Luận án tiến sĩ nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của bộ vi chấp hành mũ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------- Đặng Văn Hiếu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MŨI DÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC NANO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------- Đặng Văn Hiếu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MŨI DÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC NANO Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. CHU MẠNH HOÀNG 2. VŨ THU HIỀN Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Chu Mạnh Hoàng và TS.

Các số liệu và kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Thay mặt Tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. Chu Mạnh Hoàng Đặng Văn Hiếu LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến PGS. Chu Mạnh Hoàng và TS.

Vũ Thu Hiền, những người thầy đã truyền động lực nghiên cứu cho tôi, đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Nhờ sự chỉ bảo tận tình của các thầy, tôi đã có được những kiến thức về khoa học vật liệu, về các công nghệ chế tạo, những kinh nghiệm và phương pháp nghiên cứu, phương pháp viết bài và đăng bài trên các tạp chí ISI và trên hết là mở ra con đường nghiên cứu khoa học tiếp theo của bản thân. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, trường ĐH Thành Đô và trường Đại học FPT đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS.

Vũ Ngọc Hùng, cùng các anh, chị, em trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS: ThS. Lê Văn Tâm, TS. Nguyễn Ngọc Minh, NCS. Nguyễn Thanh Hương, TS.

Nguyễn Văn Minh, TS. Nguyễn Thị Quỳnh Chi, TS. Ngô Đức Quân, ThS. Nguyễn Ngọc Sơn… đã chia sẻ những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã động viên và có những thảo luận góp ý giúp tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Toán đã tạo điều kiện và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị và làm việc trong phòng sạch. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua. Cuối cùng, tôi xin giành lời cảm ơn cho gia đình, gia đình là hậu phương vững chắc, là chỗ dựa tinh thần để tôi có thể yên tâm nghiên cứu trong suốt thời gian vừa qua.

Hà Nội, ngày …. Tác giả Đặng Văn Hiếu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. iii DANH MỤC CÁC BẢNG.

v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ. vi MỞ ĐẦU. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẮC ĐẦU DÒ QUÉT. Cơ sở về kỹ thuật khắc đầu dò quét.

Các phương pháp chấp hành. Phương pháp chấp hành nhiệt. Phương pháp chấp hành áp điện. Phương pháp chấp hành tĩnh điện.

Hiệu suất khắc đầu dò quét. Công nghệ chế tạo. Mục tiêu của luận án. Kết luận chương 1 .25 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ PHỎNG.

Cơ sở tính toán lý thuyết. Tính toán độ cứng của lò xo. Tính toán tần số riêng. Tính toán điện áp tới hạn (Vpull_in) của cấu trúc dịch chuyển một chiều theo phương z.

Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc. Điện dung của cấu trúc. Hệ số phẩm chất của bộ vi chấp hành. Cơ sở mô phỏng.

Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Kết luận chương 2 .50 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ CHẤP HÀNH TRỤC Z. Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo dầm thẳng truyền thống và cải tiến.

Bộ chấp hành sử dụng cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng truyền thống và dạng cải tiến. Cấu trúc dầm kết cặp cơ. Cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng 2 khung kết cặp. Kết luận chương 3 .73 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ VI DỊCH CHUYỂN BA CHIỀU XYZ.

Thiết kế bộ vi dịch chuyển XYZ. Tính toán và mô phỏng cấu trúc. Chấp hành trục z. Chấp hành trục x và y.

Tác động của lực cản không khí lên bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. Kết quả và thảo luận của cấu trúc vi dịch chuyển ba chiều. Tần số theo trục z phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của lò xo treo. Tần số hoạt động theo trục x, y phụ thuộc vào độ rộng và độ dày của dầm treo.

Độ dịch chuyển của bộ điều khiển XYZ phụ thuộc vào điện áp điều khiển 94 4. Hệ số phẩm chất của bộ vi dịch chuyển ba chiều. Kết luận chương 4 .96 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MŨI DÒ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĂN MÒN ƯỚT. Quy trình chế tạo và thu nhỏ mũi dò.

Quy trình chế tạo bộ chấp hành trục z có gắn mũi dò. Kết quả chế tạo mũi dò và thảo luận. Kết luận chương 5 .106 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN. 107 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO CỦA LUẬN ÁN.

108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 111 ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. IC (Integrated Circuit): Mạch điện tích hợp 3.

SPM (Scanning Probe Microscopy): Kính hiển vi đầu dò quét 4. PSL (Probe Scanning Lithography): Kỹ thuật khắc đầu dò quét 5. AFM (Atomic Force Microscope): Kính hiển vi hiển vi lực nguyên tử 6. MFM (Magnetic Force Microscopy): Kính hiển vi lực từ 7.

SEM (Scanning Electron Microscope): Kính hiển vi điện tử quét. TEM ( Transmission Electron Microscopy): Kính hiển vi điện tử truyền qua 9. SC (Standard Cleaning): Quy trình rửa phiến Si chuẩn. STM (Scanning Tunneling Microscope): Kính hiển vi quét xuyên ngầm 11.

PMMA (Polymethylmethacrylate): Thủy tinh hữu cơ 12. DPN (Dip-Pen nanolithography): Khắc Dip-Pen 13. MEMS (Microelectromechanical system): Hệ thống vi cơ điện tử 14. FEM (Finite Element Method): Phương pháp phần tử hữu hạn 15.

FEA (Finite Element Analysis): Phân tích phần tử hữu hạn 16. PDEs (Partial Differential Equations): Phương trình vi phân từng phần 17. HF: Axít Flohydric 18. KOH: Kali hydro xít 20.

FESEM: Kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng trường 22. CM-AFM: Khắc AFM chế độ tiếp xúc 23. TM-AFM: Khắc AFM chế độ không tiếp xúc 24. Lift-off: Quá trình lift-off 25.

DPL: Khắc động 26. CTE: Hằng số giãn nở nhiệt 27. Si3N4: Silic nitrua 29. MOEMS (Micro Optoelectronic Mechanical Systems): Hệ thống vi cơ quang điện tử 31.

Kx; Ky; Kz: Độ cứng của dầm theo các phương x, y và z 32. E: Mô-đun Young iii 33. I: Mô-men quán tính mặt cắt ngang 34. w, h, l: Lần lượt là chiều rộng, chiều cao (độ dày), chiều dài của các cấu trúc.

G: Mô-đun trượt 36. Vpull_in: Điện áp tới hạn 39. Vdc: Điện áp một chiều 40. Vac: Điện áp xoay chiều 41.

Q: Hệ số phẩm chất 42. gc, gz: Lần lượt là khoảng các giữa các răng lược và khoảng các giữa tấm trung tâm và bản cực điều khiển. ζ: Hệ số cản không khí 45. COMSOL Multiphysics: Phần mềm mô phỏng 46.

δf: Sự sai khác tần số giữa hai mode lân cận 47. NaOH: Natri Hydroxit 48. TMAH: Tetramethylammonium Hydroxide (C4H13NO) 49. BHF: Dung dịch axit HF pha loãng (HF48%:H2O = 1:6) 50.

Mode: Hình dạng cấu trúc của một hệ thống cơ ở một tần số cộng hưởng iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh STM với AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc (CM-AFM) và AFM hoạt động ở chế độ không tiếp xúc (TM-AFM) cho khắc sử dụng kỹ thuật ôxi hóa vùng [7].1: Các thông số kích thước của các cấu trúc vi treo 1sb, 2sb, 3sb và 4sb.2: So sánh kết quả mô phỏng và tính toán.3: Các thông số của cấu trúc vi treo lò xo gấp khúc dạng 1fb và 2fb .4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs.5: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng của cấu trúc vi treo kết cặp cơ 1cs, 2cs và 3cs.6: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc vi treo kết cặp cơ sử dụng hai khung kết cặp .1: Các tính chất vật lý của không khí và Si đơn tinh thể .2: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các dầm gấp khúc dạng dầm thẳng.3: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng zig-zag.4: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các khâu càng cua.5: Các thông số kỹ thuật của cấu trúc dịch chuyển phương z phân tích thành các lò xo gấp khúc dạng càng cua kép.6: Các thông số kích thước của dầm treo gấp và răng lược.7: Bảng so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng tần số hoạt động của cấu trúc chấp hành trục z với các trường hợp phân tích khác nhau.8: Kết quả tính toán và mô phỏng tần số riêng của bộ vi dịch chuyển ba chiều xyz. 91 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) [3] .2: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc đầu dò quét [1] .3: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp chiếu chùm tia điện tử phát xạ [2] .4: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc bằng phương pháp ôxi hóa vùng [5, 6].5: Hình ảnh minh họa kỹ thuật khắc Dip-Pen [9] .6: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ nhiệt [10] .7: Hình ảnh minh họa phương pháp khắc cơ học [12] .8: Sơ đồ minh họa kỹ thuật khắc cơ học sử dụng đầu dò AFM [1] .9: Hình ảnh của rãnh PMMA được tạo bởi AFM với mũi dò Si (a) và tín hiệu của rãnh (b) [2].10: Ảnh SEM mặt cắt của mũi dò (a) và của đỉnh mũi dò (b) [14].11: Các bước chính của quy trình chế tạo bóng bán dẫn dựa trên khắc cơ học sử dụng AFM (a), hình ảnh của rãnh được khắc bằng AFM trong polyimide (b) [15]13 Hình 1.12: Hình ảnh động của mũi dò trong kỹ thuật khắc sử dụng AFM (a). tốc độ khắc cao (b), tốc độ khắc trung bình (c), và tốc độ khắc thấp (d) [15].