tin, nhu cầu trao đổi liệu ngày lớn, điều đòi hỏi hệ thống truyền dẫn với tốc độ đáp ứng nhanh với băng thông rộng Để đáp ứng đƣợc nhu cầu này, mạng truyền dẫn chuyển sang xu hƣớng mạng toàn quang, thiết bị chuyển mạch quang đƣợc xem thành phần quan trọng Chính lý đó, việc nghiên cứu thiết kế vi gƣơng ứng dụng thiết bị chuyển mạch quang đƣợc quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu hãng cơng nghệ giới Bên cạnh đó, vi gƣơng cịn đƣợc ứng dụng công nghệ DLP (Digital Light Process) kỹ thuật chụp cắt lớp quang học OCT (Optical Coherence Tomography) Vi gƣơng (micromirror) hệ thống vi điện tử gồm có mặt gƣơng đƣợc gắn kết với dầm (cantilever) hệ thống điều khiển chuyển động cho dầm từ chuyển động mặt gƣơng Có số chế điều khiển thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ chế điều khiển nhiệt điều khiển điện Các nghiên cứu vi gƣơng thƣờng tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng hình dạng mặt gƣơng, vật liệu chế tạo, nhiên chƣa có nghiên cứu khảo sát cách toàn diện ảnh hƣởng vật liệu, hình dạng mặt gƣơng đặc biệt kích thƣớc dầm lên khả hoạt động vi gƣơng Nội dung đồ án gồm chƣơng: Chƣơng giới thiệu hệ thống vi điện tử MEMS, trình bày khái niệm cơng nghệ chế tạo đƣợc sử dụng MEMS Chƣơng giới thiệu phần mềm COMSOL Multiphysics, trình bày thao tác để thiết kế thực mô phiên 3.5a Chƣơng thực thiết kế, mô khảo sát ảnh hƣởng yếu tố hình dạng, kích thƣớc vật liệu đến hoạt động vi gƣơng phần mềm COMSOL, kết thu đƣợc thảo luận Cuối đề tài trình bày kết thu đƣợc định hƣớng phát triển đề tài iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày cấu tạo, nguyên tắc hoạt động ứng dụng vi gƣơng nhƣ công nghệ DLP cho máy chiếu, thiết bị chuyển mạch quang dựa công nghệ MEMS Ảnh hƣởng tham số hình dạng, kích thƣớc, vật liệu lên độ nâng độ biến dạng mặt gƣơng đƣợc nghiên cứu thiết kế mô phần mềm COMSOL Multiphysics Các kết mô đạt đƣợc cho thấy (i) mặt gƣơng hình trịn cho độ nâng lớn độ biến dạng nhỏ so với mặt gƣơng hình vuông; (ii) độ dài dầm ảnh hƣởng lớn đến độ nâng độ biến dạng mặt gƣơng Độ dài dầm lớn cho độ nâng lớn độ biến dạng mặt gƣơng nhỏ; (iii) thay đổi vật liệu gây ảnh hƣởng không nhỏ lên tham số vi gƣơng nhƣ độ biến dạng độ nâng Các kết mô cho thấy dầm làm nhôm mặt gƣơng thép lựa chọn tốt để chế tạo vi gƣơng Để vi gƣơng đạt đƣợc góc lệch lớn, thay đổi số dầm từ bốn xuống Thiết kế cho phép vi gƣơng đạt góc lệch lớn với độ biến dạng nhỏ, phù hợp với thiết bị chuyển mạch quang ABSTRACT The thesis gives an overview of micromirror’s stucture, operation principle and its applications such as DLP project for projector and optical switch devices based on MEMS technology The influences of mirror shape, cantilevers length, and material on deformation and displacement of mirror plate were studied and simulated by COMSOL Multiphysics The obtained result show that (i) the circular shape for mirror plate gives higher displacement and deform less than that of square shape during lifting off; (ii) the longer cantilever gives higher displacement and less deformation during lifting off; (iii) the change of material affects micromirror’s parameters such as deformation and displacement Based on our observation, the combination of aluminum (for cantilevers) and steel (for mirror plate) is a good choice to build a micromirror’s structure In order to archieve the higher deflected angle, we changed the number of cantilever from to The change gives very high v deflected angle and deform less, so that can be applied in optical switch applications vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quá trình quang khắc Hình 1.2 Các quy trình ăn mịn Hình 1.3 Quy trình chế tạo sử dụng vi bề mặt Hình 1.4 Quy trình chế tạo bánh công nghệ LIGA Hình 1.5 Mặt cắt trên, dƣới hệ thống vi gƣơng 10 Hình 2.1 Lựa chọn chế độ mơi trƣờng nghiên cứu 13 Hình 2.2 Giao diện làm việc phần mềm COMSOL 3.5a 13 Hình 2.3 Bảng số COMSOL 14 Hình 2.4 Cơng cụ vẽ 3D COMSOL 15 Hình 2.5 Thiết lập khơng gian 2D khơng gian 3D COMSOL 16 Hình 2.6 Các cơng cụ vẽ không gian 2D COMSOL 16 Hình 2.7 Cơng cụ cắt, gọt chi tiết 17 Hình 2.8 Chi tiết sau đƣợc cắt, gọt 18 Hình 2.9 Chi tiết sau kết hợp công cụ 18 Hình 2.10 Chia lƣới khơng gian 2D 19 Hình 2.11 Chia lƣới tự không gian 3D 19 Hình 2.12 Thƣ viện vật liệu 20 Hình 2.13 Cơng cụ mơ COMSOL 21 Hình 2.14 Cơng cụ hiển thị kết COMSOL 21 Hình 2.15 Cơng cụ hiển thị kết video 22 Hình 2.16 Cài đặt hiển thị kết theo mặt cắt, đƣờng thẳng điểm 23 Hình 3.1 Cấu trúc chi tiết tế bào CMOS chip DMD 24 Hình 3.2 Góc phản xạ vi gƣơng chip DMD 25 Hình 3.3 Sơ đồ truyền hình ảnh hệ thống DLP 25 Hình 3.4 Vi gƣơng sử dụng điều khiển nhiệt 27 Hình 3.5 Vi gƣơng sử dụng điều khiển điệc cực với thiết kế comb driver 28 Hình 3.6 Vi gƣơng hình vng 30 Hình 3.7 Vi gƣơng hình trịn 30 Hình 3.8 Mơ vi gƣơng hình vng vật liệu nhơm 3003-H18 thép AISI 31 vii Hình 3.9 Mơ vi gƣơng hình trịn vật liệu nhơm 3003-H18 thép AISI 31 Hình 3.10 Độ dịch chuyển mặt gƣơng tùy theo lực khảo sát 32 Hình 3.11 Mối quan hệ độ biến dạng mặt gƣơng lực tác động 32 Hình 3.12 Mơ vi gƣơng hình trịn với chiều dài dầm L = 0.9mm 33 Hình 3.13 Mơ vi gƣơng hình trịn với chiều dài dầm L = 0.5mm 34 Hình 3.14 Quan hệ lực độ nâng 34 Hình 3.15 Quan hệ độ nâng biến dạng 34 Hình 3.16 Khoảng dịch chuyển mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu dầm 36 Hình 3.17 Độ biến dạng mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu dầm 36 Hình 3.18 Khoảng dịch chuyển mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu mặt gƣơng 37 Hình 3.19 Độ biến dạng mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu mặt gƣơng 37 Hình 3.20 Bộ chuyển mạch quang 2D [13] 38 Hình 3.21 Bản vẽ 2D cho vi gƣơng dầm 39 Hình 3.22 Bản vẽ 3D cho vi gƣơng dầm 39 Hình 3.23 Mối liên hệ góc lệch lực tác dụng 40 Hình 3.24 Vi gƣơng với góc lệch 89,8o góc nhìn xOz 40 Hình 3.25 Vi gƣơng với góc lệch 89,8o góc nhìn yOz 40 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Ƣu - nhƣợc điểm điều khiển 29 Bảng 3.2 Các đặc tính vật liệu 31 Bảng 3.3 Ƣu - nhƣợc điểm thiết kế dầm 35 Bảng 3.4 Các đặc tính vật liệu 35 ix THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt CMOS Complementary Metal-Oxide- Công nghệ bán dẫn Semiconductor DLP Digital Light Process Công nghệ xử lý ánh sáng số DMD Digital Micromirror Device Thiết bị vi gƣơng số EBL Electron Beam Lithography Quang khắc tia lửa điện EDM Electrical Discharge Machining Hệ thống gia công tia lửa điện ITIMS International Training Institute for Viện đào tạo quốc tế khoa LIGA LNT Materials Science học vật liệu Lithographie, Galvanoformung, Quang khắc, mạ điện, tạo Abformung khuôn Laboratory for Nanotechnology Phịng thí nghiệm cơng nghệ nano MEMS Hệ thống vi điện tử Micro Electro Mechanical Systems MIT Massachusetts Institute of Viện Công nghệ Technology Massachusetts MST Micro System Technology Công nghệ hệ thống siêu nhỏ SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên UCB University of California- Berkeley Đại học California-Berkeley x Nghiên cứu khảo sát hai hình dạng khác mặt gƣơng trung tâm bao gồm mặt gƣơng hình vng với kích thƣớc 1x1 mm mặt gƣơng hình trịn với đƣờng kính d=1mm Kích thƣớc dầm 0.9x0.1 mm 0.2x0.2 cho phần kết nối mặt gƣơng dầm Các bƣớc mô nhƣ đƣợc giới thiệu chƣơng bao gồm định dạng vật lý, thiết kế đối tƣợng, chia lƣới, lựa chọn vật liệu mô kết Trƣớc vào mô phỏng, đặc tính vật liệu sử dụng cho nghiên cứu đƣợc cho bảng 3.2 Trong thiết kế, lực tác dụng đƣợc khảo sát từ GPa đến 10 GPa Bảng 3.2 Các đặc tính vật liệu [12] Bộ phận Module đàn hồi (E) [Pa] Khối lƣợng riêng (rho) [kg/m3] Dãn nở nhiệt (alpha) [1/K] Hệ số biến dạng Poisson (nu) Nhôm 3003H18 Thanh dầm 69e9 2730 23.2e-6 0.33 Thép AISI 4340 Mặt gƣơng 205e9 7850 1.3e-6 0.28 Vật liệu Đặc tính vật liệu Kết mơ đƣợc thể qua hình 3.8 hình 3.9 Hình 3.8 Mơ vi gƣơng hình vng với vật liệu nhơm 3003-H18 thép AISI 32 Hình 3.9 Mơ vi gƣơng hình trịn với vật liệu nhơm 3003-H18 thép AISI Hai thiết kế sử dụng dầm có kích thƣớc không đổi loại vật liệu chế tạo Kết thể hình 3.10 hinh 3.11 Hình 3.10 Độ dịch chuyển mặt gƣơng tùy theo lực khảo sát Ta dễ dàng nhận thấy với lực nhau, thiết kế hình trịn đem lại dịch chuyển lớn nhiều so với thiết kế vuông Với lực 10 GPa đặt trƣớc, độ nâng gƣơng vng 244.9 um cịn gƣơng tròn 442um Điều cho thấy hệ thống với gƣơng trịn có thời gian đáp ứng nhanh hơn, tần số hoạt động lớn hơn, tiêu tốn điện Vì để tạo lực đẩy lớn đòi hỏi điện áp cao hai cực 33 Hình 3.11 Mối quan hệ độ biến dạng mặt gƣơng lực tác động Hình 3.11 cho ta nhìn rõ ràng áp lực tác động lên mặt gƣơng Với cấu trúc hình vng mặt gƣơng chịu áp lực lớn nhiều so với cấu trúc tròn Điều làm cho mặt gƣơng bị uốn cong, đặc biệt hai mép gƣơng, nơi chịu lực tác động lớn từ dầm Cụ thể với lực khảo sát Gpa, độ chênh lệch hai mép gƣơng trung tâm gƣơng hình vng 5.7 µm cịn gƣơng trịn 0.65 µm Đây chênh lệch lớn, vấn đề biến dạng mặt gƣơng phản xạ ảnh hƣởng không mong muốn việc chế tạo vi gƣơng địi hỏi độ xác cao, với mặt gƣơng bị biến dạng làm lệch hƣớng tia sáng, dẫn đến làm việc không hiệu Từ kết khảo sát khách quan, nhận thấy thiết kế vi gƣơng hình dạng trịn đem lại hiệu tốt rõ rệt so với thiết kế vi gƣơng hình dáng vng 3.3.2 Thiết kế, mơ so sánh độ dài dầm Với kết thu đƣợc từ việc nghiên cứu hình dạng vi gƣơng đƣợc trình bày phần trên, phần ta tiếp tục nghiên cứu ảnh hƣởng kích thƣớc, độ dài dầm đến hiệu làm việc gƣơng Tồn mơ sử dụng vi gƣơng hình dạng trịn, vật liệu khơng đổi, lực tác dụng khảo sát từ GPa đến 10 GPa Kết mơ đƣợc cho hình 3.12 hình 3.13 Thanh dầm với độ dài L1=0.9 mm cho độ nâng lớn so với dầm ngắn có L2=0.5 mm Hơn 34 với vật liệu, độ dài dầm lớn lực tác động để uốn cong dầm bé Đặc tính giúp hệ thống linh hoạt có tốc độ đáp ứng nhanh Hình 3.12 Mơ vi gƣơng hình trịn với chiều dài dầm L = 0.9mm Hình 3.13 Mơ vi gƣơng hình trịn với chiều dài dầm L = 0.5mm 35 Hình 3.14 Quan hệ độ nâng Hình 3.15 Quan hệ độ nâng lực tác động độ biến dạng Với lực đặt trƣớc 10GPa, vi gƣơng dầm L1=0.9mm đƣợc nâng với khoảng cách 442um, vi gƣơng với dầm L2=0.5mm đƣợc nâng với khoảng cách 244.8um Kết cho thấy dầm dài giúp hệ thống linh hoạt tiết kiệm điện dầm ngắn Bên cạnh độ nâng nhau, dầm dài đem lại độ biến dạng mặt gƣơng nhỏ nhiều so với dầm ngắn Các mối quan hệ đƣợc cho hình 3.14 hình 3.15 Tuy nhiên việc kéo dài kích thƣớc dầm làm tăng kích thƣớc tế bào vi gƣơng, dẫn đến tăng kích thƣớc thiết bị Vấn đề toán cho nhà khoa học muốn thiết kế hệ thống với độ nhạy cao, kích thƣớc nhỏ Bảng 3.3 Ƣu - nhƣợc điểm thiết kế dầm Kích thƣớc dầm Dài Ƣu điểm Nhƣợc điểm - Thời gian đáp ứng nhanh - Kích thƣớc hệ thống tăng - Ít tiêu tốn điện theo độ dài dầm - Áp lực lên gƣơng giảm 36 - Kích thƣớc nhỏ gọn - Độ nhạy thấp - Áp lực lên gƣơng lớn Ngắn - Tiêu tốn điện 3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu Bảng 3.4 Các đặc tính vật liệu [12] Module đàn hồi (E) [Pa] Khối lƣợng riêng (rho) [kg/m3] Dãn nở nhiệt (alpha) [1/K] Hệ số biến dạng Poisson (nu) Nhôm 3003-H18 69e9 2730 23,2e-6 0,33 Silicon 131e9 2330 4,15e-6 0,27 Đồng 110e9 8700 17e-6 0,35 Vàng 70e9 19300 14,2e-6 0,44 Thép AISI 4340 205e9 7850 12,3e-6 0,28 Vật liệu Đặc tính vật liệu Trong phần nội dung nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng vật liệu cấu tạo lên cấu trúc vi gƣơng Các vật liệu đƣợc sử dụng nghiên cứu đƣợc cho bảng 3.5 3.3.3.1 Khảo sát vật liệu cho dầm Trong phần tập trung nghiên cứu thay đổi cấu trúc thay đổi vật liệu cấu tạo dầm Vật liệu cho mặt phẳng gƣơng trung tâm đƣợc chọn giữ nguyên vật liệu thép AISI 4340 Vật liệu dầm đƣợc khảo sát ba trƣờng hợp: đồng, silicon, nhôm 3003-H18 Kết mơ đƣợc cho hình 3.16 hình 3.17 37 Hình 3.16 Khoảng cách dịch chuyển mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu dầm Hình 3.17 Độ biến dạng mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu dầm Theo kết hình 3.16 hình 3.17 ta nhận thấy thay đổi vật liệu cấu tạo dầm, với lực tác động nhỏ độ biến dạng mặt gƣơng xấp xỉ có chêch lẹch khơng đáng kể Sự chêch lệch rõ nét độ nâng mặt gƣơng Thanh dầm với vật liệu nhôm 3003-H18 mang lại độ nâng lớn nhất, dầm với vật liệu đồng mang lại độ biến dạng mặt gƣơng bé Tuy nhiên đồng vật liệu có độ cứng nhiệt độ nóng chảy cao, điều gây khó khăn lãng phĩ trình chế tạo nhƣ vận hành Hơn vật liệu nhơm có khối 38 lƣợng riêng 2730 kg/m3 nhẹ đồng 8700kg/m3, điều giúp vật liệu nhôm có tính linh hoạt tốt hơn, phù hợp với u cầu tốc độ chuyển mạch nhanh vi gƣơng Với ƣu điểm trên, ta lựa chọn vật liệu nhôm 3003-H18 cho dầm 3.3.3.2 Khảo sát vật liệu cho mặt gương trung tâm Trong phần tập trung nghiên cứu thay đổi cấu trúc thay đổi vật liệu cấu tạo nên mặt gƣơng trung tâm Dựa kết qua từ nghiên cứu trƣớc, vật liệu cho dầm đƣợc chọn giữ nguyên vật liệu nhôm 3003-H18 Vật liệu cấu tạo nên mặt gƣơng đƣợc khảo sát ba trƣờng hợp: nhôm 3003-H18, thép AISI 4340, vàng Kết mô đƣợc cho hình 3.18 hình 3.19 Hình 3.18 Khoảng cách dịch chuyển mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu mặt gƣơng Hình 3.19 Độ biến dạng mặt gƣơng phụ thuộc vào vật liệu mặt gƣơng 39 Kết mô cho ta thấy rõ khác biệt trƣờng hợp độ nâng biến dạng cong mặt gƣơng Với khối lƣợng riêng nhẹ 2700 kg/m3 nên độ nâng vật liệu nhôm lớn Tuy nhiên mặt gƣơng nhơm có độ cứng khơng cao Chính tính chất mặt gƣơng làm nhơm có độ biến dạng lớn, không phù hợp để làm vật liệu mặt gƣơng Tƣơng tự với vật liệu vàng, vàng có đặc tính dẻo nên dễ đạt đƣợc độ cao lớn Nhƣng độ biến dạng lớn khiến cho vàng lựa chọn thích hợp Đối với mặt gƣơng thép, độ dịch chuyển không cao nhƣng mặt gƣơng có độ cứng cao, điều làm giảm độ biến dạng mặt gƣơng phải chịu lực tác dụng lớn Đây yếu tố quan định hoạt động vi gƣơng, mặt gƣơng biến dạng lớn làm chệch hƣớng tia sáng phản xạ Ƣu điểm thích hợp cho hệ thống địi hỏi độ an tồn cao Trên thực tế, vật liệu thép đƣợc ứng dụng nhiều để làm vật liệu cho mặt gƣơng 3.3.4 Vi gương ứng dụng chuyển mạch 2D Nhƣ trình bày phần trƣớc, vi gƣơng dầm thƣờng đƣợc ứng dụng chip DMD, chip DLP Vi gƣơng dao động liên tục, nhiên, thiết kế có góc lệch so với vị trí ban đầu vi gƣơng nhỏ, góc lệch thƣờng thay đổi từ -16o đến 16o Chính nên thiết kế 3D phần trƣớc khơng thích hợp với chuyển mạch quang yêu cầu góc lệch lớn Để làm đƣợc điều ngƣời ta sử dụng thiết kế vi gƣơng với kết cấu hai dầm phía, khác phía dầm Hình 3.20 Bộ chuyển mạch quang 2D [13] 40 Hình 3.20 cho thấy chuyển mạch quang với cấu trúc vi gƣơng với hai dầm Với thiết kế vi gƣơng đạt góc lệch lớn mà khơng bị biến dạng nhƣ vi gƣơng bốn dầm Dựa kết khảo sát trƣớc, thiết kế vi gƣơng với mặt gƣơng tròn đƣợc hỗ trợ hai dầm dài 0.9mm, chiều cao 40 µm Thiết kế sử dụng vật liệu nhôm cho dầm vật liệu thép cho mặt gƣơng Trong phần nghiên cứu khảo sát mối liên quan góc lệch vi gƣơng theo lực tác dụng để giúp mặt gƣơng đạt góc lệch 90o Hình 3.21 hình 3.22 cho thấy hình dạng kích thƣớc chi tiết thiết kế Hình 3.21 Bản vẽ 2D cho vi gƣơng dầm Hình 3.22 Bản vẽ 3D cho vi gƣơng dầm 41 Tiến hành mô khảo sát với giá trị lực từ 1.4 GPa đến GPa Kết biểu diễn mối liên hệ góc lệch lực đƣợc biểu diễn hình 3.23 Hình 3.23 Mối liên hệ góc lệch lực tác dụng Kết thu đƣợc cho thấy góc lệch thay đổi cách tuyến tính với lực tác dụng khoảng 1.4 GPa đến GPa Với lục tác động 2.4 GPa ta thu đƣợc góc lệch 89.8o Kết mơ đƣợc biểu diễn hình 3.24 Hình 3.24 Vi gƣơng với góc lệch 89,8o góc nhìn XOZ Hình 3.25 Vi gƣơng với góc lệch 89,8o góc nhìn YOZ 42 Dựa vào kết mơ thu đƣợc, ta nhận thấy với thiết kế dầm chiều giúp cho bề mặt gƣơng phản xạ không bị biến dạng cong, méo hoạt động góc lệch lớn nhƣ thiết kế vi gƣơng với bốn dầm phần nghiên cứu trƣớc Thiết kế cho phép vi gƣơng hoạt động góc lệch lớn lớn 90o Tuy vậy, hạn chế thiết kế chiều phản xạ không linh hoạt Đối với tia sáng tới, tia phản xạ tƣơng ứng với vị trí khác vi gƣơng nằm mặt phẳng Còn với thiết kế vi gƣơng bốn dầm, tia phản xạ nằm vùng không gian phản xạ đa chiều 3.4 Kết luận chƣơng Qua phần ta hiểu đƣợc cấu tạo cách hoạt động vi gƣơng Cùng với trình khảo sát, đƣa đƣợc ƣu điểm nhƣợc điểm thiết kế vi gƣơng khác nhau; chọn lựa đƣợc vật liệu phù hợp với trình chế tạo thực tế giúp đạt đƣợc kết cao Đây sở giúp phát triển nghiên cứu vi gƣơng sau 43 KẾT LUẬN Đồ án giới thiệu tổng quan công nghệ MEMS ứng dụng, đặc biệt thiết bị vi gƣơng đƣợc sử dụng công nghệ DLP chuyển mạch quang Sự ảnh hƣởng tham số hình dạng, kích thƣớc, vật liệu cấu trúc dầm lên độ nâng độ biến dạng mặt gƣơng đƣợc nghiên cứu thiết kế mô phần mềm COMSOL Multiphysics Các kết mô đạt đƣợc cho thấy (i) mặt gƣơng hình trịn cho độ nâng lớn độ biến dạng nhỏ so với mặt gƣơng hình vng; (ii) độ dài dầm ảnh hƣởng lớn đến độ nâng độ biến dạng mặt gƣơng Độ dài dầm lớn cho độ nâng lớn độ biến dạng mặt gƣơng nhỏ; (iii) thay đổi vật liệu gây ảnh hƣởng không nhỏ lên tham số vi gƣơng nhƣ độ biến dạng độ nâng Các kết mô cho thấy dầm làm nhôm mặt gƣơng thép lựa chọn tốt để chế tạo vi gƣơng; (iv) số lƣợng vị trí đặt dầm có ảnh hƣởng lớn đến góc lệch gƣơng, với thiết kế hai dầm phía cho phép vi gƣơng hoạt động góc lệch lớn với độ biến dạng nhỏ đƣợc ứng dụng thiết bị chuyển mạch quang Với kết đạt việc khảo sát cấu trúc dầm mặt gƣơng, tiếp tục nghiên cứu sâu chế điều khiển, cách thức hoạt động thực tế hệ thống vi gƣơng thiết bị chuyển mạch quang 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.electronicproductsktn.org.uk “MEMS - Recent Developments, Future Directions”, truy cập lần cuối ngày 30/4/2016 [2] https://ducthe.wordpress.com/2011/12/18/quang-khac-cong-nghe-khac- hinh-va-tao-linh-kien, truy cập cuối ngày 30/4/2016 [3] Trần Vũ Minh, “Nghiên cứu, thiết kế mô vi cảm biến áp lực trở”, Đại học Quốc gia Hà Nội, trƣờng Đại học Công nghệ, 2014 [4] https://en.wikipedia.org/wiki/LIGA, truy cập cập cuối ngày 5/5/2016 [5] https://www.youtube.com/watch?v=CbN7h3o51Zo, LIGA micromachining process overview, Southwest Center for Microsystems Education, 2012 [6] Rakesh Kumar Dhull, A Two degrees-of-freedom (DOF) scanning micromirror using thermocapillary effect in microdroplets, 2010 [7] Sangtak Park, So-Ra Chung, and John T.W Yeow, A design analysis of micromirror in stacked, International journal on smart sensing and intelligent systems, Vol 1, no 2, June 2008 CONFIGURATIONS WITH MOVING ELECTRODES [8] https://vi.wikipedia.org/wiki/%C3%81p_%C4%91i%E1%BB%87n, truy cập cuối ngày 30/4/2016 [9] Young Ho Seo, Doo-Sun Choi, Joon-Hyung Lee, Taik-Min Lee, Tae-Jin Je and KyungHyun Whang, Piezoelectric Actuator Based on Stiffness Control and Stroke Amplication for Large Lateral Actuation, IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp 383-386, 2005 [10] Janak Singh, Terence Gan, Ajay Agarwal, Mohanraj, Saxon Liw, 3D free space thermally actuated micromirror device, Sensors and Actuators A: Physical, pp 468-475, 2005 [11] Jeffery F Rhoads, Steven W Shaw, and Kimberly L Turner, The nonlinear response of resonant microbeam systems with purely-parametric electrostatic actuation , Journal of Micromechanics and Microengineering, pp 890-899, 2006 [12] COMSOL Multiphysics version 3.5a - Material library - Characteristic 45 [13] Lih Y Lin and Evan L Goldstein, Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) for WDM Optical-Crossconnect Networks, AT&T Labs-Research, 100 Schulz Drive, Red Bank, NJ 07701, 1999 46 ... học, vi điện tử (MEMS) Chƣơng giới thiệu nhìn tổng quan phần mềm COMSOL Multiphysis phiên 3.5a bƣớc tiến hành thiết kế mô vi gƣơng 2.2 Các môi trƣờng làm vi? ??c COMSOL 2.2.1 Môi trường làm vi? ??c COMSOL. .. nghiệm - Chế tạo phức tạp với bo mạch điện tử 3.3 Thiết kế, mô vi gƣơng khảo sát vật liệu Nội dung nghiên cứu phần thiết kế mô vi gƣơng sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, sở tiếp tục nghiên cứu... đặt phần tƣơng ứng Các phần bao gồm: - Slide: Kết mô cho lát cắt - Isosurface: Kết mô cho bề mặt - Subdomain: Kết mô cho miền phụ - Boundary: Kết mô cho dạng khối - Edge: Kết mô cho đƣờng vi? ??n