MEMS-based ACTUATOR ตอน แมลงวันกระพรือปีก

สวัสดีครับ!
   หลังจากคราวที่แล้วได้พูดคุยไปกับเรื่องโครงงานเครื่องฟังเสียงหัวใจ วันนี้ผมก็จะมาพูดคุยเกี่ยวกับเรื่องสิ่งที่ผมเรียนและทำวิจัยอยู่บ้างแล้วกันครับ นั่นก็คือเทคโนโลยี MEMS นั่นเอง
   เชื่อว่าพูดถึงเรื่อง MEMS แล้วเชื่อว่าท่านผู้อ่านบางท่านคงมีประสบการณ์โดยตรงกับงานวิจัย/สายการผลิตด้านนี้ แต่ก็คงมีหลายท่านที่อาจจะพอคุ้นหู แต่ไม่ได้คุ้นเคยนัก เนื่องจากในประเทศเราไม่ได้เด่นอะไรทางสาขานี้มากเท่าไหร่เมื่อเทียบกับเกาหลีใต้ ไต้หวัน ญี่ปุ่น ดังนั้นผมจะขอแนะนำคร่าวๆ เกี่ยวกับเทคโนโลยี MEMS ก่อนที่จะเข้าเรื่องวันนี้แล้วกันครับ
   เทคโนโลยี MEMS หรือ Micro Electro Machanical System เป็นเทคโนโลยีที่ผสมผสานระหว่างศาสตร์ทางไฟฟ้าและเครื่องกลขนาดเล็กเข้าด้วยกัน ในระดับไมโครเมตร (เส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผมคนเราประมาณ 100 ไมโครเมตร) รึเล็กลงจนไปถึงนาโนเมตร โดยใช้เทคนิคการกัดด้วยสารเคมีและแก๊ส การสกีนลวดลายด้วยแสงยูวี การระเหยโลหะให้ฉาบเป็นฟิลม์บาง ฯลฯ เพื่อทำให้เกิดโครงสร้างรูปแบบที่มีความสามารถในการทำงานหนึ่งๆ ได้ โดยแผ่นฐานเริ่มต้นที่นิยมใช้กันก็คือซิลิกอน (Silicon) นั่นเอง
   โดยเทคโนโลยี MEMS นี้มีการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในหลายสาขา อาทิเช่น กระบวนการผลิตทรานซิสเตอร์ มอสเฟต ไดโอด แอลอีดี เหล่านี้ก็มีพื้นฐานจากเทคโนโลยี MEMS รึในส่วนของเซนเซอร์อาทิเช่น เซนเซอร์วัดความเร่ง (ในมือถือ iPhone) ก๊าซเซนเซอร์ ก็ถูกผลิตขึ้นบนสายการผลิตของ MEMS นั่นเอง
    ในส่วนของการทำวิจัยนั้น ขั้นแรกสุดที่หนีไม่พ้นก็คือการอ่าน Papers ของชาวบ้านว่าเค้าทำอะไรกัน และใช้เทคนิคใด ซึ่ง paper ที่เค้าเขียนกันและได้รับการตีพิมพ์ก็ดี ได้ไป conference ใหญ่ๆ ก็ดี มักจะได้รับการยอมรับจากคณะกรรมการ (reviewers) แล้วว่าสามารถทำซ้ำได้จริง ดังนั้นการอ่าน paper พวกนี้ทำให้เราร่นระยะเวลาไม่ต้องไปนั่งลองผิดลองถูกเอง เรียกได้ว่าศึกษาเทคนิคจากประสบการณ์ของผู้อื่น ต่อมาหลังจากอ่าน papers มาเยอะๆ แล้วเราก็จะเกิดคำถามว่า “เฮ้ย! ทำไมถึงไม่ใช้วิธีนี้แทนหล่ะ มันน่าจะดีกว่าไม่ใช่เหรอ?”
 ซึ่งหลังจากคุณเกิดคำถามคุณก็ต้องพยายามขุด papers ต่อไปเรื่อยๆ ว่ามีใครตอบคำถามคุณหรือยัง ซึ่งถ้ายังไม่มีคุณก็จะสามารถข้ามไปขั้นตอนต่อไปนั่นคือ ทำวิจัยเกี่ยวกับมันซะ ว่ามันดีจริงอย่างที่คิดรึเปล่า? และถ้าผลออกมาดีกว่าอย่างที่คาด คุณก็จะได้รับเชิญไป conference เพื่อเผยแพร่เทคนิคใหม่ที่คุณคิดขึ้นมาให้กับโลกนั่นเอง
    เอาล่ะครับ อย่าเพิ่งด่วนใจร้อนรีบตีพิมพ์ paper ในขั้นตอนการสร้างเซนเซอร์ชนิดหนึ่งโดยเทคโนโลยี MEMS ขึ้นมา ขั้นตอนแรกสุดที่ควรทำคือ ทำการคำนวณ หรือใช้โปรแกรม simulation ดูผลลัพธ์เสียก่อนว่าควรกำหนดค่าต่างๆ (parameters) เป็นอย่างไร เช่นความสูง ความกว้าง ความหนา รวมไปถึงการเลือกใช้วัสดุ โดยถ้าเป็นไปได้ก็ควรคำนึงถึงความคุ้มทางเศรษฐศาสตร์ด้วย หลังจากคำนวณเสร็จปุ๊บเราก็จะมาออกแบบสิ่งที่เรียกว่า “MASK” แปลเป็นไทยว่าหน้ากาก แต่ในทีนี้คือส่วนที่จะกำหนดลวดลายให้กับเซนเซอร์ของเรา เทียบได้กับการสกีนเสื้อคุณก็ต้องสร้างบล๊อกที่มีลวดลายก่อนที่จะเริ่มลงมือสกรีน ซึ่ง MASK ของเราในที่นี้ก็คือบล๊อกของการสกรีนเสื้อนั่นเอง เพียงแต่ว่าในขั้นตอนการผลิตนั้นจะไม่ได้ใช้หมึกพิมพ์ แต่เป็นการฉายแสง UV ลงไปยังแผ่นเวเฟอร์ที่ฉาบด้วยสารเคมีทีไวต่อแสงUV (Photoresist) แล้วล้างด้วยน้ำยากัด เราก็จะได้ลวดลายที่มีขนาดเล็กระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตร
    พูดเรื่อง MASK แล้วอาจจะมีคำถามนอกประเด็นว่า แล้วเราทำขั้นตอนเหล่านี้ที่ไหน? คำตอบคือทำในห้องทดลองที่มีการป้องกันฝุ่นละออง ที่นิยมเรียกว่าห้อง Clean room นั่นเอง ซึ่งผู้ที่จะเข้าห้องนี้ก็ต้องแต่งตัวชุดขาวปิดปากหุ้มส่วนต่างๆ ของร่างกายให้เรียบร้อยเพื่อมิให้ฝุ่น(ส่วนใหญ่คือหนังกำพร้ากับเส้นขน)จากร่างกายร่วงในห้อง แบบนี้..
                                            
   ต่อมาเราก็จะมาพูดถึงเรื่องหัวข้อของวันนี้บ้างครับ นั่นคือ Micro Actuator  ซึ่งสาเหตุที่ผมต้องทำเจ้านี้ความจริงแล้วไม่ได้เกี่ยวกะงานวิจัยที่ทำอยู่ตอนนี้ แต่เนื่องจากไปลงเรียนวิชา “Micro Machine System” (マイクロ知能機械) แล้วเค้าให้ส่งการบ้านโดยให้ออกแบบ Micro Actuator อะไรก็ได้พร้อมทั้งคำนวณหาระยะทางเคลื่อนที่มากสุด(Maximum deformation) และความถี่ reasonance ของเจ้า Actuator ที่ออกแบบมา ผมเองก็ไม่ค่อยมีไอเดียว่าจะทำอะไรเลยออกแบบเป็นรูปแมลงวัน โดยติด actuator ขนาบไว้ 2 ข้างให้กลายเป็นปีกนั่นเอง
   เกี่ยวกับ Actuator ที่ออกแบบนี้มันจะเคลื่อนที่ได้ด้วยการจ่ายศักย์ไฟฟ้า (Voltage) ให้เกิดความต่างศักย์ขึ้นระหว่าง Actuator 2 ข้าง โดยตามหลัก Electrostatic แล้วเจ้า Actuator ทั้งสองก็จะเกิดแรงดึงดูดเข้าหากันโดยยิ่งความต่างศักย์สูงเท่าไหร่ แรงก็จะยิ่งมากขึ้นเป็นกำลังสอง สำหรับท่านที่งงว่าแล้วมันจะดูดเข้าหากันได้อย่างไร ก็ขอให้นึกถึงปรินเตอร์เลเซอร์ที่ทำให้ผงหมึกมีประจุลบแล้วสร้างตัวอักษรบนกระดาษให้มีประจุบวกทำให้ผงหมึกบินเข้าไปเกาะกับกระดาษนั่นเอง (ถ้าผมอธิบายแล้วยังงงๆ ก็ลองอ่านเพิ่มเติมได้ใน wikipedia ครับ เรื่อง Electrostatics ครับ)
   ได้ไอเดียแล้วก็มาออกแบบ MASK ครับ โดยใช้โปรแกรม L-Edit ซึ่งใช้ความรู้การออกแบบ Rotary Comb Drive ที่เคยอ่านเจอมาแปะไว้เป็นปีกสองข้างของตัวแมลงวันซึ่งผลลัพท์ก็จะได้ MASK หน้าตาแบบนี้
                                                
    ส่วนสีน้ำเงินคือ Silicon ครับ ส่วนสีขาวตรงกลางเราจะกัดด้วยแก๊สเพื่อทำเป็นรูปให้ Actuator ของเรามันไม่ติดกับแผ่นด้านหลัง ทำให้สามารถขยับได้นั่นเอง ซึ่งหน้าที่ผมในการทำการบ้านนอกจากเขียนแบบก็คือคำนวณว่าเจ้าแมลงวันนี้จะกระพรือปีกได้โดยมี resonance  frequency เท่าไหร่ ซึ่งท่านที่สนใจก็เอารายงานผมไปอ่านได้เลยครับ 
Download the report: Fly Wing Actuator
..
   เวลาผ่านไป 1-2 อาทิตย์ อาจารย์ทาคาฮาตะก็ไปผลิต Actuators ที่นักเรียนแต่ละคนส่ง แล้วก็นำมาโชว์ให้นักเรียนดูครับ ซึ่งพวกเราก็ตามอ.ไปที่ห้องทดลอง แล้วบรรยากาศจะเป็นอย่างไรติดตามชมกันได้เลยครับ!
 
   Actuator หนึ่งตัวมีขนาดกว้างxยาวประมาณ 2มมx2มม หนา 50 ไมโครเมตรครับ ส่วนรูปด้านขวาเรียกว่าเครื่อง manipulator ที่จะมีเข็มเอาไว้ลงไปแตะที่ Electrode ของ Actuator และมี Piezo Driver เพื่อสร้างศักย์ไฟฟ้าแต่ไม่มีกระแสไหลครับ
  
   รูปด้านซ้ายจะเห็นว่าแผ่น Actuator ของผมมีขนาดกระจิ๋วเดียว จุดสีดำๆ ตรงกลางนั่น ส่วนด้านขวาหลังจากมองผ่านกล้องจุลทรรศน์จะเห็นแมลงวันเป็นตัวเป็นตน ส่วนปีกซ้ายนั่นคือ rotary comb drive ที่ออกแบบไว้เป็นปีกแมลงวันครับ
    เอาล่ะ ส่วนการขยับจะเป็นอย่างไรมั่ง ลองไปชมวีดีโอกันครับ!

จบแล้วครับ สำหรับการนำเสนอผลงานที่เป็นการบ้านวิชา Micro Machine System สำหรับท่านใดที่มีคำถามเพิ่มเติมรึข้อเสนอแนะอะไรก็สามารถคุยกันได้ที่นี่ รึอาจหาข้อมูลเพิ่มจาก google ได้เช่นกันครับ!

This entry was posted in My Previous Projects. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s