BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG THIẾT KẾ CẢI TIẾN VÀ LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ - CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM HỒNG PHÚC Hà Nội – 11/2010 MỤC LỤC MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii LỜI NÓI ĐẦU vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR 1.1 Tổng quan công nghệ MEMS 1.1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS 1.1.2 Phân loại MEMS 1.1.3 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS 1.1.4 Ứng dụng công nghệ MEMS 1.1.5 Thị trường MEMS 1.2 Micromotor phát triển ứng dụng 1.2.1 Chuyển động tuyến tính 1.2.2 Động quay - Rotary motor 11 1.2.3 Truyền biến đổi chuyển động 14 CHƯƠNG LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN 16 2.1 Lý thuyết tĩnh điện 16 2.1.1 Khái niệm lý thuyết tĩnh điện 16 2.1.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện lực tĩnh điện 17 2.2 Ứng dụng lý thuyết tĩnh điện kích hoạt lược 21 CHƯƠNG MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN 23 3.1 Ứng dụng kích hoạt lược để thiết kế micromotor quay 23 3.2 Micromotor quay kiểu cũ 24 3.2.1 Thiết kế nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu cũ 25 3.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động phận hệ thống 26 3.2.3 Đo đạc ưu nhược điểm micromotor quay kiểu cũ 30 NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG MỤC LỤC 3.3 Thiết kế cải tiến thứ - CT01 31 3.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 31 3.3.2 Đặc điểm cải tiến thiết kế CT01 33 3.3.3 Phân tích lực thiết kế cải tiến CT01 35 3.4 Thiết kế cải tiến thứ hai - CT02 37 3.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết kế cải tiến CT02 37 3.4.2 Đặc điểm cải tiến thiết kế CT02 38 3.4.3 Phân tích lực thiết kế cải tiến CT02 40 3.4.4 Tính toán số vòng quay lý thuyết nlt thiết kế cải tiến 42 3.5 Tính toán mô phần mềm AnsysWorkbench 43 3.5.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 43 3.5.2 Tính toán mô chuyển vị cổ dầm kích hoạt lược 45 3.5.3 Tính toán mô độ cứng lò xo đàn hồi 51 3.5.4 Tính toán độ cứng cổ cóc dẫn 53 3.5.5 Tính toán mô hệ cấu truyền chuyển động 55 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY 58 4.1 Tổng quan gia công MEMS 58 4.2 Một số quy trình gia công công nghệ MEMS 58 4.2.1 Quy trình gia công quang khắc - Photolithography 58 4.2.2 Quy trình gia công micromotor 61 4.3 Các thiết bị ITIMS 66 4.3.1 Thiết bị dùng quy trình quang khắc 66 4.3.2 Thiết bị dùng quy trình ăn mòn sâu ion hoạt hóa D-RIE 68 4.3.3 Thiết kế mặt nạ phần mềm L-Edit 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 74 NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bầy luận văn thân tôi, chép hay cóp nhặt tác giả Tôi xin tự chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nội dung Kí hiệu MEMS Micro Electro Mechanical Systems NEMS Nano Electro Mechanical Systems IC Integrated Circuit RF Radio frequency GPS CAGR APCOT Global Positioning System Compound Annual Growth Rate Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano Technology CT01 Thiết kế cải tiến thứ CT02 Thiết kế cải tiến thứ hai ANSYS LIGA Analysis Systems Lithographie, Galvanoformung, Abformung UV ultraviolet SOI Silicon on Insulating layer D-RIE Deep Reactive Ion Etching FIB ITIMS ICP Ghi Focused ion beam International Training Institute for Materials Science Inductively Coupled Plasma NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG ii Tiếng Đức DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Nội dung 1.1 Các thiết bị MEMS tích hợp mạch điện tử IC 1.2 Các thiết bị MEMS siêu nhỏ 1.3 Các thành phần MEMS 1.4 Ứng dụng MEMS công nghiệp sản xuất ô tô 1.5 Cảm biến áp suất dùng máy đo huyết áp 1.6 Các thiết bị MEMS dùng văn phòng 1.7 Các thiết bị MEMS dùng quốc phòng, quân 1.8 Dự báo kinh doanh sản phẩm MEMS tổ chức iSuppli - 2009 1.9 Cấu tạo kích hoạt lược 1.10 Một thiết bị MEMS sử dụng kích hoạt lược 1.11 Bộ kích hoạt khe hở kín 1.12 Cấu tạo hoạt động kích hoạt kiểu cào 1.13 Động quay biến đổi điện dung đa trường 1.14 1.15 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cấu cóc Động quay dựa kích hoạt lược cong 1.16 Bộ truyền động bánh micro sử dụng kích hoạt lược 1.17 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng 2.1 Cấu tạo tụ điện 2.2 Lực pháp tuyến sinh tụ 2.3 Lực tiếp tuyến Ft tụ 2.4 Cấu tạo kích hoạt kiểu lược 3.1 Cấu tạo kích hoạt tĩnh điện kiểu lược 3.2 (a,b) 3.3 Hoạt động kích hoạt lược Ảnh chụp micromotor quay cũ phận qua kính hiển vi điện tử NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG iii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 3.4 Cấu tạo micromotor quay kiểu cũ 3.5 Cấu tạo kích hoạt lược thiết kế cũ 3.6 (a, b) Quá trình làm việc cấu truyền chuyển động thiết kế cũ 3.7 Kích thước lược 3.8 Cấu tạo cấu chống đảo 3.9 Vị trí làm việc cấu chống đảo 3.10 Vị trí làm việc chân hãm cấu chống đảo 3.11 Đồ thị mối quan hệ vận tốc góc tần số dẫn động 3.12 Cấu tạo micromotor quay thiết kế cải tiến CT01 3.13 Cấu tạo cấu truyền chuyển động thiết kế cải tiến CT01 3.14 Vị trí làm việc cấu truyền chuyển động cóc 3.15 Quá trình làm việc kích hoạt cấu truyền chuyển động 3.16 Sơ đồ tính áp lực Q thiết kế cải tiến CT01 3.17 Cấu tạo micromotor quay thiết kế cải tiến CT02 3.18 Cấu tạo cấu truyền chuyển động thiết kế cải tiến CT02 3.19 Vị trí làm việc cấu truyền chuyển động thiết kế CT02 3.20 Vị trí cóc dẫn điện áp đặt V ≠ 3.21 Vị trí cóc dẫn điện áp đặt V = 3.22 Sơ đồ tính áp lực Q thiết kế cải tiến CT02 3.23 Mô hình toán mô chuyển vị cổ dầm kích hoạt 3.24 Xây dựng mô hình chia lưới dầm Ansys Multiphysics 3.25 Chuyển vị cổ dầm toán cấu trúc Ansys Multiphysics 3.26 Ứng suất cổ dầm toán cấu trúc 3.27 Mô hình toán tĩnh điện 3.28 Chuyển vị cổ dầm toán tĩnh điện 3.29 Ứng suất cổ dầm toán tĩnh điện 3.30 Mô hình toán mô độ cứng lò xo đàn hồi Chia lưới mô hình lò xo đàn hồi AnsysWorkbench 3.31 NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 3.32 Kết mô chuyển vị lò xo với lực đặt Ftd = 56µN 3.33 Kết mô ứng suất lò xo đàn hồi 3.34 Mô hình toán mô độ cứng cổ cóc dẫn 3.35 Chia lưới mô hình cóc dẫn AnsysWorkbench 3.36 Kết mô chuyển vị với lực đặt Ftd = 56µN 3.37 Kết mô ứng suất cổ đàn hồi cóc dẫn 3.38 Mô hình toán mô đàn hồi hệ cổ cóc 3.39 Chia lưới cho mô hình hệ cóc dẫn 3.40 Kết mô chuyển vị hệ cổ cóc dẫn 3.41 Kết mô ứng suất cổ cóc dẫn hệ 3.42 Chuyển vị dầm dẫn động kích hoạt lược 4.1 Các bước quy trình quang khắc - Photolithography 4.2 Quy trình gia công micromotor 4.3 Cấu tạo phiến wafer 4.4 Quá trình quang khắc phát triển lớp photoresist 4.5 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 4.6 Quá trình ăn mòn axit bay - Vapor HF 4.7 Kết sau trình ăn mòn axit HF 4.8 Máy quay phủ 4.9 Máy tinh chỉnh mặt nạ - Mask aligner 4.10 Máy sấy - Baker 4.11 Hệ thống ăn mòn khô ICP - RIE 10iP 4.12 Thiết kế mặt nạ phần mềm L-Edit NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG v LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, công nghệ vi điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) phát triển mạnh giới với nhiều ứng dụng công nghiệp đời sống Ở Việt Nam, thời kì công nghiệp hóa, đại hóa đất nước, cần thực việc tắt đón đầu nắm bắt công nghệ công nghệ MEMS không ngoại lệ Tuy phát triển nước ta gần công nghệ MEMS bước đầu có kết định hứa hẹn phát triển tương lai Nắm bắt nhu cầu thực tế đó, chọn đề tài: “Thiết kế cải tiến lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa công nghệ MEMS” Luận văn trình bầy nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ MEMS micromotor Tiếp theo cấu tạo, nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu tĩnh điện với ưu, nhược điểm Từ kết luận thu được, luận văn đưa điểm cải tiến thiết kế nhằm nâng cao hiệu suất micromotor Đồng thời, đề xuất quy trình gia công khối (bulkmicromachining) cho micromotor Qua trình học tập, nghiên cứu Viện đào tạo sau đại học - trường Đại học Bách khoa Hà Nội, hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo Phạm Hồng Phúc, giúp đỡ tạo điều kiện thầy, cán môn Cơ sở thiết kế máy rôbốt, viện Cơ khí, đến luận văn tốt nghiệp hoàn thành Tuy nhiên, thời gian có hạn nên luận văn khó tránh khỏi thiếu sót nội dung trình bầy Vì vậy, mong nhận góp ý, chỉnh sửa từ thầy để luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR 1.1 Tổng quan công nghệ MEMS 1.1.1 Giới thiệu công nghệ MEMS MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) công nghệ tích hợp, phát triển từ công nghệ mạch điện tử - IC Trong đó, mạch điện, nhớ, cảm biến, kích hoạt tích hợp chíp cho phép chuyển đổi dạng tín hiệu đầu vào điện, cơ, nhiệt, hóa… thành tín hiệu tương tự Vật liệu dùng chủ yếu công nghệ MEMS silicon Nó ví vật liệu sắt khí Bộ nhớ, mạch điện Cảm biến Bộ kích hoạt IN OUT Điện, Cơ Điện, Cơ Nhiệt, Hóa Nhiệt, Hóa Quang Quang … … Hình 1.1 Các thiết bị MEMS tích hợp mạch điện tử IC Hình 1.2 Các thiết bị MEMS siêu nhỏ NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY Lớp photoresist Tấm wafer Gương Chùm tia UV bị giữ lại (a) Chùm tia UV (c) (b) xuyên qua Mặt nạ kim loại Hình 4.4 Quá trình quang khắc phát triển lớp photoresist 4.2.2.3 Ăn mòn sâu ion hoạt hóa D-RIE Sau phủ mặt nạ lớp photoresist lên wafer, ta bắt đầu thực trình ăn mòn lớp silicon Ta đưa wafer vào máy ăn mòn Đầu tiên trình ăn mòn silicon việc sử dụng khí SF6 Đặc điểm 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 phản ứng bay lên có thiết bị hút Sau bắn phá bề mặt silicon tạo thành rãnh lõm (Hình 4.5a) Các phản ứng SF6 là: Các phản ứng phân ly (4.1) Các phản ứng ion hóa (4.2) e- + SF6 →SF5 + F + e- e- + SF6 → SF+5 + F + 2e- e- + SF5 →SF4 + F + e- e- + SF6 → SF+3 + F2 + F + 2e- e- + SF4 →SF4 + F + e- e- + SF4 → SF+3 + F + 2e- Các phản ứng thu (4.3) e- + SF6 →SF-5 + F e- + SF4 → SF-3 + F e- + SF4 →SF+3 + F + 2eNGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 63 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY Flo tự từ trình phân ly SF6 ăn mòn silicon: SiFx + F → SiFx+1 (a) với x = 1÷3 Lớp SiO2 (4.4) Mặt nạ photoresist (b) Lớp Silicon Lớp Si (c) (d) Hình 4.5 Quá trình ăn mòn khô D-RIE Quá trình thứ hai lắng đọng polyme (Deposited polymer) Ta phun khí C4H8 vào bề mặt, phản ứng chất với bề mặt tạo thành lớp nhựa bảo vệ (cả bề mặt wafer hố vừa tạo bước a- Etch) - (Hình 4.5b) Sau phủ xong ta lại quay bước (a) để tiếp tục bán phá Tuy nhiên bắn phá, khí SF6 đục mặt nạ đáy, đục mặt nạ luồng tia plasma dừng lại, đục xuống đáy đục thủng lớp nhựa bảo vệ tạo thành, giữ lại thành bên (Hình 4.5c) Các trình lặp lặp lại tạo nên thành bậc nhỏ Quá trình ăn mòn dừng lại gặp bề mặt oxit SiO2 - (Hình 4.5d) Tiếp theo, ta tiếp tục phủ lớp photoresist lên wafer phương pháp quay phủ để bảo vệ vi cấu trúc để tránh bị hỏng hóc trình cắt wafer thành chip nhỏ Sau cắt wafer thành chip, ta dùng dung dịch 106 để rửa phần lớp photorsist Và rửa hoàn toàn dung dịch H2SO4 loãng Sấy khô NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 64 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY chip nhiệt độ 1200C 20 phút để chuẩn bị cho trình ăn mòn axit bay (Vapor HF etching) 4.2.2.3 Quá trình ăn mòn axit bay - Vapor HF Mục đích trình ăn mòn lớp SiO2 nằm thiết kế sau ăn mòn khô (D-RIE) Quá trình ăn mòn thể thông qua phương trình phản ứng (4.5) SiO2 + 6HF = H2 + SiF6 + 2H2O (4.5) Hình 4.6 Quá trình ăn mòn axit bay - Vapor HF Tấm wafer để lên giá Axit HF đựng bình nhựa (nhựa có khả chống lại ăn mòn HF) Người ta nung nóng axit HF nồng độ 40% lên khoảng 40- 500, axit bốc mãnh liệt lên wafer đặt giá ăn mòn SiO2 nằm giữa, rãnh xen kẽ thiết kế với tốc độ chậm khoảng 0.2µm/phút Sản phẩm H2, SiF6 H2O hút (như phương trình 4.5) Sau ăn mòn băng axit bay HF, chip sấy khô 100- 1200C khoảng 10 phút Quy trình chế tạo hoàn thành, sau ta đem chip tiến hành kiểm tra, đo đạc NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 65 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY V Phần cố định Phần di động Silicon Hình 4.7 Kết sau trình ăn mòn axit HF 4.3 Các thiết bị ITIMS Trong trình tìm hiểu quy trình chế tạo micromotor, biết số thiết bị máy móc sử dụng quy trình có Viện đào tạo quốc tế khoa học vật liệu - ITIMS như: - Máy quay phủ (Spin coating) dùng quy trình quang khắc (Photolithography) - Máy sấy (Baker) dùng để làm khô wafer hay chip - Máy tinh chỉnh mặt nạ (Mask aligner) - Hệ thống ăn mòn ion hoạt hóa ICP - RIE 10iP -… 4.3.1 Thiết bị dùng quy trình quang khắc - Máy quay phủ (Spin coating) Máy quay phủ dùng để phủ lớp cảm quang (photoresist) lên bề mặt wafer Lớp cảm quang có tác dụng làm mặt nạ bảo vệ cho lớp Si trình ăn mòn khô D-RIE NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 66 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY Hình 4.8 Máy quay phủ Vật liệu cảm quang (photoresist) dùng thường là: OIR 908- 35: phủ 3- 3,5µm; OIR 907- 12: phủ 1- 1,5µm; vật liệu phát triển (phân rã) photoresist: OPD4262/90 - Máy điều chỉnh mặt nạ (Mask aligner) Hình 4.9 máy điều chỉnh mặt nạ (mask aligner) Máy có tác dụng tinh chỉnh vị trí xác mặt nạ so với wafer để thực trình quang khắc Trên máy tích hợp phận phát nguồn UV để phân rã lớp cảm quang (photoresist) Hình 4.9 Máy tinh chỉnh mặt nạ - Mask aligner NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 67 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY - Máy sấy (Baker) Hình 4.10 Máy sấy - Baker Máy sấy dùng để làm khô wafer sau tình quang khắc 4.3.2 Thiết bị dùng quy trình ăn mòn sâu ion hoạt hóa D-RIE Hình 4.11 Hệ thống ăn mòn khô ICP - RIE 10iP Hình 4.11 hệ thống ăn mòn sâu ion hoạt hóa (D-RIE) hay (ICP) Hệ thống có tên RIE - 10iP Hệ thống có số đặc tính : xử lý NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 68 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY đồng thời wafer, chức điều khiển tự động hoàn toàn, tích hợp hệ thống bàn kẹp… Đây thiết bị gia công kiểu bulk-micromachining Điều đảm bảo rằng: trình chế tạo mặt nạ phải thực nước ngoài, tương lai gần, bước lại để chế tạo micromotor hoàn toàn thực trung tâm ITIMS - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 4.3.3 Thiết kế mặt nạ phần mềm L-Edit Mặt nạ sau thiết kế phần mềm L-Edit gồm nhiều thiết kế micromotor (tương ứng với chip) gửi để tạo mặt nạ chủ thực cho quy trình gia công Dưới hình ảnh mặt nạ thiết kế phần mềm L-Edit Hình 4.12 Thiết kế mặt nạ phần mềm L-Edit NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 69 KẾT LUẬN KẾT LUẬN Với đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế cải tiến lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa công nghệ MEMS”, tác giả hoàn thành luận văn với kết sau Luận văn phân tích số loại micromotor hoạt động dựa hiệu ứng tĩnh điện Đặc biệt kiểu micromotor quay đề xuất tác giả Phạm Hồng Phúc[4] Hệ thống dẫn động bốn kích hoạt lược cong hoạt động dựa hiệu ứng tĩnh điện Điện áp xoay chiều cấp vào kích hoạt biến chuyển động lắc phần cóc thành chuyển động quay chiều vành cóc micromotor Tuy nhiên, hoạt động tần số cao xảy tượng trượt cóc dẫn vành cóc Để khắc phục tượng này, luận văn đề xuất hai phương án cải tiến phần dẫn động để hệ thống làm việc dải vận tốc lớn Phân tích lực hệ thống truyền động đề cập để thiết lập mối tương quan lực đàn hồi cổ dầm lực nén lò xo Thông qua chuyển vị cần thiết cóc dẫn, ta tính toán áp lực tác dụng lên cóc trình dầm trở vị trí ban đầu Áp lực cần phải thắng lực đẩy lò xo để cóc dẫn trượt vị trí ban đầu Phần mô tính toán sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS Thông qua kết chuyển vị, ứng suất thu để lựa chọn kích thước tối ưu cho micromotor Cuối cùng, luận văn đề xuất quy trình gia công micromotor sử dụng công nghệ gia công sâu (bulk-micromachining) cần mặt nạ Hệ thống micromotor thiết kế, chế tạo phiến SOI (silicon lớp cách điện) với quy trình công nghệ như: quy trình quang khắc (Photolithography), quy trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE), quy trình ăn mòn axit HF (Vapor HF Etching) NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 70 KẾT LUẬN Ưu điểm micromotor loại kích thước gọn, đơn giản gia công điều khiển, đạt độ xác cao sử dụng mặt nạ chủ Với kết đạt được, tương lai, ta sử dụng chuyển động quay micromotor cho truyền động bánh siêu nhỏ micro robot Ngoài ra, ta sử dụng micromotor cho thiết bị dẫn động xác đồng hồ siêu nhỏ (micro clock) Khi đó, tần số điện áp đặt vào kích hoạt cần tính toán cụ thể để thu thời gian xác theo yêu cầu NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Pham Hong Phuc, (2007), “Study on Micro Transportation Systems Based on Electrostatic Actuators Utilizing Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Technology”, Ph.D Thesis, Ritsumeikan University, Japan Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Satoshi Amaya, Ryoji Kitada and Susumu Sugiyama, (2006), “Straight movement of micro containers based on ratchet mechanisms and electrostatic comb-drive actuators”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 16, p2532- 2538 Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Satoshi Amaya, (2007), “A micro transportation system (MTS) with large movement of containers driven by electrostatic comb-drive actuators”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol 17, p2125- 2131 Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Bui Thanh Tung, Susumu Sugiyama, (2008), “A micro rotational motor based on ratchet mechanism and electrostatic comb – drive actuators”, Apcot, Tainan, Taiwan Je’ne’mie Bouchaud, Director and Principal Analyst and Richard Dixon, Senior Analyst, (2009), “Economic Crisis Accelerates Transformation of the MEMS Industry”, MEMS market tracker- iSupply Gregory T.A.Kovacs, (1998), Micromachined Transducers Source Book, Stanford University, p276-303 Gregory T.A.Kovacs, member, IEEE, Nadim I.Maluf, member, IEEE, and Kurt E.petersen, fellow, IEEE, (1998), “Bulk Micromachining of Silicon”, The Proceedings of the IEEE, vol.86, No.8 Gijs Krijnen, NielsTas, “Micromechanical Actuators”, MESA and Research Institute, Transducer Technology Enschede, The Netherlands NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 72 Laboratory, University of Twente, TÀI LIỆU THAM KHẢO Nicolae Lobontiu Ephrahim Garcia, (2005), “Mechanics of Microelectromechanical Systems”, Kluwer Academic Publishers, Boston 10 Rob Legtenberg, (1996), “Comb- drive actuators for large displacements”, MESA Reseach Institude, Univesity of Twente, PO Box 217, 7500 AE Enschede, The Netherlands 11 Sami Franssila, (2004), “Introduction to Microfabrication”, Director of Microelectronics Centre, Helsinki University of Technology, Finland 12 Stephen M Barnes, Samuel L Miller, M Steven Rodgers, Fernando Bitsie, (2000), “Torsional Ratcheting Actuating System”, Sandia National Laboratories, MS 1080, PO Box 5800, Albuquerque, NM, 87185 13 Tang W C, Nguyen T H and Howe R T ,(1989), “Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures”, Tech Dig IEEE Micro Electro Mech Syst Workshop (1989), pp 53-59 14 Tang W C, Nguyen T H, Michael W J and Howe R T, (1990), “Electrostaticcomb Drive of Lateral Polysilicon Resonators”, Sensors and Actuators A21A23 (1990), pp 328-331 15 Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi, (2003), Hướng dẫn sử dụng Ansys, Hà Nội 16 Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng, (2003), Ansys mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 17 Kent L Lawrence, (2006), Ansys workbench Tutorial ANSYS Release 10, Mechanical and Aerospace Engineering Univesity of Texas at Arlington NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 73 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Bài báo của tác giả Phạm Hồng Phúc đồng nghiệp hội nghị APCOT- 2008 -A MICRO ROTATIONAL MOTOR BASED ON RATCHET MECHANISM AND ELECTROSTATIC COMB-DRIVE ACTUATORS Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao, Tung Thanh Bui and Susumu Sugiyama Ritsumeikan University, 1-1-1 Nojihigashi, Kusatsu, Shiga 525-8577, Japan ABSTRACT This paper presents design and fabrication of a Micro Rotational Motor (MRM) that utilizes four silicon electrostatic comb-drive actuators to drive a ring (or rotor) through ratchet teeth Novelty design of anti-reverse structure overcomes the gap problem after deep reactive ion etching of silicon The MRS has been fabricated by using SOI wafer with device layer of 30µm and tested for performance It was driven by periodic voltage (Vpp = 80V) with different frequencies from 1Hz to 30Hz In this range, the angular velocity of the ratchet ring was proportional with the frequency and matched very well with theoretical calculation Keywords: Micro rotational motor Rotational comb actuator, Ratchet ring The design and fabrication of micro rotary motor has been a topic of many recent publications Sniegowski et al used two sets of linear comb actuators to drive the output gear [7, 8] The linear motion of comb actuator has been converted to rotary motion via linkages pinned into the output gear Kim developed a rotary motor by inchworm motion A rotor is wrapped by two opposite belts which are connected to piezoelectric actuators [10] Sammoura demonstrated a rotary inchworm motor using four gap-closing actuators to rotate a free moving rotor [11] Advantages of these types are high angular velocity and low driving voltage However they required sophisticated control systems (MRM), INTRODUCTION Micro electrostatic comb-drive actuators and applications are important components in MEMS Since the first reports on micromachined comb actuator by Tang et al [1, 2], there have been substantial researches on comb-drive actuators both theory and applications Electrostatic effect of comb actuators were well investigated analytically [3] In [4, 5], research on micromachined comb actuator focuses on the structure design to obtain large displacement and high stability Comb actuators have been used in many applications, such as optical switches [6], as a driver for micro gear trains [7, 8] or move the shuttle forward in the linear inchworm motor [9] NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG Fig 1: Configuration of the micro rotational motor (MRM) In this paper, the electrostatic comb-drive actuator will be used to drive a micro rotational 74 PHỤ LỤC motor (MRM) through ratchet mechanism The micro ratchet was first used in MEMS by Sandia National Laboratories [12, 13] and by the authors [14] The advantages of this MRM are batch fabrication, simple configuration and control etc depends on displacement of driving ratchet rack, and therefore, on the amplitude of driving voltage CONFIGURATION AND WORKING PRINCIPLE OF THE MRM Figure shows one module of the MRM, which consists of four rotational comb actuators, four antireverse mechanisms and outer ratchet ring Ratchet ring can rotate in one direction due to reciprocal motion of the rotational comb actuators through ratchet teeth and anti-reverse mechanism Fig 2: Rotational comb actuator structure Structure of the rotational comb actuator is shown in Fig The rotational comb actuator here refers to the electrostatic comb-drive actuator that the movement of its fingers is rotational around an elastic point (enlargement at the bottom in Fig 2) Ratchet rack, with suitably shaped teeth as saw teeth, connected with movable comb fingers through spring, can drive the outer ratchet ring in one direction and allow ‘free-sliding’ between them in the reverse direction (enlargement at the top in Fig 2) The pitch and height of a ratchet tooth are 10µm and 6µm, respectively, (Fig 3) Configuration of anti-reverse mechanism is shown in Fig A minimum gap of 2µm between the tip of the anti-reverse hair and the nearest tooth of the rotor ring is necessary for Deep-RIE (reactive ion etching) process However, this gap must be eliminated when the motor is working The anti-gap lever is designed for this purpose When it is pushed to the lock position, its tip will hit on the anti-reverse hair, and makes it bent outward so that the hair's tip touches to the tooth of the rotor ring to create a ratchet mechanism This allows the rotor ring rotates in only one direction When the ratchet rack moves to the right, it pushes the ratchet ring (or rotor ring) to the right When voltage decreases to zero, the spring will be compressed and the ratchet rack returns to initial position with a sliding occurs between its teeth and the ratchet teeth of the rotor ring The rotor ring can not go back due to the anti-reverse mechanisms (Fig 4) After each motion cycle of rotational comb actuator, the teeth of ratchet ring rotate by n×pitch The pitch and height of the ratchet teeth are 10µm and 6µm, respectively The integer number n = 1, 2, NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG Fig 3: Dimensions of ratchet rack and teeth Fig 4: Configuration of anti-reverse mechanism FABRICATION AND TEST The fabrication process is illustrated in fig The MRM has been fabricated by using SOI wafer with the thicknesses of device layer, buried SiO2 layer, and silicon substrate were 30µm, 4µm and 500µm, respectively, (fig 5(a)) Firstly, the mask was designed and used for photolithography process The MRM patterns were transferred to the surface of SOI wafer after photolithography and developing, (fig 5(b)) Secondly, D-RIE process was performed to a depth of 30µm to reach the buried oxide layer, the rate of D-RIE is about 1.2µm/minute, (fig 5(c)) Then, silicon wafer is diced to separate each MRM Next, photoresist layer on the device surface is removed by remover solution, and then vapor HF 75 PHỤ LỤC etching process was done to etch the SiO2 underneath nderneath the device layer and release the movable electrodes, (fig 5(d)) Vapor HF etching is the key technique here to overcome the sticking problem, which is most frequently occurred in fabrication of silicon comb actuators The etching rate of SiO2 by vapor HF with concentration of 46% at 40°C 40 is 0.2µm/minute m/minute After HF etching, the actuator structure is dried at 120°C C for 10 minutes to further reduce the sticking problem The silicon MRM and its components after fabrication are shown in figures (b)After insertion of anti anti-gap lever Fig 7: SEM image of the anti-reverse reverse mechanism Figure shows the structure of anti anti-reverse mechanism In fig (a), the anti anti-gap lever is still in the initial position, while in fig (b), the anti anti-gap lever is pushed into working position, i.e locked position Note that, the 2µm-gap gap was eliminated in fig (b) Fix 5: Fabrication process: (a) SOI wafer, (b) Photolithography, (c) D-RIE, RIE, (d) Vapor HF etching Finally, the rotational electrostatic motor has been tested for performance They were driven by periodic voltage (Vpp = 80V) with different frequencies from 1Hz to 30Hz When driving frequency was lower wer than 20Hz, the angular velocity of the ratchet ring was proportional with the frequency and matched very well with theoretical calculation Beyond this range, the angular velocity was saturated due to sliding problem (see fig 8) Fig 6: SEM image of MRM and its components Fig 8: Relation between angular velocity and driving frequency a) Before insertion of anti-gap anti lever NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG NG 76 PHỤ LỤC Micromechanical Gears”, Transducers’95, Stockholm, Sweden (1995), pp 365-368 CONCLUSIONS This paper has presented the design, fabrication and testing of a silicon micro rotational motor The motor is actuated by electrostatic comb drive actuator and ratchet mechanism Novel design of anti-reverse mechanism overcomes the gap, which is inherently unavoidable during fabrication process The motor worked well up to frequency of 20Hz Beyond this value, the sliding problem was occurred Improvement of the driving ratchet rack is going on and the result will be presented at the conference Rotation movement of the micro motor can be improved and used in micro gearing systems for transmission and changing angular velocity, as well as in micro clock REFERENCES [1] Tang W C, Nguyen T H and Howe R T 1989, “Laterally Driven Polysilicon Resonant Microstructures”, Tech Dig IEEE Micro Electro Mech Syst Workshop (1989), pp 53-59 [2] Tang W C, Nguyen T H, Michael W J and Howe R T 1990, “Electrostatic-comb Drive of Lateral Polysilicon Resonators”, Sensors and Actuators A21-A23 (1990), pp 328-331 [3] Johnson W A and Warne L K 1995, “Electrophysics of Micromechanical Comb Actuators”, J Microelectromech Systems Vol.4, No.1, (1995), pp 49-59 [4] Rob Legtenberg, A W Groeneveld and M Elwenspoek, “Comb-drive Actuators for Large Displacements”, J Micromech Microeng (1996) pp 320-329 [8] J J Sniegowski and E I Garcia, “SurfaceMicromachined Gear Trains Driven by an OnChip Electrostatic Microengine”, IEEE Electron Device Letters, Vol 17, No 7, (1996), pp 366368 [9] R Yeh, S Hollar and Kristofer S J Pister, “Single Mask, Large Force, and Large Displacement Electrostatic Linear Inchworm Motors”, J Microelectromech Syst (2002), Vol.11, pp 330336 [10] S -C Kim and S H Kim, “Precise Rotary Motor by Inchworm Motion Using Dual Wrap Belt”, Review of Scientific and Instrument, Vol 70, No 5, (1999), pp 2546-2550 [11] Firas N Sammoura, “Novel Rotary Inchworm Motor”,robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/245/p roject/Sammoura.pdf [12] Danelle M Tanner et al, “Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting Actuator”, IEEE 39th Annual International Reliability Physics Symposium, Orlando, Florida, (2001), pp 81-90 [13] E Sacks and S M Barnes, “Computer-Aided Kinematic Design of a Torsional Ratcheting Actuator”, Proc of the Fourth International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, Hilton Head, SC, (2001) [14] Phuc Hong Pham et al, “Straight Movement of Micro Containers Based on Ratchet Mechanism and Electrostatic Comb-Drive Actuators”, J Micromech Microeng Vol.16, No [5] J D Grade, H Jerman and T W Kenny, “Design of Large Deflection Electrostatic Actuators”, Journal of MicroElectromech Systems, Vol 12, No.3, (2001) [6] T Y Harness and R A Richard, “Characteristic modes of Electrostatic Comb-Drive X-Y Microactuators”, J Micromech Microeng 10 (2000), pp 7-14 [7] E I Garcia and J J Sniegowski, “Surface Micromachined Microengine as the Driver for NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG 77 ... cải tiến lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa công nghệ MEMS Luận văn trình bầy nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ MEMS micromotor Tiếp theo cấu tạo, nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu... lực Q thiết kế cải tiến CT01 3.17 Cấu tạo micromotor quay thiết kế cải tiến CT02 3.18 Cấu tạo cấu truyền chuyển động thiết kế cải tiến CT02 3.19 Vị trí làm việc cấu truyền chuyển động thiết kế CT02... chuyển động 55 CHƯƠNG QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY 58 4.1 Tổng quan gia công MEMS 58 4.2 Một số quy trình gia công công nghệ MEMS 58 4.2.1 Quy trình gia công quang khắc - Photolithography