Luận án tiến sĩ mô phỏng và tối ưu hóa vi gắp có cảm biến dùng để thao tác với c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phan Hữu Phú MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA VI GẮP CÓ CẢM BIẾN DÙNG ĐỂ THAO TÁC VỚI CÁC VI VẬT THỂ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2016 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phan Hữu Phú MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA VI GẮP CÓ CẢM BIẾN DÙNG ĐỂ THAO TÁC VỚI CÁC VI VẬT THỂ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. CHỬ ĐỨC TRÌNH 2. VŨ NGỌC HÙNG Hà Nội – 2016 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. Chử Đức Trình, PGS.

TS Vũ Ngọc Hùng đã luôn tâm huyết, nhiệt tình hướng dẫn, quan tâm và hỗ trợ về tài liệu, thiết bị và phương pháp luận trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu để tác giả hoàn thành Luận án này. Tác giả xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã luôn quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tác giả xin chân thành cám ơn tới nhóm nghiên cứu ở Bộ môn Vi cơ điện tử, Khoa Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ tôi trong quá trình mô phỏng, đo đạc và thu thập số liệu cho các nghiên cứu thuộc phạm vi của Luận án này. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn đơn vị công tác – Cục Sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, chia sẻ khó khăn, động viên tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận án này.

Cuối cùng, tác giả muốn cảm ơn tới tất cả bạn bè, và đặc biệt là vợ, bố mẹ và các thành viên khác trong gia đình luôn quan tâm động viên và chia sẻ những lúc khó khăn về tinh thần và vật chất. Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2016 Phan Hữu Phú LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Mô phỏng và tối ưu hóa vi gắp có cảm biến dùng để thao tác với các vi vật thể” là công trình nghiên cứu của bản thân và không nằm trong một luận án, luận văn hay khóa luận của khóa học bất kỳ tại các cơ sở đào tạo nào khác. Những trích dẫn tài liệu tham khảo trong luận án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực.

Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và thi hành kỷ luật của khoa, trường đề ra. Hà nội, ngày 22 tháng 12 năm 2016 Nghiên cứu sinh Phan Hữu Phú LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT. vi DANH MỤC HÌNH ẢNH. x DANH MỤC CÁC BẢNG.

xiii MỞ ĐẦU .1 Vi gắp và cảm biến dùng cho vi gắp .1 Định nghĩa vi gắp .2 Cảm biến dùng cho vi gắp .2 Giới thiệu các loại vi gắp .1 Phân loại vi gắp .2 Vi gắp tĩnh điện .3 Vi gắp nhiệt điện .4 Vi gắp khí nén .5 Vi gắp điện từ .6 Hợp kim định hình .7 Các loại vi gắp khác .3 Giới thiệu các loại cảm biến dùng cho vi gắp .1 Cảm biến quang học .2 Cảm biến lực áp trở .3 Cảm biến lực điện dung .4 So sánh các loại vi gắp và cảm biến dùng cho vi gắp .1 So sánh giữa các loại vi gắp .2 So sánh giữa các loại cảm biến dùng cho vi gắp .3 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu của đề tài .5 Vi gắp nhiệt điện silic-polyme tích hợp cảm biến .2 Mô phỏng và đo đạc .3 Tính chất của vi gắp .4 Tính chất của cảm biến .5 Đáp ứng tần số của vi gắp .6 Kết luận chương 1. 36 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2. MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU CẤU TRÚC VI GẮP NHIỆT ĐIỆN SILIC-POLYME TÍCH HỢP CẢM BIẾN .2 Mô hình mô phỏng .3 Phân tích về mặt nhiệt học .4 Phân tích cơ học .1 Phân tích chuyển vị .2 Phân tích lực chấp hành .5 So sánh kết quả tính toán, đo lường và mô phỏng .6 Tối ưu vi gắp .1 Tối ưu về mặt cấu trúc .2 Tối ưu về mặt nhiệt độ.3 Kết hợp các tối ưu .7 Kết luận chương 2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP .2 Thiết lập hàm điều khiển PID cho hệ thống.1 Cơ chế điều khiển .2 Hàm truyền của vi gắp .3 Mạch điều khiển công suất .4 Điều khiển mở .5 Điều khiển Tỉ lệ (P) .6 Điều khiển Tỉ lệ đạo hàm (PD) .7 Điều khiển Tỉ lệ tích phân (PI) .8 Điều khiển Tỉ lệ tích phân đạo hàm (PID).3 Lựa chọn công nghệ chế tạo và chương trình mô phỏng mạch điện .1 Lựa chọn công nghệ .2 Chương trình mô phỏng.4 Mô hình hóa vi gắp theo các thông số điện.5 Sơ đồ khối toàn hệ thống .6 Thiết kế mạch chi tiết .1 Mạch tạo điện áp chuẩn tham chiếu .2 Mạch tạo điện áp và nguồn dòng nội bộ.

86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Mạch chuyển đổi tín hiệu số tương tự (DAC) .4 Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến .5 Mạch điều khiển trung tâm .7 Thiết kế chi tiết và kết quả mô phỏng toàn hệ thống.1 Thiết kế chi tiết toàn hệ thống.2 Kết quả mô phỏng hoạt động của toàn hệ thống .8 Kết luận chương 3. 108 DỰ KIẾN TIẾP THEO. 110 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

112 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT A. Danh mục các kí hiệu A, A0, A(z), Aij, AAB, ACD, AEF: Diện tích (m2) d, d1, d 2, y : Chuyển vị (m) E, E p , Ec , E┴, Eapp, Estack, Eij, EAB, ECD, EEF: Mô đun đàn hồi Young (Pa) F, F1, F2, Fex: Lực (N) f: Tần số (Hz) fc: Hệ số số học I, Iij, ICD, IAB, IEF, I0, I(z): Mômen quán tính (kg.m2) K, r11, r22, r21, r12: Ma trận độ cứng và các chỉ số (N/m) k, k1, k2, m, n, t  : Các tỉ số sử dụng ki , k1, k2 : Độ dẫn nhiệt (W/m.K) L, Lact , L jaw , Lcomb ,W , Wact , Wbone , Wcan , Wdis , W jaw , Wgap ,Wmean , WSi , WSU 8 , Wtip , H , H Al , H act , H Si , H SU 8 , : Các thông số kích thước (m) T , TAl , l , w, h, hsi , h2 , h3 , h( z ), a, b, dint , z M, M m , M k : Mômen lực (N.m) AB CD N 1 , N 1 : Lực dọc (N) Q, Qm , Qk : Lực cắt (N) q: Cường độ lực phân bố (N/m) R, R1, R2: Vectơ ứng lực và chỉ số (N) R0, R1, R2: Điện trở (Ω) T, ΔT, Tres, T0, ΔTave, Tg, Tm: Nhiệt độ (K) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com t p , t c : Độ dày lớp lần lượt của polyme và silic (m) Vin, Vout, V, Va, Vb: Điện áp (V) Z, Z1, Z2: Vectơ chuyển vị và các chỉ số (m) V, ΔV: Thể tích (m3) α, T ,   ,  p ,  ,  c , αapp, αstack: Hệ số dãn nở nhiệt (K−1) p c ρAl: Điện trở suất của nhôm (Ω.m) e, eij , eijp , eijc : Biến dạng ij ,  ijp ,  ijc ,  kkp ,  kkc : Ứng suất ij : Hệ thống Kronecker δ, δ1, δ2, kx : Độ dãn nở (m)  : Tỉ lệ thể tích của thành phần polyme ρ, Δρ: Điện trở suất và độ biến thiên điện trở suất (Ωm)  ,  ,  : Hệ số Poát- xông p c  : Hệ số phụ thuộc hình dạng mặt cắt ngang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Bảng các chữ viết tắt 3D Three-dimensional AlN Aluminum nitride Bi-CMOS Bipolar junction transistors and CMOS technology CAD Computer Aid Design CCD Charge Coupled Device CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CTE Coefficient Thermal Expansion DAC Digital-to-Analog Converter DC Direct Current DIMES Delft Institute of Microsystems and Nanoelectronics DLC Diamond like Carbon DRIE Deep Reactive Ion Etching ESD ElectroStatic Discharge FEM Finite Element Method KOH Potassium hydroxide LSB Least Significant Bit MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor NMOS N-channel Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PID Proportional Integral Derivative PMOS P-channel Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com PSRR Power supply rejection ratio PTAT Proportional to Absolute Temperature PZT Lead Zirconate Titanate SEM Scanning Electron Microscope SMA Shape Memory Alloys SiO2 Silicon dioxide SOI Silicon On Insulator SPICE Simulation Program Integrated Circuit Emphasis TC Temperature Coefficients UVLO Under Voltage Lock-Out VCM Voice Coil Motor ZnO2 Zinc dioxide LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ đề xuất của cơ cấu chấp hành tĩnh điện [30] .2 Mô hình của một vi gắp tĩnh điện bản cực song song hay răng lược ngang [16] .3 Các cấu trúc của cơ cấu chấp hành tĩnh điện với các hình dạng răng lược [27] 9 Hình 1.4 Sơ đồ đề xuất cơ cấu chấp hành tĩnh điện gồm kết nối nhiều tầng [31].5 Sơ đồ cơ cấu vi gắp tĩnh điện gồm nhiều bản cực song song [32] .6 Sơ đồ thiết kế của vi gắp nhiệt điện [37] .7 Một thanh chấp hành vi gắp nhiệt điện 3 lớp [46] .8 Cấu trúc vi gắp với hai chế độ hoạt động [51, 52] .9 Cấu trúc vi gắp khí nén [57] .10 Đáp ứng của vi gắp khí nén ở các giá trị áp suất khác nhau [58].11 Sơ đồ thiết kế của vi gắp điện từ [60] .12 Sơ đồ nguyên lý của vi gắp sử dụng SMA [65] .13 Sơ đồ của một cơ cấu kim loại - cách li khi bị uốn cong [68] .14 Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử của vi gắp nhiều cánh tay [69] .15 Hình chụp hoạt động của cấu trúc vi gắp không dây ở (a) nhiệt độ phòng, (b) ở nhiệt độ 43 oC, (c) và (d) trên một con sâu róm đang sống [71] .16 Hình vẽ khối chức năng của vi gắp nhiệt điện silic-polyme tích hợp cảm biến [86] .17 Sơ đồ thiết kế vi gắp tích hợp cảm biến lực điện dung [97] .18 Ảnh chụp SEM của (a) các áp trở, (b) một phần cấu trúc răng lược của bộ chấp hành và (c) tổng thể cấu trúc vi gắp [86] .