Khóa luận Khảo sát tần số dịch chuyển thanh cantilever

cách mà chúng thay đổi trong cấp độ nhỏ hơn như cơ học, điện và dòng chảy. 1.4.5.1. Sự thay đổi hình học do thay đổi tỉ lệ: Để đánh giá được sự thay đổi của hệ thống do sự thay đổi kích thước, trước tiên ta phải nghiên cứu về khía cạnh hình học và đưa ra một mấu hình chung để đánh giá. Muốn như vậy ta sẽ xem xét một hệ thống có tỉ lệ đẳng cấu(nghĩa là tỉ lệ thu nhỏ các cạnh sẽ bằng nhau). Giả sử chiều dài Xo sẽ được thu nỏh với tỉ lệ S. Do ta đang nghiên cứu ở cấp độ nhỏ hơn nên 0<S<1. Khi đó sự thay đổi trong diện tích, thể tích sẽ được liệt kê trong công thức 1.7 tới 1.9 [1.7] [1.8] [1.9] Ảnh hưởng của tỉ lệ Thước đo tỉ lệ Hình 1.17. Ảnh hưởng của sự thay đổi tỉ lệ S Khối lượng của một vật tỉ lệ với thể tích của vật đó.Vì vậy, khi kích thước bị giảm đi 1.000 lần( lần ) thì kích thể tích sẽ giảm đi lần . Khối lượng là một biến số vô cùng quan trọng trong các hiện tượng vật lý. Một số tỉ lệ hình học khác như tỉ lệ giữa diện tích và thể tích là rất quan trọng trong các bài toán dòng chảy và các bài toán truyền nhiệt. Vì vậy khi hệ thống được thu nhỏ tới kích thước MEMS thì giá trị tỉ lệ diện tích/thể tích sẽ tăng do công thức . [1.10] Điều này làm thay đổi những đại lượng vật lý được tính bằng tỉ lệ diện tích-thể tích. Sự thay đổi cơ học do thay đổi tỉ lệ Hai đại lượng vô cùng quan trọng trong các bài toán cơ học là khối lượng và độ cứng. Khối lượng tỉ lệ thuận với thể tích và mật độ khối của vật thể đó. Bởi vậy khối lượng cũng như thể tích sẽ thay đổi một tỉ lệ khi hệ thống thay đổi với tỉ lệ S. Tức là khối lượng và thể tích giảm nhanh hơn nhiếu so với sự giảm của kích thước vật thể. [1.11] Độ cứng của các hệ thống cơ học diễn tả khả năng biến dạng hình học của hệ thống dưới tác dụng của lực tác động. Độ cứng K là tỉ số giữa độ lớn lực tác động lên vật và độ biến dạng của vật. [1.12] Độ cứng của vật liệu ảnh hưởng tới độ biến dạng thanh và biến dạng xoắn Thanh cantilever tiết diện tròn có tải đồng trục. Thanh cantilever tiết diện tròn có tải ngang. Thanh cantilever tiết diện tròn có tải xoay tròn Hình 1.18. Biến dạng thanh và biến dạng đố xứng khi vật thể bị ngoại lức tác động. Biến dạng thanh là biến dạng chống lại sự thay đổi cong xuống hoặc cong lên của vật thể trong khi biến dạng đối xứng là chống lại sự biến dạng dãn ra của vật thể do lức kéo. [1.13] [1.14] Công thức [1.13] và [1.14] diễn tả sự thay đổi tỉ lệ cơ bản của độ cứng vật liệu cho 2 loại biến dạng trên. Với E là thuộc tính vật liệu gọi là molulus Young, A là diện tích và mô men quán tính I. Trong công thức này thì diện tích A và mô men quán tính I được chuyển sang tích của các thành phần kích thước để có thể thêm vào hệ số tỉ lệ S. Qua 2 công thức trên ta thấy rằng độ cứng tỉ lệ tuyến tính với hệ số tỉ lệ S. Ví dụ 1.1 Vấn đề: Hãy tìm ra sự thay đổi của độ cứng xoắn khi kích thước thay đổi theo hệ số tỉ lệ S: Giải: Dựa vào công thức tính độ cứng xoắn: [1.15] Với G: là hằng số cứng giữ vai trò như E trong công thức tính độ cứng thanh và độ cứng đối xứng , G là hằng số đặc trưng cho vật liệu. J: mô men quán tính của hình tròn . L: độ dài thanh. Mô men quán tính tiết diện tròn: [1.16] Vậy: [1.17] Do kích thước thay đổi với hằng số tỉ lệ S nên [1.18] Như vậy tỉ lệ thay đổi của độ cứng xoắn là , khác với độ cứng thanh và độ cứng đối xứng là S. Một đại lượng khác cũng có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong các mô hình cơ học là tần số tư nhiên. Tần số tự nhiên là đại lượng liên quan đến độ đàn hồi và lực quán tínhđể định nghĩa tần số dao động cơ học của hệ thống. Tần số dao động tự nhiên có liên quan trực tiếp tới độ cứng và là một vấn đề được sử dụng nhiều trong các công trình khoa học. Tần số dao động tư nhiên được tính bằng căn bậc 2 tỉ số giữa độ cứng và khối lượng của hệ thống . Như ở trên đã chứng minh, khi kích thước hệ thống thay đổi với tỉ lệ S thì độ cứng cũng thay đổi với tỉ lệ S (ở đây ta xét độ cúng ngang) và khối lượng thay đổi tỉ lệ với thể tích tức . Như vậy tần số giao động tự nhiên sẽ thay đổi với tỉ lệ . Để ý rằng lúc này ảnh hưởng do sự thay đổi của độ cúng K là chậm hơn nhiều so với khối lượng M. [1.19] Ví dụ 1.2 Một hệ thống như hình 1.16 sau: Diện tích= Thể tích= Hình 1.19. Mô hình hệ thống Hệ thống có một hình hộp vuông với kính thước cạnh là L được treo trên một thanh có tiết diện ngang là hình vuông với kích thước 0.1L là dài 2L. HỆ thống được cho thả xuống với gia tốc a. Hỏi khi hệ thống được thu nhỉ với tỉ lệ 0.001 lần thì lực căng thay đổi như thế nào Giải: Lực căng : [1.20] Với D là bậc tải trọn tự do.Trong mô hình trên thì D=2 [1.21] [1.22] Với là mật độ khối.Vậy: [1.23] Khi hệ thống bị thu nhỏ với tỉ lệ S thì: [1.24] Có nghĩa là [1.25] Kết luận: khi hệ thống bị thu nhỏ 0.001 lần thì a sẽ tăng thêm 1000 lần. 1.4.5.3 Thay đổi về điện do sự thay đổi tỉ lệ: Sự thay đổ về tỉ lệ cũng có ảnh hưởng lớn đến các yếu tố cơ bản trong lĩnh vực điện và từ. Hình 1.17 mô tả sự thay đổi theo tỉ lệ của các đại lượng điện trở, điện dung của tụ và độ tự cảm của cuộn dây. Hình 1.20. Điện trở ,điện dung của tụ và độ tự cảm của cuộn dây Điện trở R là một đại lượng đặc trưng cho tính cản trở dòng điện của vật liệu phụ thuộc vào hằng số , chiều dài và diện tích bề mặt cắt ngang của vật dẫn. Khi vật dẫn giảm theo tỉ lệ S thì điện trở của vật đó tăng lên 1 lượng lần. [1.26] Điện dung C của một tụ điện là đại lượng phụ thuộc vào hằng số điện môi, diện tích của 2 bản điện và khoảng các giữa chúng. Vì vậy điện dung giảm S lần khi có hệ số tỉ lệ là S. [1.27] Độ tự cảm L của cuộn dây N vòng được tính bằng độ thẩm từ đặc trưng cho vật liệu, số vòng dây và tỉ số tiết diện ngang và chiếu dài. Cũng giống như diện dung C, khi vật thu nhỏ với hệ số tỉ lệ S thì L cũng giảm S lần. [1.28] Trong những mạch điện tử ở cấp độ MEMS, khi giảm kích thước với tỉ lệ S thì R và C cũng giảm trong khi L lại tăng. Như vậy những thiết bị vi điện CMOS với nhưng thành phần tụ, trở hay cuộn dây sẽ không hoạt động giống như bình thường nữa. Việc hiểu rõ những ảnh hưởng của yếu tố tỉ lệ trên lên các thiết bị vi điện là vô cùng quan trọng. Ví dụ như trong các cảm biến gia tốc hay bộ phận con quay hồi chuyển sử dụng những tụ để bật tắt những cảm biến dựa vào sự thay đổi khối lượng… Một cách để nghiên cứu sự thay đổi trong môi trường vĩ mô là xem xét sự thay đổi của 2 yếu tố mật độ điện trường và mật độ từ trường Công thức 1.29 và 1.30 xác định giá trị mật độ điện trường và mật độ từ trường trong đó và lần lượt là hằng số điện môi và độ từ thẩm trong khu vực có cường độ điện trường E và cường độ từ trường B. Trong môi trường chân không thì = và Giá trị từ trường tối đa là giá trị từ trường ngay trước khi nó đánh thủng. Hiện tượng đánh thủng này xảy ra khi electron hoặc ion trong vùng điện trường được gia tốc và va chạm với các phân tử khí. Ở môi trường khí quyển bình thường thì giá trị từ trường tối đa cho cấp độ vĩ mô(>~10) là Emax=. [1.29] [1.30] Mật độ năng lượng điện trường cực đại bị giới hạn bởi mật độ điện trường bão hòa trong vật liệu từ. Trong các vật liệu, ở cấp độ electron và nguyên tử thường xuất hiện sự ảnh hưởng của điện trường. Trong một số vật liệu thì sự ảnh hưởng này có thể bị loại bỏ do sự triệt tiêu nhau bắt nguồn từ hiện tượng sắp xếp hỗn độn. Tuy nhiên trong vật liệu sắt từ thì các nguyên tử liền sát nhau có khuynh hướng xếp thẳng hành để tạo ra nhưng ảnh hưởng từ trường. Mỗi vùng từ trường như vậy có thể ảnh hưởng trong phạm vi vài micron tới vài milimet. Tuy nhiên những vùng từ trường này thường sắp xếp ngấu nhiên. Nếu có một từ trương ngoài áp vào thì chúng sẽ quay đồng loạt theo hướng tứ trường ngoài. Giá trị B bão hòa thường là 1Tesla. Sử dụng giá trị Emax= và B max=1T ta có thể tính được mật độ năng lượng điện trường và mất độ năng lượng từ trường. [1.31] [1.32] Để ý thấy rằng giá trị mật độ năng lượng điện trường lớn gấp 1000 lần giá trị mật độ năng lượng điện trường. Đó là lý do tại sao từ trường là đại lượng chi phối trong thế giới vi mô. Tuy nhiên trong lĩnh vực MEMS khi mà khoảng cách giữa 2 bản tụ điện là rất nhỏ, chỉ khoảng 1 thì 2 giá trị này gần như là bằng nhau do trong thế giới vĩ mô Vì Dẫn đến [1.33] 1.4.6. Phát triển ngành vi cơ điện tử và MEMS tại Việt Nam 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. Có thể thấy điều này ở những điển hình như Canon Inc. đã mở ra một nhà máy tại khu công nghiệp Thăng Long, Hà Nội từ năm 2002 và một tại Khu công nghiệp Quế Võ, Bắc Ninh sản xuất máy in phun với số vốn đầu tư gần 100 triệu USD, công suất 700.000 sản phẩm/tháng dành cho xuất khẩu, doanh thu dự kiến là 400 triệu USD/năm. Một trong những chi tiết quan trọng trong thiết bị máy in là bộ phận phun mực được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Trong ngành ô tô là Honda với một nhà máy ở Vĩnh Phúc, Toyota với một nhà máy trung tâm ở Mê Linh và một ở khu công nghiệp Thăng Long cùng hệ thống các nhà máy vệ tinh ở nhiều địa phương, Ford với một nhà máy hoàn chỉnh tại Hải Dương. Một số lượng lớn các chi tiết được chế tạo bằng công nghệ MEMS để lắp đặt trong các xe ô tô gồm vi cảm biến áp suất cho hệ thống nhiên liệu và chỉ thị áp suất lốp xe, gia tốc kê cho bộ phận túi khí an toàn (airbag), vận tốc góc để cân bằng xe hoạt cho các thiết bị định vị khi xe lưu thông trong hệ thống giao thông (navigations)… Nhận xét về lợi ích của việc áp dụng công nghệ này vào ngành công nghiệp Việt Nam, 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. Hiện nay rất nhiều sản phẩm của công nghệ MEMS như cảm biến MEMS quán tính dùng trong các hệ thống điều khiển, công nghiệp robot loại nhỏ với các microsensor dạng con quay vi cơ cho các thiết bị điều khiển bay, kỹ thuật môi trường với các microsensor đo độ ẩm, đo độ PH, ứng dụng y sinh với các microsensor đo áp suất màu, đo nồng độ Glucose, nồng độ khí… Để Việt Nam có tên trên bản đồ nồng công nghệ Micro-Nano thế giới, cần có những cơ sở nghiên cứu chế tạo và đưa ra thị trường những sản phẩm trên cơ sở công nghệ này. Một khi những nhà sản xuất bị thuyết phục rằng chúng ta có thể đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất, chế tạo linh kiện MEMS tại Việt Nam khi đó việc đầu tư xây dựng những nhà máy tại Việt Nam cho những mục đích này là hoàn toàn có tính khả thi. Từ năm 1997, những nghiên cứu đầu tiên liên quan đến công nghệ chế tạo linh kiện MEMS đã được thực hiện tại viện ITIMS trong phòng sạch duy nhất tại Việt Nam do Hà Lan tài trợ. Về đội nghũ giảng dạy: ITIMS hiện đã có một đội ngũ cán bộ giảng dạy được đào tọa một cách bài bản và chất lượng cao về công nghệ MEMS tại các cường quốc về lĩnh vực này như Hà Lan, CHLB Đức, Mỹ, Hàn Quốc và Nhật Bản. Giáo trình về công nghệ MEMS đã được đưa vào trong chương trình đào tạo kỹ sư và cao học tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong 2 năm 2005-2007, trên cơ sở dự án Hợp tác quốc tế giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội với Đại học Ritsumeikan (Nhật Bản) do tổ chức NEDO tài trợ, phòng thí nghiệm MEMS hiện đại đã được thành lập tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Nhiều thiết bị công nghệ hiện đại, đặc biệt là hệ thiết bị quang khắc 2 mặt và hệ thiết bị ăn mòn khô RIE) Dry reactive ion etching) đã được đầu tư. Đây là cơ sở cho việc nâng cao chất lượng nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực này tại Việt Nam, hội nhập trình độ quốc tế. Trong giai đoạn từ năm 2000 đến nay đã có nhiều hoạt động liên quan tới công nghệ MEMS được tổ chức như hội nghị quốc tế lần thứ 8 về công nghệ cơ điện tử tại Hà Nội năm 2004, khoá đào tạo Việt – Pháp đầu tiên về công nghệ micro và nano tổ chức vào tháng 1 năm 2003 tại Hà Nội. Hội nghị quốc tế lần thứ 1 về công nghệ Micro-nano 2008. Các hoạt động trên đã tạo điều kiện để các nhà khoa học Việt Nam quan tâm phát triển công nghệ micro và Nano có cơ hội giao lưu, hợp tác với các nhà khoa học, chuyên gia về phát triển công nghệ Micro và Nanô quốc tế. Chương 2 Cảm biến khối lượng dựa vào các thanh cantilever 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến dựa trên bộ cantilever [1] Thành phần chính của bộ cảm biến cantilever là 1 thanh kim loại dẹt có kích thước từ vài chục µm đến vài chục nanomet. Chính cấu trúc này cho phép thiết bị từng sự thay đổi nhỏ nhất ở cấp độ phân tử và chuyển đổi thành những tín hiệu mà có thể số hoá và có thể ghi chép và xử lý bằng các thiết bị đầu vào khác. Hình 2.1. Một thiết bị với các thanh cantilever. Có thể chia thành 2 loại thay đổi chính: - Thay đổi dạng tĩnh: Dựa trên sự thay đổi của ứng suất bề mặt của thanh cantilever do có sự xuất hiện của các phân tử cần dò. - Thay đổi dạng động: Dựa trên nguyên tắc phát hiện ra sự thay đổi tần số cộng hưởng của thanh cantilever do có sự xuất hiện của phân tử cần dò tìm trên thanh cantilever. A B Hình 2.2. Các loại thay đổi chính của thanh cantilever.Hình A là thay đổi ứng suất. Hình B là thay đổi tần số tự nhiên. Trong đề tài ta sử dụng nguyên lý thay đổi dạng động của thanh cantilever Mode động Mode tĩnh Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động bộ cảm biến cantilever. Hình 2.3 cho thấy những thanh cantilever được đặt trên lớp vật liệu nền cantilever . Tín hiệu kích thích dạng hình sin được tạo ra từ 1 máy phát tần số sẽ quét 1 tần số mong muốn lên thanh cantilever (1). Dựa vào kỹ thuật phát hiện sự thay đổi phương truyền của chùm tia laser sẽ cho phép ta đo dược sự đáp ứng của thanh cantilever (2). Một bộ phân tích tần số sẽ so sánh tín hiệu đầu vào và đầu ra, từ đó cho ta biết sự thay đổi tần số dao động do có sự có mặt của phân tử cần phát hiện. Một phần mềm sẽ cho pháp ta suy ra được khối lượng phân tử từ sự thay đổi tần số này. 2.2. Tần số cộng hưởng tự nhiên của thanh cantilever [7] [9] [11] Bản chất tần số cộng hưởng tự nhiên được giải thích như sau: Giả sử một bộ phát tần số tạo ra 1 tần số nhưng nhỏ hơn tần số tự nhiên mong muốn của mode 1 lên thanh dầm. Tần số này sau đó sẽ tự tăng dần đến mức của tần số dao động bậc 1 và biên độ dao động đỉnh-đỉnh của thanh dầm sẽ đạt đến giá trị cực đại tại tần số dao động này. Tương tự đối với tần số tự nhiên bậc 2 và bậc 3 Mục đích của mục này là cách xác định tần số tự nhiên của thanh cantilever của những bậc dao động (vibration modes) sử dụng kỹ thuật quét sóng Sin. Kỹ thuật quét sóng sin là kỹ thuật áp 1 kích thích dạng sóng sin lên một hệ thống để kiểm tra và đo lường đáp ứng của hệ thống như tần số trước sự kích thích nói trên. Những biến đổi cơ học (gia tốc, độ lệch) thay đổi một cách tuần hoàn được phát ra từ trong những hệ thống cơ học. Trong trường hợp này thì cantilever chính là các hệ thống cơ học với sự thay đổi về tần số dao động. Giả sử những thanh cantilever là một thanh dầm đồng nhất continnum (là một chuỗi những chất điểm sao cho những chất điểm gần nhau là giống như nhau nhưng lại có sư khác nhau giữa điểm đầu và điểm cuối) có thể dao động theo những bậc vô hạn mà biên độ dịch chuyển thay đổi dọc theo chiều dọc thanh. Lưu ý rằng những bậc nằm ngoài nút điểm đầu tiên( nút điểm là những vị trí mà không có sự thay đổi về biên độ dao động). Số các nút điểm = (bậc dao động – 1). Vd: dao động bậc 2 có 1 nút điểm ,bậc 3 có 2 nút điểm. Mỗi bậc dao động tự nhiên có 1 tần số dao động riêng của nó, ta gọi là tần số cộng hưởng riêng. Các tần số tự nhiên này được tính như sau: [11] [7] [9] Hình 2.4. Dao động bậc 1,2,3 của thanh cantilever. [2.1] [2.2] [2.3] Với E : Hằng số young của vật liệu(GPa hay N/m2 ) [2.4] [2.4 I : Mô men quán tính,được tính () b :chiều rộng và h là chiều dày của thanh cantilever. A :diện tích bề mặt ( m2 ), L:chiều dài thanh cantilever. Ta cũng có thể sử dụng công thức: [2] [2.5] Với: [2.6] Thực ra các công thức trên hoàn toàn chỉ là 1 nhưng do việc sử dụng khối lương khác nhau(tức khối lượng thô hay khối lượng hiệu dụng của thanh cantilever) Như vậy có thể dễ dàng thấy được tần số dao động bậc 1 và 2 sẽ chênh lệch nhau 1 lượng 3.526/22.03 (lần). Tương tự, bậc dao động 2 và 3 sẽ chênh lệch nhau 61.70/22.03 (lần). Cũng có thể tính được k ở các bậc 2, 3 với cách lập luận tương tự: Điều này hoàn toàn trùng khớp với số liệu thu được từ thí nghiệm thực tế trong bảng sau: Bảng 4. Tần số dao động của 4 mode đầu tiên.[3] Mode Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 fexp(Hz) 30712 192493 539060 1056640 fsim (Hz) 31734 198815 556486 1089920 ∆fmax (Hz) 480 2541 6059 9864 Như vậy, với 1 thanh cantilever với L=50 µ m,b=25 µ m,h=0.5 µ m và các hệ số theo bảng sau:[10] Bảng 5. Thông số vật liệu Tính chất vật liệu Young’s modulus Mật độ khối Poisson Tỉ số Giá trị 100 GPa 2850 kg/m3 0.24 Thì tần số dao động tự nhiên bậc 1 sẽ là:  [2.9] [2.10] = 194057 HZ Tần số dao động khi có tải : = 194057 HZ Chương 3 Thiết kế mô hình cantilever tối ưu 3.1. Độ cứng (Spring stiffness constant) và các yếu tố quyết định độ cứng thanh cantilever Xây dựng mô hình: Ta xem mô hình cantilever như một lò xo treo thẳng đứng như hình sau: Trong hình, dao động của thanh cantilever được đơn giản hóa bằng một lò xo tương ứng với khối lượng tải là không đổi. Hình 3.1. Mô hình cantilever. Như vậy độ cứng của thanh cantilever sẽ tương ứng với độ cứng của 1 lò xo mà có thể tính được từ biên độ dịch chuyển (deflection) của thanh cantilever tại điểm đặt tải. Tuy nhiên vấn đề đặt ra là với các dạng hình học bề mặt cắt ngang khác nhau mà biên độ dịch chuyển sẽ khác nhau. Khi đó ta sử dụng bảng 6 sau để xác định biên độ dịch chuyển: Bảng 6. Biên độ dịch chuyển và sức căng bề mặt vật liệu tối đa đối với những dạng hình học cụ thể.[12] Dạng hình học (bề mặt cắt ngang) Biên độ dịch chuyển tại điểm đặt tải Sức căng bề mặt tối đa Hình chữ nhật Hình thang Hình tam giác Trong đó;các đại lượng được làm rõ: f : là biên độ dịch chuyển . F : là lực tác động bởi tải. E : là hệ số đàn hồi. : là độ dài thanh cantilever. I : là module quán tính của thanh cantilever. Bảng 7. Module đàn hồi cho các dạng hình học của bề mặt cắt ngang Module đàn hồi I .[12] Hình dạng Trọng tâm Module đàn hồi I e d e b c b e2 e1 d e R e e1 R e2 Ví dụ 3.1: Dựa vào các công thức trên, hãy chứng minh lại được công thức tính độ cứng k cho thanh cantilever có bề mặt cắt ngang là hình chữ nhật.[2] Chứng minh: Vì: F= k.f [3.1] Nên: f= F/k [3.2] Mà theo bảng 6, ta có: f = F / 3 E.I [3.3] Từ [3.1] và [3.2], ta có: [3.4] Với [3.5] Ta thấy công thức [3.5] hoàn toàn giống công thức đã sử dụng ở chương trước khi tính tần số dao động tự nhiên của thanh cantilever. 3.2. Xây dựng mô hình lý thuyết cho thanh cantilever để có được độ dịch chuyển tần số tối ưu Như phần trên cũng như trong chương trước đã đề cập, một thanh cantilever tốt được sử dụng trong 1 bộ vi cảm biến phải là một thanh cantilever có độ nhạy cao. Do độ nhạy của thanh cantilever được cho bởi: [3.6] Mà là khối lượng của hạt cần dò tìm không đổi nên muốn tăng S ta phải tăng . Trong phần sau, ta sẽ xây dựng một số mô hình cho thanh cantilever, từ đó chọn ra mô hình tối ưu nhất. 3.2.1. Các thanh cantilever cơ bản [10];[6] Phần này, chúng tôi liệt kê các mô hình để tham khảo cho phần mô phỏng của luận văn. Mô hình thanh cantilever chữ nhật đơn giản: Hình 3.2. Bề mặt dạng A. Bốn mô hình cải tiến từ thanh cantilever đơn giản Bề mặt dạng B Bề mặt dạng C Bề mặt dạng E Hình 3.3. Cantilever hình chữ nhật cải tiến. Thanh cantilever tam giác Hình 3.4. Bề mặt dạng F. Thanh cantilever hình thang Hình 3.5. Bề mặt dạng H. Thanh cantilever hình thang cải tiến Hình 3.6. Bề mặt dạng I. 3.2.2. Thanh cantilever cơ bản hình chữ nhật: Hình 3.7. Bề mặt dạng A. Tính toán bằng lý thuyết: Thanh cantilever với L=50 µ m, b=25 µ m, h=0.5 µ m và các hệ số theo bảng Bảng 8. Thông số vật liệu [10] Material properties Young’s Modulus(E) Density Poisson Ratio Value 100 GPa 2850 kg/m3 0.24 [3.7] [3.8] Ta tính được: K=0.625 Vậy: [3.9] Với Thì tần số dao động tự nhiên bậc 1 sẽ là: f0=194123Hz. Tần số dao động sau khi có tải, áp dụng công thức: [3.10] Vậy: f1=194057Hz. So sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Không tải: fo = 194579 Hz. Hình 3.8. Cantilever chữ nhật không tải. Có tải: fo =194531 Hz Hình 3.9. Cantilever chữ nhật có tải. Vậy =48HZ Nhận xét: Kết quả giữa lý thuyết và mô phỏng là trùng khớp. Sai số hấu như rất nhỏ(<1%) Sở dĩ có sự sai số này là dao các công thức tính toán đếu là các công thức làm tròn. Hơn nữa trong quá trình tính toán việc lấy tròn số thập phân khi bấm máy tính cũng gây nên những sai số này. Tuy vậy những sai số là rất nhỏ nên có thể tin tưởng được. Các mô hình cải tiến từ thanh cantilever chữ nhật cơ bản - Thêm trọng lượng cho thanh cantilever bằng cách gia tăng kích thước phần đầu thanh. fo =179631 Hz Hình 3.10. Cantilever dạng B không tải. Có hạt tải: fo =179592 Hz Hình 3.11. Cantilever dạng B có tải. Sự thay đổi tần số: 39Hz - Giảm trọng lượng thanh cantilever bằng cách giảm kích thước phần đầu thanh fo =213626 Hz Hình 3.12. Cantilever dạng C không tải. Sau khi có tải: fo =213566 Hz Hình 3.13. Cantilever dạng C có tải. Vậy sự dịch chuyển tần số cộng hưởng là 60 Hz - Thay đổi đồng thời khối lượng và độ cứng k bằng cách thu hẹp phần chân thanh cantilever. fo =126122 Hz Hình 3.14. Cantilever dạng E không tải. Khi có hạt tải: fo =126094 Hz Hình3.15. Cantilever dạng E có tải. Vậy sự thay đổi tần số cộng hưởng tự nhiên: 28Hz Nhận xét: - Ở mô hình (B), ta thêm trọng lượng cho thanh cantilever bằng cách gia tăng kích thước phần đầu thanh làm cho tần số cộng hưởng tự nhiên giảm do [3.11] - Ở mô hình (C), ta giảm trọng lượng cho thanh cantilever bằng cắch gọt bớt phần đầu thanh, làm cho khối lượng hiệu dụng giảm dẫn đến tần số cộng hưởng tự nhiên tăng. - Ở mô hình (E), ta giảm khối lượng thanh cantilever bằng cách gọt bớt phần cuống của thanh. Tuy nhiên, điều này vô tình cũng làm giảm độ chứng k do công thức. [3.12] [3.13] Do cắt bớt phần cuống nên b giảm, dẫn đến I giảm, I giảm làm K giảm. Do sự giảm của K nhanh hơn độ giảm khối lượng hiệu dụng nên cuối cùng tần số cộng hưởng tự nhiên giảm. Từ 3 mô hình trên ta thấy rằng cách tốt nhất là nên giảm khối lượng hiệu dụng của thanh cantilever bằng cách gọt bỏ phấn đầu của thanh, từ đó đưa ra các ý tưởng chế ta các mô hình thanh cantilever tam giác và hình thang, từ đó cải tiến một số chi tiết mà sẽ được trình bày sau đây: 3.2.3. Hình thang Chúng tôi thực hiện ý tưởng như sau: Trên phương diện hình học, hình chữ nhật và hình tam giác chính là 2 dạng đặc biệt của hình thang. Khi hình thang có 2 cạnh đáy bằng nhau thì nó trở thành hình chữ nhật. Khi hình thang có đáy nhỏ bằng 0 thì nó trở thành hình chữ nhật. Để ý rằng lúc này diện tích của hình tam giác bằng một nửa hình chữ nhật. Hình 3.16. Sự biến dạng của hình thang. Dựa vào bản chất hình học này của hình thang mà trong đề tài sẽ tìm ra công thức cho hình thang, từ đó bao quát cả hình tam giác và hình chữ nhật. Xây dựng hệ thống công thức: Vì:  [3.14] Nên sẽ có 2 yếu tố quyết định tần số f: - Độ cứng k - Khối lượng hiệu dụng Ta sẽ xét riêng từng yếu tố: - Độ cứng k Như đã đề cập, dạng hình học cắt ngang là yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng k. [3.15] [3.16] Trong mô hình thanh cantilever hình thang, dạng hình học cắt ngang vẫn là hình chữ nhật với b=25 và h=0.5. Vậy k=0.625. - Khối lượng hiệu dụng: Như vậy khối lượng hiệu dụng sẽ là yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến tần số dao động tự nhiên của thanh cantilever. Dựa vào mô phỏng AnSys ta có bảng kết quả sau khi giữ nguyên đáy lớn (để giữ nguyên độ cứng k=0.625) và thay đổi đáy nhỏ (để thay đổi diện tích hình thang tức là thay đổi khối lượng hiệu dụng). Bảng 9. Mối tương quan giữa hệ số tỉ lệ diện tích và hệ số khối lượng Chỉ số kích thước() Hệ số tỷ lệ diện tích Khối lượng Tần số Hệ số khối lương 25-25-50 1 4.2 194247 Hz 0.2357 25-10-50 0.7 2.49 252278 Hz 0.2 25-0-50 0.5 388494 Hz 0.1166 Ta nhận thấy rằng hệ số khối lượng tỷ lệ thuận với hệ số tỷ lệ giữa diện tích hình thang và hình chữ nhật tương ứng với hình thang đó. Từ đó đưa ra một ý tưởng là thiết lập một hàm toán học biểu diễn sự phụ thuộc của 2 yếu tố này. Ta biểu diễn trên trục tọa độ: Hình 3.17. Mối tương quan giữa hệ số tỉ lệ diện tích và hệ số khối lượng. Ta thấy đồ thị có dạng : y= [3.17] Sau khi fitting bằng hàm y nói trên: Hình 3.18. Hàm tỉ lệ khối lương sau khi làm khớp (fitting). Bằng cách thay đổi kích thước đáy nhỏ của hình thang là 5, 10, 15, 20. Giữ nguyên đáy lớn = 25. Phương pháp tính: Hằng số khối lượng Tỉ số Hàm tỉ số Nhân Với Kl thô Tính tần số Khối lượng hiệu dụng Hình 3.19. Giải thuật cách tìm tần số cantilever hình thang. Ta có bảng đối chiếu kết quả tính bằng hệ thống công thức ở trên và kết quả mô phỏng Bảng 10. So sánh tần số, hệ số tỉ lệ diện tích và hệ số khối lượng giữa mô phỏng và lý thuyết. Chỉ số kích thước() Hệ số tỉ lệ diện tích Tần số lý thuyết Hệ số khối lượng công thức Tần số mô phỏng Hệ số khối lượng mô phỏng 25-0-50 0.5 390478 Hz 0.1167 390576 Hz 0.1166 25-3-50 0.56 323510 Hz 0.1518 323147 Hz 0.152 25-5-50 0.6 295598 Hz 0.1697 295400 Hz 0.17 25-8-50 0.66 260360 Hz 0.19 266193 Hz 0.19 25-10-50 0.7 252089 Hz 0.2 251738 Hz 0.2 25-13-50 0.76 234875 Hz 0.2122 234736 Hz 0.2124 25-15-50 0.8 225811 Hz 0.2181 225941 Hz 0.2178 25-18-50 0.86 214425 Hz 0.225 214191 Hz 0.225 25-20-50 0.9 207768 Hz 0.236 207756 Hz 0.229 25-23-50 0.96 198967 Hz 0.2341 199427 Hz 0.232 25-25-50 1 194247 Hz 0.2375 194579 Hz 0.2375 25-3.75-50 0.575 311950 Hz 0.159 311675 Hz 0.159 25-16.25-50 0.825 220899 Hz 0.221 220552 Hz 0.222 So sánh hệ số tỷ lệ lý thuyết và thực tế: Hình 3.20. So sánh hệ số tỉ lệ lý thuyết và hệ số tỉ lệ mô phỏng. So sánh tần số lý thuyết và thực tế Hình 3.21. So sánh tần số tínhtheo lý thuyết và theo mô phỏng. Kiểm nghiệm tính đúng đắn bằng cách thay đổi đáy lớn hoặc chiều cao của hình thang, ta cũng nhận được kết quả gần giống giữa lý thuyết và thực tế: Thay đổi chiều cao-đáy nhỏ Bảng 11. So sánh tần số giữa mô phỏng và lý thuyết Chỉ số kích thước() Tần số Công thức Tần số Mô phỏng 25-0-40 610208 Hz 610042 Hz 25-3-40 505006 Hz 503607 Hz 25-5-40 461331 Hz 460257 Hz 25-8-40 416067 Hz 415451 Hz 25-10-40 393775 Hz 392887 Hz 25-13-40 367060 Hz 366839 Hz 25-15-40 352808 Hz 352552 Hz 25-18-40 334944 Hz 335093 Hz 25-20-40 324544 Hz 324981 Hz 25-23-40 312200 Hz 312209 Hz 25-25-40 303482 Hz 304589 Hz Đồ thị so sánh: Hình 3.22. So sánh tần số tínhtheo lý thuyết và theo mô phỏng. Thay đổi đáy lớn-đáy nhỏ-chiều cao Bảng 12. So sánh tần số giữa mô phỏng và lý thuyết. Chỉ số kích thước() Tần số Công thức Tần số Mô phỏng 20-0-40 607092 Hz 608947 Hz 20-3-40 487281 Hz 487014 Hz 20-5-40 440500 Hz 440014 Hz 20-8-40 393775 Hz 393381 Hz 20-10-40 371255 Hz 370540Hz 20-13-40 345056 Hz 344647 Hz 20-15-40 330813 Hz 330645 Hz 20-18-40 313164 Hz 313662 Hz 20-20-40 303482 Hz 303939 Hz Đồ thị so sánh: Hình 3.23. So sánh tần số tính theo lý thuyết và theo mô phỏng. Nhận xét về lý thuyết hình thang Sau khi đã thay lần lượt tất cả các số liệu đáy lớn, đáy nhỏ, chiều cao, ta đều thấy tính đúng đắn của công thức tính tần số dao động tự nhiên của thanh cantilever hình thang. Sự sai số này nằm trong khoàng từ 0.2% đến 2% 3.2.4. Thanh cantilever hình thang cải tiến Khi có tải: fo =264769 Hz Hình 3.24. Cantilever dạng I không tải. Khi không có tải: fo =264915 Hz. Hình 3.25. Cantilever dạng I có tải. Vậy độ dịch chuyển tần số: 146 Hz Xây dựng mô hình lý thuyết: Cũng cùng 1 cách làm như đối với thanh cantilever hình thang ở trên, ta cũng tính được hằng số tỷ lệ. Cũng tương tự như ở hình thang, đầu tiên ta thay đổi tỉ số giữa chiều cao hình thang và chiều cao hình chữ nhật. Đồng thời giữ nguyên cạnh đáy hình thang là 25. Một các logic, khối lượng hiệu dụng của thanh hình thang cải tiến gồm 1 hình chữ nhật và một hình thang sẽ bằng tổng khối lượng hiệu dụng của hình thang cộng với khối lượng hiệu dụng hình tam giác. Tuy nhiên, trên thực tế tổng khối lượng hiệu dụng của 2 hình đơn cộng lại có sự chênh lệch một lượng so với khối lượng hiệu dụng thức tế (cũng giống như trường hợp hình thang mà ta đã gọi đại lượng này là hệ số khối lượng). Phương pháp tính: Hằng số khối lượng Tỉ số Hàm tỉ số Nhân với tổng khối lượng hiệu dụng của 2 hình đơn Khối lượng hiệu dụng thực tế Tính tần số Hình 3.26. Giải thuật cách tìm tần số cantilever hình thang cải tiến. Ta có bảng đối chiếu giữa kết quả tính bằng hệ thống công thức ở trên và kết quả mô phỏng. Bằng cách thay đổi các thông số của hình thang và hình chữ nhật, cho hình thang dần dài ra và hình chữ nhật càng ngắn lại ta thu được kết quả theo bảng liệt kê: Bảng 13. Mối tương quan giữa tỉ lệ chiều cao hình thang/chiều cao chữ nhật và hệ số khối lượng. Chỉ số kích thước () Tỉ lệ chiều cao hình thang/chiều cao chữ nhật Tần số thực nghiệm(Hz) Hằng số khối lượng mp Thang (25-10-1) Chữ nhật (49-10) 0.02 193489 2.496 Thang (25-10-5) Chữ nhật (45-10) 0.1 201836 2.209 Thang (25-10-10) Chữ nhật (40-10) 0.2 217348 1.82 Thang (25-10-15) Chữ nhật (35-10) 0.3 232223 1.527 Thang (25-10-20) Chữ nhật (30-10) 0.4 245235 1.32 Thang (25-10-25) Chữ nhật (25-10) 0.5 255624 1.16 Thang (25-10-30) Chữ nhật (20-10) 0.6 262633 1.06 Thang (25-10-35) Chữ nhật (15-10) 0.7 265752 1 Thang(25-10-38) Chữ nhật (12-10) 0.76 265803 0.976 Thang (25-10-40) Chữ nhật (10-10) 0.8 264769 0.97 Thang(25-10-43) Chữ nhật (7-10) 0.86 262420 0.967 Thang (25-10-45) Chữ nhật (5-10) 0.9 260019 0.9716 Thang(25-10-48) Chữ nhật (2-10) 0.96 255415 0.99 Thang (25-10-50) Chữ nhật (0-10) 1 251738 1 Đồ thị biến thiên của hằng số khối lượng: Hình 3.27. Biến thiên của hằng số khối lượng. Sử dụng công thức toàn học để fix lại đồ thị, ta có công thức cho sự biến thiên của hằng số khối lượng: [3.18] Thay đổi tổng chiều cao của hình thang cải tiến từ 50 thành 40 để kiểm tra tính đúng đắn của hệ số khối lượng Ta có bảng so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm: Bảng 14. So sánh giữa tần số lý thuyết và thực nghiệm. Chỉ số kích thước() Tần số thực nghiệm Tần số lý thuyết Hệ số chiều cao Hệ số khối lượng lt Thang (25-10-3) Chữ nhật (37-10) 307085 Hz 309270 Hz 0.075 2.25 Thang (25-10-5) Chữ nhật (35-10) 319522 Hz 323837 Hz 0.125 2.07 Thang (25-10-10) Chữ nhật (30-10) 349033 Hz 350957 Hz 0.25 1.6725 Thang (25-10-13) Chữ nhật (27-10) 366214 Hz 366593 Hz 0.325 1.48 Thang (25-10-15) Chữ nhật (25-10) 376325 Hz 377181 Hz 0.375 1.37 Thang (25-10-20) Chữ nhật (20-10) 398026 Hz 399692 Hz 0.5 1.16 Thang (25-10-25) Chữ nhật (15-10) 411286 Hz 412188 Hz 0.625 1.04 Thang (25-10-28) Chữ nhật (12-10) 413157 Hz 414606 Hz 0.7 1 Thang (25-10-30) Chữ nhật (10-10) 414445 Hz 415075 Hz 0.75 0.979 Thang (25-10-36) Chữ nhật (4-10) 406175 Hz 405886 Hz 0.9 0.98 Nhận xét: Ta thấy kết quả lý thuyết và thức nghiệm là trùng khớp. Điều này chứng tỏ khái niệm về hằng số khối lượng là chính xác. Đồ thị so sánh lết quả lý thuyết và thực nghiệm Hình 3.28. So sánh tần số tínhtheo lý thuyết và theo mô phỏng. Thay đổi thêm kích thước đáy lớn(lần lượt từ 25 thành 15 20,30,40) ,cùng chiều cao của hình thang để kiểm tra Từ kết quả thực nghiệm, dùng phép suy ngược suy ra được hệ số khối lượng cho các trường hợp thay đổi các chỉ số của hình thang cải tiến, ta có bảng: Bảng 15. Hằng số khối lượng cho các kích thước đáy khác nhau. Tỉ lệ chiều cao hình thang/chiều cao hình chữ nhật 0.02 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 đáy 15 1.66 1.46 1.29 1.12 1.03 0.98 1 đáy 20 2.08 1.83 1.56 1.226 1.04 0.97 1 đáy 25 2.47 2.16 1.82 1.32 1.06 0.97 1 đáy 30 3.1 2.58 2.07 1.39 1.06 0.96 1 đáy 40 4.1 3.27 2.55 1.53 1.07 0.99 1 Sau khi tìm ra hằng số tỷ lệ của thanh cantilever cải tiến,ta có một nhận xét: Khác với hình thang thông thường, hằng số khối lượng của hình thang cải tiến thay đổi khi ta kích thước đáy lớn bị thay đổi. Mặc dù vậy từ việc suy ra từ kết quả mô phỏng , ta thấy rằng sự thay đổi này là có quy tắc (mà ở trên đã tìm ra công thức cho riêng trường hợp đáy lớn hình thang là 25). Đồ thị mô tả sự thay đổi của hằng số khối lượng: Hình 3.29. Hằng số khối lượng cho các kích thước đáy khác nhau. 3.2.5. Thanh cantilever tam giác Công thức lý thuyết: Nét đặc biệt của thanh cantilever hình tam giác là tần số cộng hưởng tự nhiên không phụ thuộc vào chiều rộng đế(tức là thứa số b trong công thức sau đây: [3.19] Tần số cộng hưởng tự nhiên của thanh cantilever hình tam giác được tính bằng công thức sau: [3.20] [8] Vậy với thanh cantilever tam giác cân với cạnh đáy 25m và chiều cao 50 m,áp dụng công thức trên ta tính được: . fo =389697 Hz So sánh với kết quả thực nghiệm:Khi có tải fo =390576 Hz Ta thấy 2 kết quả là trùng khớp(độ chính xác 0.25%) Hình 3.30 .Cantilever dạng F có tải. Khi không có tải: fo =391207 Hz Hình 3.31. Cantilever dạng I không tải. Vậy sự dịch chuyển tần số cộng hưởng tự nhiên: 631 Hz Trong phần tiếp theo, ta sẽ xây dựng một công thức khác để chứng minh tính đúng đắn của công thức tính tần số cộng hưởng tự nhiên của thanh cantilever hình tam giác. Ví dụ 2: Sử dụng phương pháp tính tần số dao động tự nhiên của hình hình thang đã trình bày ở trên, hãy kiểm tra lại công thức tính tần số dao động tự nhiên của thanh cantilever hình tam giác thỏa mãn công thức đã công bố : [8] Giải Ta có: [3.21] Với [3.22] Vậy: [3.24] => [3.25] Với là hằng số khối lượng. [3.26] So sánh với công thức [3.27] Ta thấy [3.26] và [3.27] bằng nhau khi =0.117 (trùng với hằng số khối lượng đã tính ở trên) Như vậy 2 công thức tính tần số dao động của thanh cantilever hình tam giác đều đúng. Nhận xét chung các mô hình Trọng lượng hiệu dụng càng nhỏ thì tần số cộng hưởng tự nhiên càng lớn. Trong các mô hình đã trình bày thì so với hình chữ nhật căn bản, hình dạng tam giác sẽ cho ta khối lượng hiệu dụng nhỏ nhất nên tần số cộng hưởng là lớn nhất dẫn đến tần số dịch chuyển là lớn nhất. Tuy nhiên thanh cantilever hình tam giác có một đặc điểm là diện tích nhỏ nên khó bắt hạt hơn các hình dạng khác. Như vậy mô hình được đề suất cuối cùng là mô hình thanh cantilever hình thang hay thanh cantilever hình thang cải tiến. Riêng đối với hình tam giác tùy vào ưu tiên mà trên thực tế người ta vẫn áp dụng mô hình này cho một số thiết bị đòi hỏi độ nhạy cao. 3.3. Đánh giá và nhận xét về mô hình, so sánh lý thuyết-mô phỏng và các kết quả đã công bố Theo kết quả đã công bố trong công trình khoa học của tác giả S.Morshed. B.C.Prorok công bố năm 2007, ta có bảng so sánh về kết quả đạt được trong khóa luận và của tác giả S.Morshed. B.C.Prorok [10] Bảng 16. So sánh với các kết quả đã công bố. Hình dạng bề mặt Kích thước các cạnh () (Hz) S.Morshed công bố Hz) Khóa luận đạt được bằng mô phỏng (Hz) đạt được với lý thuyết xây được xây dựng A l=50 w=25 194532 194579 194123 B l=50 w=25 w=30 =20 179588 179631 N/A C l=50 w=25 w=20 =20 213575 213626 N/A E l=50 w=25 w=15 =20 126070 126122 N/A F l=50 w=25 390387 390576 389697 H l=50 w=25 w=10 251691 251738 252089 I l=50 w=25 w=10 =20 262729 262794 262633 Bảng 17. So sánh với các kết quả đã công bố. Hình dạng bề mặt Kích thước các cạnh () (Hz) S.Morshed công bố Hz) Khóa luận đạt được bằng mô phỏng (Hz) đạt được với lý thuyết xây được xây dựng A l=50 w=25 49 48 66 B l=50 w=25 w=30 =20 41 39 N/A C l=50 w=25 w=20 =20 69 60 N/A E l=50 w=25 w=15 =20 31 28 N/A F l=50 w=25 506 631 533 H l=50 w=25 w=10 123 127 144 I l=50 w=25 w=10 =20 162 146 142 Nhận xét: Qua 2 bảng so sánh trên, ta thấy kết quả gần như là trùng khớp giữa kết quả đã công bố với kết quả đạt được từ mô phỏng cũng như hệ thống công thức đã xây dựng, cả về tần số dao động tự nhiên của các thanh cantilever có các dạng bề mặt hình học khác nhau cũng như sự dịch chuyển tần số của chúng khi có thêm tải. Qua đó ta cũng thấy rằng trọng lượng hiệu dụng càng nhỏ thì tần số cộng hưởng tự nhiên càng lớn. Trong các mô hình đã trình bày thì so với hình chữ nhật căn bản, hình dạng tam giác sẽ cho ta khối lượng hiệu dụng nhỏ nhất nên tần số cộng hưởng là lớn nhất dẫn đến tần số dịch chuyển là lớn nhất. Từ kết quả đã liệt kê ở 2 bảng trên ta cũng thấy rằng mặc dù được cải thiện nhưng dường như là không đáng kể. Như vậy ta có thể sử dụng cả thanh cantilever hình thang cũng như thanh cantilever hình thang cải tiến. Riêng đối với hình tam giác tùy vào ưu tiên mà trên thực tế người ta vẫn áp dụng mô hình này cho một số thiết bị đòi hỏi độ nhạy cao. Chương 4 Quy trình chế tạo 4.1 Phòng sạch,các tiêu chuẩn phòng sạch [17] 4.1.1 Định nghĩa Là một phòng mà nồng độ của hạt lơ lửng trong không khí bị khống chế và nó được xây dựng và sử dụng trong một kết cấu sao cho sự có mặt, sự sản sinh và duy trì các hạt trong phòng được giảm đến tối thiểu và các yếu tố khác trong phòng như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đều có thể khống chế và điều khiển. Nói một cách đơn giản, phòng sạch là một phòng kín mà trong đó, lượng bụi trong không khí, được hạn chế ở mức thấp nhất nhằm tránh gây bẩn cho các quá trình nghiên cứu, chế tạo và sản xuất. Đồng thời, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí cũng được khống chế và điều khiển để có lợi nhất cho các quá trình trên. Ngoài ra, phòng còn được đảm bảo vô trùng, không có các khí độc hại đúng theo nghĩa "sạch" của nó. 4.1.2 Lịch sử của phòng sạch, sự cần thiết của phòng sạch Phòng sạch được sử dụng lần đầu tiên là trong lĩnh vực y tế. Mở đầu là các công trình nghiên cứu của Pasteur, Koch, Lister và các nhà sinh học tiên phong khác đã chỉ ra rằng sự nhiễm khuẩn là nguyên nhân của nhiều căn bệnh, mà một trong những nguyên nhân của sự nhiễm khuẩn là sự mất vệ sinh trong môi trường. Lần đầu tiên vào những năm 1860, Joseph Lister (một giáo sư ở Đại học Tổng hợp Glasgow) đã thiết lập một hệ thống phòng khép kín nhằm hạn chế bụi bẩn, chống sự nhiễm khuẩn ở Viện xá Hoàng gia Glasgow (Royal Infirmary, là một Viện xá thành lập bởi ĐH Glasgow, ngày nay mang tên là Glasgow Western Infirmary). Đây chính là phòng sạch sơ khai đầu tiên . Và hệ thống phòng sạch sử dụng cho sản xuất được bắt đầu sử dụng vào thời gian chiến tranh thế giới thứ hai để cải tiến các súng ống, vũ khí quân sự. Cho đến lúc này, phòng sạch mới chỉ ở mức sơ khai là làm sạch bằng cách hệ thống hút bụi và hút ẩm đơn giản, khác xa so với ngày nay. Tiếp đến, phòng sạch được phát triển thêm một bước nhờ sự thúc đẩy từ các ngành nghiên cứu về hạt nhân, sinh và hóa dẫn sự ra đời của các hệ thống lọc không khí. Các phòng sạch với dung tích lớn, hệ thống lọc không khí tốt bắt đầu phát triển mạnh từ năm 1955. Công ty điện tử Western Electric Company (Winston-Salem, Mỹ) gặp phải các vấn đề trục trặc với các sản phẩm sai hỏng do sự có mặt của các hạt bụi trong không khí. Yêu cầu đặt ra cho họ là các phòng sạch không nhiễm bụi, và từ đó hệ thống phòng sạch đươc phát triển, với các hệ thống lọc, các hệ thống điều khiển, các quần áo bảo hộ nhằm chống bụi bẩn cho phòng... được phát triển như ngày nay. Và hiện nay, phòng sạch được sử dụng cho nhiều lĩnh vực: y tế, khoa học và kỹ thuật vật liệu, linh kiện điện tử, lý, hóa, sinh, cơ khí chính xác, dược... 4.1.3. Phòng sạch tiêu chuẩn Tiêu chuẩn đầu tiên của phòng sạch là hàm lượng bụi , tức là hàm lượng các hạt bụi lơ lửng trong không khí được khống chế đến mức nào (tất nhiên là bụi bám càng phải làm sạch rồi). Nếu ta so sánh một cách hình tượng, đường kính sợi tóc người vào cỡ 100 mm, hạt bụi trong phòng có thể có đường kính từ 0,5 đến 50 mm Các tiêu chuẩn về phòng sạch lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1963 ở Mỹ, và hiện nay đã trở thành các tiêu chuẩn chung cho thế giới. Đó là các tiêu chuẩn quy định lượng hạt bụi trong một đơn vị thể tích không khí. Người ta chia thành các tầm kích cỡ bụi và loại phòng được xác định bởi số hạt bụi có kích thước lớn hơn 0,5 mm trên một thể tích là 1 foot khối (ft3) không khí trong phòng. - Tiêu chuẩn Federal Standard 209 (1963) Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được quy định vào năm 1963 (có tên là 209), và sau đó liên tục được cải tiến, hoàn thiện thành các phiên bản 209 A (1966), 290 B (1973)..., cho đến 209 E (1992). Bảng 18. Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 (1963). Số hạt/ft3 Loại ³ 0,1 mm ³ 0,2 mm ³ 0,3 mm ³ 0,5 mm ³ 5,0 mm 1 35 7,5 3 1 - (*) 10 350 75 30 10 - 100 - 750 300 100 - 1000 - - - 1000 7 10000 - - - 10000 70 100000 - - - 100000 700 (*) chỉ số - là không xác định. - Tiêu chuẩn Federal Standard 209 E (1992) Tiêu chuẩn này xác định hàm lượng bụi lửng trong không khí theo đơn vị chuẩn (đơn vị thể tích không khí là m3). Sự phân loại phòng sạch được xác định theo thang loga của hàm lượng bụi có đường kính lớn hơn 0,5 mm. Dưới đây là bảng tiêu chuẩn FS 209 E.  Bảng 19. Giới hạn bụi trong tiêu chuẩn 209 E (1992). Tên loại Các giới hạn ³ 0,1 mm ³ 0,2 mm ³ 0,3 mm ³ 0,5 mm ³ 5,0 mm Đơn vị Đơn vị Đơn vị Đơn vị Đơn vị SI English m3 ft3 m3 ft3 m3 ft3 m3 ft3 m3 ft3 M1 350 9,91 757 2,14 30,9 0,875 10,0 0,283 - - M1.5 1 1240 35,0 265 7,50 106 3,00 35,3 1,00 - - M2 3500 99,1 757 21,4 309 8,75 100 2,83 - - M2.5 10 12400 350 2650 75,0 1060 30,0 353 10,0 - - M3 35000 991 7570 214 3090 87,5 1000 28,3 - - M3.5 100 - - 26500 750 10600 300 3530 100 - - M4 - - 75700 2140 30900 875 10000 283 - - M4.5 1000 - - - - - - 35300 1000 247 7,00 M5 - - - - - - 100000 2830 618 17,5 M5.5 10000 - - - - - - 353000 10000 2470 70,0 M6 - - - - - - 1000000 28300 6180 175 M6,5 100000 - - - - - - 3530000 100000 24700 700 M7 - - - - - - 10000000 283000 61800 1750 Cần chú ý rằng , mức độ nhiễm bẩn không khí trong phòng còn phụ thuộc vào các hạt bụi sinh ra trong các hoạt động trong phòng, chứ không chỉ là con số cố định của phòng. Chính vì thế, trong các tiêu chuẩn của phòng , luôn đòi hỏi các hệ thống làm sạch liên hoàn và còn quy định về quy mô phòng và số người, số hoạt động khả dĩ trong phòng sạch. Ngoài các tiêu chuẩn này, mỗi ngành còn có thể có thêm các đòi hỏi riêng cho mình, ví dụ như làm về công nghiệp vi mạch bán dẫn đòi hỏi khác với ngành y... Ta nhớ là công nghiệp bán dẫn thao tác với các phần tử vật liệu tới cỡ micron, vì thế mà yêu cầu rất khắt khe về hàm lượng bụi nhỏ, trong khi ngành y tế lại đòi hỏi cao về mức độ sạch và điều hòa không khí nhằm chống nhiễm khuẩn. 4.2 Các thiết bị phòng sạch Các  loại vải chống tĩnh điện, chỉ chống tĩnh điện       -    Găng tay chống tĩnh điện ( Anti-static Gloves).         -    Quần áo bảo hộ, sử dụng trong phòng sạch (Cleanroom Coverall).        -    Các loại giầy phòng sạch (Cleanroom Shoes)..        -    Mũ phòng sạch ( Cleanroom hold).        -   Giấy lau chùi phòng sạch ( Cleanroom Non-woen wiper).        -   Thảm dùng cho phòng sạch. ( Antistatic Mat ).        -   Các loại túi chống tĩnh điện ( Transparent static shielding bag)..        -   Thiết bị quạt ion, tạo inon ( Ionizing blower ).        -   Thiết bị đo tĩnh điện ( Static monitoring System ).        -   Các loại khay, giá đựng sản phẩm dẫn điện. 4.3 Quá trình chế tạo cantilever Hình 4.1. Quy trình chế tạo cantilever. Mô phỏng quá trình chế tạo bằng phần mềm Intellisuite Đế Si ban đầu dày 5700 Hình 4.2. Đế Si ban đầu. Lắng đọng 1 lớp dày 950 Hình 4.3. Lắng đọng lớp. . Lắng đọng thêm một lớp Si mỏng làm thanh canilever với độ dày 0.5 Hình 4.4. Lớp Si mỏng. Khắc lớp Si tạo thành hình dạng bề mặt catilever bằng phương pháp RIE (khắc ion phản ứng) Mặt nạ khắc: Hình 4.5 Mặt nạ khắc Ta sẽ có được sản phẩm có hình dạng: Hình 4.6. Hình dạng sau khắc. Đắp một lớp phía trên để bảo vệ lớp cantilever bằng Si bên trên khỏi bị ăn mòn trong quá trình khắc lớp Si bên dưới Hình 4.7. Lớp phía trên. Đắp mặt nạ vả khắc ướt phía dưới để khắc bỏ 1 phần lớp đế Si bên dưới bằng phương pháp ion sâu phản ứng (DRIE) Sử dụng mặt nạ: Hình 4.8. Mặt nạ khắc. Cuối cùng ta được sản phẩm khắc: Hình 4.9. Sản phẩm khắc. Loại bỏ lớp bảo vệ mới lắng đọng ban đầu, ta được mô hình thanh cantilever Hình 4.10. Thanh cantilever. Hình 4.11. Thanh cantilever. Lắng đọng 1 lớp Pt dày 5nm để làm nền lắng động lớp Au bắt hạt vật chất Hình 4.12. Lắng đọng 1 lớp Pt. Lắng đọng lớp vàng (Au) có độ dày 150nm phía trên lớp Pt Hình 4.13. Lắng đọng lớp vàng. Sử dụng mặt nạ thứ 3 để tạo hình phần bắt hạt vật chất trên thanh cantilever Hình 4.14. Khắc lớp vàng. Hình 4.15. Khắc lớp Pt. Mặt nạ: có kích thước 1x1 Hình 4.16. Mặt nạ khắc. Cuối cùng ta được hình dạng như mong muốn Hình 4.17. Thanh cantilever hoàn chỉnh. Hình 4.18. Thanh cantilever hoàn chỉnh. Kết quả cuối cùng và thảo luận: Khóa luận tốt nghiệp dừng lại ở mức độ khảo sát tính chất dịch chuyển tần số của các mẫu thanh cantilever khác nhau để đạt tới yêu cầu độ nhạy cao. Các kết quả trong khóa luận trùng khớp với các báo cáo khoa học đã công bố. Thêm vào đó khóa luận còn bổ sung thêm phần khảo sát lý thuyết tần số của các thanh cantilever cải tiến trong khi các bài báo công bố chỉ đơn thuần sử dụng chương trình ANSYS để cho ra kết quả mô phỏng. Ở phần thiết kế thanh cantilever, khóa luận tốt nghiệp có bổ sung bước tạo lớp màng mỏng bắt hạt vật liệu dưạ trên quy trình chế tạo thanh cantilever. Hướng phát triển của đề tài là tiếp tục thiết kế và hoàn chỉnh một thiết bị vi cảm biến sau khi đã xác định được hình dạng bề mặt thanh cantilever tối ưu được đề cập trong khóa luận. Phụ lục Code cho thanh cantilever hình thang cải tiến /PREP7 ET,1, SOLID187 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,,2.85e-15 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,1e5 MPDATA,PRXY,1,,0.24 k,1,0, 20,0 k,2,10,5,0 k,3,50,5,0 k,4,50,-5,0 k,5,10,-5,0 k,6,0,-20,0 k,7,0, 20,0.5 k,8,10,5,0.5 k,9,50, 5,0.5 k,10,50,-5,0.5 k,11,10,-5,0.5 k,12,0,-20,0.5 K,13,44.5,0.5,0.5 k,14,45.5,0.5,0.5 k,15,45.5,-0.5,0.5 k,16,44.5,-0.5,0.5 K,17,44.5,0.5,0.6 k,18,45.5,0.5,0.6 k,19,45.5,-0.5,0.6 k,20,44.5,-0.5,0.6 v,1,2,5,6,7,8,11,12 v,2,3,4,5,8,9,10,11 v,13,14,15,16,17,18,19,20 vglue,1,2 vglue,2,3 SMRT,9 CM,_Y,VOLU VSEL,,,,3 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y !* VMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ! vplot CM,_Y,VOLU SEL,,,, 4 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y !* VMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ! vplot MSHAPE,0,3D MSHKEY,1 !* MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 !* CM,_Y,VOLU VSEL,,,,1 CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y !* VMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ! /AUTO,1 ! /REP,FAST FINISH /SOL FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,5 !* /GO DA,P51X,ALL,0 FINISH /POST1 FINISH /SOL !* ANTYPE,2 !* MSAVE,0 !* MODOPT,LANB,5 EQSLV,SPAR MXPAND,5,,,1 LUMPM,0 PSTRES,0 !* MODOPT,LANB,5,0,,,OFF /solve solve FINISH /POST1 SET,LIST !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* SET,FIRST !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* ! /ANFILE,SAVE,'Mode1','avi','D:\Cantilever simulation\' SET,NEXT !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* ! /REPLOT,RESIZE ! /REPLOT,RESIZE ! /ANFILE,SAVE,'Mode2','avi','D:\Cantilever simulation\' SET,NEXT !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* ! /ANFILE,SAVE,'Mode3','avi','D:\Cantilever simulation\' SET,NEXT !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* ! /ANFILE,SAVE,'Mode4','avi','D:\Cantilever simulation\' SET,NEXT !* ! PLDI,, ANMODE,10,0.5,,0 !* ! /ANFILE,SAVE,'Mode5','avi','D:\Cantilever simulation\' ! /REPLOT,RESIZE ! LGWRITE,'Final','lgw','D:\CANTIL~1\',COMMENT Tài liệu tham khảo [1]. Thomas Braun and Murali Krishna Ghatkesar, Measuring the intrinsic nanomechanics of molecular interactions with micro- cantilever sensors. [2]. Dr. Jürgen Langer.Copper alloys for connectors, springs, leaf frames. [3]. Søren Dohn, Rasmus Sandberg, Winnie Svendsen, and Anja Boisen, Department of Micro and Nanotechnology, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby. Enhanced functionally of cantilever based mass sensors using higher modes and functionalized particles. [4]. Nardo Ramírez Frómeta.Departamento de Desarrollo, Dirección de Diagnóstico Microbiológico, Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNIC).Cantilever Biosensors. [5] Joeseph Capobianco . The development of cantilever sensors for detection of cancer antigens in biological fluids.. [6] S. Morshed & B.C. Prorok.Tailoring Beam Mechanics Towards Enhancing Detection of Hazardous Biological Species. [7] David M. Beams Department of Electrical Engineering University of Texas at Tyler .Natural Frequencies of a Cantilever Beam. [8]. Harish Bhaskaran. Nanomechnical resonators towards single spin sensitivity. [9]. Lee Jung Woo.Vibration Testing And Experimental Modal Analysis [10]. Huan Hu (Alan), Ben Murphy, and Sylvester Ogletree Robert R. McCormick School of Engineering and Applied Sciences Northwestern University. Microcantilever-based Biodetection. [11] Machenical Engineering Deparment University of Massachusetts Lowell Final project cantilever. [12] Secondary operation guide dsmep.com [13] Nguyễn Văn Hiếu, Luận án Tiến sỹ, Đại học Osaka, Nhật bản ( năm 2007). [14] Nguyễn Hữu Đức, Sách Vật liệu từ và Điện tử spin, NXB Đại học QG Hà nội (năm 2007). [15] Hồ Thanh Huy, Luận án Thạc sỹ chuyên ngành vật liệu nano và linh kiện điện tử, PTN nanô ( ĐHQG Tp.HCM) và Trường Đại học Công nghệ (ĐHQG Hà nội) ( năm 2009). [16] Nguyễn Văn Hiếu, bài giảng về Vật liệu và Mạch tổ hợp, Trường ĐH KHTN- ĐHQG Tp.HCM ( năm 2008). [17] Tài liệu từ Internet. [18] James J. Allen. Micro Electro Mechanical System Design..