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


Chức danh khoa học: Chức vụ:
Điện thoại: Tổ chức: 04.38692136 Nhà riêng:
Mobile: 0987751970
Fax: E-mail: [email protected]
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: [email protected]
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):

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


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

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.


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)

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

- 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

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

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

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)



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


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

- 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


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 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

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

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

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