Mục đích của quá trình này là ăn mòn lớp SiO2 nằm dƣới các cấu trúc linh kiện đƣợc thiết kể để có thể chuyển động sau khi ăn mòn khô (D-RIE). Quá trình ăn mòn đƣợc thể hiện thông qua phƣơng trình phản ứng:
Hình 4.11 Quá trình ăn mòn khô D-RIE
(a) (b) (c) Mặt nạ cảm quang Lớp SiO2 Lớp Si Đế Si (d) ion Silic lớp polyme bảo vệ vách dạng vỏ sò ion ion
88
SiO2 + 6HF = H2 + SiF6 + 2H2O (4.6)
Các chip cần ăn mòn đƣợc để lên một giá đỡ. Axit HF đƣợc đựng trong bình phía dƣới. Cả giá và bình thông thƣờng đƣợc làm từ nhựa teflon (có khả năng chống lại sự ăn mòn của HF). Axit HF nồng độ 40% đƣợc gia nhiệt lên khoảng 40 500C, khi đó hơi axit sẽ bốc bay mãnh liệt lên các chip đặt ở trên giá và gây ra quá trình ăn mòn lớp đệm SiO2. Tốc độ ăn mòn SiO2
trong hơi HF khoảng 0,2 µm/phút. Các sản phẩm sau phản ứng là H2 và SiF6 sẽ đƣợc hút ra ngoài.
Sau quá trình ăn mòn trong hơi HF, các chip đƣợc sấy khô ở nhiệt độ 100 1200C trong khoảng 10 phút và đã sẵn sàng cho các bƣớc kiểm tra, đo đạc tiếp theo.
V
Phần cố định
Hình 4.13 Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF
Phần di động Đế silic
Hình 4.12 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF
Hơi axit HF
SiO2
Đế Si Các phần chuyển động
89 4.4. Tóm tắt quy trình chế tạo Chuẩn bị Lớp Si linh kiện 30µm Lớp SiO24µm Đế Si 450µm Chuẩn bị phiến SOI và mặt
nạ
Rửa sạch bằng nƣớc khử ion (DI water) trong 5 phút
Rửa phiến bằng aceton trong 5 phút
Thổi khô bằng khí nitơ
Sấy khô ở nhiệt độ khoảng 1100C
90 Quang khắc Lớp cảm quang bảo vệ (PR mask) 1.5m Phủ chất kết dính OAP (1100C; 120 giây) Quay phủ với tốc độ lần lƣợt: - 1000 v/ph trong 5 giây - 4000 v/ph trong 30 giây Phủ photoresist OFPR-800 54CP (positive) bằng máy quay phủ
Sấy (1100C; 90 giây)
Chiếu: soft contact, gap 20 µm, thời gian chiếu 1,6 giây
Nhúng phiến SOI trong dung dịch NMD3 để hiện hình trong 120 giây
Rửa bằng nƣớc khử ion (DI water) trong 5 phút và thổi khô
Sấy phiến 15 phút bằng có hút khí tại 1100C trong 15 phút
91
Hình 4.14 Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan
92
Ăn mòn khô sâu DRIE
Chuẩn bị phiến SOI và đƣa vào máy để tiến hành ăn mòn khô
Chuẩn bị máy ăn mòn khô ICP-RIE
Thiết lập thông số:
- Bƣớc ăn mòn-Etch cycle: Khí: SF6
Lƣu lƣợng: 130 sccm Thời gian: 7 sec - Bƣớc phủ lớp bảo vệ:
Khí: C4F8
Lƣu lƣợng: 85 sccm Thời gian: 5 sec
+ Tốc độ ăn mòn: 1.8 2.1
m/ph
Kiểm tra kết quả ăn mòn qua kính hiển vi điện tử
MUC – 21 – Sumitomo Precision Products Co. Ltd.
Lớp SiO2 Quá trình gia công kết thúc
khi chiều sâu ăn mòn đạt 30
93
Cắt và làm sạch chip Phủ lớp photoresist 510 CP bảo vệ
chíp.
- Sấy ở nhiệt độ 1200C trong 2 5 phút.
-Đặt tấm SOI vào máy DAD522 và tiến hành hiệu chỉnh.
- Thiết lập bƣớc cắt 10,16 mm Dán lớp màng bảo vệ
Thực hiện cắt và theo dõi quá trình
Làm sạch lớp photoresist: - Aceton: 5 ph, nhiệt độ phòng
- Rửa bằng nƣớc DI trong 5 ph Dùng Hakuri 106 (95C) trong 10 ph - Rửa lại bằng nƣớc DI trong 5 ph
Rửa chip bằng dung dịch Pirhana (H2SO4+ H2O2 (4:1)): ban đầu dùng 15ml H2O2 , sau đó 60ml H2SO4 (100C) trong thời gian 10 ph - Rửa bằng nƣớc DI trong10 ph - Thổi khô bằng khí Nittơ - Sấy ở 110C trong 10 ph
94
Hình 4.16 Sơ đồ bố trí hệ ăn mòn hơi HF
Ăn mòn bằng hơi HF
Chuẩn bị: Đèn 60W (khoảng cách từ đèn đến giá đựng chíp 7 cm). Sấy ấm khoảng 15-20 phút cho nhiệt độ đồng nhất
Để giá đựng chip lên hộp HF, bọc kín, thời gian ăn mòn HF 50 60 phút. Phản ứng hóa học:
SiO2+ 6HF → H2SiOF6+ 2H2O Đổ HF vào lọ (h=2cm -khoảng cách từ mặt axit đến đáy).
Sấy ấm trong 10 phút.
Lấy chip để chuẩn bị tiến hành đo đạc
7 cm 2 cm 60W HF Đèn sấy Chíp Lọ Teflon
95
4.5 Xử lý, đánh giá kết quả 4.5.1 Kết quả thu đƣợc 4.5.1 Kết quả thu đƣợc
Các chip sau khi đƣợc chế tạo sẽ đƣợc chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Dƣới đây là một số hình ảnh chụp của các chip vi động cơ một chiều kiểu 1, kiểu 2 và kiểu 3. Kết quả khảo sát cho thấy các cấu trúc linh kiện không bị dính (do chƣa ăn mòn hết) hoặc bị gãy. Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc cũng nhƣ lớp SiO2 đệm dƣới các chi tiết có thể chuyển động đã đƣợc loại bỏ hoàn toàn.
Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1
Trên hình 4.17 là hình chụp SEM của vi động cơ quay kiểu 1, ngoài hệ thống tổng thể, có thể thấy rõ các cơ cấu truyền chuyển động, cơ cấu chống đảo cũng nhƣ các điểm đàn hồi của dầm mang các điện cực trong bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ECA và vị trí ban đầu chƣa kích hoạt giữa dầm trong cơ cấu chống đảo với các răng cóc của vành rotor bên ngoài. Tƣơng tự, trên hình 4.18 và 4.19 là các vi động cơ kiểu 2, 3 cùng các cơ cấu đi kèm.
96
Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2
97
4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả
Sau khi chế tạo, các chip đƣợc đo đạc thông qua hệ thống đo để kiểm tra khả năng hoạt động và các đặc tính. Việc đo đạc trực tiếp các thông số và đặc tính (chuyển vị, vận tốc, vận tốc góc,…) là tƣơng đối khó khăn, đòi hỏi thiết bị chuyên dụng. Để việc đo đạc phù hợp với điều kiện thực tế, việc thu thập và xử lý kết quả đo đƣợc thực hiện theo quy trình sau:
+ Đầu tiên thông qua kính hiển vi, camera (có độ phân giải đạt yêu cầu) ghi lại toàn bộ quá trình hoạt động của các vi động cơ dƣới dạng hình ảnh và video (hình 4.20).
+ Sau đó các dữ liệu hình ảnh và video đƣợc chạy trên phầm mềm của máy tính để ghi lại các thay đổi trên các khung hình (frames), từ đó xác định đƣợc chuyển vị trong các vi động cơ. Từ các dữ liệu video thu đƣợc đồng thời có thể tiến hành tính toán vận tốc góc trong hệ thống. + Căn cứ trên các số liệu thu thập đƣợc, ngƣời thiết kế có những phân tích, đánh giá về khả năng làm việc của hệ thống. Từ những điểm chƣa đạt yêu cầu có thể đề xuất biện pháp cải tiến và khắc phục cho những bƣớc tiếp theo.
Hình 4.20 Chip được kích điện, đo đạc và quay phim thông qua kính hiển vi
4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1
a. Tính vận tốc góc lý thuyết của vi động cơ
Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor của vi động cơ quay một vòng đƣợc là:
740 37 (phút ) 60. . 60. . 3. . z t i f i f i f (4.7)
98 Với z = 740 là số răng cóc của vành răng, f tần số của dòng điện dẫn và các số nguyên i = 1, 2,… phụ thuộc vào thanh răng cóc dẫn (điện áp càng lớn thì chuyển vị bƣớc càng lớn). Trong trƣờng hợp đang xét có i=2, do đó vận tốc góc của động cơ là:
1 3 . . 6 ( v/p h ) 3 7 3 7 i f f n t (4.8)
Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 1
Với mục đích kiểm tra hoạt động của vi động cơ, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc đặt vào các cực của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc. Tần số dòng điện đƣợc điều chỉnh từ 1 đến 100 Hz. Hình 4.21 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của động cơ. Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dòng điện dẫn đƣợc so sánh với tính toán lý thuyết trong bảng 4.1 và đồ thị hình 4.22.
Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,80 10 1,62 1,59 20 3,24 2,91 30 4,86 4,32 40 6,48 5,64 50 8,10 6,01
99
Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
b. Đánh giá đặc tính
Qua đồ thị 4.22 thiết lập đƣợc ở trên, ta thấy khi tần số của dòng điện kích hoạt f nhỏ hơn 30 Hz, vận tốc góc n của vi động cơ tỷ lệ thuận với tần số f và phù hợp với các tính toán lý thuyết. Nhƣng ở dải tần số lớn hơn, vận tốc góc thực tế đo đạc bắt đầu có sự sai số với vận tốc góc lý thuyết. Khi tần số f càng tăng thì sai số càng lớn. Có thể giải thích nguyên nhân của hiện tƣợng này nhƣ sau: Độ cứng của dầm đỡ hệ điện cực của bộ kích hoạt/chấp hành ECA và độ cứng lò xo răng cóc dẫn là khác nhau, do đó với tần số dòng điện lớn (f > 30 Hz) thì khả năng đáp ứng của lò xo sẽ chậm hơn cổ đàn hồi (nghĩa là khi cổ đàn hồi về vị trí cũ thì lò xo chƣa kịp bung ra để dẫn động cho chu kỳ tiếp theo) dẫn tới sự trƣợt trong dẫn động từ răng cóc dẫn sang răng cóc bị dẫn. Sự trƣợt này sẽ tăng dần theo sự tăng của tần số dòng điện. Một nguyên nhân khác ảnh hƣởng đến vận tốc của vi động cơ là các khe hở trong cơ cấu truyền chuyển động.
4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2
a. Cách thức tiến hành xử lý dữ liệu
Tƣơng tự nhƣ đối với vi động cơ kiểu 1, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc sử dụng. Tần số dẫn đƣợc thay đổi từ 1 đến 100 Hz. Trên hình 4.23 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của vi động cơ.
Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dòng điện dẫn đƣợc so sánh với tính toán lý thuyết trong bảng 4.2 và đồ thị hình 4.24.
0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số dòng điện dẫn(Hz) Lý thuyết Đo đạc
100
Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 2
Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,81 10 1,62 1,60 20 3,24 3,12 30 4,86 4,46 40 6,48 6,10 50 8,10 6,85
Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số (Hz) Lý thuyết Đo đạc
101
b. Đánh giá đặc tính
Qua đồ thị trên hình 4.24 có thể thấy phƣơng án cải tiến trong thiết kế cho phép vi động cơ kiểu 2 hoạt động với vận tốc góc lớn hơn và sát với vận tốc góc lý thuyết hơn động cơ kiểu 1. Tại tần số dẫn 30 Hz, khi ở vi động cơ kiểu 1 đã bắt đầu xuất hiện sai lệch giữa kết quả đo đạc và kết quả tính toán lý thuyết, thì vi động cơ kiểu 2 vẫn có vận tốc quay đạt yêu cầu. Đồ thị 4.25 cho phép so sánh trực tiếp vận tốc làm việc của hai loại động cơ.
Hình 4.25 So sánh vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80 V)
Từ đồ thị 4.25 có thể thấy nhờ các thay đổi trong cơ cấu truyền chuyển động với mục tiêu đảm bảo trạng thái tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn và vành rotor bên ngoài, vi động cơ kiểu 2 hoạt động tốt hơn so với vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo đạc chỉ bắt đầu lệch với kết quả tính toán khi tần số dòng điện dẫn vƣợt quá 40 Hz. Cũng có thể thấy, tuy có cải thiện trong kết cấu, nhƣng vẫn tồn tại khe hở 2 µm mỗi bên giữa cấu trúc liên kết với dầm chính của bộ ECA và cấu trúc liên kết với thanh răng cóc dẫn trong cơ cấu truyền chuyển động của động cơ kiểu 2, do đó chuyển động của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc không đƣợc truyền trực tiếp để dẫn động vành răng bên ngoài. Điều này góp phần gây nên hiện tƣợng trƣợt giữa các răng ở các tần số dẫn lớn. Phƣơng án vi động cơ kiểu 3 với thanh răng cóc dẫn liên kết trực tiếp với dầm chính của bộ kích hoạt/chấp hành đƣợc thiết kế nhằm khắc phục nhƣợc điểm đó.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tốc gó c ( v/ph ) Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết Vận tốc góc mô tơ kiểu 1 Vận tốc góc mô tơ kiểu 2
102
4.6 Kết luận chƣơng 4
- Trong chƣơng này tác giả đã tiến hành:
+ Xây dựng bản vẽ chế tạo mặt nạ chủ (MASK) bằng phần mềm L-Edit. Nguyên lý xây dựng bản vẽ đã đƣợc mô tả chi tiết. Các bản vẽ hệ thống vi động cơ đƣợc xây dựng dƣới dạng mô đun và lớp, có tính kế thừa, giúp cho việc sửa chữa và cải tiến đƣợc thuận tiện. Việc xây dựng bản vẽ tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của công nghệ MEMS, đảm bảo tính chính xác và khả thi cho việc làm mặt nạ.
+ Thiết lập qui trình gia công các vi động cơ sử dụng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micromachining) bằng quá trình quang khắc, ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu DRIE và ăn mòn bằng hơi axit HF. Qui trình chế tạo vi động cơ bằng phƣơng pháp gia công vi cơ khối là một qui trình chuẩn, dễ thực hiện và có độ ổn định cao, đồng thời đảm bảo độ chính xác khi chế tạo. Do chỉ sử dụng 1 mặt nạ nên tránh đƣợc sai số căn chỉnh, góp phần hạ chi phí chế tạo các vi động cơ.
+ Đo đạc, đánh giá dựa trên kiểm tra qua thiết bị hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy các chip đƣợc chế tạo thỏa mãn các yêu cầu thiết kế.
+ Đo đạc, thiết lập đặc tính và đánh giá hoạt động của hai loại vi động cơ quay kiểu 1 và 2. Kết quả cho thấy các hoàn thiện về mặt kết cấu đã có tác dụng tốt. Các kết quả đo đạc thực nghiệm của động cơ loại 2 sát với các kết quả lý thuyết hơn so với động cơ loại 1.
103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận án bao gồm bốn chƣơng, tập trung lần lƣợt vào các nội dung về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện, tính toán thiết kế ba loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lƣợc và thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các vi động cơ. Trong luận án, các vi động cơ đƣợc đƣợc hệ thống hóa dựa trên hoặc dạng chuyển động đầu ra (động cơ quay hoặc động cơ tịnh tiến), hoặc hiệu ứng đƣợc sử dụng để dẫn động (hiệu ứng tĩnh điện, điện từ, nhiệt điện, áp điện, hợp kim nhớ hình và một số loại đặc biệt khác). Qua phân tích về cấu trúc, quy trình chế tạo và ƣu nhƣợc điểm của các loại động cơ, tác giả lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu là các vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng tĩnh điện , cụ thể là các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc. Công nghệ chế tạo đi kèm là công nghệ vi cơ khối, sử dụng một mặt nạ để gia công trên phiến silic kép SOI.
Việc thiết kế các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc đƣợc tiến hành dựa trên cơ sở lý thuyết tĩnh điện. Hiệu ứng viền (fringe effect) và ảnh hƣởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện cũng đƣợc phân tích làm rõ. Có thể thấy rằng dƣới ảnh hƣởng