3.1. Thiết kế cấu trúc vi cơ từ tính
Trong phần luận văn này sẽ tiến hành việc thiết kế thanh Cantilever, cuộn dây tạo ra từ trường và sau đó sẽ thiết kế cấu trúc vi cơ từ tính gồm thanh Cantilever có thêm phần Ni và cuộn dây tạo từ trường. Thanh Cantilever ở đây được thiết kế bằng vật liệu Si và làm theo kiểu hình chữ nhật, hình tam giác. Như vậy ngoài việc thiết kế loại đầu dò hoạt động trong môi trường không khí thì ở đây còn thiết kế loại đầu dò đặc biệt, được kích thích bằng lực từ và nó cho phép thực hiện các phép đo trong môi trường lỏng.
3.1.1. Thiết kế thanh Cantilever
Thanh Cantilever được thiết kế theo kiểu hình chữ nhật hoặc hình tam giác. Loại cantilever chữ nhật thường được dùng để đo mẫu cứng còn loại cantilever hình tam giác thường được sử dụng cho mẫu mềm.
- Thanh Cantilever hình chữ nhật làm bằng vật liệu Si:
Thanh Cantilever được thiết kế gồm phần thanh ngang hình chữ nhật, đầu típ bằng Si, phía cuối có gắn thêm một khối có khối lượng m cũng làm bằng vật liệu Si. Thanh ngang có chiều dài L, chiều rộng W, chiều cao T, phần đầu tip chế tạo theo kiểu hình lục giác nhọn có chiều cao thay đổi từ 10 ÷ 15 µm.
- Thanh Cantilever hình tam giác:
Thanh Cantilever hình tam giác được chế tạo tương tự như thanh Cantilever hình chữ nhật nhưng chỉ khác ở chỗ là phần thanh ngang hình tam giác. Cấu tạo của nó gồm thanh ngang hình tam giác, đầu típ bằng Si, phía cuối có gắn thêm một khối có khối lượng m. Thanh ngang có chiều dài L, chiều rộng W, chiều cao T, phần đầu tip chế tạo theo kiểu hình lục tam giác nhọn có chiều cao thay đổi từ 10 ÷ 15 µm.
3.1.2. Thiết kế cuộn dây
Thiết kế cuộn dây theo kiểu cuộn dây Solenoid gồm nhiều vòng dây dẫn cuộn xít nhau trên một khung hình trụ tròn. Do đó khi cho dòng điện I chạy qua cuộn dây thì sẽ có từ trường H sinh ra.
3.1.3. Thiết kế cấu trúc vi cơ từ tính
Cấu trúc vi cơ từ tính được thiết kế gồm thanh Cantilever phía trên có phủ thêm tấm Ni được đặt trong từ trường sinh ra bởi cuộn dây Solenoid.
- Thanh Cantilever có Ni:
Thanh Cantilever có Ni được thiết kế giống thanh Cantilever bằng vật liệu Si nhưng phía trên có phủ thêm một lớp vật liệu bằng Ni hoặc Ni-Fe để tạo ra độ từ tính.
3.2. Mô phỏng:
3.2.1. Mô phỏng thanh Cantilever
Để mô phỏng thanh Cantilever hình chữ nhật thì trong phần luận văn này sử dụng kiểu solid92, đây là kiểu phần tử áp dụng cho các khối tứ diện có hình dạng bất kỳ và được sử dụng cho mô hình 3D. Thanh Cantilever chế tạo bằng vật liệu Si có mật độ (Density) là 2,332 g/cm3 và hệ số đàn hồi là 167,4 GPa. Phần đầu dò thiết kế gồm 04 khối. Khối I gồm các phần tử 1,2,3,4; khối II gồm các phần tử 5,6,7,8; khối III gồm các phần tử 7,8,9,10; khối IV gồm các phần tử 9,10,11,12. Các khối này sẽ được tạo nên như hình vẽ bằng cách liên kết các phần tử lại bằng lệnh A, lệnh vext, v, vovlap
Kết quả mô phỏng thanh Cantilever Si có chiều dài 250 m; chiều rộng 35 m; chiều cao 1,3 m; phần tip có độ cao 20 m:
Kết quả mô phỏng thanh Cantilever Si có chiều dài 350 m; chiều rộng 35 m; chiều cao 1,3 m; phần tip có độ cao 25 m:
Kết quả mô phỏng thanh Cantilever Si có chiều dài 130 m; chiều rộng 35 m; chiều cao 1,7 m; phần tip có độ cao 22 m:
Sau khi thay đổi các giá trị của chiều dài L, chiều rộng W, chiều cao T thu được các tần số cộng hưởng của thanh Cantilever khác nhau. Cụ thể như sau:
Một số kết luận:
- Phép đo tần số cộng hưởng trên hệ AFM
- So sánh với Cantilever loại DCP 11 hình chữ nhật hiện đang được dùng để thử nghiệm mẫu đo tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật lý kỹ thuật và Công nghệ Nano L (µm) W (µm) T (µm) fCH (KHz) 80 35 1.7 243,420 2 303,490 2.3 365,960 100 35 1.7 156,780 2 195,306 2.3 235,200 2.5 262,530 2.7 290,310 3 332,500 130 35 1.7 95,411 130 35 2 118,020 130 35 2.3 141,800 350 35 1 7,721 350 35 1.3 10,839 250 35 1.3 19,970 L (µm) W (µm) T (µm) fCH (KHz) fCH (KHz) của Cantilever DCP 11 100 35 1,7 156,780 190 2 195,300 255 2,3 235,200 325 130 35 1,7 95,411 115 130 35 2 118,020 150 130 35 2,3 141,800 190
Như vậy khi so sánh giữa tần số cộng hưởng của Cantilever khi mô phỏng và trên thực tế có sự khác nhau khoảng 17% - 27%. Nguyên nhân là do khi chế tạo có các yếu tố bên ngoài tác động vào như không khí, chiều dài, khối lượng của Cantilever…