intTypePromotion=1
ADSENSE

Báo cáo " Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

258
lượt xem
66
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo trình bày công việc thiết kế và chế tạo hệ thống mini-robot (MRS) dùng để di chuyển micro-container thông qua cơ cấu thanh răng cóc và cơ cấu kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược (electrostatic comb actuator). Các mô đun của MRS có kích thước 6x6 mm2 được chế tạo bởi công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS), có thể được lắp ghép để tạo thành một hệ vận tải hoàn chỉnh sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như hệ phân tích tổng hợp micro (m-TAS) để vận chuyển và phân loại các vật mẫu có kích thước micromét. Các...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Báo cáo " Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) "

  1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 Thiết kế và chế tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS) Vũ Ngọc Hùng1, Đặng Bảo Lâm2, Phạm Hồng Phúc2,* 1 Viện ITIMS, Đ ại học Bách Khoa Hà Nội, 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam 2 Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 14 tháng 10 năm 2009 Tóm tắt. Bài báo trình bày công việc thiết kế và chế tạo hệ thống mini-robot (MRS) dùng để di chuyển micro-container thông qua cơ cấu thanh răng cóc và cơ cấu kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược (electrostatic comb actuator). Các mô đun của MRS có kích thướ c 6x6 mm2 đ ược chế tạo bởi công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS), có thể được lắp ghép đ ể tạo thành một hệ vận tải hoàn chỉnh sử dụng cho nhiều mụ c đích khác nhau như hệ phân tích tổng hợp micro (µ-TAS) để vận chuyển và phân loại các vật mẫu có kích thước micromét. Các tính toán về lực trong h ệ thống đ ược tiến hành để xác định điện áp kích hoạt cần thiết. Trong phần thực nghiệm, micro-container được kích hoạt thử nghiệm với d ải tần số từ 1Hz đ ến 40Hz. Vận tốc đo đ ược của micro-container hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. Từ khóa: MEMS, cơ cấu kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược, MRS... 1. Mở đầu∗ thống dùng môtơ t uyến tính dạng sâu đo [4, 5] với cơ cấu kích hoạt tĩnh điện, tuy nhiên những Bài báo giới thiệu một hệ thống mini-robot hệ thống đó có nhược đi ểm là nguyên tắc điều (MRS) được sản xuất từ vật liệu silic dùng đ ể khiển phức tạp và micro-object chỉ di chuyển dẫn đ ộng những container có kích thước micro được theo đường thẳng. Hệ MRS này có th ể theo những quỹ đạo định sẵn, được cải tiến từ được sử dụng trong các hệ phân tích sinh hóa [1, 2]. Các container (với chiều rộng có thể thay hoặc trong các hệ phân tích tổng hợp (µ-TAS) đổi) đ ược dẫn động bởi cơ cấu kích hoạt kiểu với nhiệm vụ vận chuyển, phân loại mẫu và lắp tĩnh điện kích thước micro và hệ thống thanh ráp… răng cóc. Hệ thống dẫn đ ộng tương tự đã đ ượ c đề cập lần đầu tiên tại phòng thí nghiệm quố c 2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc gia Sandia, Hoa K ỳ [3]. Từ các môđ un cơ bản là môđun đi thẳng, quay vòng và chuyển Trên hình 1 mô tả sơ đ ồ của hệ thống mini- hướng, có thể lắp ghép, xây dựng nhiều phương robot, trong đó micro-container s ẽ chạy thẳng ở án khác nhau của hệ thống mini-robot bằng môđun đi thẳng, rẽ trái hoặc rẽ phải trong cách kết hợp các môđ un cơ bản kể trên. Trướ c môđun quay vòng hoặc môđ un chuyển hướng. công trình nghiên cứu này cũng đã có những h ệ Các môđun với kích thước 6x6mm2 đều sử _______ dụng cơ cấu kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lượ c ∗ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38680101. tuyến tính hoặc xoay. E-mail: phucph-fme@mail.hut.edu.vn 83
  2. V.N. Hùng và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 84 Hình 3 và hình 4 mô tả cấu trúc và nguyên Modul chia C ơ cấu chuyển lý làm vi ệc của micro-container trong môđun đi hướng thẳng. Modul quay vòng Modul đ i th ẳng Micro Micro container Hình 1. MRS với ba môđun cơ bản. Hình 2 là sơ đồ cấu tạo của cơ cấu kích hoạt tuyến tính kiểu răng lược, các thanh răng cóc Hình 3. Micro-container. hai bên có dạng lưỡi cưa và có thể chuyển đ ộng thẳng nhờ chuyển đ ộng tịnh tiến qua lại của cấu trúc răng lược. Qua đó chúng có thể dẫn đ ộng micro-container đi theo một hướng và cho phép răng cóc của micro-container trượt (tự do) tương đối với răng của thanh răng cóc theo hướng ngược lại. Bước răng và chiều cao răng cóc lần lượt là 10µ m và 6µm. Khe hở gf giữa phần chuyển động của cơ cấu kích hoạt và thanh răng cóc được thi ết kế với mục đích tránh hiện tượng mắc kẹt giữa phần động và tĩnh của cơ cấu kích hoạt kiểu răng lược, đ ặc biệt trong trường hợp thanh răng cóc bị uốn cong dưới tác dụng của phản lực từ micro-container. Hình 4. Môđun đi thẳng. Do các răng cóc trên container có hướng Ph n c đ n h ngược với các răng trên thanh răng cóc nên Ph n di đ ng gf chuyển đ ộng tịnh tiến qua lại đ ược truyền từ cơ cấu kích hoạt qua thanh răng cóc cho phép T hanh r ă ng cóc Thanh micro-container tịnh tiến theo một hướng và trượt t ự do theo chiều ngược lại. Các khe hở gs và lò xo giúp cho micro-container có thể thay D m thanh răng cóc đổi chiều rộng của nó trong quá trình hoạt động (hình 3). Khi đặt một điện áp xoay chiều V12 giữa các bản cực tĩnh (2) và động (1), thanh răng cóc đ ược dẫn đ ộng từ các bản cực đ ộng sẽ chuyển động tị nh tiến qua lại do tác động của lực tĩnh điện và lực đàn hồi của hệ thống dầ m treo. Trên hình 4 thanh răng cóc bên phải 6 µm chuyển đ ộng hướng lên phía trước kéo theo 10 µm D m b k ích ho t micro-container, cùng lúc đó, thanh răng cóc bên trái di chuyển theo hướng ngược lại sẽ trượt Hình 2. Cơ cấu kích hoạt kiểu răng lược.
  3. V.N. Hùng và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 85 tương đối so với răng cóc của micro-container Ở phía bên phải của micro-container ta có và do đó, sẽ không ảnh hưởng đ ến chiều chuyển Fe là lực tĩnh điện tổng hợp, Fs là lực đàn hồi động của xe. Hình 5 mô tả sơ đ ồ của môđun của lò xo micro-container, Fb là lực đ àn hồi của quay vòng. Với cơ cấu kích hoạt ki ểu răng lượ c hệ t hống dầm cơ cấu kích hoạt – Fb tác động lên xoay, micro-container có thể rẽ phải hoặc r ẽ răng của thanh răng cóc của cơ cấu kích hoạt, trái. Fr1 là lực ma sát giữa micro-container và nền silic. Ta có thể xác định đ ược lực Fd = Fe - Fb sẽ chính là lực dẫn đ ộng cho micro-container. Ở phía bên trái của micro-container, khi xe chuyển động sẽ xả y ra trượt tương đ ối giữa các răng của hai thanh răng cóc. Do đó ở đây sẽ xuất hiện hai lực là lực pháp tuyến Fn và lực ma sát Fr2 giữa các răng. Tiếp theo có thể phân tích Fn thành hai lực thành phần Fa và Fs theo hai phương y,x. Dưới đây là công thức tính toán các lực nêu trên: nhεε 0 2 Fe = V g (1) Hình 5. Mođun quay vòng.  2B12 + 3B1 B2 + B 22  3EI Fs = k x .x = 3 1  2 .x  26B1 + 81B1 B2 + 52B 2  (2) 2 B1 3. Tính toán lực cho hệ thống  96 EI  L + L2  4 Ehb 3  Fb = k y . y =  3 2  1 + . y    L1  L1 + 4 L2  L3  Xét hệ thống ở nửa đầu chu kỳ chuyển (3) động, khi thanh răng cóc bên phải tịnh tiến lên Fr1 = f m mG (4) trước và thanh răng cóc bên trái chuyển đ ộng Fa = Fn sinα = Fs tanα ngược lại. Hình 6 biểu diễn các lực tương tác (5) giữa cơ cấu kích hoạt với micro-container. F = f m Fn = f m s Fr 2 cos α (6) Trong các phương trình t ừ (1) đ ến (6), các thông số lần lượt được chọn như sau: góc nghiêng của răng α=300, số bản cực di đ ộng n=100, chi ều dày của bản cực h=30µm, khoảng các giữa hai bản cực g=2µm, ε và ε0 lần lượt là hằng số điện môi của không khí và chân không, kx và x là đ ộ cứng và chuyển vị của hệ thống lò xo của micro-container theo phương x, các kích thước của lò xo lần lượt là B1 = 50µm và B2 = 10µm (hình 3), E = 169GPa là modul đàn hồi của silic. I1 và I2 là mô men quán tính của tiết Hình 6. Các lực tác động trên hệ thống. diện của lò xo xe và dầm của cơ cấu kích hoạt.
  4. V.N. Hùng và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 86 ky và y là độ cứng và chuyển vị của hệ thống các b ản cực đ ộng, dầm và thanh răng cóc. Tố c dầm theo phương y, bw = 2.5µm, L1 = 450µm độ ăn mòn của dung dị ch HF đậm đặc nồng đ ộ và L2 = 20µm là các kích thước của dầm của cơ 46% đạt đ ược khoảng 0.2µm/phút tại nhiệt đ ộ cấu kích hoạt. L = 450µm và b = 3µm lần lượt 400C [1]. Dưới đây là ảnh chụp SEM (Scanning là chiều dài và chiều rộng của dầm của thanh Electron Microscope) các kết quả đạt được: răng cóc. Hệ số ma sát giữa silic - silic fm = 0.38, m là khối lượng của xe micro-container và G là gia tốc trọng trường. Từ hình 6, ta có thể tính được tổng lực cản Fh tác động vào micro-container theo phương trình sau: Fh = Fb + Fr1 + Fa + Fr 2 cosα Hình 7. Môđun đi thẳng và Micro-container. (7) ⇒ Fh = Fb + Fr1 + Fs tanα + fm Fs Chuyển vị tối thiểu cần thiết của cơ cấu kích hoạt đ ể xe có thể chuyển động lên phía trước phải thỏa mãn điều kiện: y≥ (gf +2gs+ p/2) Trong đó: - gf = 2µm, gs = 2.5µm (Hình 2, 3) - p = 10 µm - bước răng của thanh răng Từ đó ta tính được lực hãm Fh bằng 174.14µN. Như vậy để đảm b ảo chuyển đ ộng Hình 8. Cơ cấu kích hoạt kiểu răng lược lên phía trước của xe, lực tĩ nh điện Fe cần phải và thanh răng cóc. lớn hơn lực hàm Fh, hay nói một cách khác, qua tính toán ta thấ y đi ện áp V cần thiết phải lớn hơn hoặc bằng 114.5(V). 4. Chế tạo và đánh giá các đặc tính Hệ MRS được chế tạo từ tấm silic kép (Silicon On Insulator – SOI wafer) s ử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn. Sau khi thực hiện quá trình ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (Deep- RIE) đến đ ộ sâu 30 µm tới lớp oxid silic (SiO2), quá trình ăn mòn bằng khí HF bay hơi s ẽ đ ượ c thực hiện để bóc đi lớp SiO2 với mục tiêu tạo ra các phần chuyển động của cơ cấu kích hoạt như Hình 9. Quan hệ chuyển vị với điện áp kích hoạt.
  5. V.N. Hùng và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 87 Đồ thị trên hình 9 thể hiện kết quả đo đạc (Photolithography), ăn mòn khô ion hoạt hóa quan hệ gi ữa chuyển vị của bộ kích hoạt tĩnh sâu (D-RIE), ăn mòn hơi HF … Hệ MRS sau điện và điện áp kích hoạt. khi chế tạo đã được đ o kiểm tra các đặc tính làm việc như quan hệ chuyển vị - điện áp của Sau khi ăn mòn bằng axit HF, hệ thống bộ kích hoạt, vận tốc của xe container. Các kết MRS đã được kiểm tra bằng cách cho micro- quả đo đạc thu đ ược đều phù hợp với tính toán container chuyển đ ộng trong môđun đi thẳng và mô phỏng lý thuyết. ứng với những tần số khác nhau. Trong chuyển động đi thẳng, vận tốc của xe phụ thuộc vào biên đ ộ và tần số của điện áp kích hoạt. Mối Lời cảm ơn quan hệ đó được thể hi ện ở đồ thị trên hình 10 sau đây: Các tác giả xin chân thành cám ơn Trung tâm công nghệ hệ thống Micro, trường Đại họ c 600 Ritsumeikan, Nhật Bản đ ã giúp đỡ chế tạo và 512 500 qu ỹ Phát triển khoa học và công nghệ q uốc gia 412.5 (NAFOSTED) đã tài trợ cho nhóm nghiên cứu Velocity (um/s) 400 (Mã số đề tài: 107.01.26.09). 300 270 200 Calculation 100 94.5 Tài liệu tham khảo Measurement 54 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 [1] Phuc Hong Pham, Ph.D thesis, Ritsumeikan Frequency (Hz) University, Japan, September 2007. [2] Phuc Hong Pham et al, Straight movement of micro containers based on ratchet mechanisms Hình 10. Quan hệ tần số kích hoạt với vận tốc and electrostatic comb-drive actuators, của micro-container. Journal of Micromechanics and Microengineering 16 (2006) 2532. Các kết quả thí nghiệm đ ược đo ứng với dải [3] Danelle M. Tanner et al, Reliability of a tần số từ 1÷40Hz và điện áp Vpp =150V hoàn MEMS Torsional Ratcheting Actuator, IEEE - toàn phù hợp với những kết quả tính toán lý 39th Annual International Reliability Physics thuyết. Symposium, Orlando, Florida, 2001, 81-90. [4] R. Yeh, S. Hollar and Kristofer S. J. Pister, 5. Kết luận Single Mask, Large Force, and Large Displacement Electrostatic Linear Inchworm Trong bài báo, các tác giả đã giải quyết bài Motors, J. Microelectromechanical Systems, 11 (2002) 330. toán tính toán, thiết kế và chế tạo hệ mini-robot [5] S H Kim, I H Hwang, K W Jo, E S Yoon and MRS bằng vật liệu silic. Cơ cấu kích hoạt tĩnh J H Lee, “High-resolution Inchworm Linear điện kiểu răng lược cũng như cả hệ MRS được Motor Based on Electrostatic Twisting chế tạo b ằng các công nghệ quen thuộc của Microactuators”, J. Micromech. Microeng 15 ngành Vi Cơ Điện tử như quang khắ c (2005) 1674.
  6. V.N. Hùng và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) 83-88 88 Design and fabrication of Mini-Robot System with Micro-containers based on MEMS technology Vu Ngoc Hung1, Dang Bao Lam2, Pham Hong Phuc2,* 1 International Training Institute for Materials Science, H anoi University of Technology, 1 Dai Co Viet, Ha Noi, Vietnam 2 School of Mechanical Engineering, Hanoi University of Technology, 1 Dai Co Viet, Ha Noi, Vietnam This paper presents the design and fabrication of Mini-Robot System (MRS) with movement of micro-containers based on ratchet mechanism and electrostatic micro comb actuators. Each module of MRS has dimension of 6x6 mm2, is fabricated by using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, can be assembled to create more complex conveyance systems for different applications, such as in micro total analysis system (µ-TAS) to transport and classify micro samples. Calculation of forces in the MRS was also carried out to find an appropriate applying voltage for the micro-container. In our experiments, the movement of the micro-container has been tested with driving frequency ranges from 1Hz to 40Hz. The velocity of the container measured in the experiments matched very well with theoretical calculation. Keywords: MEMS, Electrostatic comb actuator, MRS.
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=258

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2