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 thán g năm 2021 TM Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Phạm Hồng Phúc 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 hoàn thành nhiệm vụ chuyên 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 .6 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 2.2.1 Phương trình vi phân chuyển 2.2.2 Độ cứng tương đương 2.2.3 Khối lượng quy đổi 2.2.4 Cản quy đổi khơng khí 2.3 Xác định đáp ứng vi chấp hành tĩnh điện lược 2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có 2.3.2 Trường hợp điện áp dẫn có 2.3.3 Ảnh hưởng tần số dẫn đến 2.4 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt lược hình thang cân đến lực dẫn chuyển vị điều kiện ổn định 2.4.1 Ảnh hưởng góc nghiêng b 2.4.2 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến chuyển vị vi chấp hành 2.4.3 Kết đo đạc thực nghiệm 2.4.4 Điều kiện ổn định vi chấp 2.5 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 2.6 Kết luận chương Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 3.1Mơ hình truyền nhiệt phương trình 3.1.1C 3.1.2M 3.1.3M 3.1.4L 3.1.5P 3.2Khảo sát chuyển vị vi chấp hành 3.2.1K 3.2.2T 3.3Ảnh hưởng kích thước dầm đến t 3.4Ảnh hưởng kích thước dầm đến h 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 Ý nghĩa tiếng Việt STT Công 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 10 11 Danh mục ký hiệu Hợp kim nhớ hình Phiến silic kép Bộ chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân TT Ký hiệu a A a0 Abt AC Ae Amb At b 10 B c , bc 11 12 Bi C vi TT 13 14 Ký hiệu C1 C2 15 C3 16 C4 17 C5 18 C6 19 20 21 22 23 24 Cd Ce Cp CV d d0 25 26 Da de 27 28 29 30 31 Ds E EB EC F 32 f 33 F2n, F2t 34 F2x, F2y 35 36 37 38 Fb fC Fcb Fd 39 Fdb 40 41 42 43 45 Fe Fe1 Fe2 Fet Fh vii TT 46 47 48 49 50 Ký hiệu Fn Fo Ft Fy g0 51 g02, g2 52 53 54 55 56 57 ga Gbest G gs h hr 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 I Imax K k ka ks L lc Lf Ls 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 ve 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 se 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 se 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 SF 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 công, soi thấy lớp SiO màu tím hồng (hoặc đo đạt độ sâu khoảng 30 µm máy ALPHA STEP 500) dừng 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 mô 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 mòn HF Mục đích q 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 lị 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 tn thủ chặt che quy trình bảo hộ (dùng mũ, kính găng tay chuyên dùng suốt q trình ăn mịn hơi) Hệ thống thơng gió đảm bảo hoạt động tốt để hút HF liên tục đưa xử lý Cụ thể quy trình thực ăn mịn 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 mịn 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 mòn HF - Kiểm tra chip kính hiển vi xem q trình ăn mịn đạt yêu 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 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 brea k 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 .6 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