Nghiên cứu về các yếu tố chất lượng của bộ cộng hưởng MEMS

• Tác giả: Chi-Cuong Nguyen
• Người hướng dẫn: Professor Wang-Long Li
• Trường học: National Cheng Kung University
• Chuyên ngành: Materials Science and Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Yếu Tố Chất Lượng Của Bộ Cộng Hưởng MEMS
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tainan

• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• NOMENCLATURE
• 1. CHAPTER 1: Literature Studies and Research Focus
• 1.1. Squeeze Film Damping (SFD) in MEMS Resonators
• 1.2. Thermoelastic Damping (TED) in MEMS Resonators
• 1.3. Anchor Loss in MEMS Resonators
• 1.4. Other Losses in MEMS Resonators
• 1.5. Scope of Study and Research Motivation
• 2. THEORETICAL MODELS
• 2.1. The Modified Molecular Gas Lubrication (MMGL) Equation for SFD problem
• 2.2. The Navier-Stokes Equations
• 2.3. The Continuity Equations
• 2.4. The Reynolds Equation
• 2.5. The Modified Molecular Gas Lubrication (MMOL) Equation
• 2.6. The Poiseuille Flow Rate and Pressure Flow Factors
• 2.7. The Transverse Vibration Equation of Micro-beam Resonators
• 2.8. The Thermoelastic Damping of Micro-beam Resonators
• 2.9. The Anchor Loss of Micro-beam Resonators
• 2.10. Eigenvalue Problems Procedures
• 2.11. Derivations for Eigenvalue Problems
• 2.12. Quality Factors of Micro-beam Resonators Calculations
• 2.12.1. Quality Factors in the Eigenvalue Problems
• 2.12.2. Total Quality Factors of Micro-beam Calculations
• 3. EFFECTS OF GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS
• 3.1. Results and Discussion
• 3.1.1. Poiseuille Flow Rate Correctors
• 3.1.2. Quality Factor of Micro-beam Resonator in the First Three Modes
• 3.1.3. Quality Factor of Micro-beam Resonator in Modes Higher Than Three
• 4. COUPLED EFFECTS OF SURFACE ROUGHNESS AND GAS RAREFACTION ON THE QUALITY FACTORS OF MICRO-BEAM RESONATORS
• 4.1. Results and Discussion
• 4.1.1. Pressure Flow Factors
• 4.1.2. Effects of Gap Film Thickness
• 4.1.3. Quality Factors
• 4.1.4. Effects of Surface Accommodation Coefficients, ACs
• 4.1.5. Effects of Film Thickness Ratio
• 4.1.6. Effects of Peklenik Number
• 4.1.7. Effects of Modes of Micro-Beam Resonators
• 5. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK
• 5.1. Recommendations for Future Work

I. Tổng Quan Về Bộ Cộng Hưởng MEMS Ứng Dụng và Tầm Quan Trọng

Bộ cộng hưởng MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ cảm biến, bộ điều biến đến các ứng dụng cụ thể như gia tốc kế, con quay hồi chuyển vi mô, gương xoắn và microphone. Các bộ cộng hưởng này, thường được chế tạo từ các cấu trúc rung động đơn giản như micro-beams, bridges, plates và membranes, hoạt động ở tần số cao. Sự đơn giản trong cấu trúc, dễ dàng chế tạo, kích thích và đo lường cộng hưởng là những lý do chính cho sự phổ biến của chúng. Các nghiên cứu gần đây còn sử dụng chúng để phát hiện khối lượng cực nhỏ, vi khuẩn và tương tác phân tử, như đã đề cập bởi Nguyen (2017). Điều này đòi hỏi sự cải thiện lớn trong hiệu suất của bộ cộng hưởng MEMS chế tạo và hoạt động trong các hệ thống nano/micro.

1.1. Các Loại Cấu Trúc Rung Động Phổ Biến Trong MEMS

Các cấu trúc rung động đơn giản như micro-beams (dầm siêu nhỏ), bridges (cầu), plates (tấm) và membranes (màng) là những thành phần cơ bản của bộ cộng hưởng MEMS. Micro-cantilever beam (dầm công xôn siêu nhỏ) với một đầu được kẹp và đầu kia tự do hoạt động ở chế độ rung động đầu tiên. Các cầu dài với hai đầu được kẹp, và màng đĩa MEMS với khối lượng chứng minh ở trung tâm và các cạnh được kẹp, cũng là những cấu trúc rung động phổ biến. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, dễ chế tạo và dễ đo lường.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Bộ Cộng Hưởng MEMS Trong Đời Sống

Bộ cộng hưởng MEMS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong cảm biến (áp suất, nhiệt độ, khối lượng, lực), gia tốc kế và bộ truyền động siêu nhanh và chính xác. Sự khuếch đại cộng hưởng của bộ cộng hưởng MEMS được sử dụng trong các ứng dụng MEMS khác nhau như cảm biến, bộ truyền động, bộ chuyển đổi và thu năng lượng rung động. Thậm chí, chúng còn được tích hợp vào đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) với độ phân giải cao để đo lực và cảm biến môi trường. Nhờ độ nhạy cao, micro-cantilever beam được sử dụng để phát hiện khối lượng cực nhỏ, vi khuẩn và tương tác phân tử.

II. Thách Thức Giảm Hao Hụt Năng Lượng Tăng Q Factor MEMS

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển bộ cộng hưởng MEMS là giảm thiểu hao hụt năng lượng và tăng hệ số phẩm chất (Q-factor). Q-factor cao (hao hụt năng lượng thấp) là một trong những yêu cầu chính cho bộ cộng hưởng MEMS hoạt động với độ nhạy, độ phân giải và độ ổn định tổng thể cao của hệ thống cảm biến. Các yếu tố hao hụt năng lượng, bao gồm dập tắt màng mỏng (squeeze film damping - SFD), dập tắt nhiệt đàn hồi (thermoelastic damping - TED) và mất neo (anchor loss), cần được kiểm soát và giảm thiểu để cải thiện hiệu suất của bộ cộng hưởng.

2.1. Tác Động Của Squeeze Film Damping SFD Đến Q Factor MEMS

Hiện tượng dập tắt màng mỏng (SFD) là một yếu tố quan trọng làm giảm Q-factor của bộ cộng hưởng MEMS, đặc biệt là do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn và luồng khí bị mắc kẹt trong một khoảng không gian siêu mỏng trong điều kiện môi trường khí. Để cải thiện Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam, cần giảm áp suất trong khoảng không gian hẹp để giảm SFD, sau đó các hiệu ứng của sự loãng khí và độ nhám bề mặt trở nên quan trọng và cần được xem xét.

2.2. Ảnh Hưởng Của Thermoelastic Damping TED và Anchor Loss

Ngoài SFD, dập tắt nhiệt đàn hồi (TED) và mất neo (anchor loss) cũng góp phần vào hao hụt năng lượng trong bộ cộng hưởng MEMS. TED xảy ra do sự chuyển đổi năng lượng cơ học thành nhiệt năng do biến dạng đàn hồi. Mất neo là sự mất năng lượng do rung động truyền đến đế hoặc neo của bộ cộng hưởng. Việc giảm thiểu cả TED và mất neo là rất quan trọng để đạt được Q-factor cao.

2.3. Các Yếu Tố Khác Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Bộ Cộng Hưởng MEMS

Ngoài các yếu tố chính trên, các yếu tố khác như ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, điện áp và dung sai chế tạo cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng bộ cộng hưởng MEMS. Các yếu tố này cần được xem xét cẩn thận trong quá trình thiết kế và chế tạo để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy tối ưu. Việc kiểm soát môi trường hoạt động cũng rất quan trọng.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Mô Phỏng và Phân Tích Các Yếu Tố SFD MEMS

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp số dựa trên phương trình bôi trơn khí phân tử sửa đổi (MMGL) với cơ sở dữ liệu về tốc độ dòng chảy Poiseuille và các hệ số dòng chảy áp suất được áp dụng để mô hình hóa vấn đề SFD chi phối bên ngoài trên bộ cộng hưởng micro-beam với các hiệu ứng ghép của sự loãng khí và độ nhám bề mặt trong một phạm vi rộng của số Knudsen nghịch đảo và các điều kiện hệ số điều chỉnh (ACs). Phương trình MMGL, phương trình rung động ngang và các điều kiện biên tương ứng của micro-beam được giải đồng thời trong bài toán giá trị riêng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

3.1. Sử Dụng Phương Trình MMGL Để Mô Hình Hóa SFD MEMS

Phương trình MMGL (Modified Molecular Gas Lubrication) là một công cụ quan trọng để mô hình hóa SFD (Squeeze Film Damping) trong bộ cộng hưởng MEMS. Phương trình này xem xét các hiệu ứng của sự loãng khí và độ nhám bề mặt, cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của SFD trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Phân Tích FEM Để Đánh Giá Tần Số Cộng Hưởng và Q Factor

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để giải các phương trình MMGL và rung động, cho phép đánh giá tần số cộng hưởng và Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. FEM cung cấp một giải pháp số chính xác cho các bài toán phức tạp, đặc biệt khi có các hiệu ứng ghép như sự loãng khí và độ nhám bề mặt.

3.3. Đánh Giá Damping Nhiệt Đàn Hồi TED và Mất Mát Năng Lượng Neo

Trong nghiên cứu, damping nhiệt đàn hồi (TED) được xác định bằng cách giải phương trình nhiệt và phương trình rung động ngang bằng số trong các bài toán giá trị riêng bằng FEM. Mất mát năng lượng neo được đánh giá phân tích từ mô hình lý thuyết trong tài liệu cho các bộ cộng hưởng micro-beam. Damping nhiệt đàn hồi (TED) bên trong và mất mát năng lượng neo được đưa vào để tính toán tổng Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam.

IV. Ảnh Hưởng Của Sự Loãng Khí Đến Q Factor Của Bộ Cộng Hưởng MEMS

Nghiên cứu phân tích và thiết kế Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam và sự đóng góp của SFD vào Q-factor tổng thể (trọng số của SFD) trên một phạm vi rộng của các điều kiện loãng khí (số Knudsen nghịch đảo và hệ số điều chỉnh (ACs)), độ nhám bề mặt (tỷ lệ độ dày màng và số Peklenik), các chế độ của bộ cộng hưởng. Kết quả cho thấy SFD bên ngoài là yếu tố chi phối để kiểm soát Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam ở các chế độ thấp hơn, áp suất cao và các điều kiện ACs, trong khi TED bên trong và mất neo chiếm ưu thế ở các chế độ cao hơn và điều kiện áp suất thấp.

4.1. SFD Chi Phối Q Factor ở Áp Suất Cao và Chế Độ Rung Động Thấp

Ở áp suất cao và các chế độ rung động thấp, SFD là yếu tố chính chi phối Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. Trong những điều kiện này, sự hao hụt năng lượng do SFD vượt trội hơn so với các cơ chế hao hụt khác như TED và mất neo.

4.2. TED và Mất Neo Quan Trọng Hơn ở Áp Suất Thấp và Chế Độ Cao

Ở áp suất thấp và các chế độ rung động cao, TED và mất neo trở nên quan trọng hơn trong việc xác định Q-factor. Trong những điều kiện này, SFD giảm đi, và sự hao hụt năng lượng do TED và mất neo trở nên đáng kể hơn.

4.3. Trọng Số Của SFD Giảm Đáng Kể Trong Các Chế Độ Cao Hơn

Trọng số của SFD giảm đáng kể ở các chế độ cao hơn và/hoặc các vùng loãng khí cao hơn (áp suất thấp hơn và ACs). Hơn nữa, ảnh hưởng của độ nhám bề mặt bị pha loãng bởi các hiệu ứng loãng khí. Q-factor phụ thuộc đáng kể vào ảnh hưởng của độ nhám bề mặt (tỷ lệ độ dày màng và số Peklenik) trong các điều kiện loãng khí cao hơn và các chế độ cao hơn của bộ cộng hưởng. Điều này cho thấy cần phải kiểm soát cẩn thận độ nhám bề mặt để đạt được Q-factor cao trong các điều kiện cụ thể.

V. Ảnh Hưởng Kết Hợp Của Độ Nhám và Loãng Khí Tới Q Factor MEMS

Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng kết hợp của độ nhám bề mặt và sự loãng khí đến Q-factor của bộ cộng hưởng micro-beam. Kết quả cho thấy rằng ảnh hưởng của độ nhám bề mặt trở nên quan trọng hơn trong điều kiện loãng khí cao hơn và các chế độ rung động cao. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát cả sự loãng khí và độ nhám bề mặt để tối ưu hóa Q-factor.

5.1. Độ Nhám Bề Mặt Quan Trọng Hơn Trong Điều Kiện Loãng Khí Cao

Trong điều kiện loãng khí cao, ảnh hưởng của độ nhám bề mặt trở nên quan trọng hơn trong việc xác định Q-factor. Điều này là do khi áp suất giảm, khoảng cách trung bình tự do của các phân tử khí tăng lên, và các phân tử khí tương tác nhiều hơn với bề mặt không đều.

5.2. Tỷ Lệ Độ Dày Màng Ảnh Hưởng Đến Q Factor

Tỷ lệ độ dày màng (film thickness ratio) là một thông số quan trọng liên quan đến độ nhám bề mặt. Nghiên cứu cho thấy rằng Q-factor bị ảnh hưởng bởi tỷ lệ độ dày màng, đặc biệt là trong điều kiện loãng khí cao.

5.3. Số Peklenik và Ảnh Hưởng Đến Q Factor MEMS

Số Peklenik là một thông số khác mô tả độ nhám bề mặt. Nghiên cứu cho thấy rằng Q-factor bị ảnh hưởng bởi số Peklenik, đặc biệt là trong điều kiện loãng khí cao và ở các chế độ rung động khác nhau. Việc hiểu và kiểm soát số Peklenik là rất quan trọng để thiết kế các bộ cộng hưởng MEMS hiệu suất cao.

VI. Kết Luận Tối Ưu Hóa Q Factor Bộ Cộng Hưởng MEMS Hiệu Quả

Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết sâu sắc về việc giảm SFD trong một phạm vi rộng của sự loãng khí, độ nhám bề mặt và các điều kiện chế độ cộng hưởng, do đó giúp cải thiện tổng Q-factor của các bộ cộng hưởng hoạt động trong các điều kiện được kiểm soát. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế các bộ cộng hưởng MEMS với Q-factor cao hơn, dẫn đến độ nhạy, độ phân giải và độ ổn định tốt hơn trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm cảm biến, bộ truyền động và hệ thống thu năng lượng. Hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm khám phá các vật liệu mới và thiết kế cấu trúc cải tiến để giảm thêm hao hụt năng lượng và tăng Q-factor.

6.1. Hướng Dẫn Cải Thiện Q Factor Bộ Cộng Hưởng MEMS

Để cải thiện Q-factor của bộ cộng hưởng MEMS, cần phải giảm thiểu SFD, TED và mất neo. Điều này có thể đạt được bằng cách kiểm soát áp suất, nhiệt độ, độ nhám bề mặt và thiết kế cấu trúc của bộ cộng hưởng.

6.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Bộ Cộng Hưởng MEMS

Các nghiên cứu tiềm năng trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các vật liệu mới với độ hao hụt năng lượng thấp, phát triển các thiết kế cấu trúc cải tiến để giảm thiểu SFD, TED và mất neo, và phát triển các kỹ thuật chế tạo chính xác hơn để kiểm soát độ nhám bề mặt.