Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC Lời nói đầu 3 I. Tổng quan 4 1.1 Tổng quan về MEMS 4 1.2 Tổng quan về vi động cơ (micromotor) 7 1.2.1 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt 7 1.2.2 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện 11 1.3 Đề xuất mô hình 14 II. Tính toán vi động cơ 16 2.1 Tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V 16 2.2 Phân tích lực trong hệ thống vi động cơ 18 2.2.1 Quá trình dẫn động 18 2.2.2 Quá trình hồi vị 21 III. Chế tạo vi động cơ 24 3.1. Làm sạch phiến SOI 25 3.2. Phủ chất cảm quang photoresist 25 3.3. Quang khắc và tráng rửa 26 3.4. Ăn mòn khô hoạt hóa sâu DRIE 27 3.5. Cắt wafer ra thành từng chip. 28 3.6. Tách lớp photoresist. 28 3.7. Ăn mòn SiO2 bằng hơi axit HF 28 IV. Kết luận 29
NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: Vi Động Cơ Quay Nhiệt Điện Giảng viên: TS Đặng Bảo Lâm Nhóm 19 Thành viên: Phạm Văn Tiệp MSSV: 20133974 Dương Xuân Thủy MSSV: Tô Thanh Tiến MSSV: NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm MỤC LỤC Lời nói đầu Trong kỷ 21, công nghệ MEMS thực có tầm ảnh hưởng to lớn Các linh kiện MEMS chế tạo sở công nghệ vi điện tử (IC) Công nghệ MEMS bắt đầu nghiên cứu ứng dụng từ năm 70 kỷ trước, bắt đầu việc chế tạo cảm biến áp suất sở công nghệ vi khối Từ cuối năm 80, giai đoạn phát triển thứ hai công nghệ MEMS bắt đầu với phát triển công nghệ vi bề mặt Ngày nay, MEMS trở thành giải pháp công nghệ sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp mảnh đất màu mỡ cho cách tân kỹ thuật Mỗi thiết bị sử dụng MEMS mang đặc tính cao chất lượng, khả hoạt động giá thành Các thống kê gần cho biết sản phẩm MEMS công nghiệp có trị giá khoảng 6.5 tỷ USD năm 2003 (theo số liệu System Planning Cooporation) lên tới 10.5 tỷ USD năm 2005 Thị phần sản phẩm MEMS cảm biến áp suất, điều khiển chất lỏng, cảm biến quán tính chuyển mạch quang học Các khó khăn cần vượt qua công nghệ MEMS chủ yếu liên quan tới việc đóng vỏ, kỹ thuật đo đặc trưng việc tích hợp linh kiện MEMS với vi mạch Hiểu tầm quan trọng đó, năm gần Viện Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đưa môn học Vi điện tử vào chương trình học bắt buộc kĩ sư ngành Cơ điện tử Để hiểu sâu ngành công nghệ MEMS sản phẩm ứng dụng thực tế, nhóm chúng em xin chọn đề tài: “Vi động quay nhiệt điện dựa công nghệ Mems” Trong trình học tập, nghiên cứu thực đề tài, chúng em nhận giúp đỡ tận tình, tâm huyết từ thầy giáo TS Đặng Bảo Lâm giúp chúng em hoàn thành đề tài Tuy cố gắng trình làm đề tài số thiếu sót, mong góp ý thầy giáo cácbạn NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Đặng Bảo Lâm giúp chúng em hoàn thành đề tài này! I Tổng quan 1.1 Tổng quan MEMS Hệ thống vi điện tử-MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) làvi điện tử bao gồm cảm biến chấp hành có kích thước nhỏ cỡ micro milimet tích hợp phần tử khí(mechanical elements), cảm biến (sensors), kích hoạt(actuators) cấu kiện điện tử (electronics) sản xuất công nghệ micro (micro-fabrication tech) MEMS tích hợp yếu tố cảm biến (sensor) kíchhoạt (actuator) NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Công nghệ chế tạo MEMS công nghệ sử dụng kỹ thuật giống kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ công nghệ quang khắc, chùm ion hội tụ ) Tuy nhiên không giống linh kiện IC tạo từ lớp cấu trúc 2D, sản phẩm công nghệ MEMS linh kiện có cấu trúc không gian chiều thực - gọi thiết bị MEMS MEMS có ứng dụng rộng rãi đời sống: điện thoại thông minh (Smart Phone) , ô tô, công nghệ hàng không – vũ trụ, y tế, Robot công nghiệp … Hình 1.1 Ứng dụng MEMS[google.com.vn] Công nghệ vi tiến xa nhiều so với nguồn gốc công nghiệp bán dẫn Các linh kiện MEMS thường cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường hệ thống vi tích hợp chip mà kết hợp phần chuyển động với yếu tố sinh học, hoá học, quang điện Kết linh kiện MEMS đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc gia tốc Với ưu thế: NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm tạo cấu trúc học nhỏ bé tinh tế nhạy cảm đặc thù, cho phép tích hợp mạch điện tổ hợp (IC) cấu trúc khác nhau, chế tạo hàng loạt, độ lặp lại cao, linh kiện đơn lẻ thiết bị hoàn chỉnh, công nghệ vi cho phép tạo cảm biến (sensor), chấp hành (actuator) ứng dụng rộng rãi sống Bộ chấp hành ( dẫn động, truyền động – Actuator) cấu trúc biến đổi dạng lượng cơ, quang, nhiệt, điện từ, hóa học, sinh học thành lượng học, tạo chuyển động tương đương với trình điều kiển Kết trình tác động dạng: ngăn cản, kẹp chặt, kéo đẩy Được ứng dụng lĩnh vực tự động hóa quy trình sản xuất: motor,robot… Về Micro Motor, có loại động sử dụng kích hoạt điển hìnhlà: -Động sử dụng kích hoạt tĩnh điện (Kiểu rănglược) -Động sử dụng kích hoạt nhiệt (Bộ kích hoạt nhiệt chữ V kích hoạt nhiệt hot – coldarm) Lịch phát triển MEMS: Lịch sử MEMS, với định nghĩa phụ thuộc vào phát triển quy trình vi Năm 1900 Các quy trình in quang để xác định khắc đặc tính mm Trong năm 1940 Sự phát triển chất bán dẫn tinh khiết (Ge Si) Năm 1947 Sự phát minh transistor tiếp xúc, báo trước khởi đầu công nghiệp mạch bán dẫn Năm 1949 Khả phát triển Si đơn tinh thể tinh khiết cải tiến cách trình bày transistor bán dẫn, nhiên chi phí cao độ tin cậy chưa đạt yêu cầu Năm1959 Tiến sĩ Feynman đưa diễn thuyết tiếng có tựa đề "Có nhiều chỗ đáy " Trong đó, ông ta trình bày số lượng khoảng trống khổng lồ có sẵn theo đơn vị đo micro NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Năm 1960 Sự phát minh quy trình chế tạo khối phẳng (planar) cải tiến rõ rệt độ tin cậy giá thành linh kiện bán dẫn Ngoài ra, công nghệ phẳng cho phép tích hợp nhiều linh kiện bán dẫn lên mẩu Si Sự phát triển báo trước khởi đầu công nghiệp IC Năm 1960 Với phát triển transistor hiệu ứng trường oxit bán dẫn kim loại (metal – oxide – semiconductor field – effect transistor _ MOSFET), công nghiệp IC đạt đươc Sensor Actuator hiệu liên tiếp mạch phức tạp thu nhỏ Năm 1964 Transistor cổng cộng hưởng, sản xuất Nathenson trình bày hình dưới, linh kiện MEMS chế tạo khối Sự chuyển động tĩnh điện đệm điện cực cổng vàng thay đổi đặc tính điện linh kiện Năm 1970 Sự phát triển vi xử lý, có nhiều ứng dụng hợp lý làm biến đổi xã hội, đáp ứng tạo nhu cầu công nghệ IC cao - Trong năm 1970 1980 Nền thương mại MEMS bắt đầu nhiều công ty sản xuất phần cho công nghiệp tự động Năm 1982 Bài thảo luận Kurt Petersen với tựa đề "Si vật liệu " trình bày phát triển nhiều linh kiện theo công nghệ vi xem công cụ làm tăng hiểu biết khả mà công nghệ MEMS mang lại - Năm 1984 Howe Muller thuộc đại học California phát triển quy trình vi bề mặt Si đa tinh thể dùng để sản xuất mạch tích hợp dùng công nghệ MEMS Công nghệ cho sản phẩm MEMS Năm 1989 Các nhà nghiên cứu UCB MIT phát triển độc lập động theo công nghệ micro điều khiển tĩnh điện - Trong năm 1990 Sự phát triển mạnh số lượng lớn linh kiện, công nghệ ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng MEMS ngày tiếp tục - Năm 1991 Các mấu nối dùng công nghệ micro phát triển UCB Pister mở rộng quy trình xử lý poly gia công micro bề mặt cho cấu trúc lớn tập hợp lại khỏi đường nền, cuối giới thiệu bước xử lý đặc biệt MEMS ba chiều Trong năm 1990 Sự phát triển mạnh số lượng lớn linh kiện, công nghệ ứng dụng mở rộng phạm vi ảnh hưởng MEMS ngày tiếp tục Năm 1991: Các mấu nối dùng công nghệ micro phát triển UCB Pister mở rộng quy trình xử lý poly gia công micro bề mặt cho cấu trúc lớn tập hợp lại khỏi đường nền, cuối giới thiệu bước xử lý đặc biệt MEMS ba chiều NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm 1.2 Tổng quan vi động (micromotor) 1.2.1 Động sử dụng kích hoạt nhiệt Một số kích hoạt nhiệt điện : a,Bộ kích hoạt hot – cold arm b, Bộ kích hoạt dùng giãn nở c,Bộ kích hoạt dầm chữV d, Bộ kích hoạt cặp nhiệt chất khí, chất lỏng Hình 1.2 Các kích hoạt nhiệt điện *Cấu tạo nguyên lí hoạt động kích hoạt nhiệt hot – coldarm Cấu tạo kích hoạt nhiệt dạng hot- cold arm thể hình vẽ đặt vào hai đầu ngàm kích hoạt hiệu điện V, hot arm cold arm có điện trở suất mà hot arm thường mỏng so với cold arm, nên điện trở hot arm trở nên cao so với cold arm Khi dòng điện qua hot cold arm, nhiệt tạo hot arm lớn NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm nhiệt tạo cold arm Dẫn đến hot arm dãn nở nhiệt lớn cold arm, hot arm có cấu trúc đàn hồi giãn đẩy cong phía cold arm, kích hoạt chuyển động Khi hiệu điện 0, lúc nhiệt độ trang hot cold arm trở nhiệt độ môi trường, trở vị trí ban đầu, kích hoạt không chuyểnđộng *Ưu điểm, nhược điểm -Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, hoạt động cần điện áp đầu vàothấp -Nhược điểm: Hoạt động dựa vào thay đổi nhiệt độ độ dãn nở vật liệu làm dầm Kém nhạy kết cấu tĩnhđiện *Ứng dụng Hiện động quay, tịnh tiến sử dụng kích hoạt nhiệt hot – cold arm nghiên cứu, thiết kế chế tạo rộng rãi nhiều lĩnh vực Dưới số mô hình động sử dụng kích hoạt nhiệt hot – cold arm Đại học Texas Christian,Mỹ Hình 1.4 Micro motor tịnh tiến chiều sử dụng kích hoạt nhiệt hot – coldarm NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Hình 1.5: Micro motor quay sử dụng kích hoạt hot – coldar *Cấu tạo nguyên lí hoạt động kích hoạt nhiệt chữV Hình 1.6 Bộ kích hoạt nhiệt chữ V Trong kích hoạt nhiệt chữ V (hình vẽ), dầm V có kích thước b nhỏ so với chiều dài L ( L ≈ 100.b ) Đặt hiệu điện dạng xung (f) vào hai đầu kích hoạt nhiệt chữ V Lúc hiệu điện hai đầu ngàm V, dầm mảnh có điện trở suất nóng lên có giãn nở nhiệt Càng gần phía ngàm dầm chữ V giãn nở nhỏ phía đầu ngàm nhiệt độ gần với môi trường nên giãn 10 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm o Hình 1.14 Động vi nhiệt điện chiều Nguyên lý hoạt động vi động dựa lý thuyết giãn nở nhiệt với tâm bốn kích hoạt nhiệt dầm chữ V (1) Khi cấp điện cho điện cực kích hoạt, dầm kích hoạt giãn nở đẩy đỉnh dầm tịnh tiến làm cho (9) quay quanh cổ đàn hồi dầm O Thông qua cấu truyền chuyển động (A) gắn (9) đẩy bánh (3) quay thuận chiều kim đồng hồ Khi điện áp dẫn 0, nhờ lực đàn hồi kích hoạt nhiệt (1), lò xo đàn hồi (5) bị nén đẩy cóc dẫn (6) hồi vị trí ban đầu Bánh dẫn không quay ngược trở lại nhờ cấu chống đảo (2) Sau chu kỳ đẩy kích hoạt nhiệt (1), cóc dịch chuyển đoạn i.p ( với p bước cóc ứng với chiều cao cóc h, i phụ thuộc vào chuyển vị cóc, tức phụ thuộc vào độ lớn điện áp dẫn Ngoài tốc độ vi động thay đổi theo tần số điện áp dẫn Nguyên lý hoạt động cấu truyền động cấu truyền chuyển động: tác động lẫy cài (4) làm cho chân hãm vào vị trí khóa, lò xo đàn hồi (5) giữ cho dẫn cóc (6) tiếp xúc với vành ngoài, chúng di chuyển suốt hành trình 16 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm II Tính toán vi động 2.1 Tính toán nhiệt chuyển vị dầm chữ V Phương trình truyền nhiệt dạng thu gọn : (1) Trong đó: T nhiệt độ vị trí x k hệ số dẫn nhiệt vật liệu ρ điện trở suất dầm, J mật độ dòng điện Nghiệm phương trình biểu diễn sau : Trong : , l = 2L; ; Với thông số đầu lấy theo tiêu chuẩn : ( nhiệt độ môi phòng) λ= 1,25, L=600µm, α=4., k=1,56.10-4 W/µmK 17 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Hình 2.1 Phân bố nhiệt độ với độ dịch chuyển Hình 2.2 Sơ đồ tính chuyển vị dầm Ta có độ giãn dài dầm đơn : Chuyển vị dầm đẩy : ( góc α chọn 2o) 18 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Điện áp U(V) ∆L (µm) ∆D(µm) Fthermal (mN) 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 0.2091 0.2718 0.3375 0.4046 0.4718 0.5379 0.6021 0.6639 0.7228 5.3190 6.7159 8.1082 9.4644 10.7634 11.9921 13.1436 14.2156 15.2086 4.3138 5.6077 6.9639 8.3489 9.7345 11.098 12.424 13.698 14.914 2.2 Phân tích lực hệ thống vi động 2.2.1 Quá trình dẫn động Vi động dẫn động bốn kích hoạt nhiệt dầm chữ V bố trí đối xứng (hình 4.a) a, b, c, Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động động vi Các lực tác dụng lên dầm hình vẽ: => F = (1) Với: Δ chuyển vị đỉnh dầm chữ V dẫn động (luôn có Δ < ΔD ; lực giãn nở 19 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm nhiệt cặp dầm chữ V; n số cặp dầm chữ V; Fe lực đàn hồi cặp dầm chữ V; F nội lực xuất mặt cắt A-A phần dẫn động dầm chữ V; k = 233,05 µN/μm độ cứng cặp dầm chữ V Gọi d chuyển vị răng, đơn giản hóa dầm dầm quay để tính toán chuyển vị phần đặt lực dẫn động F (hình 4.c) Trong đó: r1 = 1000 μm khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm kích hoạt dạng chữ V; r = 2000μm khoảng cách từ điểm đàn hồi đến cóc Thế vào (6) ta có: F Đối với vành dẫn động, lực tác động thể hình sau: Ff4 Fa Ff5 Ff3/4 Fel F Ff2 Hình 2.3 Cơ cấu chống đảo Hình 2.4 Cơ cấu ăn khớp Trong đó: F đóng vai trò lực dẫn động (lực sinh để dẫn động motor đặt điện áp U).là lực đàn hồi dầm (quanh điểm đàn hồi); lực ma sát cóc dẫn Si; lực ma sát bánh dẫn nền; Fa lực đàn hồi cấu chống đảo; lực ma sát đỉnh dầm chống đảo bề mặt cóc Trong trường hợp vi động dẫn động cóc, khoảng dịch chuyển d cóc thỏa mãn điều kiện sau: d = i p Trong đó: i số nguyên i=1,2 3…, p =10μm Qui lực mô men dẫn mômen cản để tăng độ xác tính toán Mômen dẫn động vi động xác định công thức sau: 20 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Để cấu hoạt động được, mô men dẫn Md phải lớn : Trong đó: Md mô men lực dẫn động F; Mfi ( i= 2,3,4) mô men lực ma sát kể (tính quanh điểm đàn hồi) Các mô men tính theo biểu thức sau: Trong đó: G gia tốc trọng trường (G = 10 (m/); f = 0,3 hệ số ma sát Silicon-Silicon; khối lượng cóc, bánh dẫn bánh bị dẫn; 2,88 µN/µm độ cứng dầm quay cổ đàn hồi; h= 6μm chiều cao cóc; = 2200µm khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp xúc bánh dẫn bánh bị dẫn; k = 21,19 μN/μm độ cứng cấu chống đảo; α = : góc nghiêng cóc; = 2100μm khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh dẫn + Do chuyển vị thực tế Δ dẫn động nhỏ chuyển vị ΔD từ ta có kết tính toán chuyển vị lực đẩy dầm chữ V sau: + Để hệ thống chuyển động bước cần điện áp tối thiểu là: Umin =22,5 V + Để hệ thống chuyển động bước cần điện áp tối thiểu là: Umin = 35 V 2.2.2 Quá trình hồi vị Sơ đồ phân tích lực trình hồi vị hình vẽ Trong trình hồi vị (khi điện áp dẫn 0), ảnh hưởng lực đàn hồi dầm, 21 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm cóc hồi vị trí ban đầu tác dụng lực lên vành Ff1 ’ Fel + Fev – Ff2 Fdhlx+Fdhr F el + F’ev – Ff2 Q Fn y O x Hình 2.5 Sơ đồ phân tích lực trình hồi vị Trong đó: lực đàn hồi kích hoạt nhiệt dầm chữ V: = n.k.Δ ( : phản lực đàn hồi:); lực đàn hồi cổ dầm kích hoạt (: phản lực đàn hồi: ); phản lực đàn hồi theo phương vuông góc với bề mặt cóc dẫn; lực ma sát trượt cóc dẫn vành răng; = Δ lực đàn hồi lò xo theo phương y Với=7, 43μN/μm độ cứng lò xo; Δy=Δ+ h ( Δ =3,5μm độ nén lò xo ban đầu lúc ăn khớp cóc) = lực đàn hồi cổ cóc dẫn; với Δ= 2,5μmlà độ nén lớn cóc dẫn trượt hai dãy cóc = 4,88 μN/μm độ cứng cổ cóc dẫn Để hệ thống hồi vị vị trí ban đầu ngừng cấp điện áp U thì: 1) Ở thời điểm bắt đầu trình hồi vị, lực đàn hồi+thắng lực ma sát -Lực tính theo công thức sau: -Vì f.sinα = 0,3.0.5 = 0,15 < ta có : 22 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm 2) Thành phần lực Q theo phương y làm nén lò xo tạo trượt hai dãy cóc: - Điều kiện để rãnh cóc hồi vị trí ban đầu là: - Từ ta có: Vậy luôn thỏa mãn Như ta có: - Điện áp t;ối thiểu để hệ thống chuyển động bước là: Umin = 22,5 V - Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động bước là: Umin = 40 V Name Type Min Max Stress VON: von Mises Stress 32570 N/m^2 Node: 1399 1.39522e+007 N/m^2 Node: 23 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ Name GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Type Min Max Part1-SimulationXpress Study-Stress-Stress Hình 2.6 Mô ứng suất lò xo 24 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Name Type Min Max Stress VON: von Mises Stress 23.107 N/m^2 Node: 5393 4.0091e+009 N/m^2 Node: 13481 Part2-SimulationXpress Study-Stress-Stress Hình 2.7 Mô ứng suất truyền động III Chế tạo vi động Vi động chế tạo từ phiến SOI (Silicon On Insulator) Tấm wafer gồm thành phần chính: - Lớp Si (30m) - Lớp SiO2 trung gian (4m) - Lớp Silicon (450m) 25 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Hình 3.1 Cấu tạo wafer ( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm ) Trong chúng em dung phương pháp gia công vi khối 3.1 Làm phiến SOI Phương pháp: -Thổi khí Nito có áp suất cao -Vệ sinh hóa chất -Dùng dòng nước có áp suất cao cọ rửa -Sấy tách ẩm (bằng phương pháp gia nhiệt 150~200oC) 3.2 Phủ chất cảm quang photoresist Photoresist chất cảm quang có tính nhạy sáng dương Trước phủ photoresist tiến hành phủ lớp hóa chất OPA để tăng cường khả kết dính wafer chất photoresist sau đưa wafer ltên máy quay tốc độ cao giữ chặt quay với tốc độ cao để photoresist trải bề mặt wafer Sau tiến hành sấy khô sơ để làm bay toàn dung môi khỏi wafer làm photoresist cứng hoàn toàn 26 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Hình 3.2 Phủ chất cảm quang (Photoresist) ( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm ) 3.3 Quang khắc tráng rửa Đưa mặt nạ (mask) chứa hình ảnh động vào máy quang khắc thực trình chụp chiếu Nguồn phát sáng tia tử ngoại khuếch đại sau chiếu qua mặt nạ (mask) Hệ chiếu lên sáng để chuyển hình ảnh lên nền, vùng chiếu sáng bị phân hủy bước tiếp theo, vùng không bị chiếu sáng cấu trúc động Tráng rửa: dùng hóa chất tách photoresist bị phân hủy ánh sáng Vì vậy, chất photoresist dương tách nên chất tẩy rửa tương ứng NMD3; chất súc rửa lại nước Hình 3.3 Quá trình quang khắc tráng rửa( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm) 27 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm 3.4 Ăn mòn khô hoạt hóa sâu DRIE Đầu tiên trình ăn mòn Silicon sử dụng khí SF6 Khí SF6 tạo thành luồng plasma để bắn vào bề mặt Silicon, tác dụng với Silicon tạo thành sản phẩm bay lên đồng thời tỏa nhiệt Sản phẩm bay lên bị hút nhờ hệ thống hút khí Các phản ứng xảy ra: Các phản ứng phân ly Các phản ứng Ion hóa e- + SF6 → SF5 + F + e- e- + SF6 → SF+5 + F + 2e- e- + SF5 → SF4 + F + e- e- + SF6 → SF+3 + F + 2e- e- + SF4 → SF3 + F + e- e- + SF4 → SF+3 + F + 2e- Các phản ứng thu : e- + SF6 → SF-5 + F e- + SF4 → SF-3 + F e- + SF4 → SF+3 + F + 2eFlo tự từ trình phân ly ăn mồn Silicon : SiFx + F → SiFx+1 với x:= 1…3 Hình 3.4 Quá trình ăn mòn khô sâu DRIE( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm) 28 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Quá trình lắng đọng polime Phun khí C4F8 vào bề mặt, chất tạo thành lớp bảo vệ Sau phủ xong tiếp tục bắn phá, lúc khí SF6 đục mặt nạ đáy, đục mặt najthif luồng plasma tác dụng, đục xuống đáy đục lớp bảo vệ tạo thành, giữ lại thành bên Quá trình lặp lặp lại liên tục tạo nên thành bậc nhỏ Cuối trình ăn mòn dung lại đến bề mặ SiO2 3.5 Cắt wafer thành chip 3.6 Tách lớp photoresist Dùng dung dịch H2O2 + H2SO4 tỉ lệ 1:4 để hòa tan lớp photoresist Sau rửa sấy khô chip Hình 3.5 Tách lớp Photoresist( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm) 3.7 Ăn mòn SiO2 axit HF Dùng dung dịch HF ăn mòn lớp SiO2 lớp đế lớp layer Si, để tách phần di động Do HF ăn mòn SiO2 nên ăn mòn khối nặng ta phải tạo lỗ mặt sàng cho khối nặng để trình ăn mòn rời hoàn toàn phần chuyển động Quá trình ăn mòn SiO2 thực 40oC với tốc độ 0,2 µm/phút vòng 50÷60 phút theo phản ứng: SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O o Sau đem sấy khô 120 C 10 phút 29 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Hình 3.6 Ăn mòn SiO2( Tài liệu thầy Đặng Bảo Lâm) IV Kết luận Với đề tài “ Tính toán thiết kế vi động quay nhiệt điện “ , nhóm chúng em học hỏi nhiều kiến thức kiến thức hiệu ứng nhiệt điện hệ thống vi cơ, hiểu phần công nghệ vi thấy công nghệ MEMS vô quan trọng phát triển khoa học công nghệ Qua phần tính toán nhóm cho thấy ưu điểm vi động điện áp dẫn thấp, đơn giản thiết kế điều khiển, công suất cao vi động sử dụng hiệu ứng khác Và nhược điểm tỏa nhiệt cao vi động khác Mặc dù cố gắng tránh khỏi thiếu sót, kính mong góp ý thầy bạn lớp để nhóm hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn !!! TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 [...]... lực trong hệ thống vi động cơ 2.2.1 Quá trình dẫn động Vi động cơ được dẫn động bằng bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V được bố trí đối xứng (hình 4.a) a, b, c, Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động của động cơ vi cơ Các lực tác dụng lên dầm như hình vẽ: => F = (1) Với: Δ là chuyển vị của đỉnh dầm chữ V khi dẫn động (luôn có Δ < ΔD ; là lực giãn nở 19 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm nhiệt của một cặp... NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm 6 4 5 2 9 8 1 o Hình 1.14 Động cơ vi cơ nhiệt điện 1 chiều Nguyên lý hoạt động của vi động cơ dựa trên lý thuyết giãn nở nhiệt với trong tâm là bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V (1) Khi cấp điện cho các điện cực trên bộ kích hoạt, các dầm của bộ kích hoạt giãn nở và đẩy đỉnh dầm tịnh tiến làm cho thanh (9) quay quanh cổ đàn hồi dầm O Thông qua các cơ cấu truyền... hoạt động cần điện áp đầu vàothấp -Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu làm dầm Kém nhạy hơn kết cấu tĩnhđiện *Ứng dụng Mô hình của một số động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữV Hình 1.7 Cấu tạo vi động cơ (Hội nghị cơ học KT9/4/2014 ) 11 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL 10, NO 2, JUNE2001 Hình 1.8 Vi động. .. đề tài “ Tính toán và thiết kế vi động cơ quay nhiệt điện “ , nhóm chúng em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức về kiến thức về hiệu ứng nhiệt điện trong hệ thống vi cơ, cũng hiểu được phần nào về công nghệ vi cơ và thấy được công nghệ MEMS là vô cùng quan trọng trong sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay Qua phần tính toán của nhóm cho thấy ưu điểm của vi động cơ này là điện áp dẫn thấp, đơn... Trong trường hợp vi động cơ được dẫn động bởi thanh răng cóc, khoảng dịch chuyển d của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: d = i p Trong đó: i là số nguyên i=1,2 3…, p =10μm Qui các lực trên về mô men dẫn và mômen cản để tăng độ chính xác tính toán Mômen dẫn động của vi động cơ được xác định bởi công thức sau: 20 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Để cơ cấu có thể hoạt động được, mô men... Ngoài ra tốc độ của vi động cơ có thể thay đổi theo tần số điện áp dẫn Nguyên lý hoạt động của cơ cấu truyền động của cơ cấu truyền chuyển động: tác động và lẫy cài (4) làm cho chân hãm vào vị trí khóa, lò xo đàn hồi (5) luôn giữ cho các răng của thanh dẫn răng cóc (6) luôn tiếp xúc với răng của vành răng ngoài, do đó chúng di chuyển cùng nhau trong suốt hành trình 16 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS... NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm đầu tiên chế tạo Tiếp sau đó là vi động cơ hoạt động theo nguyên lí tĩnh điện ( Rotary electrostatic micromotor) cũng được chế tạo thànhcông Hình 1.12 Vi cấu trúc của động cơ tĩnh điện Năm 2007: Hệ thống vi vận chuyển (microtransportation) sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược được chế tạo thànhcông Hình 1.13 Microtransportation Hiện nay, vi c chế... VI CƠ ĐIỆN TỬ Name GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Type Min Max Part1-SimulationXpress Study-Stress-Stress Hình 2.6 Mô phỏng ứng suất trên lò xo 24 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm Name Type Min Max Stress VON: von Mises Stress 23.107 N/m^2 Node: 5393 4.0091e+009 N/m^2 Node: 13481 Part2-SimulationXpress Study-Stress-Stress Hình 2.7 Mô phỏng ứng suất trên thanh truyền động III Chế tạo vi động cơ Vi. .. Đặng Bảo Lâm II Tính toán vi động cơ 2.1 Tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V Phương trình truyền nhiệt dạng thu gọn : (1) Trong đó: T là nhiệt độ tại vị trí x k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ρ là điện trở suất của dầm, J là mật độ dòng điện Nghiệm của phương trình trên được biểu diễn như sau : Trong đó : , và l = 2L; ; Với các thông số đầu được lấy theo tiêu chuẩn : ( nhiệt độ môi phòng) λ= 1,25,... kích hoạt nhiệt chữ V đang là vấn đề khá mới mẻ, chưa phát triển xứng tầm với những ưu vi t mà bộ kích hoạt này mang lại Vì vậy, nhómchúng em đã mạnh dạn chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và chế tạo Motor nhiệt điện 1 chiều chữ V” Nhằm mục đích chính là giới thiệu quy trình thiết kế một Motor theo quy trình MEMS với bộ kích hoạt nhiệt chữ V Dựa vào yêu cầu là chế tạo motor quay hai chiều nhiệt chữ V ... sau : A 15 NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm o Hình 1.14 Động vi nhiệt điện chiều Nguyên lý hoạt động vi động dựa lý thuyết giãn nở nhiệt với tâm bốn kích hoạt nhiệt dầm chữ V (1)... Phân tích lực hệ thống vi động 2.2.1 Quá trình dẫn động Vi động dẫn động bốn kích hoạt nhiệt dầm chữ V bố trí đối xứng (hình 4.a) a, b, c, Hình 2.1 Sơ đồ dẫn động động vi Các lực tác dụng lên... MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS Đặng Bảo Lâm II Tính toán vi động 2.1 Tính toán nhiệt chuyển vị dầm chữ V Phương trình truyền nhiệt dạng thu gọn : (1) Trong đó: T nhiệt độ vị trí x k hệ số dẫn nhiệt