Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Hồng Phúc PGS.TS Vũ Công Hàm Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày TM Tập thể hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Phúc tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Hoàng Trung Kiên i LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian dài, khó khăn nhiều thử thách tác giả hoàn thành luận án Trong suốt q trình đó, tác giả nhận giúp đỡ hỗ trợ đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, nhà khoa học, gia đình đồng nghiệp Qua tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Phúc, PGS.TS Vũ Cơng Hàm, người định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn bổ sung kịp thời kiến thức liên quan Xin chân thành cám ơn giảng viên, nhà khoa học môn Cơ sở thiết kế máy Robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, có đóng góp chun mơn q báu cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả hồn thành số quy trình thực nghiệm luận án Tác giả xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu đồng nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân đồng ý chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả xếp thời gian vừa hồn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè hết lịng ủng hộ, chia sẻ tinh thần vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu Tác giả luận án Hoàng Trung Kiên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC HÌNH VẼ xii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Phương pháp nghiên cứu luận án Những đóng góp luận án Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện lược 1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18 1.4 Thảo luận đánh giá 23 1.5 Kết luận chương 25 Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC 26 2.1 Lý thuyết tĩnh điện 26 2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến 26 2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến 28 iii 2.2 Các tham số động lực học tương đương 29 2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát 29 2.2.2 Độ cứng tương đương 31 2.2.3 Khối lượng quy đổi 34 2.2.4 Cản quy đổi khơng khí 35 2.3 Xác định đáp ứng vi chấp hành tĩnh điện lược 40 2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông 41 2.3.2 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung hình sin 42 2.3.3 Ảnh hưởng tần số dẫn đến chuyển vị 43 2.4 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt lược hình thang cân đến lực dẫn chuyển vị điều kiện ổn định 48 2.4.1 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến lực tĩnh điện 48 2.4.2 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến chuyển vị vi chấp hành 53 2.4.3 Kết đo đạc thực nghiệm 54 2.4.4 Điều kiện ổn định vi chấp hành lược hình thang cân 56 2.5 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 60 2.6 Kết luận chương 61 Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 63 3.1 Mơ hình truyền nhiệt phương trình vi phân chuyển động 63 3.1.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc 63 3.1.2 Mơ hình truyền nhiệt dạng giải tích 64 3.1.3 Mơ hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn 67 3.1.4 Lực dãn nở nhiệt vi chấp hành điện nhiệt chữ V 71 3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động 72 3.2 Khảo sát chuyển vị vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V 73 3.2.1 Kiểm chứng kết tính toán chuyển vị tĩnh 73 3.2.2 Tần số tới hạn vi chấp hành điện nhiệt chữ V 76 3.3 Ảnh hưởng kích thước dầm đến tần số tới hạn 80 3.4 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 82 iv 3.5 Kết luận chương 84 Chương XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN 86 4.1 Điều kiện bền nhiệt dầm điện áp dẫn giới hạn 86 4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm điện áp giới hạn 90 4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ) 90 4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ” 93 4.3 Điều kiện đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V 95 4.4 Xác định kích thước tối ưu dầm chữ V cho chuyển vị lớn thuật toán bầy đàn (PSO) 98 4.4.1 Ảnh hưởng thơng số kích thước dầm đến chuyển vị 98 4.4.2 Bài toán tối ưu, kết tối ưu thuật toán PSO 100 4.5 Kết luận chương 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 111 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHỤ LỤC 119 Phụ lục Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa công nghệ vi khối MEMS 119 Phụ lục Hệ thống thiết bị đo 125 Phụ lục Chương trình thuật tốn tối ưu bầy đàn 126 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt STT Ý nghĩa tiếng Anh Từ viết tắt DRIE ECA EVA GA MEMS PSO RECA SEM 10 SMA SOI 11 TECA Deep Reactive Ion Etching Electrostatic Comb-drive Actuator Electrothermal V-shape Actuator Gen Algorithm Micro-electro-mechanical System Particle Swarming Optimation Rectangular Electrostatic Comb Actuator Scanning Electron Microscope Shape Memory Alloy Silicon-on-Insulator Trapezoidal Electrostatic Comb Actuator Ý nghĩa tiếng Việt Cơng nghệ ăn mịn ion hoạt hóa sâu Bộ chấp hành lược tĩnh điện Bộ chấp hành điện nhiệt dạng chữ V Thuật toán di truyền Hệ thống vi điện tử Thuật toán tối ưu bầy đàn Bộ chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật Kính hiển vi điện tử quét Hợp kim nhớ hình Phiến silic kép Bộ chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân Danh mục ký hiệu TT Ký hiệu Đơn vị a µm A µm2 a0 µm Abt AC Ae Amb At b µm2 µm2 µm µm2 µm2 µm 10 Bc, bc µm 11 12 Bi C µN.s/µm Ý nghĩa Khoảng chồng hai tụ Diện tích mặt cắt dầm Khoảng chồng ban đẩu lược di động lược cố định Diện tích mặt đáy đẩy Diện tích bề mặt chịu cản nhớt Diện tích chồng hai tụ Diện tích mặt bên đẩy Diện tích mặt đẩy Chiều rộng tụ Lần lượt chiều dài đáy lớn, đáy nhỏ lược hình thang cân Hệ số Biot Hệ số cản khơng khí quy đổi vi TT Ký hiệu Đơn vị 13 C1 µN.s/µm 14 C2 µN.s/µm 15 C3 µN.s/µm 16 C4 µN.s/µm 17 C5 µN.s/µm 18 C6 µN.s/µm 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Cd Ce Cp CV d d0 Da de Ds E EB EC F f µN.s/µm pF pJ/kg.K µN.s/µm µm µm kg/µm3 µm kg/µm3 MPa pJ pJ µN Hz 33 F2n, F2t µN 34 F2x, F2y µN 35 36 37 38 Fb fC Fcb Fd µN Hz µN µN 39 Fdb µN 40 41 42 43 45 Fe Fe1 Fe2 Fet Fh µN µN µN µN µN Ý nghĩa Hệ số cản nhớt khơng khí mặt đáy đẩy Hệ số cản nhớt khơng khí bề mặt lược Hệ số cản nhớt khơng khí mặt bên mặt đẩy Hệ số cản diện tích đẩy vng góc với phương vận tốc Hệ số cản nhớt khơng khí tương đương mặt đáy dầm đơn Hệ số cản diện tích dầm đơn vng góc với phương Y Hệ số cản nhớt khơng khí Điện dung tụ điện Nhiệt dung riêng Hệ số cản không khí quy đổi vị trí đẩy EVA Khoảng cách bề mặt bị cản Khe hở hai tụ Khối lượng riêng không khí Khoảng cách hai điện tích điểm Khối lượng riêng silic Mô đun đàn hồi vật liệu Nội nguồn Năng lượng điện trường hai tụ Lực dãn nở nhiệt EVA Tần số điện áp dẫn Lần lượt lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp tuyến bề mặt lược hình thang cân Lần lượt lực tĩnh điện phương x, y lược hình thang cân Lực dãn nở nhiệt dọc theo trục dầm đơn Tần số ngưỡng/tần số tới hạn Tổng lực cản nhớt khơng khí mặt đáy dầm đơn Lực cản nhớt khơng khí Tổng lực cản khơng khí diện tích dầm đơn vng góc với phương chuyển động Y Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến Hàm lực tĩnh điện điện áp dạng xung vuông Hàm lực tĩnh điện điện áp dạng xung hình Sin Tổng lực tĩnh điện TECA Lực tĩnh điện hai chất điểm vii TT 46 47 48 49 50 Ký hiệu Fn Fo Ft Fy g0 Đơn vị µN µN µN µm 51 g02, g2 µm 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 ga Gbest G gs h hr I Imax K k ka ks L lc Lf Ls M mb ms N n Nb Nd nvar P Pbest Pcr Pt Q q1 q2 QC µm µm kg.µm4 µN/µm µN/µm W/m.K W/m.K µm µm µm µm kg kg kg cặp µN đoạn µN µN C C C Ý nghĩa Lực tĩnh điện pháp tuyến Hệ số Fourier Lực tĩnh điện tiếp tuyến Tổng lực tĩnh đện phương y ECA Khe hở bề mặt lược cố định di động Lần lượt khe hở ban đầu, khe hở làm việc lược hình thang cân Khe hở lớp cấu trúc Vị trí tối ưu toàn cục Giá trị "phạt" Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức Chiều dày dầm Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức Mơ men qn tính diện tích Số vòng lặp lớn Độ cứng quy đổi hệ dầm Độ cứng quy đổi dầm đơn Hệ số truyền nhiệt khơng khí Hệ số truyền nhiệt silic Chiều dài dầm Chiều dài lược Chiều dài khung ngang Chiều dài đẩy EVA Khối lượng quy đổi Khối lượng dầm đơn Khối lượng đẩy Số lược di động Số cặp dầm đơn Phản lực dọc trục dầm Số phân đoạn dầm Số biến thiết kế Số điểm tìm kiếm thuật tốn PSO Vị trí tối ưu cục Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm Lực tác dụng lên đầu dầm vị trí nối với đẩy Hệ số phẩm chất Điện tích vật mang điện Điện tích vật mang điện Điện tích tụ điện viii frequency of classic MEMS structures,” Simp Ser Solid Mech., vol 1, no 1, pp 288–308, 2009 [27] S Sundaram et al., “Vibration and shock reliability of MEMS: Modeling and experimental validation,” J Micromechanics Microengineering, vol 21, no 4, 2011 [28] A M Elshurafa, K Khirallah, H H Tawfik, A Emira, A K S A Aziz, and S M Sedky, “Nonlinear Dynamics of Spring Softening and Hardening in Folded-MEMS Comb Drive Resonators,” J Microelectromechanical Syst., vol 20, no 4, pp 943–957, 2011 [29] J Han et al., “Vibration Identification of Folded-MEMS Comb Drive Resonators,” Micromachines, vol 9, no 8, p 381, 2018 [30] B Borovic, F L Lewis, A Q Liu, E S Kolesar, and D Popa, “The lateral instability problem in electrostatic comb drive actuators: Modeling and feedback control,” J Micromechanics Microengineering, vol 16, no 7, pp 1233–1241, 2006 [31] B D Truong, C P Le, and E Halvorsen, “On the lateral instability analysis of MEMS comb-drive electrostatic transducers,” Sensors (Switzerland), vol 19, no 17, 2019 [32] G Zhou and P Dowd, “Tilted folded-beam suspension for extending the stable travel range of comb-drive actuators,” J Micromechanics Microengineering, vol 13, no 2, pp 178–183, 2002 [33] M Olfatnia, S Sood, J J Gorman, and S Awtar, “Large stroke electrostatic comb-drive actuators enabled by a novel flexure mechanism,” J Microelectromechanical Syst., vol 22, no 2, pp 483–494, 2013 [34] P H Phuc and L B Dang, “Influence of the side etching effect in DRIE on performance of electrostatic linear comb-drive actuators,” Microsyst Technol., 2017 [35] P Hong, P Khoa, T Nguyen, and L Bao, “Design and performance of a high loading electrostatic micro linear motor,” Microsyst Technol, vol 21, no 11, pp 2469–2474, 2014 [36] Đ V Hiếu, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng chế tạo cấu trúc nano.” Luận án tiến sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2021 [37] R Venditti, J S H Lee, Y Sun, and D Li, “An in-plane, bi-directional electrothermal MEMS actuator,” J Micromechanics Microengineering, vol 16, no 10, pp 2067–2070, 2006 [38] K Ogando, N La Forgia, J J Zárate, and H Pastoriza, “Design and characterization of a fully compliant out-of-plane thermal actuator,” Sensors Actuators, A Phys., vol 183, pp 95–100, 2012 [39] N D Mankame and G K Ananthasuresh, “Comprehensive thermal modelling and characterization of an electro-thermal-compliant microactuator,” J 114 Micromechanics Microengineering, vol 11, no 5, pp 452–462, 2001 [40] M S Baker, R a Plass, T J Headley, and J a Walraven, “Final Report : Compliant Thermo- Mechanical MEMS Actuators LDRD # 52553,” 2004 [41] C Guan and Y Zhu, “An electrothermal microactuator with Z-shaped beams,” J Micromechanics Microengineering, vol 20, no 8, 2010 [42] J K Luo, A J Flewitt, S M Spearing, N A Fleck, and W I Milne, “Comparison of microtweezers based on three lateral thermal actuator configurations,” J Micromechanics Microengineering, vol 15, no 6, pp 1294–1302, 2005 [43] Z Zhang, Y Yu, X Liu, and X Zhang, “A comparison model of V- and Zshaped electrothermal microactuators,” in 2015 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, ICMA 2015, Sep 2015, pp 1025–1030 [44] P Shivhare, G Uma, and M Umapathy, “Design enhancement of a chevron electrothermally actuated microgripper for improved gripping performance,” Microsyst Technol., vol 22, no 11, pp 2623–2631, 2016 [45] C Lee, “Variable optical attenuator using planar light attenuation scheme based on rotational and translational misalignment,” Microsyst Technol., vol 13, no 1, pp 41–48, 2007 [46] Y.-L Zhao, T.-J Hu, X.-Y Li, Z.-D Jiang, W Ren, and Y.-W Bai, “Design and Characterization of a Large Displacement Electro-thermal Actuator for a New Kind of Safety-and-Arming Device,” Energy Harvest Syst., vol 2, no 3– 4, pp 143–148, 2015 [47] J M Maloney, D S Schreiber, and D L DeVoe, “Large-force electrothermal linear micromotors,” J Micromechanics Microengineering, vol 14, no 2, pp 226–234, 2004 [48] M F Pantano and N M Pugno, “Design of a bent beam electrothermal actuator for in situ tensile testing of ceramic nanostructures,” J Eur Ceram Soc., vol 34, no 11, pp 2767–2773, 2014 [49] J M Maloney, D L DeVoe, and D S Schreiber, “Analysis and Design of Electrothermal Actuators Fabricated from Single Crystal Silicon,” MicroElectro-Mechanical-Systems - ASME 2000, vol Vol 2, pp 233–240, 2000 [50] S C Chen and M L Culpepper, “Design of contoured microscale thermomechanical actuators,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol 15, no pp 1226–1234, 2006 [51] Z Zhang, W Zhang, Q Wu, Y Yu, X Liu, and X Zhang, “Closed-form modelling and design analysis of V- and Z-shaped electrothermal microactuators,” J Micromechanics Microengineering, vol 27, no 1, 2017 [52] M Tecpoyotl-Torres, “Polysilicon thermal microactuators for heat scavenging and power conversion,” J Micro/Nanolithography, MEMS, MOEMS, vol 8, no 2, p 023020, 2009 115 [53] Z Zhang, Y Yu, X Liu, and X Zhang, “Dynamic modelling and analysis of V- and Z-shaped electrothermal microactuators,” Microsyst Technol., vol 23, no 8, pp 3775–3789, 2017 [54] C D Lott, T W McLain, J N Harb, and L L Howell, “Modeling the thermal behavior of a surface-micromachined linear-displacement thermomechanical microactuator,” Sensors Actuators, A Phys., vol 101, no 1–2, pp 239–250, 2002 [55] T Shan, X Qi, L Cui, and X Zhou, “Thermal behavior modeling and characteristics analysis of electrothermal microactuators,” Microsyst Technol., vol 23, no 7, pp 2629–2640, 2017 [56] R G Li, Q A Huang, and W H Li, “A nodal analysis method for simulating the behavior of electrothermal microactuators,” Microsyst Technol., vol 14, no 1, pp 119–129, 2008 [57] B López-Walle, M Gauthier, and N Chaillet, “Dynamic modelling for thermal micro-actuators using thermal networks,” Int J Therm Sci., vol 49, no 11, pp 2108–2116, 2010 [58] E T Enikov, S S Kedar, and K V Lazarov, “Analytical and Experimental Analysis of Folded Beam and V-shaped Thermal Microactuators,” Int Congr Expo Exp Appl Mech., 2004 [59] P Shivhare, G Uma, and M Umapathy, “Design enhancement of a chevron electrothermally actuated microgripper for improved gripping performance,” Microsyst Technol., vol 22, no 11, pp 2623–2631, Nov 2016 [60] J S Park, L L Chu, E Siwapornsathain, A D Oliver, and Y B Gianchandani, “Long throw and rotary output electro-thermal actuators based on bent-beam suspensions,” Proc IEEE Micro Electro Mech Syst., no 608, pp 680–685, 2000 [61] S Oak, S Rawool, G Sivakumar, E J Hendriske, D Buscarello, and T Dallas, “Development and testing of a multilevel chevron actuator-based positioning system,” J Microelectromechanical Syst., vol 20, no 6, pp 1298–1309, 2011 [62] Y Zhu, A Corigliano, and H D Espinosa, “A thermal actuator for nanoscale in situ microscopy testing: Design and characterization,” J Micromechanics Microengineering, vol 16, no 2, pp 242–253, 2006 [63] J J Khazaai, M Haris, M Khir, H Qu, and J Slicker, “Design and fabrication of a low power electro-thermal V-shape actuator with large displacement,” in Proceedings of the 2010 NSTI Nanotechnology Conference and Expo, NSTINanotech 2010, 2010, vol 2, pp 681–684 [64] R C Voicu, C Tibeica, R Muller, and A Dinescu, “An SU-8 micro-tweezer based on the chevron electro-thermal actuators with a large in-plane displacement,” in Proceedings of the International Semiconductor Conference, CAS, Nov 2017, vol 2017-Octob, pp 105–108 [65] R C Voicu, “Design, numerical simulation and experimental investigation of an SU-8 microgripper based on the cascaded V-shaped electrothermal 116 actuators,” J Phys Conf Ser., vol 757, no 1, p 12015, 2016 [66] O Fogel, S Winter, E Benjamin, S Krylov, Z Kotler, and Z Zalevsky, “3D printing of functional metallic microstructures and its implementation in electrothermal actuators,” Addit Manuf., vol 21, pp 307–311, 2018 [67] M S Suen, J C Hsieh, K C Liu, and D T W Lin, “Optimal design of the electrothermal V-beam microactuator based on GA for stress concentration analysis,” Lect Notes Eng Comput Sci., vol 2, pp 1264–1268, 2011 [68] S E Osman and M Zarog, “Optimized V-Shaped Beam Micro-Electrothermal Actuator Using Particle Swarm Optimization (PSO) Technique,” Micro Nanosyst., vol 11, no 1, pp 62–67, 2019 [69] P Wang, Y B Liu, D Wang, H Liu, W Liu, and H K Xie, “Stability study of an electrothermally-actuated MEMS Mirror with Al/SiO2 bimorphs,” Micromachines, vol 10, no 10, pp 1–11, 2019 [70] N Alcheikh, H M Ouakad, and M I Younis, “Dynamics of V-Shaped Electrothermal MEMS-Based Resonators,” vol 29, no 5, pp 1372–1381, 2020 [71] I Ertugrul, N Akkus, and H Yuce, “Fabrication of mems-based electrothermal microactuators with additive manufacturing technologies,” Mater Tehnol., vol 53, no 5, pp 665–670, 2019 [72] N T Dũng, “Nghiên cứu vi động theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V hệ điều khiển.” Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2020 [73] J J Allen, “Micro Electro Mechanical System Design.” CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005 [74] M G Jame and J G Barry, “Mechanical of material,” BRIEF EDIT Stamford, USA: Cengage Learning, 2011 [75] M Bao, “Analysis and Design Principles of MEMS Devices.” Amsterdam: Elsevier Science, 2005 [76] M Bao, “Electrostatic Actuation,” in Analysis and Design Principles of MEMS Devices, Elsevier, 2005, pp 175–212 [77] F P Incropera and D P DeWitt, “Fundamentals of Heat and Mass Transfer,” edition John Wiley & Sons, Inc., 1996 [78] R Hull, “Properties of Crystalline Silicon.” London: INSPEC, 1999 [79] W D Sylwestrowicz, “Mechanical properties of single crystals of silicon,” Philos Mag., vol 7, no 83, pp 1825–1845, 1962 [80] T Tsuchiya, T Ikeda, A Tsunematsu, K Sugano, and O Tabata, “Tensile testing of single-crystal silicon thin films at 600°C using infrared radiation heating,” Sensors Mater., vol 22, no 1, pp 1–11, 2010 [81] J Kennedy and R Eberhart, “Particle swarm optimization,” in Proceedings of ICNN’95 - International Conference on Neural Networks, 1995, vol 4, pp 1942–1948 vol.4 117 [82] Y Shi and R C Eberhart, “Parameter selection in particle swarm optimization,” in Evolutionary Programming VII, 1998, pp 591–600 [83] I C Trelea, “The particle swarm optimization algorithm: Convergence analysis and parameter selection,” Inf Process Lett., vol 85, no 6, pp 317– 325, 2003 [84] G Vanderplaats, “Numerical Optimization Techniques for Engineering Design,” 3rd ed VR&D Publications, 1999 [85] C A Coello Coello, “Theoretical and numerical constraint-handling techniques used with evolutionary algorithms: a survey of the state of the art,” Comput Methods Appl Mech Eng., vol 191, no 11, pp 1245–1287, 2002 118 PHỤ LỤC Phụ lục Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa công nghệ vi khối MEMS Quy trình chế tạo vi chấp hành vi mô tơ công nghệ vi SOIMEMS thực qua năm bước sơ đồ Hình P1.1 Bước 1: Chuẩn bị Bước 2: Quang khắc hình Bước 3:Ăn mịn khơ DRIE Bước 4: Cắt rời làm chíp Bước 5: Ăn mịn HF Hình P1.1 Sơ đồ quy trình chế tạo vi chấp hành SOI Các bước cụ thể thực sau:  Chuẩn bị Tấm wafer chuẩn bị cho q trình gia cơng silic lớp cách điện SOI (Silicon on Insulating) Cấu tạo wafer gồm có ba lớp (Hình P1.2): Hình P1.2 Chuẩn bị SOI có lớp - Lớp Si (lớp cấu trúc) có độ dày khoảng 30÷50μm, 119 - Lớp SiO2 (lớp đệm) có độ dày khoảng 2÷4μm, - Lớp silicon (lớp nền) có độ dày khoảng 450÷500μm Hình P1.3 Rửa sấy SOI Trong bước này, wafer đưa rửa để loại bỏ hoàn toàn tạp chất bám mặt (Hình P1.3) theo quy trình sau: - Ngâm sơ dung dịch Acetone khoảng 10 phút - Đun dung dịch Piranha (H2SO4:H2O = 4:1) 10 phút nhiệt độ 100℃ - Rửa SOI nước chảy (DI water) không ion khoảng phút - Sấy khơ lị sấy sấy nhiệt độ 120℃ 10 phút  Quang khắc hình Nội dung bước tạo mặt nạ theo vẽ thiết kế chuẩn bị cho q trình ăn mịn Bước quy trình thực phịng loại (100) ánh sáng vàng nhằm tránh phân hủy lớp cảm quang Để đảm bảo lớp photoresist OFPA-800-54cp bám bề mặt, cần bốc lớp chất kết dính OAP 90 giây lên bề mặt SOI trước Sau quay phủ 20ml photoresist lên bề mặt SOI trinh tự sau: - Gá SOI lên máy quay phủ Spincoater Dùng xylanh bơm 20ml dung dịch photoresist lên mặt SOI - Đặt chế độ quay: Lần có tốc độ 1000v/p giây, lần tiếp tục quay với tốc độ 3000÷4000v/p 30 giây Sau quay liên tục lần, lớp photoresist sẽ dàn mỏng lên bề mặt SOI với độ dày từ 1÷1.5 micromet đạt yêu cầu - Sấy SOI dùng bếp sấy (hot plate) khoảng 90 giây nhiệt độ 110℃ nhằm làm khô lớp photoresist Sau phủ xong ta chuyển sang quang khắc hình (Hình P1.4) Đây bước quan trọng định chất lượng chip sau Mặt nạ (mask) SOI sấy khô gá đặt lên máy chiếu chỉnh vào vị trí chiếu Các tham số quang khắc lựa chọn sau: - Kiểu chiếu: VACUUM CONTACT 120 - Thời gian chiếu: 1,6÷1,8 giây - Khe hở mặt nạ - SOI (mask-wafer): 20 micromet Hình P1.4 Quay phủ quang khắc Sau chiếu xong, lấy SOI nhúng vào dung dịch phát triển NMD3 100 giây ngâm nước khoảng phút để rửa hết lớp cảm quang dương bị phân hủy chiếu Cuối cùng, SOI sấy khơ lị sấy khoảng 15 phút nhiệt độ 120℃ Tấm SOI kiểm tra sơ kính hiển vi để phát sai sót q trình quang khắc Nếu gặp nhiều lỗi phải rửa lớp cảm quang SOI quay trở bước chuẩn bị để làm lại từ đầu Nếu kết tốt chuyển sang bước ăn mịn khơ sâu  Ăn mịn khơ DRIE Sau phủ mặt nạ photoresist lên bề mặt wafer, bước trình ăn mòn lớp silic sử dụng hệ thống ăn mòn khơ MUC-21 (Hình P1.5) Quy trình thực ăn mịn gọi quy trình BOSCH Q trình ăn mịn tiến hành lặp lặp lại theo hai bước Hình P1.5 Hệ thống ăn mịn khơ DRIE MUC-21 Đầu tiên thực ăn mịn silic việc sử dụng khí SF6 Khi tạo thành luồng plasma khí SF6 để bắn phá vào bề mặt Si, khí SF6 sẽ tác dụng với silic tạo thành sản phẩm dạng bay lên, đồng thời tỏa nhiệt Sản phẩm phản ứng bay lên 121 thiết bị chuyên dùng hút Sau bắn phá bề mặt Si sẽ bị ăn mòn tạo thành rãnh lõm Bước thứ hai trình lắng đọng polymer (deposited polymer) Các bề mặt SOI sẽ phun khí C4F8, khí phản ứng với bề mặt tạo thành lớp nhựa bao phủ bảo vệ bề mặt Sau phủ lớp bảo vệ xong, ta lại quay lại bước thứ để tiếp tục bắn phá, ăn mòn Khi có lớp phủ, vách rãnh lõm bảo vệ khơng bị khí SF6 ăn mịn Khi luồng khí SF6 thổi vào rãnh sẽ đục thủng lớp nhựa phủ đáy phần lớp nhựa thành bên để ăn mịn silic Các q trình lặp lặp lại tạo thành bậc nhỏ vỏ sị Q trình ăn mịn dừng lại lớp silic cấu trúc bị thủng hết, lộ bề mặt lớp SiO2 Các tham số ăn mịn khơ chế tạo vi chấp hành cụ thể sau: - Khí ăn mịn: SF6 - Khí bảo vệ: C4F8 - Tỉ lệ thời gian ăn mòn/phủ bảo vệ: giây/5 giây - Tốc độ ăn mịn: 1,2 µm/phút - Độ sâu ăn mịn: 30 µm Quy trình thực ăn mịn khơ sau: - Gá đặt SOI vào buồng gia công - Đặt tham số gia công cho máy - Chạy máy - Kiểm tra độ sâu gia cơng, soi thấy lớp SiO2 màu tím hồng (hoặc đo đạt độ sâu khoảng 30 µm máy ALPHA STEP 500) dừng q trình gia cơng D-RIE  Cắt rời làm chíp Tấm wafer phủ lớp chất cảm quang phương pháp quay phủ để bảo vệ vi cấu trúc, tránh bị hỏng hóc q trình cắt wafer thành chíp nhỏ (Hình P1.6) Chất phủ photoresist loại độ nhớt cao 500cp quay phủ lên SOI máy spincoater với tốc độ 1000v/p 30 giây sấy khơ lị sấy Sau đó, wafer sẽ cắt thành chip nhỏ, chíp chứa vi chấp hành nhờ hệ thống máy cắt Để cắt chip ta phải sử dụng dao chuyên dùng có lưỡi kim cương với chiều dày 50 µm 122 Hình P1.6 Dán nilon bảo vệ, cắt chíp làm Quy trình chuẩn bị cắt mơ tở cụ thể sau: - Dán lớp nilon bảo vệ lên mặt SOI - Gá dao vào trục dao - Kiểm tra áp suất nước, khí nén trước mở máy - Đặt chế độ cắt bàn điều khiển: + Tốc độ quay trục dao: 30000v/p (cho vật liệu silicon) + Tốc độ chạy dao dọc: 0,5mm/s + Chiều sâu cắt: Tùy thuộc độ dày lớp nilon bảo vệ + Chiều dài cắt: Theo đường kính SOI + Số lần tự động cắt: Tùy chọn - Gá SOI lên bàn cắt điều chỉnh vị trí vết cắt thơng qua hệ thống kính phóng đại máy - Cho máy chạy, kiểm tra vết cắt qua kính hiển vi phóng đại sau lần cắt Sau cắt SOI thành chip rời, ta rửa chip để chuẩn bị cho bước ăn mịn HF Mục đích trình rửa chip lần để tấy chất bảo vệ mảnh vụn Si sau cắt giúp cho q trình ăn mịn nhanh chóng hiệu Trình tự quuy trinh sau: - Các chip ngâm dung dịch Acetone khoảng phút để tách lớp nilon bảo vệ trình cắt - Ngâm chip dung dịch 106 (Hakuri) khoảng 10 phút nhiệt độ 100℃ (trên hot plate) để tẩy lớp photoresist bảo vệ - Tiếp tục ngâm chip dung dịch piranha khoảng 15 phút nhiệt độ 110℃ để tẩy hết chất hữu bám lại mặt chip - Rửa chip nước chảy DI khoảng phút Xì khơ mặt chip khí N - Sấy khơ chip lò sấy khoảng 10 phút 120℃ 123  Ăn mòn HF Đây bước chế tạo cuối trước chuyển sang kiểm tra sơ đặc tính hệ thống Mục đích bước ăn mòn lớp SiO2 dầm treo, lược phần di động hệ thống, giúp cho chúng chuyển động chịu tác động lực dẫn lực tĩnh điện lực dãn nở nhiệt Bước sử dụng hóa chất độc HF 46%, địi hỏi người làm thí nghiệm phải tuân thủ chặt chẽ quy trình bảo hộ (dùng mũ, kính găng tay chuyên dùng suốt trình ăn mịn hơi) Hệ thống thơng gió đảm bảo hoạt động tốt để hút HF liên tục đưa ngồi xử lý Cụ thể quy trình thực ăn mòn sau: - Chuẩn bị đèn sấy để trì nhiệt độ axit HF từ 40÷50℃ giúp cho dung dịch HF bốc tốt Sấy hộp nhựa Teflon chứa chip khoảng 15 phút - Đổ khoảng 40ml HF loại 46% vào cốc Teflon (dùng cho 3÷6 chip) Đưa chip cần ăn mòn vào hộp nhựa Teflon (chịu axit HF) có đục lỗ đưa lên cốc Bọc kín hộp giấy bạc khởi động hệ thống hút khí Thời gian ăn mịn khoảng từ 50÷60 phút (Hình P1.7) Hình P1.7 Ăn mịn HF - Kiểm tra chip kính hiển vi xem q trình ăn mịn đạt u cầu chưa Nếu chưa xong đưa vào HF tiếp 5÷10 phút Nếu xong ta chuyển sang sấy chip hot plate khoảng 10 phút 100℃ để đảm bảo bay hết nước Lúc chip sẵn sàng cho việc kiểm tra 124 Phụ lục Hệ thống thiết bị đo Hình P2.1 Sơ đồ đo Hệ đo đầu kim Bộ khuếch đại Bộ nguồn cấp xung Bộ hiển thị xung Hình P2.2 Hệ đo đầu kim 4200-SCS hãng Cascade Microtech (Mỹ) viện AIST 125 Phụ lục Chương trình thuật tốn tối ưu bầy đàn function [xopt, fopt] = my_PSO(ham_mt,nvar,LB,UB) %% cac tham so cua thuat toan PSO MaxIt = 200; nPop = 50; w = 1; wmin = 0; c1 = 2; c2 = 2; %% Varsize = [1 nvar]; % Tao mau cac ca the empty_ptc.Pos = []; empty_ptc.Vel = []; empty_ptc.Cost = []; empty_ptc.Best.Pos = []; empty_ptc.Best.Cost = []; % Tao mang cho quan the ptc = repmat(empty_ptc, nPop, 1); % Gan tot nhat toan cuc ban dau GBest.Cost = inf; %% tao cac ca the ban dau for i=1:nPop % tao cac vi tri ngau nhien ban dau ptc(i).Pos = unifrnd(LB, UB, Varsize); % lam tron cac kich thuoc ptc(i).Pos = round(ptc(i).Pos,1); ptc(i).Pos(1) = round(ptc(i).Pos(1),0); % Van toc ban dau ptc(i).Vel = zeros(Varsize); end %% ket thuc tao quan the ban dau % Mang luu gia tri tot nhat tai moi lan lap BCost = zeros(MaxIt,1); count=0; 126 %% vong lap chinh cua pso %%%%%%%%%% for it = 1:MaxIt % Vong lap quan the for i=1:nPop % Tinh gia tri cac ca the theo ham muc tieu ptc(i).Cost = ham_mt(ptc(i).Pos); % Cap nhat ca the tot nhat if ptc(i).Cost < ptc(i).Best.Cost ptc(i).Best.Pos = ptc(i).Pos; ptc(i).Best.Cost = ptc(i).Cost; % Cap nhat vi tri va gia tri tot nhat toan cuc if ptc(i).Best.Cost < GBest.Cost GBest = ptc(i).Best; end end % Cap nhat he so quan tinh w = w - (w-wmin)*it/MaxIt; % Dem so ca the hoi tu if abs(ptc(i).Pos - Gbest.Pos) 0) ~= ptc(i).Pos = UB - bc; end 127 % Lam tron cac kich thuoc ptc(i).Pos = round(ptc(i).Pos,1); ptc(i).Pos(1) = round(ptc(i).Pos(1),0); end % Ket thuc vong lap quan the % Kiem tra dieu kien thoat vong lap if count == nPop break else count = 0; end end % ket thuc vong lap tim kiem % Hien thi cac ket qua disp(['GBest.position = ' num2str(GBest.Pos), ' ; ' , 'GBest.cost = ' num2str(GBest.Cost)]); 128 ... TỔNG QUAN V? ?? VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC V? ? ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện lược 1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt ... thiện hệ thống lý thuyết vi chấp hành tĩnh điện lược điện nhiệt dạng chữ V 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Vi? ??c nghiên cứu ảnh hưởng thơng số kích thước đến chất lượng làm vi? ??c vi chấp hành có ý nghĩa quan... cho vi chấp hành đảm bảo làm vi? ??c ổn định an toàn Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án vi chấp hành tĩnh điện lược vi chấp hành điện nhiệt