Navodila za izdelavo diplomske naloge2 NANOTEHNOLOGIJA Izraz nanotehnologija pomeni kreiranje koristnih funkcionalnih materialov, naprav in sistemov. Je le nekaj let star termin, ki

Sandi Vitanc

RAZVOJ NAPAJALNEGA MODULA ZA

PIEZOELEKTRIČNO PRIJEMALO

Diplomsko delo

Maribor, september 2010

Sandi Vitanc I

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa

Študent: Sandi Vitanc

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program Elektrotehnika

Smer: Avtomatika in robotika

Mentor:

Somentor:

red. prof. dr. Šafarič Riko, univ.dipl.inţ. elektrot.

izr. prof. dr. Mihalič Franc, univ.dipl.inţ. elektrot.

Lektorica: Maja Laznik

Maribor, september 2010

Sandi Vitanc II

Sandi Vitanc III

ZAHVALA

Za pomoč in koristne nasvete pri diplomskem delu se

iskreno zahvaljujem mentorju, prof.dr. Riku Šafariču.

Iskrena hvala tudi mojima najdražjima, očetu in mami,

za vso podporo in finančno pomoč pri študiju.

Hvala tudi tebi Mateja, saj si v vseh mojih vzponih in

padcih verjela vame in me spodbujala.

Zahvaljujem se tudi Gregorju Škorcu, ki mi je brez

oklevanja in s prijaznim odzivom priskočil na pomoč.

Sandi Vitanc IV

RAZVOJ NAPAJALNEGA MODULA ZA PIEZOELEKTRIČNO

PRIJEMALO

Ključne besede: MEMS, nanotehnologija, piezoelektrično prijemalo, bimorf

UDK: 621.374.4:681.51(043.2)

Povzetek

Tehnologija je vse pomembnejši dejavnik današnjega časa. Tehnološki napredki vse hitreje

stremijo k izdelovanju majhnih oziroma nano-objektov.

Diplomska naloga vsebije načrtovanje, izdelavo in prikaz modula za napajanje

piezoelektričnega prijemala. Diplomsko delo zajema celoten proces izdelave modula,

vključno z vsemi fazami razvoja ter testiranjem prijemal.

Sandi Vitanc V

DEVELOPMENT OF POWER MODULE FOR PIEZOELECTRIC

GRIPPER

Key words: MEMS, nanotehnology, piezoelectric gripper, bimorph

UDK: 621.374.4:681.51(043.2)

Abstract

Nowadays, the technology is more and more important. Technology advances converge

towards manufacturing very small, or even nano objects.

The diploma thesis presents the design, production and survey of a voltage supply module

for a piezoelectric gripper. The whole production process of a module, including all phases

of its development and testing is presented.

Sandi Vitanc VI

KAZALO

1 UVOD................................................................................................................................................. 1

1.1 CILJI IN TEZE ....................................................................................................................................... 2

1.2 PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE ................................................................................................................. 2

1.3 PREDVIDENE METODE ........................................................................................................................... 2

2 NANOTEHNOLOGIJA .......................................................................................................................... 3

2.1 MEMS (MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS) ................................................................................... 4

2.2 NANOMATERIALI ................................................................................................................................. 5

2.3 SILE, KI DELUJEJO NA MIKRO IN NANO- DELEC V ELEKTRIČNEM POLJU .............................................................. 6

2.4 ELEKTRIČNA MIKRO-PRIJEMALA .............................................................................................................. 7

2.4.1 Dielektroforezno mikro-prijemalo .............................................................................................. 8

2.4.2 Piezoelektrični pojav .................................................................................................................. 9

2.4.3 Piezo mikro-prijemalo .............................................................................................................. 10

2.4.4 Bimorf (bimorph) prijemalo ..................................................................................................... 11

3 RAZVOJ IN IZDELAVA NAPAJALNEGA MODULA ZA PE PRIJEMALO ................................................... 12

3.1 RISANJE VEZJA V RAČUNALNIŠKEM PROGRAMU EAGLE 5.4.0 ...................................................................... 14

3.2 TISKANJE VEZJA NA PAUS PAPIR ............................................................................................................ 16

3.3 OSVETLJEVANJE PLOŠČICE .................................................................................................................... 16

3.4 RAZVIJANJE VEZJA .............................................................................................................................. 17

3.5 JEDKANJE ......................................................................................................................................... 18

3.6 VRTANJE PLOŠČICE ............................................................................................................................. 19

3.7 ZAŠČITA PLOŠČICE .............................................................................................................................. 19

3.8 SPAJKANJE ....................................................................................................................................... 19

3.9 KONČNI IZDELEK ................................................................................................................................ 21

3.10 IZDELAVA VEZJA, KI NAM BO SLUŽILO KOT NAPAJANJE NAPAJALNEGA MODULA ............................................... 22

4 REZULTATI ....................................................................................................................................... 24

4.1 BIMORFNO PRIJEMALO Z ENIM FIKSNIM KRAKOM ..................................................................................... 25

4.1.1 Tabeli in grafa za bimorfno prijemalo z enim fiksnim krakom................................................. 26

4.1.2 Slike izpod mikroskopa............................................................................................................. 28

4.1.3 Slike za bimorfno prijemalo z enim fiksnim krakom ................................................................ 29

4.2 BIMORFNO PRIJEMALO S OBEMA PREMIKAJOČIMA SE KRAKOMA .................................................................. 38

4.2.1 Tabeli in grafa za bimorfno prijemalo z obema premikajočima se krakoma ........................... 39

Sandi Vitanc VII

4.2.2 Slike za bimorfno prijemalo z obema premikajočima se krakoma .......................................... 41

5 SKLEP ............................................................................................................................................... 42

6 VIRI IN LITERATURA ......................................................................................................................... 43

7 PRILOGE ........................................................................................................................................... 45

Sandi Vitanc

VIII

KAZALO SLIK

SLIKA 1:MEMS TEHNOLOGIJA [14] ................................................................................................................... 4

SLIKA 2: SILE V ELEKTRIČNEM POLJU ................................................................................................................. 6

SLIKA 3: PRIMER ELEKTRIČNEGA MIKRO-PRIJEMALA [13].................................................................................. 7

SLIKA 4: DIELEKTROFOREZNA SILA [11] ............................................................................................................ 8

SLIKA 5: MEISNERJEV MODEL PIEZOELEKTRIČNEGA KRISTALA [12] .................................................................. 9

SLIKA 6: PIEZOELEKTRIČNO PRIJEMALO ........................................................................................................... 10

SLIKA 7: PRIMER BIMORFA [15] ....................................................................................................................... 11

SLIKA 8: CELOTNO VEZJE DC-DC PRETVORNIKA [16] ..................................................................................... 12

SLIKA 9: GRAF, KI PREDSTAVLJA IZHODNO NAPETOST V ODVISNOSTI OD IZHODNEGA TOKA [17] .................... 13

SLIKA 10: SHEMA ELEKTRIČNE VEZAVE ........................................................................................................... 14

SLIKA 11: VEZJE NA BOARDU ........................................................................................................................... 15

SLIKA 12: PAUS PAPIR [18] ............................................................................................................................... 16

SLIKA 13: NATRIJEV HIDROKSID [19] ............................................................................................................... 17

SLIKA 14: HCL (SOLNA KISLINA) [20] .......................................................................................... 18

SLIKA 15: H202 (VODIKOV PEROKSID) [21]...................................................................................................... 18

SLIKA 16: PRIMER SPAJKANJA [22] .................................................................................................................. 20

SLIKA 17: KONČNI IZDELEK ............................................................................................................................. 21

SLIKA 18: ELEKTROLITSKI KONDENZATOR [23] ............................................................................................... 22

SLIKA 19: PRETVORNIK, KI JE DEL KONČNEGA IZDELKA................................................................................... 23

SLIKA 20: DELOVNO MESTO V LABORATORIJU ZA KOGNITIVNE SISTEME V MEHATRONIKI ............................... 24

SLIKA 21: BIMORFNO PRIJEMALO S FIKSNIM KRAKOM ..................................................................................... 25

SLIKA 22: GRAF ZA TABELO 1 .......................................................................................................................... 26

SLIKA 23: GRAF ZA TABELO 2 .......................................................................................................................... 27

SLIKA 24: PRIKAZ MREŢE NA MIKROSKOPU ...................................................................................................... 28

SLIKA 25: PRIJEMALO PRI NAPETOSTI 0V ......................................................................................................... 29

SLIKA 26: PRIJEMALO PRI NAPETOSTI -10V ...................................................................................................... 29







SLIKA 33: PRIJEMALO PRI -50V ........................................................................................................................ 33

SLIKA 34: PRIJEMALO PRI -24V ........................................................................................................................ 33

SLIKA 35: PRIJEMALO PRI 0V ........................................................................................................................... 34

Sandi Vitanc IX

SLIKA 36: PRIJEMALO PRI 10V ......................................................................................................................... 34







SLIKA 43: PRIJEMALO Z OBEMA PREMIKAJOČIMA SE KRAKOMA ....................................................................... 38

SLIKA 44: GRAF TABELE 3................................................................................................................................ 39

SLIKA 45: GRAF TABELE 4................................................................................................................................ 40

SLIKA 46: PRIJEMALO PRI 0V ........................................................................................................................... 41


KAZALO TABEL

TABELA 1: PRIKAZUJE, KAKO SE PRIJEMALO SPREMINJA V MIKRONIH GLEDE NA SPREMEMBO NAPETOSTI ....... 26

TABELA 2: PRIKAZUJE, KAKO SE PRIJEMALO SPREMINJA V MIKRONIH GLEDE NA SPREMEMBO NAPETOSTI ....... 27

TABELA 3: SPREMINJANJE PRIJEMALA GLEDE NA NAPETOST ............................................................................ 39

TABELA 4: SPREMINJANJE PRIJEMALA GLEDE NA NAPETOST ............................................................................ 40

Sandi Vitanc 1

1 UVOD

Tema diplomske naloge posega na področje mikro robotike, natančneje na področje

izdelave napajalnega modula za krmiljenje piezo električnih (PE) prijemal. PE prijemala se

v nadaljevanju uporabljajo za manipulacijo z objekti velikostnega reda sto mikrometrov.

V Laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki (Univerza v Mariboru -FERI) zaradi

pomanjkanja ustrezne krmilne elektronike čaka na testiranje veliko različnih PE prijemal.

Razlog za pomanjkanje elektronike je predvsem visoka cena komercialno dostopnih

rešitev, zaradi česar smo se odločili za razvoj lastne elektronike, ki bi bila enostavna za

uporabo ter vedno pri roki. V diplomski nalogi bo predstavljena rešitev v obliki DC/DC

pretvornika, ki bazira na integriranem vezju MAX5025.

Rešitev je zasnovana na priporočeni shemi proizvajalca omenjenega integriranega vezja, ki

smo jo v nadaljevanju razširili in dodelali glede na naše potrebe. Razširitve so vsebovale

dodatne napetostne delilnike, zgrajene s potenciometri, ki nam zagotavljajo zvezno

nastavljivo napetost v področju od -100 do 100V.

Z razvitim vezjem bomo testirali mikro-prijemalo, gnano s PE lističem in mikro-prijemalo,

gnano z bimorfnim PE aktuatorjem.

Sandi Vitanc 2

1.1 Cilji in teze

Cilj diplomske naloge je razviti cenovno ugoden DC/DC pretvornik, s katerim bomo

omogočili nadaljevanje testiranja PE prijemal. Pretvornik bo v okviru diplomske naloge

preizkušen tudi praktično na dveh različnih PE prijemalih.

1.2 Predpostavke in omejitve

Uporabljeni IC je sposoben generirati samo pozitivno napetost, negativno napetost -100V,

ki je potrebna za premikanje prijemala v nasprotno smer, bomo dosegli z zamenjavo

polaritete napetosti na aktuatorju.

1.3 Predvidene metode

Predvideni raziskovalni del naloge se nanaša na iskanje in analizo ustreznega integriranega

vezja DC/DC pretvornika. V obzir bo vzeto integrirano vezje proizvajalca Maxim -

MAX5025, katero bo formirano v elektronsko vezje po priporočilih proizvajalca in

nadgrajeno z lastnimi izboljšavami. V eksperimentalnem delu diplomske naloge bo s testi

na dveh različnih prijemalih potrjena ustreznost zgrajenega pretvornika.

Sandi Vitanc 3

2 NANOTEHNOLOGIJA

Izraz nanotehnologija pomeni kreiranje koristnih funkcionalnih materialov, naprav in

sistemov. Je le nekaj let star termin, ki ga uporabljamo v svetu, ki se meri z milijardinko

milimetra. Nanotehnologija ima v svetu ţe zelo velik pomen, saj jo uporabljamo skoraj na

vsakem koraku, kot na primer v fiziki, kemiji in biologiji.

Glede na tehnološki razvoj v nanotehnologiji uporabljamo velikosti od 0,1 nm do 100 nm.

Nanotehnologija pomeni sintezo, manipulacijo ter kontrolo posameznih molekul ali delcev

s takšno dimenzijo. Uporabljamo jo za izdelavo in uporabo naprav ali sistemov, ki

raziskujejo obnašanja materialov na tej skali.

Cilj nanotehnologije je pomemben predvsem na ekonomičnem področju, saj ţelimo

sestavljati izdelke, pri katerih bi bil vsak atom na svojem mestu.

V gospodarstvu ji pripisujejo velik deleţ, saj se v Evropi z njo ukvarja ţe nekaj sto

podjetij, ki zaposluje več deset tisoč ustrezno usposobljenih inţenirjev. Odpira tudi nove

trţne priloţnosti ter posledično prispeva pri varovanju okolja in zdravja.

Sandi Vitanc 4

2.1 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)

V začetku 90. let so na trţišče prišli prvi MEMS-i, če smo bolj natančni, je bil leta 1984

izdelan prvi primerek MEMS tehnologije, in sicer senzor za zaznavanje plinov, ki je

uporabljal resonančni silicijev most. Najbolj so se razveselili MEMS tehnologije pri

avtomobilski industriji, saj so potrebovali cenovno ugoden ter zanesljiv pospeškometer za

proţenje zračnih blazin. Primer MEMS izdelka prikazuje (Slika 1).

V zadnjih letih je število MEMS-ov hitro naraslo, začeli so jih uporabljati na različnih

področjih, od medicine, farmacije, do elektronike in avtomobilizma. Lastnosti te

tehnologije so majhnost, velika odzivnost, velika točnost in integracija skupaj z

elektroniko. Deli MEMS naprav so velikosti od 1 μm do 100 μm.

Samokalibriranje, AD pretvorba, temperaturne kompenzacije, integrirano izvedbo

celotnega sistema in še dosti več nam omogoča MEMS tehnologija. Moţna je tudi

integracija MEMS in mikrokrmilnika, tako da je na enem čipu izdelan povsem avtonomen

mikro-mehanski sistem.

Slika 1:MEMS tehnologija [14]

Sandi Vitanc 5

2.2 Nanomateriali

Nanomateriali imajo bodisi vsaj eno od dimenzij v nanosvetu do 0,1 μ (so torej delci,

ţičke/cevke ali tanki sloji) ali pa so masivni (največkrat ciljno sestavljeni in oblikovani)

materiali v mikro- ali makro dimenzijah, sestavljeni iz praviloma nanostrukturiranih

delcev, ţičk ali slojev. [2]

V grobem nanomateriale delimo na nanodelce, nanostrukturne materiale in

nanokompozite. Nanodelce lahko uporabljamo kot polnilo za pripravo polimelnih

nanokompozitov, lahko pa tudi kot katalizatorje, v medicinske, analitske in druge namene.

K nanostrukturnim materialom prištevamo mnoţičo kemijsko ali fizikalno urejenih

materialov. Strukture le-teh so reda velikosti nekaj nanometrov.

Nanomaterili za (mikro)komponente imajo povsem nove elektromagnetne, optične in

druge funkcije in bodo revolucionarno spremenili medicino, transport in energetiko, in

sicer predvsem z vgradnjo novih funkcij v komponente in mikrosisteme.

Primer: potrošnja senzorjev za avtoindustrijo v ZDA znaša 4,5 milijard $ in raste z 10,7 %

letno. Za nano- v mikrosistemih načrtuje EuMat 150 milijonov € sredstev. [2]

Sandi Vitanc 6

2.3 Sile, ki delujejo na mikro in nano- delec v električnem polju

Pomemben vpliv pri premikanju nano in mikro- delcev nam predstavljajo tudi različne sile,

ki delujejo nanje. Prikazuje jih (Slika 2) in so:

o Fvzg: sila vzgona je nasprotno usmerjena od sile gravitacije,

o FET: elektrotermična sila,

o Ffluid: elektroozmozna sila: delci topila prehajajo iz raztopine z manjšo koncentracijo

topljenca v raztopino z višjo koncentracijo,

o FDLVO: sila medija na delec (hidrodinamika),

o Fg: sila gravitacije,

o FWalls: Van der Waalsova sila – je šibka privlačna medmolekularna sila,

o FDEP: dielektroforezna sila je gibanje delca kot posledica vpliva nehomogenega

električnega polja na inducirani efektivni dipolni moment delca in

o Fstoh: stohastična sila.

Slika 2: Sile v električnem polju

Sandi Vitanc 7

2.4 Električna mikro-prijemala

Pomembno vlogo pri nanotehnologiji imajo tudi električna mikro-prijemala (Slika 3). Le-ta

so narejena za zelo natančno rokovanje s predmeti, ki so manjši od 1 mm. V nadaljevanju

bom predstavil dve prijemali, ki sta v osnovi med seboj povezani.

Prvo prijemalo je narejeno iz mikro-strukturnega stekla, ki ga poganja piezoaktuator.

Drugo prijemalo je narejeno na isti osnovi kot prvo, le da je gnano z bimorphom.

Pomemben člen pri mikro-prijemalih pa je dielektroforezno mikro-prijemalo, saj bazira na

električni osnovi in je brez naboja, v primeru da nanj napetost ne deluje. Takoj ko ta delec

postavimo v električno polje, ga polariziramo in razporedimo naboje znotraj delca. Na

njegovo premikanje v električnem polju pa povzroči električna sila, ki deluje na dipol.

Slika 3: Primer električnega mikro-prijemala [13]

Sandi Vitanc 8

2.4.1 Dielektroforezno mikro-prijemalo

Ko na dielektrični delec ne vpliva električno polje, je delec nevtralen. Ko ga postavimo v

električno polje, na naboje znotraj njega deluje Coulombova sila, ki nam razporedi naboje

znotraj delca. Delec lahko ponazorimo kot električni dipol, ta pojav pa imenujemo

polarizacija. Da se dipol premika v električnem polju, nam povzroči električna sila, ki

deluje nanj.

S spreminjanjem frekvence signala se delcu spreminjajo dielektrične lastnosti in tako lahko

z delcem manipuliramo v električnem polju. Dielektroforezna sila deluje predvsem na

majhnih razdaljah in le v bliţini elektrod.

V laboratoriju imamo dielektroforezno prijemalo, vendar je le-to zmoţno delec samo

dvigniti in prestaviti, ni pa ga sposobno aktivno odloţiti.

Slika 4: Dielektroforezna sila [11]

Sandi Vitanc 9

2.4.2 Piezoelektrični pojav

Beseda ''piezo'' izvira iz grške besede ''piezein'', ki pomeni pritisniti. Prvi so ga odkrili

bratje Curie leta 1880, in sicer v kremenu. Do leta 1917 ga niso znali koristno uporabiti,

istega leta je namreč francoz Langevin prvič uporabil piezo pojav za zaznavanje zvoka v

vodi. Enostavnejši model piezoelektričnega pojava je izdelal Meisner leta 1927 (Slika 5).

Slika 5: Meisnerjev model piezoelektričnega kristala [12]

Sandi Vitanc 10

2.4.3 Piezo mikro-prijemalo

Da bi lahko manipulirali z objekti, ki so velikosti do 100 mikronov, smo razvili prijemalo,

ki je izdelano iz mikro-strukturnega stekla z debelino 1 mm (Slika 6). Takšno merilo

doseţemo s postopkom, ki se imenuje fotolitografija. Postopek je dokaj podoben jedkanju,

katerega natančnost je do 2 μm. Strukture, ki jih uporabljamo, so navadno 2,5

dimenzionalne. Omejitev je le pri izdelavi tankih linij ter lukenj s premerom, manjšim od

20 μm.

Slika 6: Piezoelektrično prijemalo

Vrh prijemala krmilimo z dvema piezo-aktuatorjema. Napajalna napetost je od ±100 V. Če

napetost spreminjamo od 0 do 100V, se bo prijemalo zapiralo, v primeru negativne

napetosti se bo pa prijemalo razširilo, kar pomeni, da povzroči drugačna polariteta skrček

oziroma raztezek aktuatorja.

Sandi Vitanc 11

2.4.4 Bimorf (bimorph) prijemalo

Bimorf je sestavljen iz dveh tankih PZT (Plumbum Zirconate Titanate) ploščic, ki sta

povezani med seboj (Slika 7). Upogib elementa nastane takrat, ko dve keramiki damo pod

vpliv različnih napetosti, kar pa je podobno kot pri bimetalnem traku. Uporabljamo jih kot

senzorje večjih premikov, kot na primer aktuatorji, pri katerih ţelimo dobiti premike več

kot 2 mm.

Slika 7: Primer bimorfa [15]

Sandi Vitanc 12

3 RAZVOJ IN IZDELAVA NAPAJALNEGA MODULA ZA PE

PRIJEMALO

Microelectromechanical sistem ( MEMS ) naprave pogosto zahtevajo visoke napetosti

DC (40 V do 100 V) in nizek tok (

Sandi Vitanc 13

R1/R2 upora nam predstavljata napetostni delilnik in z njima nastavljamo izhodno

napetost.

Uporabite te enačbe za izračun upor vrednosti:

Za niţje izhodne napetosti od 70 V se odstrani D4, D5, C3, C4 ter tako dobimo

enostopenjsko kaskado. Podobno lahko dodamo zadnji stopnji in tako bomo posledično

dobili napetosti, večje od 100 V. Neobvezni post filter (R3 in C5) zmanjšuje obseg

valovanja napetosti na manj kot 10 mV PP.

Kot vidimo na spodnji sliki, je izhodna napetost konstantna, če je izhodni tok manjši od 0,7

mA, takoj ko pa tok naraste čez 1mA začne izhodna napetost padati.

Slika 9: Graf, ki predstavlja izhodno napetost v odvisnosti od izhodnega toka [17]

Sandi Vitanc 14

3.1 Risanje vezja v računalniškem programu Eagle 5.4.0

Ko smo se odločili, da bomo uporabili MAX5025 za naše vezje, smo na list skicirali še

nekaj dodatkov ter to prenesli na računalnik. V srednji šoli smo se učili uporabljati

program Eagle, kjer lahko hitro in na lahek način narišemo vezje (Slika 10). Pogoj za

uporabo programa je dobro znanje angleškega jezika, saj na ţalost do sedaj še ni bila

izdelana slovenska verzija. Paziti je potrebno tudi na velikost pinov (priključnih nogic), saj

je premajhne luknje teţko spajkati na velikost povezav, da se povezave ne dotikajo tam,

kjer se ne smejo, ter da se elementi ne prekrivajo.

Slika 10: Shema električne vezave

Sandi Vitanc 15

Da lahko tiskamo vezje na paus papir, pa moramo še prenesti vezje iz prejšnje sheme

(schematic) v obliko za tiskanje (board- Slika 11). To nam omogoči program sam, mi

moramo le postaviti elemente na pravilno mesto in narediti povezave med seboj (route).

Slika 11: Vezje na boardu

Sandi Vitanc 16

3.2 Tiskanje vezja na paus papir

Ko imamo ţeleno tiskano, ga stiskamo na laserskem tiskalniku na paus papir. Ker paus

papir ni tako prozoren kot folija, moramo vedeti, da ga bomo osvetljevali malce dlje časa

kot bi vezje, ki bi bilo narisano na folijo.

Slika 12: Paus papir [18]

3.3 Osvetljevanje ploščice

Ploščica se osvetljuje z UV svetlobo. Osvetljevanje je moţno na soncu ali pa pod UV

ţarnico. Osvetljevali smo z ţarnico od javne razsvetljave. Na ploščico, prikrito s

fotolakom, poloţimo pravilno obrnjeno ţe prej stiskano vezje in ga prikrijemo s steklom,

da lahko skozi pronica UV svetloba. Osvetljevati je potrebno okoli 2 minuti (odvisno od

ţarnice). Preveč osvetljena ploščica lahko poškoduje lak in tako povezave ne bodo

optimalne.

Sandi Vitanc 17

3.4 Razvijanje vezja

Vezje je po osvetlitvi treba razviti. Vezje se razvija v raztopini NaOH (Slika 13) in vode.

Razmerje mešanja je 7 gramov na liter vode. Osvetljevano vezje potopimo v raztopino, da

celega prekrije. Pri razvijanju si lahko pomagamo s čopičem ali pa preprosto premikamo

posodo. Ko se vidi baker na ploščici, vemo, da je vezje razvito. Na koncu vezje še

temeljito speremo z vodo.

Slika 13: Natrijev hidroksid [19]

Sandi Vitanc 18

3.5 Jedkanje

Jedkanje je naslednja faza izdelave tiskanega vezja, je najnevarnejši postopek pri izdelavi

le-tega. Pri jedkanju imamo opravka z mešanico 35 % HCl (Slika 14), 5 % H202 (Slika 15)

in 60 % vode. Postopek se odvija zelo hitro in zato moramo paziti, da nimamo ploščice

predolgo v raztopini, saj bi nam lahko uničilo povezave. Vezje je končano, ko se raztopina

neha peniti. Po tem vzamemo ploščico ven in jo speremo pod vodo, da se postopek ustavi.

S kislinami moramo delati izredno previdno in uporabljati zaščitne rokavice ter očala, po

potrebi tudi masko.

Slika 14: HCl (solna kislina) [20] Slika 15: H202 (vodikov peroksid) [21]

Sandi Vitanc 19

3.6 Vrtanje ploščice

Ploščice vrtamo s svedri premera od 0,8 do 1,2 mm. Dobro je, če ploščico vpnemo, da

lahko vrtamo luknje, da imamo ostro konico svedra ter da smo natančni.

3.7 Zaščita ploščice

Ploščico je potrebno po koncu vrtanja premazati z zaščitnim lakom ali raztopino smole in

acetona, da jo zaščitimo pred oksidacijo in ostalimi vplivi. Za laţje spajkanje ploščico

premaţemo s smolno raztopino.

3.8 Spajkanje

Spajkanje je postopek, pri katerem s staljeno kovino poveţemo različne kose kovin. Torej

je to primerna tehnika za popravljanje kolesa, igrač in drugega.

http://sl.wikipedia.org/wiki/Kovina

Sandi Vitanc 20

S staljeno kovino je mogoče med seboj povezati različne kose in vrste kovin, na primer

baker in svinec ali medenino in aluminij. Pomembno je, da je tališče povezovalnega

materiala niţje od tališča materiala, ki ga ţelimo povezati. Za spajkanje potrebujemo

spajke (kovino za spajkanje) in toplotni vir (spajkalnik ali gorilnik, Slika 16). Toplotni vir

uporabimo za segrevanje materiala, ki ga ţelimo spajkati, tako da se na njem spajke

stopijo. Tretja komponenta je plastifikator, ki ga nanesemo pred spajkanjem. To sredstvo

med spajkanjem zaščiti očiščeno kovino pred umazanijo in pospešuje iztekanje spajke. [22]

Slika 16: Primer spajkanja [22]

http://sl.wikipedia.org/wiki/Bakerhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Svinechttp://sl.wikipedia.org/wiki/Medeninahttp://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminijhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Spajkanje#Spajkalnikhttp://sl.wikipedia.org/wiki/Spajkanje#Gorilnikhttp://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plastifikator&action=edit&redlink=1

Sandi Vitanc 21

3.9 Končni izdelek

Po spajkanju smo dobili končno verzijo našega vezja (Slika 17). Še nekaj lepotnih

popravkov in vezje je pripravljeno za uporabo. Kot je razvidno iz vezja, smo dali namesto

R2 upora potenciometer in tako smo krmili tok, ki pa je moral biti manjši kot 1mA, saj je v

nasprotnem primeru prišlo do uničenja MAX5025. Na izhod smo pripeljali napetosti iz

vseh štirih dekad in tako smo potem prestavljali med dekadami, katero napetost smo hoteli

še bolj natančno spreminjati. To smo dosegli z dvema potenciometroma, ki smo ju vezali

kot napetostni delilnik.

Slika 17: Končni izdelek

Sandi Vitanc 22

3.10 Izdelava vezja, ki nam bo služilo kot napajanje napajalnega modula

Ker naše integrirano vezje potrebuje na vhodu enosmerno napetost med 4 in 11 V, smo se

odločili, da bomo naredili enostavno transformatorsko vezje, ki nam bo pretvorilo iz 230 V

AC v 7 V DC. Na začetku smo dali transformator, ki nam pretvori iz 230 V v 5√2 V

izmenične napetosti. Rabili smo še pretvornik iz izmenične v enosmerno napetost. To smo

rešili z greatzovim mostičem, ki je sestavljen iz štirih diod in nam tako pretvori v

enosmerno napetost. Za glajenje napetosti smo uporabili elektrolitski kondenzator

vrednosti 1000 µF (Slika 18).

Slika 18: Elektrolitski kondenzator [23]

Sandi Vitanc 23

Rezultat vseh naštetih elementov (transformator, greatzov mostič, elektrolitski

kondenzator), povezanih med sabo, nam nudi poceni in učinkovit pretvornik iz 230 V

izmenične napetosti v 5√2 V enosmerne napetosti (Slika 19).

Slika 19: Pretvornik, ki je del končnega izdelka

Sandi Vitanc 24

4 REZULTATI

Modul za piezoelektrično prijemalo smo potem testirali na dveh bimorfnih prijemalih. Prvo

je narejeno tako, da en krak miruje in je fiksen, drugi krak pa se premika.

Drugo prijemalo je tudi bimorfno, le da se premikata oba kraka. Rezultate smo gledali pod

mikroskopom in naredili nekaj slik, na katerih se vidi, za koliko se je prijemalo raztegnilo

in skrčilo. Delovno mesto kaţe Slika 20.

Slika 20: Delovno mesto v laboratoriju za kognitivne sisteme v mehatroniki

Sandi Vitanc 25

4.1 Bimorfno prijemalo z enim fiksnim krakom

Ta prijemala je izdelal Bojan Brečko (Slika 21), ki nam jih je posodil, da jih testiramo in

vidimo, kako se v resnici odzivajo na različne napetosti. Na prijemala smo dali napetost od

0 do ±75V. Rezultate smo prikazali v tabeli in grafu.

Slika 21: Bimorfno prijemalo s fiksnim krakom

Sandi Vitanc 26

4.1.1 Tabeli in grafa za bimorfno prijemalo z enim fiksnim krakom

bimorf (en krak je fiksen)

raztezek v mikronih napetost (V) raztezek v mikronih napetost (V)

600 0 610 0

630 -10 620 -10

650 -20 640 -24

660 -30 670 -30

670 -40 680 -40

675 -50 680 -50

680 -60 680 -60

685 -70 680 -70

687 -75 680 -75

Tabela 1: Prikazuje, kako se prijemalo spreminja v mikronih glede na spremembo

napetosti

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9


raztezek v mikronih


napetost (V)


raztezek v mikronih


napetost (V)

Slika 22: Graf za tabelo 1

Sandi Vitanc 27



590 0 520 0

570 10 490 10

540 20 470 20

510 30 440 35

480 40 410 40

460 50 410 50

440 60 410 60

420 70 410 70

410 75 410 75

Tabela 2: Prikazuje, kako se prijemalo spreminja v mikronih glede na spremembo

napetosti

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9


raztezek v mikronih


napetost (V)


raztezek v mikronih


napetost (V)

Slika 23: Graf za tabelo 2

Sandi Vitanc 28

4.1.2 Slike izpod mikroskopa

Za prikaz rezultatov smo morali uporabiti mikroskop, saj meritev ni mogoče opraviti s

prostim očesom (Slika 24). Na mikroskop smo namestili mreţo, ki ima eno črtico 10

mikronov, kar je 10µm in potem s spreminjanjem napetosti zajemali slike in odčitavali

rezultate. Probleme smo imeli z nastavitvijo fokusa in višine ter pritrditve prijemala.

Slika 24: Prikaz mreţe na mikroskopu

Sandi Vitanc 29

4.1.3 Slike za bimorfno prijemalo z enim fiksnim krakom

SLIKA 25: Prijemalo pri napetosti 0V

Slika 26: Prijemalo pri napetosti -10V

Sandi Vitanc 30



Sandi Vitanc 31



Sandi Vitanc 32



Sandi Vitanc 33

Slika 33: Prijemalo pri -50V

Slika 34: Prijemalo pri -24V

Sandi Vitanc 34

Slika 35: Prijemalo pri 0V


Sandi Vitanc 35



Sandi Vitanc 36



Sandi Vitanc 37



Sandi Vitanc 38

4.2 Bimorfno prijemalo s obema premikajočima se krakoma

Prijemalo je bilo medtem ţe izpopolnjeno, da lahko premika zelo majhne delce in

verjamem, da bo v prihodnje zelo uporabno (Slika 46).

Slika 43: Prijemalo z obema premikajočima se krakoma

Sandi Vitanc 39

4.2.1 Tabeli in grafa za bimorfno prijemalo z obema premikajočima se krakoma

bimorf (oba kraka se

spreminjata)


670 0 680 0

690 -10 690 -10

705 -20 710 -20

720 -30 730 -30

730 -40 750 -40

735 -50 750 -50

740 -60 750 -60

745 -70 750 -70

750 -75 750 -75

Tabela 3: Spreminjanje prijemala glede na napetost

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9

bimorf (oba kraka se spreminjata)

raztezek v mikronih


napetost (V)


raztezek v mikronih


napetost (V)

Slika 44: Graf tabele 3

Sandi Vitanc 40

bimorf (oba kraka se

spreminjata)


680 0 670 0

670 10 660 10

665 20 650 20

660 30 640 30

655 40 640 40

650 50 640 50

648 60 640 60

645 70 640 70

640 75 640 75

Tabela 4: Spreminjanje prijemala glede na napetost

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9


raztezek v mikronih


napetost (V)


raztezek v mikronih


napetost (V)

Slika 45: Graf tabele 4

Sandi Vitanc 41

4.2.2 Slike za bimorfno prijemalo z obema premikajočima se krakoma



Sandi Vitanc 42

5 SKLEP

Na začetku diplomskega dela smo predstavili nekaj glavnih pojmov, kot so

nanotehnologija, MEMS in mikro prijemala.

Potem smo si zbrali ustrezen DC-DC pretvornik in ga sami izdelali. Risali smo v

računalniškem programu Eagle, kjer smo vezje dokončali ter stiskali na paus papir. Sledilo

je osvetljevanje, razvijanje, jedkanje, vrtanje ter spajkanje vezja. Na koncu smo še vizuelno

dodelali manjše nepravilnosti in tako je bilo vezje pripravljeno za testiranje.

Bimorfni prijemali smo testirali pri različnih napetostih ter gledali njihov odziv. Videli

smo, da imata obe prijemali manjšo histerezo, kar je lepo razvidno z grafa.

Sandi Vitanc 43

6 VIRI IN LITERATURA

[1] Kritaj Dejan: Manipulacija mikro/nano delcev z električnim in magnetnim poljem

[2] Navodnik Janez: Slovenija je ustvarjena za nanotehnologije, 2007, str. 11-22

[3] G. Škorc, J. Čas, S. Brezovnik, R. Šafarič: Development of a Nanorobotic Cell, 2009

[4] http://sl.wikipedia.org/wiki/Dielektroforeza

[5] http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/1751

[6] http://sl.wikipedia.org/wiki/Spajkanje

[7] http://www.nanosvet.com/Nanotehnologija/nanotehnologija.htm/

[8] G. Škorc, J. Čas, S. Brezovnik, R. Šafarič: Simulacija nano robotske celice s podporo

za 6D-HID. V: ZAJC, Baldomir (ur.), TROST, Andrej (ur.). Zbornik sedemnajste

mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2008, 29. september - 1.

oktober 2008, Portoroţ, Slovenija, (Zbornik ... Elektrotehniške in računalniške konference

ERK ...). Ljubljana: IEEE Region 8, Slovenska sekcija IEEE, 2008, zv. A, str. 243-246

[9] www.ro.feri-mb.si

[10]http://www.elektronik.si/phpBB2/viewtopic.php?t=7266&highlight=gretzov+mosti%E

[11] http://matthieu.lagouge.free.fr/elecstq/dep.xhtml

[12] http://mrsec.wisc.edu/Edetc/SlideShow/contents.html

[13] http://ww(Vir: http://www.microvision.com/barcode/mems_scanner.html

[14] http:///www.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=875165&show=html

[15] http://www.ece.ncsu.edu/erl/microrobotics/actuation/actuation.html



[18] http://forum.yupunk.info/viewtopic.php?f=6&t=280&start=40

http://www.nanosvet.com/Nanotehnologija/nanotehnologija.htm/http://www.elektronik.si/phpBB2/viewtopic.php?t=7266&highlight=gretzov+mosti%25Ehttp://matthieu.lagouge.free.fr/elecstq/dep.xhtmlhttp://mrsec.wisc.edu/Edetc/SlideShow/contents.htmlhttp://ww(Vir:%20http:/www.microvision.com/barcode/mems_scanner.html%0d%5b14%5d%20%20w.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=875165&show=htmlhttp://ww(Vir:%20http:/www.microvision.com/barcode/mems_scanner.html%0d%5b14%5d%20%20w.emeraldinsight.com/journals.htm?articleid=875165&show=htmlhttp://www.ece.ncsu.edu/erl/microrobotics/actuation/actuation.htmlhttp://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/1751http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/1751http://forum.yupunk.info/viewtopic.php?f=6&t=280&start=40

Sandi Vitanc 44

[19] http://www.kaskus.us/showthread.php?p=226745962

[20] http://www.vitalabo.si/vse- z//hidroklorid-kislina-1500

[21] http://www.bestteethwhiteningsolutions.com

[22] http://sl.wikipedia.org/wiki/Spajkanje

[23] http://www.mazda-si.net/lofiversion/index.php/t4180.html

http://www.kaskus.us/showthread.php?p=226745962http://www.vitalabo.si/vse-%20z/hidroklorid-kislina-1500http://www.bestteethwhiteningsolutions.com/http://sl.wikipedia.org/wiki/Spajkanjehttp://www.mazda-si.net/lofiversion/index.php/t4180.html

Sandi Vitanc 45

7 PRILOGE

Naslov študenta

Ime in priimek: Sandi Vitanc

Naslov: Grajska vas 75

Pošta: 3303 Gomilsko

E-mail študenta: [email protected]

Kratek ţivljenjepis

Rojen: 21. 9. 1988

Osnovni šoli: Gomilsko in Braslovče

Srednja šola: Šolski center Celje, smer Elektrotehnika

Fakulteta: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko; Elektrotehnika VS

smer Avtomatika in robotika

Sandi Vitanc 46

Sandi Vitanc 47

Sandi Vitanc 48

Documents

Navodila za izdelavo diplomske naloge2 NANOTEHNOLOGIJA Izraz nanotehnologija pomeni kreiranje koristnih funkcionalnih materialov, naprav in sistemov. Je le nekaj let star termin, ki