Nghiên cứu chế tạo một số vi cơ cấu (mô tơ, bánh răng siêu nhỏ) sử dụng trong các hệ thống Micro Robot phục vụ trong lĩnh vực Y sinh dựa trên công nghệ MEMS

2



BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI
CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/11-15



BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VI CƠ CẤU (MÔ TƠ, BÁNH
RĂNG SIÊU NHỎ) SỬ DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG MICRO
ROBOT PHỤC VỤ TRONG LĨNH VỰC Y SINH DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ MEMS

(MÃ SỐ KC.03.TN01/11-15)


Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài





Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

Hà Nội - 2012
3



TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI
__________________
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012



BÁO CÁO THỐNG KÊ
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo một số vi cơ cấu (mô tơ, bánh răng siêu
nhỏ) sử dụng trong các hệ thống Micro Robot phục vụ trong lĩnh vực y
sinh dựa trên công nghệ MEMS”
Mã số đề tài: KC.03.TN01/11-15
Thuộc: Chương trình nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ cơ
khí và tự động hóa (Mã số: KC.03/11-15)
2. Chủ nhiệm đề tài:
Họ và tên: Phạm Hồng Phúc
Ngày, tháng, năm sinh: 28/10/1970 Nam/ Nữ: Nam
Học hàm, học vị: Ti
ến sĩ

Chức danh khoa học: Chức vụ:
Điện thoại: Tổ chức: 04.38692136 Nhà riêng:
Mobile: 0987751970
Fax: E-mail:
Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Địa chỉ tổ chức: Số 1- Đại Cồ Việt – Hà Nội
Địa chỉ nhà riêng: Khu đô thị Văn Khê-Hà đông-Hà Nội
3. Tổ chức chủ trì đề tài:
Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại h
ọc Bách khoa Hà Nội
Điện thoại: 04.38692136 Fax:
E-mail:
Website: www.hust.vn
Địa chỉ: Số 1- Đại Cồ Việt – Hà Nội
4

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS. Nguyễn Trọng Giảng
Số tài khoản: 931.01.062
Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước Hai Bà Trưng, Hà Nội.
Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo
II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN
1. Thời gian thực hiện đề tài:
- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 1/2012 đến tháng 12/2012
- Thực tế thực hiện: từ tháng 1/2012 đến tháng 12/2012
- Được gia hạn (nếu có): Không
2. Kinh phí và sử dụng kinh phí:
a) Tổng số kinh phí thực hiện: 590 triệu đồng, trong đó:
+ Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 590 triệu đồng.
+ Kinh phí từ các nguồn khác: 0 tr.đ.
+ Tỷ lệ và kinh phí thu hồi đối với dự án (nếu có):

b) Tình hình cấp và s
ử dụng kinh phí từ nguồn SNKH:
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Số
TT
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Ghi chú
(Số đề nghị
quyết toán)
1 2/2012 413 4/2012 413 413
2 10/2012 177 10/2012 177 177


5

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:
Đối với đề tài:
Đơn vị tính: Triệu đồng
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Số
TT
Nội dung

các khoản chi
Tổng SNKH Nguồn
khác
Tổng SNKH Nguồn
khác
1 Trả công lao động
(khoa học, phổ
thông)
370 370 0 370 370 0
2 Nguyên, vật liệu,
năng lượng, sách
60 60 0 60 60 0
3 Thuê máy móc
26 26 0 26 26 0
4 Xây dựng, sửa
chữa nhỏ
0 0 0 0 0 0
5 Chi khác
134 134 0 134 134 0

Tổng cộng 590 590 0 590 590 0
- Lý do thay đổi (nếu có): Không


3. Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:
(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,
phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn
bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)
Số
TT

Số, thời gian ban
hành văn bản
Tên văn bản Ghi chú
1 1882/QĐ-BKHCN
ký ngày 27/6/2011
Quyết định thành lập HĐ KHCN tư vấn
xét chọn đề tài tiềm năng

2 B4-BBTC ký ngày
5/7/2011
Biên bản họp hội đồng xét chọn tổ chức,
cá nhân chủ trì ĐTTN

3 3885/QĐ-BKHCN
ký ngày 15/12/2011
Quyết định phê duyệt kinh phí, tổ chức,
cá nhân chủ trì các nhiệm vụ KHCN
thuộc chương trình KC.03/11-15

4 01/2011/HĐ-ĐTTN-
KC.03/11-15 ký
ngày 12/01/2012
Hợp đồng NCKH và PT Công nghệ ký
với cơ quan chủ trì và CNĐT





6

4. Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án: Phòng thí nghiệm MEMS,
trường đại học Ritsumeikan, Nhật Bản
Số
TT
Tên tổ chức
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên tổ chức đã
tham gia thực
hiện
Nội dung
tham gia
chủ yếu
Sản phẩm
chủ yếu đạt
được
Ghi
chú*
1 Phòng thí
nghiệm MEMS
trường ĐH
Ritsumeikan,
Nhật Bản
Phòng thí
nghiệm MEMS
trường ĐH
Ritsumeikan,
Nhật Bản
Hỗ trợ

máy móc
chế tạo
Mặt nạ chủ
và chip bán
thành phẩm

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

5. Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:
(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10
người kể cả chủ nhiệm)
Số
TT
Tên cá nhân
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên cá nhân
đã tham gia
thực hiện
Nội dung
tham gia
chính
Sản phẩm
chủ yếu đạt
được
Ghi
chú*
1 Phạm Hồng Phúc Phạm Hồng Phúc Chủ nhiệm ĐT Mặt nạ, chip
2 Đỗ Đức Nam Đỗ Đức Nam Thư ký ĐT Mạch điện
3 Đặng Bảo Lâm Đặng Bảo Lâm Thành viên Tính toán, đo

4 Nguyễn Tuấn Khoa Nguyễn Tuấn Khoa Thành viên Mô phỏng, đo
5 Đinh Khắc Toản Đinh Khắc Toản Thành viên Chế tạo, đo đạc
6 Đào Việt Dũng Đào Việt Dũng Hợp tác quốc
tế
Hỗ trợ chế tạo
- Lý do thay đổi ( nếu có): Không

6. Tình hình hợp tác quốc tế:
Số
TT
Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh phí, địa
điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn,
số lượng người tham gia )
Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian, kinh phí, địa
điểm, tên tổ chức hợp tác, số
đoàn, số lượng người tham gia )
Ghi
chú*

1
Đoàn ra (01 vé máy bay khứ hồi đi
Nhật. Dự kiến 6/2012. Chi ăn ở 1
tuần phục vụ chế tạo mặt nạ, chíp).
Số tiền: 36 triệu đồng
Chủ nhiệm đề tài đã thực hiện
theo kế hoạch. Đoàn ra 01 người
từ 14/7/2012 đến 27/7/2012. Kinh
phí 36 triệu.

- Lý do thay đổi (nếu có): Không có
7

7. Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:
Số
TT
Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh phí, địa
điểm )
Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm )
Ghi chú*
1 Hội thảo khoa học lần 1 tại
trường ĐHBK Hà Nội để báo cáo
kết quả nghiên cứu (dự kiến
tháng 9 năm 2012)
Nội dung: Tính toán mô phỏng hệ
mô tơ – bánh răng- tay kẹp
Kinh phí: 6 triệu đồng

Đã tổ chức hội thảo thành công
Vào ngày 3 tháng 11 năm 2012
Tại ĐHBK Hà Nội.
Nội dung: Tính toán mô phỏng
hệ thống mô tơ-bánh răng
Kinh phí chi: 6 triệu đồng

2 Hội thảo khoa học lần 2 tại
trường ĐHBK Hà Nội để báo cáo
kết quả nghiên cứu (dự kiến
tháng 12 năm 2012)
Nội dung: Các phương pháp gia
công vi cơ khối
Kinh phí: 6 triệu đồng

Đã tổ chức hội thảo thành công
Vào ngày 3 tháng 12 năm 2012
Tại ĐHBK Hà Nội
Nội dung: Các qui trình gia
công vi cơ khí
Kinh phí chi: 6 triệu đồng

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

8. Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:
(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát
trong nước và nước ngoài)
Thời gian
(Bắt đầu, kết thúc
- tháng … năm)
Số
T
T
Các nội dung, công việc
chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ yếu)

Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được
Người,
cơ quan
thực hiện
1 Công việc 1.1: Nghiên cứu tổng quan,
phân tích cấu trúc hệ thống
1/2012 3/2012 Chủ nhiệm ĐT
2 Công việc 1.2: Nghiên cứu, thiết kế,
tính toán động học, động lực học mô
tơ tĩnh điện
1-2/2012 3/2012 Đinh Khắc
Toản
3 Công việc 1.3: Nghiên cứu, phân tích,
tính toán động học, động lực học trên
cơ cấu bánh răng, tay kẹp
2-3/2012 4/2012 Đặng Bảo Lâm
4 Công việc 1.4: Mô phỏng, tối ưu cấu
trúc hệ thống
2-3/2012 4-5/2012 Đặng Bảo Lâm
5 Công việc 1.5: Nghiên cứu, thiết kế
bản vẽ chế tạo hệ thống
3-4/2012 4-5/2012 Nguyễn Tuấn
Khoa
6
Công việc 2.1: Nghiên cứu, lựa chọn,
lập quy trình công nghệ chế tạo hợp lý
5/2012

6/2012 Chủ nhiệm ĐT
8

7
Công việc 2.2: Nghiên cứu thiết kế,
tính toán, chế tạo mặt nạ
5/2012-
6/2012
6/2012 Chủ nhiệm ĐT
8
Công việc 2.3: Chi phí công lắp đặt
máy móc và thiết bị phục vụ chế tạo
6/2012-
7/2012
7/2012 Đỗ Đức Nam
9
Công việc 2.4: Chi phí công chế tạo
các chíp mẫu
7/2012-
8/2012
7/2012 Chủ nhiệm ĐT
10
Công việc 3.1: Nghiên cứu, thiết kế
mạch điều khiển
5/2012-
6/2012
8/2012 Đỗ Đức Nam
11
Công việc 3.2: Chi phí công chế tạo
mạch điều khiển

7/2012
9/2012 Nguyễn Tuấn
Khoa
12
Công việc 3.3: Chi phí công cài đặt hệ
thống đo đạc kiểm tra
7/2012
9/2012 Nguyễn Tuấn
Khoa
13
Công việc 3.4: Nghiên cứu, tích hợp
mạch điện và chíp, hiệu chỉnh hệ
thống đo đạc
8/2012
10/2012 Đinh Khắc
Toản
14
Công việc 3.5: Chi phí công đo đạc
các thông số, kiểm tra hoạt động của
sản phẩm
9/2012-
10/2012
11/2012 Chủ nhiệm ĐT
15
Công việc 3.6: Xử lý các kết quả đo
đạc. Chi phí công hiệu chỉnh sản phẩm
để đạt các thông số theo yêu cầu
10/2012-
11/2012
11-12/2012 Chủ nhiệm ĐT

- Lý do thay đổi (nếu có): Không


III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN
1. Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:
a) Sản phẩm Dạng I:

Số
TT
Tên sản phẩm và
chỉ tiêu chất lượng
chủ yếu
Đơn
vị đo
Số lượng
Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được
1 Mặt nạ chủ (MASK) cái 01 01 01
2 Chip silicon sản phẩm chip 10 10 10
- Lý do thay đổi (nếu có): Không



9

b) Sản phẩm Dạng II:
Yêu cầu khoa học
cần đạt

Số
TT
Tên sản phẩm

Theo kế hoạch Thực tế
đạt được
Ghi chú

1
Bản vẽ thiết kế hệ thống mô
tơ, bánh răng, tay kẹp
01 bộ, sử dụng
được
01 bộ, sử
dụng được

2
Quy trình công nghệ chế tạo
hệ thống
01 bộ, sử dụng
được
01 bộ, sử
dụng được

3
Dữ liệu thí nghiệm (ảnh
chụp, video minh họa hoạt
động của hệ thống)
01 bộ 01 bộ

4
Báo cáo tổng kết
10 quyển 10 quyển
- Lý do thay đổi (nếu có): Không

c) Sản phẩm Dạng III:
Yêu cầu khoa học
cần đạt

Số
TT
Tên sản phẩm

Theo
kế hoạch
Thực tế
đạt được
Số lượng,
nơi công bố
(Tạp chí, nhà
xuất bản)
1
Bài báo hội nghị chuyên
ngành trong nước
01 bài 02 bài
(Đã đăng)
Hội nghị Cơ
học toàn quốc
8-9/12/2012
2

Bài báo tạp chí quốc tế
01 bài 01 bài ISI
(Đã đăng)
Microsystem
Technologies-
Springer
- Lý do thay đổi (nếu có): Không

d) Kết quả đào tạo:
Số lượng
Số
TT
Cấp đào tạo, Chuyên
ngành đào tạo
Theo kế
hoạch
Thực tế đạt
được
Ghi chú
(Thời gian kết
thúc)
1 Thạc sỹ 1 1 4/2012
2 Tiến sỹ 0 0
- Lý do thay đổi (nếu có): Không

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống
cây trồng: Không có
10

Kết quả

Số
TT
Tên sản phẩm
đăng ký
Theo
kế hoạch
Thực tế
đạt được
Ghi chú
(Thời gian kết
thúc)
1

2



- Lý do thay đổi (nếu có):

2. Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:
a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:
(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công
nghệ so với khu vực và thế giới…)
- Kết quả đề tài thể hiện tính mới trong đặt vấn đề và sản phẩm chính đạt
được (kết quả được công bố bài báo quốc tế ISI trên tạp chí có uy tín ngành
MEMS có chỉ số ảnh hưởng IF – Microsystem Technologies/Springer. Đến
nay đã đăng online trên trang WEB của tạp chí).
- Nhóm nghiên cứu đã nắm bắt và làm chủ công nghệ vi cơ khối, có thể sử
dụng và hiệu chỉnh các máy móc hiện đại phục vụ quá trình gia công. Có kinh
nghiệm thiế

t kế, mô phỏng các sản phẩm MEMS. Tạo thuận lợi cho các công
việc tiếp theo của nhóm.
- Lập được 01 bộ quy trình chế tạo chíp dùng mặt nạ đơn, dựa trên công nghệ
vi cơ khối. Quy trình đã được thử nghiệm chế tạo thực tế tại cả Nhật Bản và
Việt Nam đạt kết quả tốt. Các dữ liệu, báo cáo có thể dùng làm tài liệu tham
khảo có giá trị cho đào tạo đạ
i học và sau đại học.
b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:
(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm
cùng loại trên thị trường…)
- Xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Tiếp
cận và nắm bắt các công nghệ mũi nhọn, tiến tới công bố quốc tế thường
xuyên trong lĩnh vực nghiên cứu.
- Góp phần đào tạo, hướng dẫn sau đại học (cả thạc sĩ và NCS) thông qua quá
trình thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học. Gắn kết lý thuyết với thực
hành.



11

3. Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:
Số
TT
Nội dung
Thời gian
thực hiện
Ghi chú
(Tóm tắt kết quả, kết luận
chính, người chủ trì…)

I
Báo cáo định kỳ
9/2012
Lần 1
Hoàn thành 7/15 chuyên đề.
Chế tạo xong mặt nạ, hệ đo
đạc. Viết được 02 bài báo.
Đào tạo xong 01 thạc sỹ
II
Kiểm tra định kỳ
18/09/2012
Lần 1
Xác nhận của BCN KC.03:
Hoàn thành theo đăng ký 7/15
chuyên đề. Có bài báo đăng.
Chuẩn hóa lại các chuyên đề.
Giải ngân còn chậm
III
Nghiệm thu cơ sở
25/12/2012

Kết luận hội đồng cơ sở: Đạt
yêu cầu. Cần chỉnh sửa lỗi
trình bày. Kết luận và kiến
nghị nên cụ thể hơn.


Chủ nhiệm đề tài
(Họ tên, chữ ký)

Thủ trưởng tổ chức chủ trì
(Họ tên, chữ ký và đóng dấu)



1
PHẦN BÁO CÁO TỔNG HỢP


Chủ nhiệm đề tài KC.03.TN01/11-15 xin cam đoan rằng những kết quả
được trình bày trong báo cáo Đề tài này là do chính tôi và nhóm đề tài nghiên
cứu làm ra. Không sao chép từ các tài liệu khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về báo cáo tổng hợp này.

Chủ nhiệm đề tài




TS. Phạm Hồng Phúc








9733

2
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14
1.1 Tổng quan về vi mô tơ 14
1.1.1 Mô tơ tuyến tính 14
1.1.2 Mô tơ quay 16
1.2 Đề xuất thiết kế mô tơ 17
1.3 Đề xuất thiết kế hệ bánh răng 19
1.4 Đề xuất hệ thống tay kẹp dẫn động bằng actuator nhiệt 20
1.5 Kết luận 22
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 23
2.1 Đặt vấn đề 23
2.2 Mô phỏng cấu trúc 23
2.2.1 Giới thiệu về ANSYS 23
2.2.2 Mô phỏng cấu trúc mô tơ, bánh răng 25
2.2.3 Mô phỏng cấu trúc vi tay kẹp 31
2.3 Tính toán động học và động lực học cho hệ thống 35
2.3.1 Tính toán động học cho mô tơ và bánh răng 35
2.3.2 Tính toán lực cho mô tơ và bánh răng 36
2.3.3 Tính toán động học cho vi tay kẹp 40
2.3.4 Tính toán lực cho vi tay kẹp 42
2.4 Kết luận 43
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BẢN VẼ VÀ LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO 44
3.1 Đặt vấn đề 44

3.2 Quy trình thiết kế mặt nạ 44
3.2.1 Giới thiệu phần mềm L-edit 44
3.2.2 Cách định dạng và cấu trúc file 46
3.2.3 Thiết kế chi tiết của các hệ thống 48
3.2.4 Một số chú ý khi thiết kế các vi cơ cấu 52
3.3 Lập quy trình chế tạo hệ thống 53
3.3.1 Khảo sát một số quy trình chế tạo MEMS 53

3
3.3.2. Đề xuất quy trình gia công một mặt nạ 62
3.4 Kết luận 70
CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO CÁC CHÍP HỆ THỐNG 72
4.1 Đặt vấn đề 72
4.2 Chuẩn bị vật tư, máy móc 72
4.2.1 Vật tư và hóa chất 72
4.2.2 Máy móc thiết bị 73
4.3 Các bước chế tạo và kết quả 77
4.3.1 Làm sạch tấm SOI 77
4.3.2 Sấy khô 78
4.3.3 Quay phủ lớp photoresist 78
4.3.4 Quang khắc và phát triển 79
4.3.5 Kiểm tra lần đầu 79
4.3.6 Ăn mòn khô D-RIE 80
4.3.7 Phủ lớp bảo vệ 81
4.3.8 Cắt chíp 81
4.3.9 Rửa chíp và sấy khô 82
4.3.10 Ăn mòn hơi HF 83
4.4 Kết luận 85
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA
HỆ THỐNG 86


5.1 Đặt vấn đề 86
5.2 Lắp đặt hệ thống đo đạc 86
5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của mô tơ quay và hệ bánh răng 89
5.3.1 Mô tơ quay 89
5.3.2 Hệ bánh răng 92
5.4 Đo đạc và xử lý dữ liệu tay kẹp nhiệt 94
5.4.1 Đánh giá chuyển vị của dầm kẹp 95
5.4.2 Đánh giá hoạt động của tay kẹp 96
5.4.3 Kiểm tra lực đẩy của tay kẹp 97
5.5 Kết luận 99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO 103


4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- MEMS: Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Electro-Mechanical System)
- Actuator: Bộ kích hoạt (vi động cơ)
- Sensor: Cảm biến
- Bulk-Micromachining: Công nghệ vi cơ khối
- Surface-Micromachining: Công nghệ vi cơ bề mặt
- LIGA: Công nghệ gia công dùng tia laze
- MASK: Mặt nạ dùng cho quá trình quang khắc
- SEM: Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscopy)
- SOI wafer: Tấm silic kép (đa lớp-Silicon On Insulator)
- ANSYS: Phần mềm phần tử hữu hạn dùng để mô phỏng cấu trúc
- L-Edit: Phần mềm thiết k

ế các cấu trúc trong MEMS
- Photolithography: Quy trình quang khắc
- DRIE: Quy trình ăn mòn khô sâu (Deep Reactive Ion Etching)
- HF Etching: Quy trình ăn mòn bằng hơi a xít HF
- Piranha: Dung dịch hỗn hợp H
2
SO
4
và H
2
O
2
để rửa sạch chip
- Hakuri (106): Dung dịch hòa tan chất cảm quang dương
- Electrostatic comb-drive actuator (ECA): Bộ kích hoạt răng lược tĩnh điện
- Electrothermal actuator (ETA): Bộ kích hoạt kiểu dãn nở nhiệt
- f: Tần số dòng điện kích hoạt (Hz)
- V : Điện áp dẫn (Vôn)
- Z, Z1, Z2: Số răng cóc, số răng bánh răng dẫn và bị dẫn
- F
es
: Lực tĩnh điện tổng cộng (µN)
- F
el
: Lực đàn hồi cổ dầm (µN)
- F
fi
: Lực ma sát loại thứ i (µN)

5

- k
s
, k
p
: Độ cứng lò xo và cổ dầm
- b= 30: Bề dày lớp Si trên tấm SOI (µm)
- g
0
= 2: Khe hở giữa hai răng lược (µm)
- p và h: Bước răng cóc và chiều cao răng cóc (µm)
- L và w : Chiều dài và bề rộng các dầm (µm)
- α = 30° : Góc nghiêng răng cóc
-
ε
và
ε
0
: Hằng số điện môi tuyệt đối và tỷ đối của không khí
- f
m
= 0,3: Hệ số ma sát giữa silicon-silicon
- m
2
, m
3
và m
4
lần lượt là khối lượng của thanh răng cóc, bánh răng dẫn và
bánh răng bị dẫn
- G : Gia tốc trọng trường

- E= 169Gpa : Mô đun đàn hồi của tinh thể silicon
- I : Mô men quán tính mặt cắt ngang dầm
- A: Tiết diện mặt cắt ngang của dầm
- ∆L: Độ dãn dài do nhiệt của dầm đơn
- ∆D: Chuyển vị của thanh đẩy đầu dầm đơ
n
- ∆S: Chuyển vị ngang của thanh trượt (vật bị kẹp)
- β= 45
0
: Góc nghiêng của tay kẹp so với phương vật kẹp (ngang)
- γ = 2
0
: Góc nghiêng ban đầu của dầm đơn so với phương vuông góc với
thanh đẩy
- T
max: Nhiệt độ lớn nhất sinh ra trên dầm (độ C)





6
DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng Trang
Bảng 2.1 Kết quả chuyển vị và ứng suất max 30
Bảng 2.2 Các giá trị chuyển vị ∆S (µm) và lực F (mN) 42
Bảng 3.1 Quy trình gia công hệ thống 68
Bảng 5.1 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 91
Bảng 5.2 Quan hệ giữa vận tốc góc bánh răng và tần số dòng điện (Vpp = 80V) 93


Bảng 5.3 Chuyển vị bước của thanh trượt tại điện áp 30V, tần số 1Hz 97





7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng 14
Hình 1.2 Hoạt động của một loại mô tơ bước tuyến tính 15
Hình 1.3 Bộ kích hoạt khe hở kín (gap-closing actuator-GCA) 16
Hình 1.4 Mô tơ răng cóc xoắn 17
Hình 1.5 Cấu tạo mô tơ quay (micro rotational motor) 18
Hình 1.6 Cấu tạo của hệ thống bánh răng 19
Hình 1.7 Cấu tạo Hệ thống vi tay kẹp nhiệt 21

Hình 2.1 Kết cấu dầm mô phỏng 28

Hình 2.2 Chuyển vị trong bài toán cấu trúc 28
Hình 2.3 Ứng suất trong bài toán cấu trúc 29
Hình 2.4 Chuyển vị trong bài toán tĩnh điện 29
Hình 2.5 Ứng suất trong bài toán tĩnh điện 30
Hình 2.6 Mô hình mô phỏng actuator nhiệt V-shaped 31
Hình 2.7 Xây dựng mô hình bàn kẹp 1
Hình 2.8 Kết quả mô phỏng chuyển vị-Ứng suất bàn kẹp 1
Hình 2.9 Sơ đồ tính lực kẹp bằng ANSYS 33
Hình 2.10 Phân bố nhiệt độ của dầm chữ V 34
Hình 2.11 Đồ thị quan hệ nhiệt độ cao nhất - điện áp theo mô phỏng 35

Hình 2.12 Phân tích động lực học chu kỳ dẫn động 36
Hình 2.13 Sơ đồ phân tích động lực học chu kỳ hồi vị 38
Hình 2.14a Sơ đồ tính chuyển vị dầm đơn 40
Hình 2.14b Chuyển vị bước của thanh trượt 42
Hình 3.1Giao diện của phần mềm L-edit 8.3 45

Hình 3.2 Tổng thể mặt nạ (mask) 45
Hình 3.3 Cách quản lý các cell của L-edit theo dạng “cây” 1
Hình 3.4 Mặt nạ tổng thể (Mask) 47
Hình 3.5 Bản vẽ thiết kế chíp 5x5mm
2
48

8
Hình 3.6 Bản vẽ mô tơ trên L-edit 49
Hình 3.7 Cơ cấu chống đảo chiều 50
Hình 3.8 Bản vẽ trên L-edit bánh răng của hệ bánh răng 50
Hình 3.9 Bản vẽ L-edit hệ thống tay kẹp 51
Hình 3.10 Vành răng dạng lưới các nan có bề rộng tối đa w
max
=10µm 52
Hình 3.11 Khe hở tối thiểu giữa các răng lược 53
Hình 3.12 Vi động cơ tĩnh điện hai chiều 1
Hình 3.13 Lược đồ động học 1
Hình 3.14 Rotor – bánh răng đầu ra 1
Hình 3.15 Các bước của quy trình SUMMiT 1
Hình 3.16 Mô tơ quay dạng sâu đo 1
Hình 3.17 Các bước chế tạo mô tơ quay 1
Hình 3.18 Bộ kích hoạt tĩnh điện xoắn 1
Hình 3.19 Các bước chế tạo 1

Hình 3.20 Actuator được chế tạo 1
Hình 3.21 Quy trình gia công micromotor 1
Hình 3.22 Cấu tạo một phiến wafer 1
Hình 3.23 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist 1
Hình 3.24 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 1
Hình 3.25 Quá trình ăn mòn axit bay hơi - Vapor HF 1
Hình 3.26 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF 1
Hình 3.27 Sơ đồ bố trí ăn mòn HF 1

Hình 4.1 Hệ thống máy quang khắc 73

Hình 4.2 Máy quay phủ (spin coater) 74
Hình 4.3 Hệ thống sấy và gia nhiệt 75
Hình 4.4 Hệ thống đo độ dày ALPHA STEP 500 75
Hình 4.5Hệ thống ăn mòn khô D-RIE 76
Hình 4.6 Máy cắt silicon DAD-522 77
Hình 4.7 Làm sạch tấm SOI 77
Hình 4.8 Vị trí gá đặt mặt nạ và tấm SOI 79
Hình 4.9 Gá đặt tấm SOI Hình 4.10 Đặt tham số gia công 80

9
Hình 4.11 Tấm SOI sau khi phủ lớp bảo vệ và sấy khô 81
Hình 4.12 Gá dao vào trục dao Hình 4.13Gá tấm SOI lên máy cắt 82
Hình 4.14 Đèn sấy hệ thống HF Hình 4.15 Hệ thống hút khí 84
Hình 4.16 Hệ thống mô tơ/bánh răng sau khi chế tạo (SEM) 84
Hình 4.17 Hệ thống tay kẹp sau khi chế tạo 85

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống đo đạc kiểm tra 88
Hình 5.2 Thiết lập hệ đo đạc chip 89
Hình 5.3 Hình chụp từ video hoạt động của mô tơ 90

Hình 5.4 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ và tần số dòng điện (Vpp = 80V) 91
Hình 5.5 Hình chụp từ video hoạt động của hệ bánh răng 93
Hình 5.6 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ và tần số dòng điện (Vpp = 80V) 94
Hình 5.7 Quan hệ chuyển vị dầm kẹp - điện áp 95
Hình 5.8 Ảnh SEM mô tả chuyển vị lớn nhất của dầm kẹp loại motor có 10 cặp dầm
tại điện áp 30V 95

Hình 5.9 So sánh kết quả mô phỏng–đo đạc chuyển vị tay kẹp loại 10 cặp dầm 96
Hình 5.10 Chuyển vị bước của thanh trượt ở 30V với các tần số từ 1-20Hz 97
Hình 5.11 Kiểm tra lực đẩy của thanh trượt qua độ cong của dây giữ 97
Hình 5.12 Sơ đồ tính lực đẩy Fđ (thử tải) 98

10
MỞ ĐẦU
Các thiết bị vi cơ điện tử chế tạo bằng công nghệ MEMS hiện đang
được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực: ví dụ các cảm biến đo áp suất lốp,
đo gia tốc trên ô tô, đo lực, mô men trên các hệ thống robot công nghiệp và
các thiết bị giải trí, hay các cảm biến đo lưu lượng trong các đầu phun mực
của máy in phun… Một trong những hướng ứng dụng đầy ti
ềm năng thời gian
gần đây cho các sản phẩm vi cơ điện tử là lĩnh vực y học, công nghệ y sinh và
vật liệu mới.
Ở Việt Nam, công nghệ MEMS bắt đầu được quan tâm phát triển trong
vài năm gần đây tại một số trung tâm nghiên cứu lớn như hai Đại học quốc
gia Hà Nội và TPHCM, Viện Khoa học vật liệu - thuộc Viện Khoa học Việt
Nam, trường Đại h
ọc Bách khoa Hà Nội… Từ năm 2009, nhóm nghiên cứu
trẻ tại Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội do TS. Phạm Hồng Phúc xây
dựng đã đi sâu nghiên cứu phát triển các hệ thống vận chuyển micro, các hệ
thống micro robot trên chip phục vụ cho các thí nghiệm của ngành y sinh và

nghiên cứu vật liệu mới. Đầu năm 2012, được tài trợ từ đề tài NCKH tiềm
năng mã số KC.03.TN01/11-15, nhóm đã bắt đầu nghiên cứu, chế tạo th
ử một
số hệ thống mô tơ, bánh răng và tay kẹp siêu nhỏ với mục đích trong tương lai
gần sẽ tích hợp vào các hệ thống micro robot phục vụ cho việc vận chuyển
mẫu kích thước micro/nano trong các thí nghiệm y sinh/vật liệu nano…
Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu và chế tạo một số vi cơ cấu
phục vụ cho hệ thống micro robot như bánh răng truyền động, mô t
ơ dẫn, tay
kẹp… sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). Đây là những bộ phận quan
trọng để tạo nên một hệ thống micro robot ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu
mới với mục đích vận chuyển, phân loại, kiểm tra vi mẫu (như các ống
cacbon kích thước nano), hoặc trong các phòng thí nghiệm y sinh để chuyên
chở và kiểm tra mẫu máu, mẫu tế bào cần xét nghiệm.

11
Đề tài dự kiến trong thời gian một năm sẽ nghiên cứu, thiết kế và chế
tạo thử nghiệm một loại micro mô tơ kiểu tĩnh điện đường kính ngoài khoảng
2-3mm, làm việc trong dải tần số rộng (cỡ từ 1-1000Hz), dẫn động hệ thống
bánh răng (có mô đun 20-30 micromet) với đường kính vài trăm micromet.
Toàn bộ hệ thống trên cùng nằm trên chíp silicon với kích thước phủ ngoài
khoảng 1x1(cm
2
). Ngoài ra chế tạo một số chíp khác chứa loại tay kẹp kiểu
nhiệt dùng để kẹp những vật có kích thước vài chục micromet với lực kẹp lớn
từ vài trăm µN tới hàng chục mN.
Các hệ thống robot siêu nhỏ ngày càng được quan tâm và ứng dụng
rộng rãi trong y học để thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác cao,
không gây nguy hiểm cho người bệnh như vi phẫu thuật, lấy mẫu tế
bào, xét

nghiệm mẫu máu, xét nghiệm tế bào nghi ung thư… Việc nghiên cứu chế tạo
các bộ phận của hệ thống robot như đề cập ở trên – tiến tới có thể lắp ráp và
ứng dụng các robot này trong điều kiện ở Việt Nam có ý nghĩa quan trọng,
giúp cho y học có những bước tiến mới trong việc chẩn đoán chính xác và
chữa trị cho bệnh nhân mà không cần làm đại phẫu thuật. Đây cũng là m
ột
trong những nhiệm vụ ứng dụng công nghệ tự động hóa trong chương trình
KC.03/11-15.
Về tình hình nghiên cứu trong nước:
Nghiên cứu, chế tạo ứng dụng các sản phẩm công nghệ MEMS bắt đầu
được quan tâm và phát triển ở Việt Nam vài năm gần đây, cụ thể là tại một số
nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm
nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh và trường Đạ
i học Công Nghệ, ĐH
Quốc gia Hà Nội. Một số hội thảo khoa học quốc tế và quốc gia tổ chức tại
Việt Nam trong lĩnh vực khoa học vật liệu, cơ điện tử vài năm gần đây đều đã
có các tiểu ban riêng cho công nghệ MEMS chứng tỏ tầm quan trọng của nó.
Tuy nhiên, ngoại trừ nhóm tác giả thực hiện đề tài này, cho đến hiện tại ở Vi
ệt

12
Nam chưa có nhóm tác giả, cơ quan tổ chức nào nghiên cứu về hệ thống mô
tơ dẫn động bánh răng siêu nhỏ dùng công nghệ MEMS.
Về tình hình nghiên cứu trên thế giới:
- Năm 1995, E I Garcia và các đồng nghiệp đã chế tạo được vi mô tơ
dẫn động hệ vi bánh răng sử dụng công nghệ gia công bề mặt dựa vào hiệu
ứng tĩnh điện [1, 2]. Tuy nhiên kích thước hệ thống còn lớn.
- Năm 1999, S -C Kim (Hàn quố
c) và đồng nghiệp đề xuất, chế thử một
loại mô tơ quay chính xác sử dụng đai ma sát dẫn động bằng hiệu ứng điện từ

với số vòng quay cao [3], tuy nhiên hiệu suất mô tơ là thấp (chỉ vài phần
trăm).
- Đến năm 2001, phòng thí nghiệm Sandia – Hoa kỳ đã nghiên cứu chế
tạo mô tơ dẫn động quay các hệ vi bánh răng khá hoàn chỉnh dùng công nghệ
gia công nhiều lớp (tuy nhiên quy trình vi cơ b
ề mặt là tương đối phức tạp và
giá thành cao [4, 5])
- Tới năm 2004, Sammoura (Hoa kỳ) đã nghiên cứu chế thử loại mô tơ
quay dạng sâu đo sử dụng công nghệ bề mặt dẫn động tay lắc, tuy nhiên vận
tốc quay không được cao do hệ thống điều khiển mô tơ khá phức tạp [6].
- Mô tơ nhiệt cũng đang được nghiên cứu thiết kế và ứng dụng trong
việc dẫ
n động chuyển động thẳng và quay. Ứng dụng của loại mô tơ nhiệt
tuyến tính này có thể thấy ở các loại vi tay kẹp (micro-gripper) hay trong
nhiều loại vi dẫn động tuyến tính [7-8].
Chủ nhiệm đề tài trong thời gian 2006-2010 cũng đã nghiên cứu chế tạo
thành công một số hệ thống MEMS như các hệ robot vận tải trên chíp sử dụng
hiệu ứng tĩnh điện, hệ vi bơm dùng hiệ
u ứng áp điện và đã có công bố quốc tế
[9-12].
Trong đề tài này, nhóm sẽ đi nghiên cứu, đề xuất thiết kế các hệ thống
mô tơ, bánh răng kích thước micro với ưu điểm hơn các thiết kế ở trên là có
kết cấu hệ thống và phương pháp điều khiển đơn giản hơn, sử dụng công nghệ

13
vi cơ khối (Bulk-micromachining) phổ biến và rẻ hơn công nghệ vi cơ bề mặt
(Surface-micromachining), dùng chỉ một mặt nạ nhằm giảm chi phí chế tạo
các chíp. Nhóm cũng sẽ phối hợp với phòng thí nghiệm các nước tiên tiến để
tận dụng máy móc chính xác, hiện đại nhằm đạt hiệu quả cao trong chế thử.
Tạo đà tích lũy và nắm vững công nghệ gia công vi cơ khối-là một công nghệ

mớ
i, hiện đại trong lĩnh vực MEMS, tiến tới làm chủ công nghệ và thiết bị
tiên tiến, góp phần đào tạo lực lượng cán bộ nhân lực trình độ cao cho đất
nước.





















14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1.1 Tổng quan về vi mô tơ
Một số loại vi mô tơ điển hình đã được đề cập đến ở phần mở đầu.

Theo tính chất chuyển động, ta chia chúng làm hai loại là mô tơ tịnh tiến và
mô tơ quay. Trong phần tiếp theo, ta sẽ đi xem xét hai ví dụ điển hình cho hai
loại mô tơ này:
1.1.1 Mô tơ tuyến tính
Nhiều mô tơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt
động của bộ
kích hoạt kiểu răng lược (comb-drive actuator). Bộ kích hoạt này
gồm nhiều răng đặt song song với nhau và cách đều nhau giống như các bản
tụ điện nối song song với nhau, chúng gồm phần cố định (fixed part) và phần
chuyển động (movable part). Khi được kích điện vào phần cực, lực tiếp tuyến
hoặc pháp tuyến giữa các mặt của bản tụ được sử dụng tạo ra chuyển động
tịnh tiến của mô tơ. Hình 1.1 thể hiện ứng dụng của của bộ kích hoạt này
trong các ứng dụng dẫn động chuyển động thẳng.


Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng

15
Với ý tưởng tích lũy nhiều chuyển vị tịnh tiến nhỏ thành chuyển vị lớn
hơn, N.R Tas [13] đề xuất thiết kế mô tơ bước kích thước micro dựa trên hiệu
ứng tĩnh điện. Nguyên lý hoạt động của mô tơ được thể hiện trên hình 1.2.
Trong ứng dụng của mô tơ bước tịnh tiến này thì bộ kích hoạt kẹp và
đẩy được sử dụng ở đ
ây là bộ kích hoạt khe hở kín (gap closing actuator-
GCA). Nguyên lý của bộ kích hoạt này thể hiện trên hình 1.3, cấp điện dương
vào phần cố định (2) và cho phần di động (1) nối đất thì khi đó lực pháp tuyến
hút bản tụ thắng lực đàn hồi của dầm và kéo xuống (ngược chiều OX), chuyển
động bị chặn bởi phần đỡ (bumper) để tránh chập điện.

Cực cố định

Bộ kích hoạt kẹp
Bộ kích hoạt kéo

Hình 1.2 Hoạt động của một loại mô tơ bước tịnh tiến