lần lƣợt là 57,71 (V); 80,96 (V); 98,73(V).
b. Lực trong kỳ hồi vị (Khi thanh răng dẫn trượt trên vành răng ngồi về vị trí ban đầu)
Trong kỳ hồi vị khi điện áp dẫn giảm về 0, thanh răng dẫn trƣợt trên răng cóc của vành răng ngồi về vị trí ban đầu. Điều kiện để thanh răng dẫn có thể hồi vị là lực Q (theo
phƣơng y) lớn hơn tổng của lực đàn hồi lò xo Fs1 và lực đàn hồi tại cổ đàn hồi thanh răng dẫn Fs2 (hình 3.20):
1 2
s s
Q F F (3. 39)
Hình 3.20 Phân tích lực trong kỳ hồi vị O O y x F’el - Ff2 Fn1 Q FS1–FS2 Ff1 α p=7m α h = 4 m Fel– Ff2 Chiều hồi vị
74 Trên hình 3.20, F’el là phản lực đàn hồi, Fn1 là áp lực trên bề mặt răng cóc, Ff1 là lực ma sát giữa thanh răng dẫn và vành răng ngoài, α = 300
là góc nghiêng của răng cóc. Răng cóc trong phƣơng án này có bƣớc răng p = 7 µm và chiều cao h = 4 µm.
Tính lực Q
Phản lực đàn hồi của dầm ECA :
F’el = Fel = kp.y (3. 40)
trong đó chuyển vị y đƣợc tính theo cơng thức y = i.p, với i là số bƣớc răng dịch chuyển. Ta có các giá trị y = 7 µm, 14 µm và 21 µm tƣơng ứng với i = 1, 2 và 3.
Q = Fn1.cosα = (F’el-Ff2) .sinα.cosα = 0,5. (Fel-Ff2).sin2α (3. 41)
Hình 3.21 Mơ phỏng độ cứng của lị xo và cổ dầm dẫn động
Các giá trị của lực Q ứng với số bƣớc răng cóc đi đƣợc trong một lần dẫn động đƣợc trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Liên hệ giữa lực Q với số bước răng cóc trong một lần dẫn động
Số bƣớc răng đi đƣợc i 1 2 3 Lực Q (µN) 15,94 31,88 47,83 (b). Mơ hình mơ phỏng (c). Chuyển vị (a). Mơ hình hình học Fsim3 (b). Mơ hình mơphỏng (a). Mơ hình hình học (c). Chuyển vị Fsim2 a) b) c) d) e) f)
75
Lực đàn hồi lò xo Fs1
Kết quả mơ phỏng độ cứng của lị xo (hình 3.21a) với các kích thƣớc: L1 = 20 µm; L= 184 µm; d1 = 2,5 µm; d2 = 5 µm; R1 = 8,2 µm; R2 = 5 µm; chiều dày hlx = 30 µm.
Với lực đặt vào Fsim2 = 56 (µN), thu đƣợc chuyển vị U2 = 10.479 (µm) (hình 3.21c). Suy ra độ cứng của lị xo: kspring = Fsim2/U2 = 56/10,479 = 5,3 (µN.µm-1
) Từ đó suy ra lực đàn hồi cần tìm của lị xo:
Fs1 = kspring.h = 5,3.4 = 21,2 (µN) (3. 42) Với x1 là chuyển vị lớn nhất của lò xo theo phƣơng x, x1 = h = 4 µm chiều cao răng cóc.
Lực đàn hồi của thanh răng dẫn Fs2
Kết quả mơ phỏng độ cứng của cổ đàn hồi (hình 3.21b) với các kích thƣớc: L = 325 µm; chiều dài phần cổ: l1 = 40 µm; chiều dài cổ đàn hồi: l2 = 20 µm; d*= 2,5 µm; R1 = 3 µm; R2 = 6 µm.
Với lực đặt vào Fsim2 = 56 (µN), thu đƣợc chuyển vị U3 = 23,47 µm (hình 3.21f). Suy ra độ cứng của cổ đàn hồi của thanh răng dẫn: krack = Fsim3/U3 = 56/23,47 = 2,38 (µN.µm-1) Từ đó suy ra lực đàn hồi cần tìm của thanh răng dẫn:
Fs2 = krack.h = 2,38.4 = 9,52 (µN) (3. 43) với h = 4 µm là chiều cao răng cóc.
Từ các biểu thức (3.41) đến (3.45) ta thấy lực Q lớn hơn tổng của lực đàn hồi lò xo Fs1 và lực đàn hồi lò xo thanh răng dẫn Fs2 chỉ khi số bƣớc răng di chuyển trong chu kỳ i = 2 hoặc
i = 3.
Từ đó có thể kết luận rằng điện áp dẫn tối thiểu là Vmin = 86,52 (V) nếu i=2 và nếu i = 3 thì
Vmin = 105,52 (V). Khi xét hiệu ứng viền thì điện áp này lần lƣợt là 80,96 (V) và 98,73(V).
3.3.3 Đánh giá phƣơng án
+ Ưu điểm: Do thanh răng cóc dẫn đƣợc liên kết trực tiếp với dầm ECA của bộ kích
hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc nên đã khắc phục đƣợc hoàn toàn khe hở θ tại vị trí liên kết thanh răng cóc dẫn 4 và cấu trúc liên kết của dầm ECA 2 vốn luôn tồn tại trong hai phƣơng án một và hai. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tối đa độ trễ truyền chuyển động từ bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc ECA ra đến phần bị dẫn là
76 vành răng ngồi. Nhờ đó nâng cao khả năng hoạt động của động cơ ở dải tần số cao hơn và tăng đƣợc giá trị vận tốc góc so với hai loại vi động cơ đã đề cập ở mục 3.1 và 3.2.
- Nhược điểm: Do có thêm kết cấu đàn hồi là cần mang thanh răng cóc dẫn trong cơ cấu
truyền chuyển động nên vi động cơ kiểu 3 có điện áp dẫn tối thiểu Vmin cao hơn các vi
77
3.4 Kết luận chƣơng 3
Trong chƣơng 3, tác giả giới thiệu ba phƣơng án thiết kế vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng răng lƣợc. Trong cả ba phƣơng án, vành răng ngoài hay vành rotor chỉ quay một chiều do sử dụng cơ cấu răng cóc và các cơ cấu chống đảo. Hai phƣơng án 2 và 3 là các phƣơng án cải tiến để khắc phục nhƣợc điểm là hiện tƣợng trƣợt khi động cơ hoạt động ở tần số dẫn lớn.
Khi phân tích lực trong các kỳ dẫn động và hồi vị, do khối lƣợng nhỏ của các thành phần chuyển động nên giả thiết là sẽ bỏ qua các lực quán tính.
Khi xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền, đối với cả ba loại động cơ, có thể thấy điện áp dẫn tối thiểu đều có giá trị giảm rõ rệt. Bảng 3.2 thể hiện điện áp dẫn tối thiểu cho các vi động cơ kiểu 1, 2 và 3 trong các trƣờng hợp dẫn động một hoặc hai bƣớc răng cóc khi khơng xét đến hoặc có xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền.
Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất yêu cầu Vmin (V) giữa các loại mô tơ
Điện áp dẫn tối thiểu (V) Hiệu ứng viền
Loại mô tơ
Bỏ qua Kể đến i = 1 i = 2 i = 1 i = 2 Loại 1 57,26 76,45 53,26 71,48 Loại 2 52,50 72,95 48,90 68,26 Loại 3 61,95 86,52 57,71 80,96
78
CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM
4.1 Giới thiệu
Trong cơng nghệ MEMS có ba phƣơng pháp gia công cơ bản là: gia công vi cơ khối (bulk micromachining), gia công vi cơ bề mặt (surface micromachining) và gia công LIGA. Trong đó, phƣơng pháp gia cơng vi cơ khối đƣợc đánh giá là tƣơng đối đơn giản và đƣợc sử dụng phổ biến trong các trƣờng đại học, viện nghiên cứu.
Trong chƣơng 4, tác giả trình bày qui trình thiết kế các loại vi động cơ trên phần mềm L-Edit và q trình chế tạo vi động cơ sử dụng cơng nghệ quang khắc (photo lithography), ăn mòn ion hoạt hóa sâu (Deep Reactive Ion Etching – DRIE), q trình ăn mịn bằng hơi axit HF (Hydrofluoric acid). Công nghệ đƣợc sử dụng trong chế tạo mô tơ là công nghệ gia công vi cơ khối sử dụng chỉ một mặt nạ (mask). Các kết quả chế tạo, đo đạc và các đánh giá cũng đƣợc trình bày.
Để có thể tạo ra các vi cấu trúc trên bề mặt tấm silicon, việc đầu tiên cần làm là thiết kế và chế tạo mặt nạ quang (photo mask). Việc chế tạo mặt nạ phụ thuộc vào loại máy và điều kiện gia công. Với thiết máy ăn mịn ion hoạt hóa sâu MUC-21 sử dụng ở trƣờng đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, khe hở nhỏ nhất có thể chế tạo là 2 µm, nên việc thiết kế mặt nạ phải tuân theo nguyên tắc đảm bảo các khe hở nhỏ nhất này để đảm bảo các chi tiết trong hệ thống khơng bị dính với nhau. Bản thiết kế đƣợc thiết lập nhờ công cụ vẽ (CAD) trên phần mềm L- Edit 8.3.
79
4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi động cơ 4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit 4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit
Hình 4.1 Thiết kế vi động cơ kiểu 1
Trên hình 4.1 là bản thiết kế vi động cơ kiểu 1. Vi động cơ đƣợc thiết kế theo hƣớng mơ đun hóa, do đó bản thiết kế đƣợc hình thành từ tập hợp các mơ đun nhƣ: rotcomb – để vẽ các bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lƣợc, anti-reverse – để vẽ cơ cấu chống đảo, vanh_rang – để vẽ
vành răng cóc ngồi … và các khối cấu trúc có hình dạng thích hợp đảm bảo u cầu tính tốn và chế tạo.
Cơ cấu chống đảo đƣợc bố trí nhƣ hình 4.2, gồm có chốt chống xoay ngƣợc đƣợc gài với răng của bánh cóc, làm cho bánh cóc khơng thể quay ngƣợc lại theo ngƣợc chiều kim đồng hồ. Khi hoạt động, thanh đẩy đƣợc ấn lên trên, làm hai cánh của thanh đẩy bị ấn vào khe hở hai bên, đồng thời thanh đẩy đẩy chốt hãm lên khiến cho chốt hãm luôn ép vào răng của bánh răng cóc.
Hai lị xo hai bên có tác dụng ép thanh đẩy xuống dƣới, khiến cho hai cánh của thanh đẩy luôn tiếp xúc với mặt bên dƣới của khe hở, giúp cố định thanh đẩy.
80
Hình 4.2 Cơ cấu chống đảo
Trong quá trình chế tạo vi động cơ, để đảm bảo tách rời và giảm thời gian ăn mòn bằng hơi axit HF, các phần chuyển động (gồm các khung di động, thanh răng cóc dẫn, răng lƣợc di động và các dầm đàn hồi …) đƣợc thiết kế dạng lƣới gồm các thanh với chiều dày không vƣợt q 8 µm. Trên hình 4.3 và hình 4.4 là bản thiết kế vi động cơ kiểu 2 và kiểu 3.
Hình 4.3 Thiết kế vi động cơ kiểu 2
Khối định vị
F
81
Hình 4.4 Thiết kế vi động cơ kiểu 3
4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế:
a. Chiều dày tối đa
Hình 4.5 Vành răng cóc dạng lưới các nan có chiều dày tối đa wmax=8 µm
2,5 μm
82 Trong quá trình chế tạo vi động cơ, để giảm thời gian ăn mòn bằng hơi axit HF cũng nhƣ giảm khối lƣợng khi hoạt động, các phần di động (nhƣ các bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc, dầm, khung di động…) đều đƣợc thiết kế dạng lƣới với bề rộng của các nan khơng q 8µm (hình 4.5).
b. Khe hở tối thiểu
Khi thiết kế mặt nạ phải luôn đảm bảo nguyên tắc khe hở nhỏ nhất giữa các bề mặt gần nhau là 2 µm, là khe hở tối thiểu để đảm bảo khí có thể ăn mịn tạo ra khe hở giữa các phần khác nhau trong q trình ăn mịn ion hoạt hóa sâu (DRIE) (hình 4.6).
Hình 4.6 Khe hở tối thiểu
4.3 Thiết lập quy trình gia cơng
Trên hình 4.7 là lƣu đồ tóm tắt các bƣớc chính của quy trình gia cơng các vi động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bƣớc chính gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mịn DRIE, cắt chíp và ăn mịn bằng hơi HF [102]. g = 2 m rộng 2.5m g = 2 m θ=2 μm δ=2 μm rộng 2,5 μm
83
Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các mơ tơ 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị
Phiến SOI đƣợc sử dụng cho q trình gia cơng là phiến có lớp silic linh kiện nằm trên lớp điện mơi SiO2 (hình 4.8). Một phiến SOI gồm có 3 lớp:
Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm
Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm
Dƣới cùng là đế silic : dầy khoảng 450 – 500 µm Lớp Si dày 30µm Lớp SiO24µm Đế Si nền Chuẩn bị Lớp cảm quang Đế Si Tấm kính
Tia UV bị giữ lại
Tia UV xuyên qua
pattern Quang khắc Ăn mịn khơ D-RIE Mặt nạ cảm quang Lớp SiO2 Lớp Si Đế Si V Phần cố định Ăn m n bằng hơi HF Phần di động Đế Si Cắt chip Chip đƣợc cắt từ phiến Phiến SOI
84 Sau đó, phiến SOI đƣợc làm sạch bằng các hóa chất nhƣ axêtơn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt. Tiếp theo tiến hành sấy ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô phiến SOI.
4.3.2 Quá trình quang khắc
Quá trình quang khắc đƣợc thực hiện nhằm đƣa hình ảnh của các linh kiện lên trên bề mặt phiến SOI (hình 4.9 - www.bs.ac/physics/fabrication).
Hình 4.9 Q trình quang khắc
Trong cơng nghệ vi cơ điện tử MEMS, vật liệu cảm quang (photoresist) đƣợc sử dụng trong kỹ thuật quang khắc. Trong đó, nhiệm vụ của lớp vật liệu cảm quang là để sao chép hình dạng các cấu trúc của linh kiện đƣợc thiết kế, vốn đã đƣợc tạo trên mặt nạ quang (photomask). Đồng thời, lớp vật liệu cảm quang cũng đóng vai trị là lớp bảo vệ cho các vật liệu đƣợc che phủ ở phía dƣới. Vật liệu cảm quang là hợp chất hữu cơ nhạy sáng (ánh sáng cực tím UV). Dƣới tác động của ánh sáng, thành phần hoặc cấu trúc của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn
Lớp Si
Lớp SiO2
Đế Si
85 đến có thể bị hịa tan (cảm quang dƣơng) hoặc khơng hịa tan (cảm quang âm) trong các hóa chất thích hợp (chất hiện hình – developer), thƣờng là các dung dịch dạng kiềm.
Có thể chia q trình quang khắc thành các bƣớc chính sau:
- Phủ chất kết dính OAP để đảm bảo lớp photoresist liên kết tốt với bề mặt phiến SOI.
- Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt phiến SOI bằng phƣơng pháp quay phủ (hình 4.10a).
- Ủ sơ bộ làm bay hơi dung mơi có trong photoresist.
- Thực hiện chiếu sáng bằng chùm tia cực tím cƣờng độ lớn qua một mặt nạ có hình dạng và kích thƣớc nhƣ thiết kế của vi động cơ xuống lớp cảm quang. Do sử dụng cảm quang dƣơng nên phần không đƣợc mặt nạ che chắn sẽ bị phân rã (hình 4.10b).
- Tiến hành hiện hình trong dung dịch (tetramethyl ammonium hydroxide 2%) để nhận ảnh cấu trúc linh kiện trên bề mặt đế.
- Ủ đóng rắn lớp cảm quang để tạo lớp bảo vệ cho các bƣớc cơng nghệ tiếp theo (hình 4.10c).
4.3.3 Q trình ăn mịn ion hoạt hóa sâu D-RIE
Ăn mịn khơ (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mịn cơ bản trong cơng nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật ăn mòn ƣớt (Wet etching) truyền thống sử dụng các dung dịch dạng kiềm (KOH, TMAH …). Về cơ bản, ăn mịn khơ có ngun lý dựa trên cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/ngun tử khí hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí đƣợc tạo ra trong mơi trƣờng plasma gây bởi q trình ion hóa do va
Lớp cảm quang
Đế Si
Tấm kính Tia UV bị giữ lại
Tia UV
xuyên qua Định dạng cấu trúc
Hình 4.10 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI
(b) (c)
86 chạm. Trong nghiên cứu này, để ăn mòn silic tạo cấu trúc linh kiện, phƣơng pháp ăn mịn khơ ion hoạt hóa sâu DRIE trên cơ sở cơ chế ăn mịn hóa lý đã đƣợc ứng dụng.
Đối với phƣơng pháp ăn mịn khơ sâu, để tạo ra các cấu trúc MEMS 3D do ăn mòn sâu vào trong đế, chúng ta thƣờng sử dụng quy trình BOSH. Quy trình này bao gồm hai bƣớc: ăn mịn và phủ lớp bảo vệ. Các bƣớc trên đƣợc lặp lại nhiều lần cho đến khi độ sâu ăn mòn đạt đến giá trị hoạch định. Khi chế tạo các vi động cơ, để thực hiện bƣớc ăn mịn, khí SF6 (sulfur hexafluoride) đã đƣợc sử dụng. Khi plasma hình thành trong buồng phản ứng, khí SF6 bị ion hóa hoặc phân ly thành nguyên tử Flo, ion SF5+ hay SF5 và điện tử nhƣ trong phƣơng trình dƣới đây:
SF6 + e- SF5+
+ F* + 2e- (4.1)
SF6 + e- SF5+ F* + e- (4.2)
Nguyên tử F* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với silic tạo ra q trình ăn mịn hóa học:
Si (rắn) + 4F (khí) SiF4 (khí) (4.3)
Sản phẩm sau phản ứng hóa học SiF4 ở dạng khí sẽ bị hút ra khỏi buồng phản ứng nhờ hệ bơm chân khơng. Kết quả của q trình ăn mịn là hình thành các rãnh/hốc sâu vào trong đế silic (hình 4.11a).
Do q trình ăn mịn thực hiện trên cơ sở phản ứng hóa học nên có tính đẳng hƣớng, nghĩa là vật liệu bị ăn mòn với tốc độ nhƣ nhau theo mọi phƣơng. Chính vì vậy để tạo hốc ăn mịn có kích thƣớc ngang xác định cần phải tiến hành bƣớc phủ lớp bảo vệ (lớp thụ động) trên bề mặt các vách của hốc ăn mịn. Trong bƣớc này, khí C4F8 (octafluorocyclobutane) đã đƣợc sử dụng. Trong mơi trƣờng plasma, khí C4F8 bị phân ly thành C3F6 dễ bay hơi và CF2:
C4F8 + e- C3F6 + CF2 + e-
(4.4)
Các phân tử khí CF2 hấp thụ trên bề mặt hốc ăn mịn và bị polyme hóa dẫn tới hình thành lớp bảo vệ có dạng giống polyme teflon (hình 4.11b).
nCF2 (CF2)n (4.5)