Thiết kế cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa trên công nghệ mems

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:
1. 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 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR ....... 1

1.1 Tổng quan về công nghệ MEMS .................................................................... 1
1.1.1 Giới thiệu về công nghệ MEMS .............................................................. 1
1.1.2 Phân loại MEMS ..................................................................................... 2
1.1.3 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS ....................................................... 3
1.1.4 Ứng dụng công nghệ MEMS................................................................... 4
1.1.5 Thị trường MEMS .................................................................................. 6
1.2 Micromotor sự phát triển và các ứng dụng ..................................................... 7
1.2.1 Chuyển động tuyến tính .......................................................................... 7
1.2.2 Động cơ quay - Rotary motor ................................................................ 11
1.2.3 Truyền và biến đổi chuyển động ........................................................... 14
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN .............................................................. 16
2.1 Lý thuyết tĩnh điện ....................................................................................... 16
2.1.1 Khái niệm về lý thuyết tĩnh điện ........................................................... 16
2.1.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện và lực tĩnh điện .................................................. 17
2.2 Ứng dụng lý thuyết tĩnh điện trong bộ kích hoạt răng lược........................... 21
CHƯƠNG 3. MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN ....................... 23
3.1 Ứng dụng bộ kích hoạt răng lược để thiết kế micromotor quay .................... 23
3.2 Micromotor quay kiểu cũ ............................................................................. 24
3.2.1 Thiết kế và nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu cũ ................... 25
3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống ........... 26
3.2.3 Đo đạc và ưu nhược điểm micromotor quay kiểu cũ ............................. 30

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG


MỤC LỤC

3.3 Thiết kế cải tiến thứ nhất - CT01.................................................................. 31
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................ 31
3.3.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT01 ................................................... 33

3.3.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT01.............................................. 35
3.4 Thiết kế cải tiến thứ hai - CT02 ................................................................... 37
3.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết kế cải tiến CT02 .......................... 37
3.4.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT02 ................................................... 38
3.4.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT02.............................................. 40
3.4.4 Tính toán số vòng quay lý thuyết nlt trong thiết kế cải tiến .................... 42
3.5 Tính toán bằng mô phỏng trong phần mềm AnsysWorkbench ..................... 43
3.5.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS ............................................................... 43
3.5.2 Tính toán mô phỏng chuyển vị cổ dầm bộ kích hoạt răng lược .............. 45
3.5.3 Tính toán mô phỏng độ cứng lò xo đàn hồi ........................................... 51
3.5.4 Tính toán độ cứng cổ thanh răng cóc dẫn .............................................. 53
3.5.5 Tính toán mô phỏng hệ thanh răng trong cơ cấu truyền chuyển động .... 55
CHƯƠNG 4. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY .......................... 58
4.1 Tổng quan về gia công MEMS .................................................................... 58
4.2 Một số quy trình gia công trong 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 tại ITIMS ................................................................................. 66
4.3.1 Thiết bị dùng trong quy trình quang khắc .............................................. 66
4.3.2 Thiết bị dùng trong quy trình ăn mòn sâu bằng ion hoạt hóa D-RIE ...... 68
4.3.3 Thiết kế mặt nạ trong 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 những kết quả được trình bầy trong luận văn này là của
bản thân tôi, không phải là sự sao chép hay cóp nhặt của bất cứ tác giả nào. Tôi xin
tự chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.

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 nhất

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 chú

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 trên mạch điện tử IC

1.2

Các thiết bị MEMS siêu nhỏ

1.3

Các thành phần trong MEMS

1.4

Ứng dụng MEMS trong công nghiệp sản xuất ô tô

1.5

Cảm biến áp suất dùng trong máy đo huyết áp

1.6

Các thiết bị MEMS dùng trong văn phòng

1.7

Các thiết bị MEMS dùng trong quốc phòng, quân sự

1.8

Dự báo kinh doanh các sản phẩm MEMS của tổ chức iSuppli - 2009

1.9

Cấu tạo một bộ kích hoạt răng lược

1.10

Một thiết bị MEMS sử dụng bộ kích hoạt răng lược

1.11

Bộ kích hoạt khe hở kín

1.12

Cấu tạo và hoạt động bộ kích hoạt kiểu cào

1.13

Động cơ quay biến đổi điện dung đa trường

1.14

1.15

Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc
Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong

1.16

Bộ truyền động bánh răng micro sử dụng bộ kích hoạt răng lược

1.17

Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng

2.1

Cấu tạo một tụ điện

2.2

Lực pháp tuyến sinh ra trên tụ

2.3

Lực tiếp tuyến Ft trên tụ

2.4

Cấu tạo của bộ kích hoạt kiểu răng lược

3.1

Cấu tạo một bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược

3.2 (a,b)
3.3

Hoạt động của bộ kích hoạt răng lược
Ảnh chụp micromotor quay cũ và các bộ 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 bộ kích hoạt răng lược trong thiết kế cũ

3.6 (a, b)

Quá trình làm việc của cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cũ

3.7

Kích thước răng lược

3.8

Cấu tạo cơ cấu chống đảo

3.9

Vị trí làm việc của cơ cấu chống đảo

3.10

Vị trí làm việc của chân hãm trong cơ cấu chống đảo

3.11

Đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc góc và tần số dẫn động

3.12

Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT01

3.13

Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT01

3.14

Vị trí làm việc của cơ cấu truyền chuyển động răng cóc

3.15

Quá trình làm việc bộ kích hoạt và cơ cấu truyền chuyển động

3.16

Sơ đồ tính áp lực Q trong thiết kế cải tiến CT01

3.17

Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT02

3.18

Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT02

3.19

Vị trí làm việc của cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế CT02

3.20

Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V ≠ 0

3.21

Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V = 0

3.22

Sơ đồ tính áp lực Q trong thiết kế cải tiến CT02

3.23

Mô hình bài toán mô phỏng chuyển vị cổ dầm bộ kích hoạt

3.24

Xây dựng mô hình và chia lưới dầm trong Ansys Multiphysics

3.25

Chuyển vị cổ dầm trong bài toán cấu trúc trong Ansys Multiphysics

3.26

Ứng suất tại cổ dầm trong bài toán cấu trúc

3.27

Mô hình bài toán tĩnh điện

3.28

Chuyển vị cổ dầm trong bài toán tĩnh điện

3.29

Ứng suất cổ dầm trong bài toán tĩnh điện

3.30

Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng lò xo đàn hồi
Chia lưới mô hình lò xo đàn hồi trong AnsysWorkbench

3.31

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

3.32

Kết quả mô phỏng chuyển vị của lò xo với lực đặt Ftd = 56µN

3.33

Kết quả mô phỏng ứng suất lò xo đàn hồi

3.34

Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng cổ thanh răng cóc dẫn

3.35

Chia lưới mô hình thanh răng cóc dẫn trong AnsysWorkbench

3.36

Kết quả mô phỏng chuyển vị của thanh răng với lực đặt Ftd = 56µN

3.37

Kết quả mô phỏng ứng suất cổ đàn hồi thanh răng cóc dẫn

3.38

Mô hình bài toán mô phỏng đàn hồi hệ cổ thanh răng cóc

3.39

Chia lưới cho mô hình hệ thanh răng cóc dẫn

3.40

Kết quả mô phỏng chuyển vị hệ cổ thanh răng cóc dẫn

3.41

Kết quả mô phỏng ứng suất cổ thanh răng cóc dẫn trong hệ

3.42

Chuyển vị dầm dẫn động bộ kích hoạt răng lược

4.1

Các bước trong quy trình quang khắc - Photolithography

4.2

Quy trình gia công micromotor

4.3

Cấu tạo một phiến wafer

4.4

Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist

4.5

Quá trình ăn mòn khô D-RIE

4.6

Quá trình ăn mòn axit bay hơi - Vapor HF

4.7

Kết quả sau quá 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 trong phần mềm L-Edit

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

v


LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, công nghệ vi cơ điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical
Systems) đang phát triển rất mạnh trên thế giới với rất nhiều những ứng dụng trong
công nghiệp và đời sống. Ở Việt Nam, trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa
đất nước, cần thực hiện việc đi tắt đón đầu nắm bắt các công nghệ mới và công
nghệ MEMS cũng không ngoại lệ. Tuy mới phát triển ở nước ta gần đây nhưng

công nghệ MEMS bước đầu cũng có những kết quả nhất định và hứa hẹn về sự phát
triển trong tương lai. Nắm bắt được nhu cầu thực tế đó, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế
cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa trên công nghệ MEMS”.
Luận văn đã trình bầy những nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ MEMS và
micromotor. Tiếp theo là về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của micromotor quay kiểu
tĩnh điện với những ưu, nhược điểm của nó. Từ những kết luận thu được, luận văn
đưa ra những điểm cải tiến trong các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất của
micromotor. Đồng thời, cũng đề xuất một quy trình gia công khối (bulkmicromachining) cho micromotor.
Qua quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện đào tạo sau đại học - trường Đại
học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Phạm
Hồng Phúc, cùng sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy, các cán bộ trong bộ môn
Cơ sở thiết kế máy và rôbốt, viện Cơ khí, đến nay luận văn tốt nghiệp của tôi đã
hoàn thành.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu
sót về nội dung cũng như trình bầy. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉnh
sửa từ các thầy để luận văn được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn!

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

vi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR
1.1 Tổng quan về công nghệ MEMS
1.1.1 Giới thiệu về công nghệ MEMS
MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là công nghệ tích hợp, phát triển
từ công nghệ mạch điện tử - IC. Trong đó, các mạch điện, bộ nhớ, cảm biến, bộ
kích hoạt được tích hợp trên cùng một con chíp và cho phép chuyển đổi các dạng tín

hiệu đầu vào như điện, cơ, nhiệt, hóa… thành các tín hiệu tương tự. Vật liệu được
dùng chủ yếu trong công nghệ MEMS hiện nay là silicon. Nó được ví như vật liệu
sắt trong cơ 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 trên mạch điện tử IC

Hình 1.2 Các thiết bị MEMS siêu nhỏ

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Nếu gia công chất bán dẫn được xem là cuộc cách mạng đầu tiên trong thế
giới micro thì MEMS là cuộc cách mạng thứ hai. Trong những thập niên 80-90 của
thế kỉ XX, các nhà khoa học trả lời câu hỏi: “Làm MEMS như thế nào?” (How to
make?). Ở thế kỉ XXI, MEMS là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn và có
tiềm năng cách mạng cho các sản phẩm công nghiệp cũng như đời sống.
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ MEMS là bởi những ưu điểm nổi trội
như: độ chính xác cao (chỉ một vài micro mét), tính gia công hàng loạt, tính tái sản
xuất cao, khối lượng và kích thước nhỏ, tích hợp mạch điện tử, và giảm giá thành.
1.1.2 Phân loại MEMS
MEMS bao gồm các thành phần như: các loại cảm biến (microsensors),
những bộ kích hoạt (microactuators), các vi điện tử (microelectronics) và các loại
vật liệu (microstructures). Các thành phần này có quan hệ lẫn nhau trong MEMS.
Microsensors

Microactuators

MEMS
Microstructures

Microselectronics

Hình 1.3 Các thành phần trong MEMS
1.1.2.1 Bộ kích hoạt
Bộ kích hoạt là các thiết bị chuyển các tín hiệu (điện, nhiệt, hóa…) về các tín
hiệu cơ học như: lực, áp suất, mômen, vận tốc hay chuyển vị.
1.2.2.2 Cảm biến
Cảm biến là một thiết bị đo, dùng để chuyển đổi các tín hiệu từ môi trường đo
về tín hiệu điện. Dựa trên các dạng tín hiệu, cảm biến được phân thành các loại sau:

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

-

Các cảm biến cơ học: chuyển đổi các tín hiệu cơ học (lực, áp suất, vận tốc,

gia tốc, vận tốc góc, chuyển vị) thành tín hiệu điện (áp điện, áp điện trở, điện dung).
-

Các cảm biến hóa học: chuyển đổi các thông tin hóa học (mật độ tập trung

hóa học, thành phần, tốc độ phản ứng) thành các tín hiệu điện (điện trở, tần số cộng
hưởng).
-

Các cảm biến nhiệt: chuyển đổi các tín hiệu nhiệt (nhiệt độ, nhiệt dòng

chảy) thành tín hiệu điện (nhiệt trở, cặp nhiệt).
1.1.2.3 Vi điện tử
Vi điện tử là các thiết bị như: các bóng bán dẫn, tụ điện, cuộn cảm, điện trở,
điốt… giống trong các thiết bị điện thông thường nhưng với kích thước siêu nhỏ cỡ
micro.
1.1.2.4 Vật liệu MEMS
Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ MEMS, ngành công nghệ vật
liệu đang nghiên cứu và ứng dụng những vật liệu mới như: nhựa (polymer), gốm
(ceramics), composite… cùng với vật liệu truyền thống silicon (Si) để có những đặc
tính tốt đáp ứng cho sự phát triển của công nghệ MEMS.
1.1.3 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS
Lịch sử của công nghệ MEMS thể hiện tính đa dạng, những thách thức trong
sự phát triển và ứng dụng. Các mốc lịch sử thể hiện sự phát triển của MEMS như:
-

Thập niên 50: các nhà khoa học tìm hiểu được đặc tính của silicon, từ đó đặt

tiền đề cho sự phát triển của công nghệ MEMS sau này.
-

Thập niên 60: chế tạo ra cảm biến áp suất silicon đầu tiên.

-

Những thập niên 70: chế tạo cảm biến gia tốc và đầu in mực đầu tiên.

-

Những thập niên 80: công nghệ MEMS trở nên phổ biến và được đưa vào

nghiên cứu nhiều hơn với phương pháp gia công bề mặt (SURFACE) và gia công
tia laze (LIGA).

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

-

Thập niên 90: tiếp tục có những nghiên cứu, cải tiến các thiết bị trong công

nghệ MEMS và bắt đầu ứng dụng nhiều trong đời sống.
-

Từ năm 2000 đến nay: công nghệ MEMS được ứng dụng vào hầu như mọi

lĩnh vực của khoa học, đời sống với tỉ trọng kinh tế lớn.
1.1.4 Ứng dụng công nghệ MEMS
Ngày nay, công nghệ MEMS được dùng rất nhiều trong công nghiệp, khoa học,
đời sống, y học, quân sự …
1.1.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp
MEMS được sử dụng nhiều trong các robot công nghiệp, các thiết bị kiểm tra
đo lường, và đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô. Ngày nay, một chiếc ô tô có thể
gắn trên nó hàng trăm các thiết bị MEMS.

Hình 1.4 Ứng dụng MEMS trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô
1.1.4.2 Ứng dụng trong y học

Các thiết bị MEMS dùng trong y học như cảm biến áp suất để đo huyết áp, các
thiết bị quang học dùng trong các thiết bị nội soi, phân tích máu…

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Hình 1.5 Cảm biến áp suất dùng trong máy đo áp huyết
1.1.4.3 Ứng dụng đời sống
Trong đời sống, MEMS được ứng dụng rất nhiều trong văn phòng và ngành
công nghiệp giải trí. Các thiết bị văn phòng như: máy in, máy chiếu… đều được
ứng dụng công nghệ MEMS. Và các thiết bị dùng trong ngành giải trí như các thiết
bị nghe nhìn, trò chơi tương thích…

Hình 1.6 Các thiết bị MEMS dùng trong văn phòng
1.1.4.4 Ứng dụng trong quốc phòng, quân sự
Trong lĩnh vực quốc phòng, quân sự, công nghệ MEMS được ứng dụng chủ yếu
trong các thiết bị tần số vô tuyến điện (RF). Các thiết bị có thể kể đến như: hệ thống

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

5


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

ra đa, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và ăng ten điều chỉnh… bên cạnh những ứng

dụng truyền thông không dây như điện thoại di động.

Hình 1.7 Các thiết bị MEMS dùng trong quốc phòng, quân sự
1.1.5 Thị trường MEMS
1.1.5.1 Thị trường MEMS thế giới

Hình 1.8 Dự báo kinh doanh các sản phẩm MEMS của tổ chức iSuppli - 2009
Theo báo cáo của tổ chức iSuppli-2009, doanh thu các thiết bị MEMS giảm
8%, chỉ đạt 5,5 tỉ USD do ảnh hưởng khủng hoảng kinh tế. Tuy nhiên, dự báo tốc
độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) từ 2009 đến 2013 là 10%, và sẽ đạt 8,5 tỉ USD.

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

6


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

1.1.5.2 Thị trường MEMS trong nước
Ở Việt Nam, trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam
đến năm 2010” đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới có triển vọng như hệ vi cơ
điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã
trở thành điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài. Trong số đó có không ít
công ty hàng đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ
MEMS. Do trình độ phát triển các ngành công nghệ cao ở nước ta còn hạn chế, việc
phát triển công nghệ MEMS sẽ cho phép chúng ta thực hiện các chiến lược đi tắt
đón đầu vì những tiềm năng to lớn phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác
nhau.
1.2 Micromotor sự phát triển và các ứng dụng
Vào thập niên 1960, Bolee và đồng nghiệp của ông nghiên cứu những động

cơ tĩnh điện. Họ đã xây dựng những động cơ tĩnh điện kiểu quay kích thước 1-10
cm. Vào năm 1988, những động cơ tĩnh điện được phát triển với nhóm nghiên cứu
MEMS bao gồm động cơ dẫn động sườn bên, động cơ lắc… Và chuyển động của
micromotor có thể là: chuyển động tuyến tính, chuyển động quay, và sự kết hợp các
chuyển động với nhau.
1.2.1 Chuyển động tuyến tính
1.2.1.1 Bộ kích hoạt răng lược (Comb-drive actuator)

Hình 1.9 Cấu tạo một bộ kích hoạt răng lược

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Bộ kích hoạt răng lược có hình giống như cái lược gồm các răng lược được
đặt song song với nhau (Hình 1.9). Bộ kích hoạt răng lược làm việc dựa trên lý
thuyết tĩnh điện.
Một micromotor chuyển động thẳng (Hình 1.10) sử dụng hai bộ kích hoạt
răng lược (1). Cấu tạo mỗi bộ kích hoạt răng lược gồm các răng lược cố định (fixed
fingers) - (3), và các răng lược di động (movable fingers) - (4). Phần răng lược di
động được gắn trên hệ thanh dầm (2). Các thanh dầm này được thiết kế và tính toán
để có thể dễ dàng biến dạng khi có lực tác dụng.
Chuyển
động

1
4

2

3

Điện cực

Hình 1.10 Một thiết bị MEMS sử dụng bộ kích hoạt răng lược
Khi ta đặt điện áp vào bộ kích hoạt thông qua các điện cực được gắn vào
mỗi phần, lúc này phần trùng nhau của các cặp răng lược trở thành các tụ điện. Do
đó sẽ xuất hiện các lực tĩnh điện pháp tuyến Fn (theo phương vuông góc bề mặt răng
lược) và các lực tiếp tuyến Ft (theo phương chiều dài răng lược). Các lực pháp tuyến
sinh ra có xu hướng làm chập các răng lược vào với nhau. Tuy nhiên ở thiết kế này,
các lực pháp tuyến Fn sẽ bị triệt tiêu từng đôi một do cách bố trí các răng lược. Còn
các lực tiếp tuyến Ft có xu hướng hút phần răng lược di động về phần răng lược cố
định. Hợp các lực tiếp tuyến này sẽ làm biến dạng dầm và kéo thanh di chuyển.

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

8


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

1.2.1.2 Bộ kích hoạt khe hở kín - Gap closing
Hình 1.11 mô tả một bộ kích hoạt khe hở kín (Gap closing). Bộ kích hoạt khe
hở kín có cấu trúc giống một bộ kích hoạt răng lược. Cấu tạo bộ kích hoạt này gồm
hai cặp răng lược đặt song song với nhau, phần răng lược di động (1) và phần răng
lược cố định (2). Hai dầm mảnh có chiều dài ls được nối với phần di động. Khác với
bộ kích hoạt răng lược thông thường, bộ kích hoạt khe hở kín gồm các răng lược
được đặt lệch theo phương x. Khe hở giữa các răng lược là x1 và x2.

1

z

y
x
2

Hình 1.11 Bộ kích hoạt khe hở kín
Khi ta đặt điện áp vào bộ kích hoạt (phần tĩnh đặt điện áp dương, phần động
nối đất) thì các cặp răng lược sẽ trở thành các tụ điện. Lực tĩnh điện theo phương
tiếp tuyến (phương z) sinh ra không đủ lớn để làm biến dạng dầm. Còn lực tĩnh điện
theo phương pháp tuyến (phương x) Fact = Fn sinh ra sẽ làm biến dạng dầm và kéo
phần di động xuống tác động vào phần cản (bumper) để thực hiện một nhiệm vụ
cho trước (Hình 1.11). Trong trường hợp này, các lực theo phương pháp tuyến sẽ
không bị triệt tiêu vì khe hở giữa các cặp răng lược khác nhau (x1 ≠ x2). Và lực pháp
tuyến được tính theo công thức:
‫ܨ‬௡ =

‫ߝߝܣ‬଴ ଶ
ܸ
2‫ ݔ‬ଶ

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

(1.1)

9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Qua công thức (1.1) ta thấy, Fn1 >> Fn2 vì x1 << x2. Trong đó:
A:

diện tích phần răng lược trùng nhau

ε, ε0: các hằng số điện môi
V:

điện áp đặt

x:

khe hở giữa các điện cực (tính theo phương x)

1.2.1.3 Kích hoạt kiểu cào - Scratch Drive
Nguyên lý đẩy trong bộ kích hoạt kiểu cào (scratch drive) được phát minh
bởi Akiyama. Cấu tạo của bộ kích hoạt kiểu cào gồm có một tấm silicon mỏng (12µm), phần cuối tấm là một tấm bạc (bushing). Tấm này được đặt cách tấm silicon
nền (substrate) bởi một lớp cách điện (insulator).

Hình 1.12 Cấu tạo và hoạt động bộ kích hoạt kiểu cào
Hoạt động của bộ kích hoạt này dựa trên lý thuyết tĩnh điện. Hình 1.12a-c
mô tả các bước hoạt động của hệ thống. Ở trạng thái được cấp điện, tấm bị hút
xuống nền (điện cực thấp hơn)- Hình 1.12a. Khi điện áp chuyển từ cực dương sang
cực âm, tấm giãn trở về và tiến được một đoạn dx - Hình 1.12b, còn bạc không bị
trượt do ma sát giữa bạc (bushing) với lớp cách điện (insulator) lớn hơn ma sát giữa
tấm (plate) với nền. Ta có tâm xoay là đường thẳng tiếp xúc giữa bạc với lớp cách
điện. Như vậy, khi được cấp điện- Hình 1.12c, tấm lại bị hút xuống và lúc này bạc
trượt về phía trước một khoảng dx’ do ma sát giữa tấm với nền lớn hơn ma sát giữa

bạc với lớp cách điện. Quá trình chuyển động lại lặp lại từ bước (a).
NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Ưu điểm của bộ kích hoạt kiểu cào là chuyển động chính xác vì chỉ thực hiện
trên một đường thẳng. Tuy nhiên, nhược điểm của bộ kích hoạt này là có thể xảy ra
hiệu ứng chạy ngược bởi giới hạn về kết cấu. Ví dụ như cấu trúc cạnh tiếp xúc của
tấm bạc với lớp cách điện cũng quan trọng để đạt được ma sát mong muốn. Bộ kích
hoạt kiểu cào được dùng phổ biến trong nghiên cứu hơn ứng dụng trong thực tế.
1.2.2 Động cơ quay - Rotary motor
1.2.2.1 Động cơ quay kiểu điện dung có thể thay đổi được - Variable
capacitance motor

Hình 1.13 Động cơ quay biến đổi điện dung đa trường
Hoạt động của động cơ tĩnh điện kiểu quay này dựa trên sự thay đổi điện
dung. Động cơ quay gồm hai phần chính: phần động (rotor) có thể quay quanh một
ổ lăn gồm n-k điện cực, phần tĩnh (staror) mang n điện cực. Khi ta cấp dòng điện
xoay chiều tần số f vào phần tĩnh, còn phần động được cấp điện trái dấu với phần
tĩnh. Theo lý thuyết tĩnh điện sẽ xuất hiện các mômen xoắn Tα trên điện cực ở phần
động. Ta có công thức tính mômen xoắn như sau:
ܶఈ =

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

ܸ ଶ ߝ଴ ܴℎ
2݃

(1.2)

11


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Trong đó:
• V: điện áp đặt vào điện cực;
• R: bán kính rotor;
• h và g: chiều cao và khe hở giữa các điện cực tương ứng.
Theo công thức trên ta thấy, mômen xoắn Tα tỉ lệ với bình phương điện áp V
đặt vào mỗi điện cực. Sự khác nhau về điện áp tại từng thời điểm khác nhau giữa
các điện cực dẫn tới sự chênh lệch mômen xoắn, do đó làm quay rotor.
Ưu điểm của động cơ quay này là khả năng hoạt động tốt: vận tốc góc đạt
hàng nghìn vòng/phút, tuổi thọ làm việc lâu (hàng nghìn giờ). Tuy nhiên, nhược
điểm của loại động cơ quay này là phần điều khiển phức tạp vì phải có bộ biến đổi
pha. Hơn nữa việc dẫn động chuyển động quay từ phần động ra ngoài gặp khó khăn.
Trong thực tế, kiều dẫn động quay này được dùng trong các máy quét quang học.
1.2.2.2 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc
Vành răng cóc

Cơ cấu đẩy

Cơ cấu hãm
Bộ kích hoạt răng lược kiểu xoay

Hình 1.14 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc
Bộ kích hoạt xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc (Torsional Ratcheting ActuatorTRA) được phát triển tại phòng thí nghiệm phát triển vi điện tử thuộc phòng thí

nghiệm quốc gia Sandia. Cấu tạo của hệ thống gồm rất nhiều những bộ kích hoạt

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

12


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

răng lược kiểu xoay được đặt đồng tâm trong một khung tròn lớn. Phần răng lược di
động của những bộ kích hoạt này được nối vào với nhau trên khung tròn. Ở tâm của
khung là bốn dầm công xôn hoạt động như lò xo xoắn (torsion spring). Các dầm này
có tác dụng chống lại chuyển động ngang của khung, tuy nhiên vẫn cho phép khung
quay.
Hệ thống làm việc dựa trên lý thuyết tĩnh điện. Khi cấp điện áp lên các cực
bộ kích hoạt, lực tĩnh điện sinh ra khiến khung tròn quay. Thông qua các cơ cấu đẩy
và cơ cấu hãm trên khung sẽ làm quay vành răng cóc (ratchet pawl) và vành răng
(ring gear) bên ngoài nó (Hình 1.14).
Ưu điểm của hệ thống này là sự chính xác, nguyên lý làm việc đơn giản. Tuy
nhiên, hệ thống được chế tạo theo phương pháp gia công bề mặt (surfacemicromachining) sử dụng nhiều mặt nạ nên khá phức tạp.
1.2.2.3 Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong
Hình 1.15 mô tả một động cơ quay được thiết kế bởi Phạm Hồng Phúc[4].
Phần tĩnh

Phần động

(a)

(b)

Hình 1.15 Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong
Động cơ quay được dẫn động bởi bốn bộ kích hoạt răng lược với các răng
cong. Cấu tạo của chúng gồm: phần tĩnh là các điện cực mang các răng lược cố

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

13


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

định, phần động là điện cực (dầm) mang các răng lược di động. Dầm được thiết kế
hẹp ở cổ O để có thể lắc quanh nó một cách dễ dàng. Hoạt động của bộ kích hoạt
này dựa trên lý thuyết tĩnh điện, các răng lược có chung tâm quay chính là cổ đàn
hồi O. Khi đặt điện áp (V ≠ 0) vào các điện cực trên bộ kích hoạt răng lược
(Rotational comb actuators), lực tĩnh điện sinh ra làm vành răng cóc (outer ratchet
ring) quay theo chiều kim đồng hồ. Khi điện áp đặt vào các cực (V = 0), vành răng
cóc bị hãm không quay ngược chiều kim đồng hồ nhờ cơ cấu chống đảo (antireserve mechanism). Như vậy, quá trình cấp điện áp theo tần số cho ta chuyển động
quay của động cơ.
Ưu điểm của động cơ quay này là chế tạo đơn giản vì sử dụng phương pháp
gia công khối. Nhược điểm của động cơ quay này là hiện tượng trượt giữa các răng
cóc dẫn (được gắn trên dầm) với vành răng cóc khi tần số điện áp cấp vào bộ kích
hoạt cao. Do đó làm ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của micromotor.
1.2.3 Truyền và biến đổi chuyển động
1.2.3.1 Biến đổi chuyển động quay - quay (Bộ truyền động bánh răng)
1
3

2

Hình 1.16 Bộ truyền động bánh răng micro sử dụng bộ kích hoạt răng lược

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

14


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

Phương pháp gia công bề mặt (surface-micromachining) với nhiều lớp
silicon giúp tạo ra các bánh răng với số răng khác nhau. Mỗi bánh răng này có thể
ăn khớp với các bánh răng khác tạo thành những bộ truyền động (hộp số) micro.
Hình 1.16 mô tả một hệ thống truyền động bánh răng được phát triển ở phòng thí
nghiệm Sandia - Hoa Kỳ. Để có chuyển động quay của bánh răng dẫn động người ta
sử dụng các bộ kích hoạt răng lược. Kết hợp chuyển động thẳng độc lập tạo bởi hai
bộ kích hoạt răng lược (1) đặt vuông góc với nhau để tạo chuyển động quay của
bánh răng dẫn động (2). Và bánh răng dẫn động (2) ăn khớp với bánh răng bên
ngoài (3) để tạo thành bộ truyền động bánh răng.
1.2.3.2 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng
Kiểu biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng được thực hiện bởi những
nhà nghiên cứu ở Sandia (Hình 1.17).
Dẫn động cho bộ biến đổi chuyển động này là hai bộ kích hoạt răng lược (1)
đặt vuông góc với nhau (Hình 1.17a). Kết hợp chuyển động thẳng theo hai hướng
vuông góc bởi hai bộ kích hoạt răng lược (1) để tạo ra chuyển động quay của bánh
răng dẫn (2). Bánh răng (2) này ăn khớp với thanh răng (3) để biến chuyển động
quay thành chuyển động thẳng (Hình 1.17b).

3
1
2

(a)

(b)

Hình 1.17 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

15


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN

CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN

2.1 Lý thuyết tĩnh điện
2.1.1 Khái niệm về lý thuyết tĩnh điện
Hiệu ứng tĩnh điện là hiệu ứng hai vật tích điện hút nhau. Lực tĩnh điện là lực
giữa hai vật mang điện đứng yên. Lực này được nhà bác học người Pháp - Coulomb
tìm ra khi cho hai điện tích điểm tương tác lẫn nhau. Và định luật Coulomb được
phát biểu như sau:
Lực tĩnh điện là lực tương tác giữa hai điện tích điểm, có phương nằm trên
một đường thẳng nối hai điện tích, có chiều cùng với chiều của lực hút nếu hai điện
tích cùng dấu và đẩy nếu hai điện tích trái dấu. Lực tĩnh điện có độ lớn tỉ lệ thuận
với tích các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Công thức tính lực hút tĩnh điện:
‫݇=ܨ‬

|‫ݍ‬ଵ |. |‫ݍ‬ଶ |

‫ݎ‬ଶ

(2.1)

Trong đó:
• F:

Lực hút tĩnh điện, [N]- Newtons

• q1 :

Điện tích hai vật mang điện 1, [C]- Culông

• q2 :

Điện tích hai vật mang điện 2, [C]- Culông

• r:

Khoảng cách giữa hai điện tích điểm, [m]-mét

• k:

Hằng số vật lý, được tính theo công thức dưới
(݇ =

1
; ߝ là hằng số điện môi chân không)
4ߨߝ଴ ଴

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

16