(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V

(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Phạm Hồng Phúc

2 PGS.TS Vũ Công Hàm

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này

Tác giả luận án

Hoàng Trung Kiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

4.1 Ý nghĩa khoa học 3

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

6 Những đóng góp của luận án 4

7 Bố cục của luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 6

1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng 6

1.2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược 8

1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18

1.4 Thảo luận và đánh giá 23

1.5 Kết luận chương 1 25

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC 26

2.1 Lý thuyết tĩnh điện 26

2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến 26

2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến 28

2.2 Các tham số động lực học tương đương 29

2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát 29

2.2.2 Độ cứng tương đương 31

2.2.3 Khối lượng quy đổi 34

2.2.4 Cản quy đổi của không khí 35

2.3 Xác định đáp ứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược 40

2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông 41

2.3.2 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung hình sin 42

2.3.3 Ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị 43

2.4 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng lược hình thang cân đến lực dẫn và chuyển vị và điều kiện ổn định 48

2.4.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến lực tĩnh điện 48

2.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến chuyển vị của vi chấp hành 53

2.4.3 Kết quả đo đạc thực nghiệm 54

2.4.4 Điều kiện ổn định của vi chấp hành răng lược hình thang cân 56

2.5 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 60

2.6 Kết luận chương 2 61

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 63

3.1 Mô hình truyền nhiệt và phương trình vi phân chuyển động 63

3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc 63

3.1.2 Mô hình truyền nhiệt dạng giải tích 64

3.1.3 Mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn 67

3.1.4 Lực dãn nở nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt chữ V 71

3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động 72

3.2 Khảo sát chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V 73

3.2.1 Kiểm chứng kết quả tính toán chuyển vị tĩnh 73

3.2.2 Tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V 76

3.3 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến tần số tới hạn 80

3.4 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 82

3.5 Kết luận chương 3 84

Chương 4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN 86 4.1 Điều kiện bền nhiệt của dầm và điện áp dẫn giới hạn 86

4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm và điện áp giới hạn 90

4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ) 90

4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ” 93

4.3 Điều kiện đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V 95

4.4 Xác định kích thước tối ưu của dầm chữ V cho chuyển vị lớn nhất bằng thuật toán bầy đàn (PSO) 98

4.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến chuyển vị 98

4.4.2 Bài toán tối ưu, kết quả tối ưu bằng thuật toán PSO 100

4.5 Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 111

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 119

Phụ lục 1 Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa trên công nghệ vi cơ khối MEMS 119 Phụ lục 2 Hệ thống thiết bị đo 125

Phụ lục 3 Chương trình thuật toán tối ưu bầy đàn 126

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1 Danh mục các từ viết tắt

STT Từ viết

tắt

1 DRIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa

sâu

2 ECA Electrostatic Comb-drive

Actuator

Bộ chấp hành răng lược tĩnh điện

3 EVA Electrothermal V-shape

Actuator

Bộ chấp hành điện nhiệt dạng chữ V

4 GA Gen Algorithm Thuật toán di truyền

5 MEMS Micro-electro-mechanical

System Hệ thống vi cơ điện tử

6 PSO Particle Swarming

Optimation Thuật toán tối ưu bầy đàn

7 RECA Rectangular Electrostatic

Comb Actuator

Bộ chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật

8 SEM Scanning Electron

Microscope Kính hiển vi điện tử quét

9 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình

10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép

11 TECA Trapezoidal Electrostatic

Comb Actuator

Bộ chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân

2 Danh mục ký hiệu

1 a µm Khoảng chồng giữa hai bản tụ

6 A e µm Diện tích chồng nhau của hai bản tụ

7 A mb µm2 Diện tích mặt bên của thanh đẩy

8 A t µm2 Diện tích mặt trên của thanh đẩy

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

13 C 1 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại mặt đáy của thanh đẩy

14 C 2 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại bề mặt răng lược

15 C 3 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại mặt bên và mặt trên của thanh

20 C e pF Điện dung của tụ điện

21 C p pJ/kg.K Nhiệt dung riêng

22 C V µN.s/µm Hệ số cản không khí quy đổi về vị trí thanh đẩy của EVA

23 d µm Khoảng cách giữa bề mặt bị cản và nền

24 d 0 µm Khe hở giữa hai bản tụ

25 D a kg/µm3 Khối lượng riêng của không khí

26 d e µm Khoảng cách giữa hai điện tích điểm

27 D s kg/µm3 Khối lượng riêng của silic

28 E MPa Mô đun đàn hồi của vật liệu

29 E B pJ Nội năng của nguồn

30 E C pJ Năng lượng điện trường giữa hai bản tụ

31 F µN Lực dãn nở nhiệt của EVA

32 f Hz Tần số của điện áp dẫn

33 F 2n , F 2t µN Lần lượt là lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp

tuyến của bề mặt răng lược hình thang cân

34 F 2x , F 2y µN Lần lượt là lực tĩnh điện trên phương x, y của răng lược

39 F db µN Tổng lực cản không khí trên diện tích của dầm đơn vuông

góc với phương chuyển động Y

40 F e µN Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến

41 F e1 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung vuông

42 F e2 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung hình Sin

43 F et µN Tổng lực tĩnh điện của TECA

45 F h µN Lực tĩnh điện giữa hai chất điểm

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

46 F n µN Lực tĩnh điện pháp tuyến

47 Fo - Hệ số Fourier

48 F t µN Lực tĩnh điện tiếp tuyến

49 F y µN Tổng lực tĩnh đện trên phương y của ECA

50 g 0 µm Khe hở giữa bề mặt răng lược cố định và di động

51 g 02 , g 2 µm Lần lượt là khe hở ban đầu, khe hở khi làm việc của răng

lược hình thang cân

52 g a µm Khe hở giữa lớp cấu trúc và nền

53 Gbest - Vị trí tối ưu toàn cục

54 G - Giá trị "phạt"

55 g s - Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức

56 h µm Chiều dày dầm

57 h r - Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức

58 I kg.µm4 Mô men quán tính diện tích

59 I max - Số vòng lặp lớn nhất

60 K µN/µm Độ cứng quy đổi của hệ dầm

61 k µN/µm Độ cứng quy đổi của một dầm đơn

62 k a W/m.K Hệ số truyền nhiệt của không khí

63 k s W/m.K Hệ số truyền nhiệt của silic

64 L µm Chiều dài dầm

65 l c µm Chiều dài răng lược

66 L f µm Chiều dài khung ngang

67 L s µm Chiều dài thanh đẩy của EVA

68 M kg Khối lượng quy đổi

69 m b kg Khối lượng của một dầm đơn

70 m s kg Khối lượng của thanh đẩy

71 N răng Số răng lược di động

72 n cặp Số cặp dầm đơn

73 N b µN Phản lực dọc trục dầm

74 N d đoạn Số phân đoạn dầm

75 nvar - Số biến thiết kế

76 P - Số điểm tìm kiếm của thuật toán PSO

77 Pbest - Vị trí tối ưu cục bộ

78 P cr µN Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm

79 P t µN Lực tác dụng lên đầu dầm tại vị trí nối với thanh đẩy

80 Q - Hệ số phẩm chất

81 q 1 C Điện tích của vật mang điện 1

82 q 2 C Điện tích của vật mang điện 2

83 Q C C Điện tích trong một tụ điện

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

84 q cd pJ Nhiệt lượng truyền qua phân tố dầm

85 q e pJ Nhiệt lượng sinh ra trong một phân tố dầm khi có dòng

điện

86 q ls pJ Nhiệt lượng truyền từ phân tố dầm đến nền qua khe hở

không khí

87 q st pJ Nhiệt lượng tích trữ trong một phân tố dầm

88 r - Tỉ số lực của răng lược hình thang cân và hình chữ nhật

89 S - Hệ số hình dạng truyền nhiệt của dầm

90 T ºC Vec tơ phân bố nhiệt độ trên dầm chữ V

91 T 0 ºC Nhiệt độ môi trường

92 T C s Chu kỳ tới hạn

93 t C s Thời gian cấp điện tới hạn

94 T cr ºC Nhiệt độ ngưỡng an toàn

95 T max ºC Nhiệt độ lớn nhất trên dầm

96 U V Điện áp giữa hai bản tụ

97 U 0 V Giá trị trung bình của biên độ điện áp dẫn xung hình sin

98 U C V Điện áp ngưỡng theo điều kiện chập của TECA

99 U m V Điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ

100 U n V Điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt

101 w µm Chiều rộng dầm

102 W - Hệ số quán tính của thuật toán PSO

103 w 0 µm Chiều dày răng lược

104 w s µm Chiều rộng thanh đẩy của EVA

105 X 1 µN Phản lực liên kết

106 X 2 µN.µm Mô men phản lực liên kết

107 X - Vec tơ biến thiết kế

108 X L - Cận dưới của biến thiết kế

109 X U - Cận trên của biến thiết kế

110 y µm Chuyển vị tĩnh của ECA

111 y 1 µm Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung vuông

112 y 2 µm Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung hình sin

113 y t µm Chuyển vị tĩnh của TECA

114 α º Góc nghiên của bề mặt răng lược

115 γ µm2/s Hệ số khuếch tán nhiệt

116 δ µm Khoảng cách hiệu dụng

117 ΔL µm Dãn nở do nhiệt của dầm đơn

118 ε - Hệ số điện môi giữa hai bản tụ

119 ε 0 pF/µm Hằng số điện môi chân không

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

125 ρ 0 TΩ.µm Điện trở suất tại nhiệt độ môi trường

126 φ rad Góc xoay của mặt cắt dầm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1] 7

Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án 23

Bảng 2.1 Các thông số vật liệu và môi trường 43

Bảng 2.2 Các thông số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành ECA 43

Bảng 2.3 Các kích thước cơ bản của RECA và TECA 50

Bảng 3.1 Các tham số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành kiểu chữ V 73

Bảng 3.2 Các hằng số vật liệu 73

Bảng 3.3 Các tham số vật liệu thay đổi theo nhiệt độ [73] 73

Bảng 4.1 So sánh với điều kiện an toàn của các vi chấp hành 105

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược 9

Hình 1.2 Các mô hình cấu trúc dầm [9] 10

Hình 1.3 Biên dạng răng hình thang cân [14] 11

Hình 1.4 Biên dạng răng biểu diễn bằng đa thức [16] 11

Hình 1.5 Biên dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [17] 12

Hình 1.6 Răng lược dạng hỗn hợp [18] 12

Hình 1.7 Răng lược có biên dạng được tối ưu [19] 12

Hình 1.8 Các biên dạng răng lược dẫn động bộ vi chuyển mạch: 13

Hình 1.9 Kết cấu răng lược được đề xuất bởi Imboden [24] 13

Hình 1.10 Mô hình bộ vi cộng hưởng dẫn động bằng ECA [25] 14

Hình 1.11 Mô hình mất ổn định của hệ dầm gấp 16

Hình 1.12 Các cấu trúc tăng độ ổn định 16

Hình 1.13 Một số cấu trúc vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18

Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm 21

Hình 2.1 Sơ đồ xác định lực pháp tuyến giữa hai bản tụ 26

Hình 2.2 Sơ đồ xác định lực tiếp tuyến 28

Hình 2.3 Mô hình bộ vi chấp hành kiểu tĩnh diện răng lược 30

Hình 2.4 Mô hình vật lý tương đương 30

Hình 2.5 Sơ đồ xác định các đại lượng quy đổi 31

Hình 2.6 Mô hình xác định lực cản nhớt không khí 36

Hình 2.7 Quy luật điện áp dẫn dạng xung vuông 41

Hình 2.8 Điện áp dẫn dạng xung hình sin 42

Hình 2.9 Chuyển vị tĩnh của ECA tại điện áp 100V 44

Hình 2.10 Tần số cơ bản của ECA 44

Hình 2.11 Cấu trúc vi chấp hành tĩnh điện răng lược sau khi chế tạo 45

Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị tĩnh của ECA 45

Hình 2.13 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung vuông 46

Hình 2.14 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung hình sin 47

Hình 2.15 Mô hình răng lược dạng hình thang cân 48

Hình 2.16 Cấu trúc răng lược hình thang cân 49

Hình 2.17 Quan hệ lực tĩnh điện và góc nghiêng bề mặt răng 51

Hình 2.18 Các kích thước của răng lược hình thang cân 51

Hình 2.19 Đồ thị quan hệ giữa tỷ số lực và dịch chuyển Δy 52

Hình 2.20 Đồ thị quan hệ chuyển vị và góc nghiêng bề mặt răng 53

Hình 2.21 Ảnh SEM khi đo đạc 54

Hình 2.22 Chuyển vị tính toán và đo đạc của RECA và TECA theo điện áp 55

Hình 2.23 Hiện tượng hỏng của TECA khi đo đạc tại điện áp trên 50V 56

Hình 2.24 Quan hệ giữa lực tĩnh điện F et và lực đàn hồi F el theo chuyển vị y t 57

Hình 2.25 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng 59

Hình 2.26 Ảnh hưởng của chiều dài và chiều rộng dầm đến hệ số phẩm chất 60

Hình 2.27 Quan hệ giữa chuyển vị tĩnh và hệ số phẩm chất 61

Hình 3.1 Cấu trúc bộ chấp hành điện nhiệt chữ V 63

Hình 3.2 Dầm mảnh tương đương (a) và phân tố dầm (b) 64

Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt trong đoạn dầm thứ i 68

Hình 3.4 Sơ đồ tính hợp lực của một cặp dầm chữ V 71

Hình 3.5 Kết quả nhiệt độ và chuyển vị mô phỏng tại điện áp 20V 74

Hình 3.6 Ảnh chụp chuyển vị bộ vi chấp hành chữ V tại các điện áp 10V, 20V, 30V 75

Hình 3.7 So sánh chuyển vị tính toán, mô phỏng và đo đạc 75

Hình 3.8 Quy luật điện áp dẫn 77

Hình 3.9 Chuyển vị của vi chấp hành trong miền thời gian tại các tần số khác nhau 77

Hình 3.10 Quan hệ giữa độ giảm chuyển vị tương đối và tần số dẫn 78

Hình 3.11 Quan hệ giữa tần số tới hạn và điện áp dẫn 80

Hình 3.12 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều dài dầm 81

Hình 3.13 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều rộng dầm 81

Hình 3.14 Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và tỉ số kích thước dầm 82

Hình 3.15 Đồ thị quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và góc nghiêng dầm θ 83

Hình 3.16 Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất và hệ số phẩm chất Q 84

Hình 4.1 Quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và điện áp dẫn 87

Hình 4.2 Hiện tượng hỏng dầm của vi chấp hành 87

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa điện áp U n và chiều rộng dầm w 88

Hình 4.4 Mối quan hệ giữa điện áp U n và chiều dài dầm L 88

Hình 4.5 Điện áp U n thay đổi theo tỉ lệ L/w và w 89

Hình 4.6 Mô hình chịu tải và xác định điều kiện ổn định dầm 90

Hình 4.7 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến độ cứng của hệ dầm 91

Hình 4.8 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành 92

Hình 4.9 Quan hệ giữa độ cứng nhỏ nhất K min và điện áp dẫn 92

Hình 4.10 Quan hệ giữa điện áp U m và chiều dài dầm L 93

Hình 4.11 So sánh sự thay đổi của N b với P cr theo chiều dài dầm L 94

Hình 4.12 Quan hệ giữa điện áp U m và chiều rộng dầm 94

Hình 4.13 So sánh sự thay đổi của N b với P cr theo chiều rộng dầm w 95

Hình 4.14 Sự thay đổi của điện áp U m theo tỉ lệ L/w và w 95

Hình 4.15 So sánh các điện áp U m và U n theo tỉ số L/w 96

Hình 4.16 Vùng kích thước đảm bảo an toàn cho bộ chấp hành chữ V 97

Hình 4.17 Ảnh hưởng của chiều dài dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V 98

Hình 4.18 Ảnh hưởng của chiều rộng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V 99 Hình 4.19 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến chuyển vị 99

Hình 4.20 Sơ đồ thuật toán PSO 102

đó hiện tượng mất nhiệt qua thanh đẩy đã được các tả giả kể đến Mô hình đã được

sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các tham số kích thước đến đáp ứng nhiệt của vi chấp hành Tuy nhiên dạng mô hình này chỉ phù hợp khi các tính chất vật liệu như hệ

số truyền nhiệt, điện trở suất, nhiệt dung riêng là hằng số hoặc thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ Vì vậy, phương pháp giải tích trực tiếp chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp như: khoảng nhiệt độ tính toán thay đổi nhỏ khi đó coi các hệ số nhiệt của vật liệu là hằng số, dự đoán và đánh giá một cách gần đúng quy luật ảnh hưởng của các kích thước và hệ số nhiệt của vật liệu đến quy luật phân bố nhiệt độ và thời gian đáp ứng nhiệt

Để có thể xác định quy luật phân bố nhiệt độ trên dầm chính xác hơn, phương pháp sai phân hữu hạn đã được sử dụng trong một số công bố liên quan đến vi chấp hành dạng chữ V trong các công bố [54] và [55] Đây là phương pháp tính toán rời rạc nhưng lại rất hiệu quả đối với mô hình truyền nhiệt một chiều cho hệ dầm chữ V Phương pháp này khắc phục các tồn tại của phương pháp giải tích trực tiếp như: giảm

độ phức tạp của các phép tính, có thể kể đến sự thay đổi của tính chất vật liệu theo nhiệt độ, phù hợp với tính toán số và cho độ chính xác khá cao đối với bài toán truyền nhiệt một chiều trong dầm mảnh như hệ dầm chữ V Phương pháp sai phân hữu hạn cũng có thể mô tả hai trạng thái truyền nhiệt trong một dầm mảnh là trạng thái ổn định và không ổn định Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào việc phân chia số phần tử, nếu số phần tử nhỏ có thể giảm số phương trình và thời gian tính toán nhưng lại cho kết quả có độ chính xác thấp, nhưng nếu số phần tử quá lớn lại tăng số phương trình và thời gian tính toán

Đây là hai phương pháp chính được dùng để xây dựng mô hình truyền nhiệt cho

vi chấp hành điện nhiệt chữ V Bên cạnh đó còn một số phương pháp khác cũng được

sử dụng như: phương pháp điểm nút [56], phương pháp mạch điện tương đương [57] Hai phương pháp này đều xuất phát từ phương pháp giải tích trực tiếp và mang ưu điểm và nhược điểm của phương pháp giải tích

Qua việc phân tích và đánh giá các phương pháp toán học được sử dụng để mô tả quá trình truyền nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V, phương pháp sai phân hữu hạn có ưu điểm nổi trội ở chỗ: phù hợp với tính toán số, có thể kể đến sự thay đổi phi tuyến của các tính chất vật liệu theo nhiệt độ, có độ chính xác khá cao Do đó, phương pháp sai phân hữu hạn được lựa chọn để xác định phân bố nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian trên dầm chữ V, lực dãn nở nhiệt và chuyển vị của thanh đẩy trong chương 3 và chương 4 của luận án

Vấn đề an toàn nhiệt và mất ổn định dọc dầm

Để vi chấp hành điện nhiệt chữ V cho lực dẫn và chuyển vị lớn cần tăng điện áp dẫn, điều này dẫn đến nhiệt độ trên dầm sẽ tăng theo Đối với các vật liệu dùng để chế tạo vi chấp hành thường tồn tại một giới hạn nhiệt độ nhất định, nếu vượt qua nhiệt độ ngưỡng thì độ bền của vật liệu giảm hoặc bị nóng chảy Do đó, điều kiện an

toàn nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng nhằm tránh làm hỏng thiết bị trong quá trình vận hành và tăng tuổi thọ phục vụ của thiết bị Trong tài liệu [58] các tác giả đã xây dựng quan hệ phi tuyến biến dạng-chuyển vị và công thức tính ứng suất lớn nhất trên dầm,

từ đó xác định nhiệt độ và điện áp giới hạn để tránh hiện tượng phát sinh biến dạng dẻo Trong công bố [47] tác giả cũng đã đưa ra giới hạn nhiệt độ để tính toán trong thiết kế vi mô tơ tịnh tiến dẫn động vi chấp hành điện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng quá nhiệt Vấn đề an toàn nhiệt cho tay gắp khi thao tác với các mẫu vật đã được xác định trong công bố [59], để giảm nhiệt độ cho tay gắp tác giả đã đề xuất giải pháp tích hợp các cánh tản nhiệt trên thanh đẩy

Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm

Vấn đề mất ổn định dọc trục dầm (Hình 1.14) sẽ làm giảm khả năng dẫn động và giảm chuyển vị trong quá trình làm việc của vi chấp hành điện nhiệt kiểu chữ V Trong quá trình thiết kế và đo đạc thực nghiệm vi mô tơ quay dẫn động bằng vi chấp hành V-shaped [60], vấn đề mất ổn định dầm đã được đưa ra để đánh giá khả năng làm việc của thiết bị Khi thiết kế và đo đạc hệ định vị micro sử dụng vi chấp hành chữ V [61], vấn đề ổn định đã được đề cập khi đánh giá chất lượng chuyển vị của hệ thống Trong thiết kế thiết bị kiểm thử vật liệu nano [62], ổn định dọc dầm là một trong những tiêu chuẩn được dùng trong quá trình tính thiết kế nhằm tăng khả năng gia tải cho mẫu vật Tuy nhiên, các công bố này chủ yếu tập trung vào hiện tượng mất

ổn định theo phương vuông góc với mặt phẳng cấu trúc (out-of-plane) cho loại vi

chấp hành chế tạo bằng phương pháp phủ bề mặt có chiều dày nhỏ hơn chiều rộng dầm Thêm vào đó, mối quan hệ giữa các điện áp giới hạn theo điều kiện mất ổn định

cơ và an toàn nhiệt chưa có công bố nào đề cập đến một cách rõ ràng

Từ việc tổng hợp và đánh giá như trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu trên các vấn đề như: Xây dựng mối quan hệ giữa điện áp giới hạn với kích thước dầm theo điều kiện an toàn nhiệt và theo điều kiện mất ổn định dọc dầm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng cấu trúc) đối với vi chấp hành chữ V được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS; Xây dựng quan hệ giữa các kích thước dầm theo điều kiện an toàn cho vi chấp hành khi làm việc trong điều kiện tải lớn hoặc quá tải (điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ nhỏ hơn điện áp giới hạn theo điều kiện an toàn nhiệt)

Cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm

Vấn đề tối ưu kích thước dầm cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một ý tưởng nghiên cứu đã được nhiều tác giả nhắc đến trong các công bố của mình Mục đích của tối ưu chính là tìm một hoặc một số bộ kích thước nhằm thỏa mãn một hoặc một số mục tiêu như chuyển vị lớn nhất, lực dẫn lớn nhất, kích thước nhỏ nhất Trong đó mục tiêu cải thiện chuyển vị có ý nghĩa rất lớn đối với việc giảm điện áp dẫn cũng như giảm công suất tiêu thụ của vi chấp hành

Chính vì vậy, vấn đề cải thiện chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một trong những chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS Để tăng chuyển vị của “cánh tay” trong thiết bị an toàn nhiệt (safety-and-arming device), các cánh tay đòn đã được sử dụng nhằm khuếch đại chuyển vị của các

vi chấp hành [46] Một loại vi chấp hành kết hợp từ hệ gồm bốn cặp dầm chữ V và một

bộ dầm chữ U với mục đích tăng chuyển vị và giảm công suất đã được đề xuất trong công bố [63] Ý tưởng sử dụng vật liệu SU-8 để chế tạo vi chấp hành điện nhiệt chữ V dẫn động vi tay gắp nhằm giảm điện áp và cho chuyển vị lớn đã được giới thiệu trong các tài liệu [64], [65] Hoặc có thể áp dụng một phương pháp chế tạo hoàn toàn mới là

in 3D để có thể tạo ra các vi chấp hành từ vật liệu là kim loại có điện trở suất thấp và dãn nở nhiệt lớn như trong công bố [66] Nhược điểm của đề xuất thêm cánh tay đòn

và kết hợp với dầm chữ U sẽ làm tăng kích thước chung của hệ thống, còn việc sử dụng vật liệu mới đi cùng với cải tiến quy trình hoặc áp dụng quy trình mới sẽ làm tăng giá thành sản phầm do giá thành vật liệu và độ phức tạp của kỹ thuật chế tạo

Chính vì những lý do như trên, một phương pháp tiếp cận khả dĩ hơn là sử dụng các thuật toán để xác định bộ kích thước tối ưu Phương pháp này đã được áp dụng vào một số nghiên cứu trong thời gian gần đây Với mục đích tăng độ bền cho vi chấp hành tại chuyển vị lớn thông qua giảm ứng suất tập trung, một bộ vi chấp hành chữ

V đã được tối ưu kích thước bằng thuật toán gien di truyền (GA - Genetic Algorithm) được trình bày trong công bố [67] Thuật toán bầy đàn (PSO - Particle Swarming Optimation) cũng đã được áp dụng để tối ưu kích thước dầm theo mục tiêu giảm thiểu

sự phát tán nhiệt ra bên ngoài như trong công bố [68] Tuy nhiên, các công bố này chỉ sử dụng các mô hình truyền nhiệt tương đối đơn giản, chưa kể đến tính phi tuyến của vật liệu cũng như chưa có các ràng buộc theo điều kiện bền nhiệt và ổn định cơ Điều này sẽ giới hạn khả năng ứng dụng của các vi chấp hành đã được tối ưu trong những thiết bị có yêu cầu cao về điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ

Để có thể khắc phục các tồn tại của các giải pháp nâng cao chuyển vị trong những công bố đã kể trên, luận án sẽ sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn xác định bộ kích thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị lớn nhất đồng thời vừa thỏa mãn điều kiện an toàn làm việc chung của vi chấp hành điện nhiệt chữ V Thuật toán này có một số ưu điểm là tương đối đơn giản, ít tham số, hội tụ nhanh và phù hợp với mô hình toán và yêu cầu của bài toán tối ưu mà luận án đề ra

Bên cạnh đó, còn một số chủ để được quan tâm nghiên cứu hiện nay và có thể trở thành xu hướng nghiên cứu trong tương lai liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt bao gồm: độ ổn định của hệ vi cơ [69], phân tích động lực học [70], áp dụng phương pháp chế tạp mới [71]

c) Tình hình nghiên cứu trong nước

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tiến Dũng [72] là một công trình tiêu biểu liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt chữ V Trong đó, tác giả đã đề xuất thiết kế cấu trúc

và hệ điều khiển vi động cơ quay dẫn động bằng vi chấp hành chữ V Để xác định sự phân bố cũng như đáp ứng nhiệt độ trên dầm tác giả đã sử dụng mô hình giải tích, sử dụng hệ phương trình trạng thái và kết hợp mô phỏng bằng mô đun SIMSCAPE trong MATLAB Vi động cơ đã được chế tạo thành công và qua thí nghiệm đo đạc đã chứng minh vi mô tơ có thể hoạt động tốt khi đặt điện áp và tần số thích hợp

Như vậy, các nghiên cứu trong nước về vi chấp hành loại EVA còn khá hạn chế, đặc biệt là các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc cũng như cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng làm việc

1.4 Thảo luận và đánh giá

Như vậy, đã có khá nhiều công bố trên các hướng khác nhau liên quan đến hai bộ

vi chấp hành mà luận án tập trung nghiên cứu Việc tổng hợp, khái quát và so sánh các công trình đã công bố được trình bày tóm tắt như trong bảng sau:

Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án

Vấn đề

nghiên cứu Nội dụng

Công bố liên quan Ưu, nhược điểm

Vi chấp hành tĩnh điện răng lược

Cải tiến cấu

trúc dầm

của ECA

Đề xuất dầm càng cua và dầm gấp

R Legtenberg [9],

S Gupta [10]

Giảm độ cứng để tăng chuyển vị và giảm điện áp Tuy nhiên, giảm lực hồi phục, độ nhạy và tính ổn định

Cải tiến biên

Biên dạng răng theo hàm lực cho trước

Jensen [15], [16],

Kotani [20]

Cho hàm lực như mong muốn, nhưng biên dạng răng phức tạp khó đạt độ chính xác khi chế tạo Biên dạng răng

nhiều đoạn khác nhau

Kalaiarasi [17], Engelen [18], Kang [21] , Gao [22]

Tăng lực dẫn và chuyển vị, nhưng lực thay đổi đột ngột tại các đoạn tiếp giáp dễ xảy ra mất ổn định Biên dạng răng

lược đặc biệt như:

nhiều bậc, răng cưa

Harouche [23], Jensen [15]

Cho chuyển vị dạng bước và tự khóa Tuy nhiên ứng dụng hạn chế, lực dạng xung dễ mất ổn định Thêm một bản tụ

song song với lớp cấu trúc

Imboden [24]

Tăng lực tĩnh điện và chuyển vị Tuy nhiên kết cấu nhiều tầng lớp, khó chế tạo

Động lực

học của

ECA

Xây dựng phương trinh vi phân dựa trên các đại lượng tương đương

W C Tang [25], Fabrim [26]

Tính toán chính xác hơn ứng xử động lực học của hệ thống có sử dụng ECA như: bộ vi cộng hưởng,

vi con quay hồi chuyển,…

Ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến độ cứng, lực tĩnh điện

Elshurafa [28],

J Han [29]

Hoàn thiện lý thuyết về ứng xử động lưc học của ECA có kể đến tính phi tuyến

Vấn đề

nghiên cứu Nội dụng

Công bố liên quan Ưu, nhược điểm

Gia tốc ngưỡng và tần số tới hạn của ECA

S Sundaram [27]

Cho phép xác định ngưỡng làm việc cho ECA

Nâng cao độ

ổn định của

ECA

Đề xuất sử dụng cảm biến và chấp hành phụ để điều khiển

Borovic [30]

Khắc phục hiện tượng mất ổn định lắc ngang nhưng làm tăng kích thước và độ phức tạp chung của hệ thống

Cải tiến hệ dầm gấp

Zhou [32], Olfatnia [33]

Tăng đáng kể độ ổn định lắc ngang của ECA

Y Zhao [46], Maloney [47], [49],

Chen [50],

Z Zhang [51], [53]

Torres [52]

Tecpoyotl-Cho phép xác định quy luật ảnh hưởng của các tham số kích thước cũng như vật liệu, dự đoán nhiệt

độ, lực và chuyển vị

Tuy nhiên chỉ phù hợp khi các hệ

số vật liệu là hằng số, tuyến tính và khoảng nhiệt độ không quá lớn

Mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn

C D Lott [54],

T Shan [55]

Có thể kể đến sự phi tuyến của các tính chất vật liệu, cho quy luật phân bố nhiệt chính xác hơn Tuy nhiên độ chính xác phụ thuộc số phần tử và cũng như số phương trình

Mộ hình điểm nút, mạch điện tương đương

R G Li [56],

B López-Walle [57]

Giảm độ phức tạp của phương pháp giải tích trực tiếp Nhưng khó tính toán khi kể đến tính phi tuyến của vật liệu

Maloney [47], Enikov [58], Shivhare [59]

Cho phép xác định ngưỡng làm việc cho EVA nhằm tránh cháy dầm do quá nhiệt

Ổn định dọc trục dầm

J S Park [60],

S Oak [61],

Y Zhu [62]

Tránh hiện tượng mất ổn định dầm khi tải lớn, từ đó tăng khả năng tải cho vi chấp hành

Y Zhao [46], Khazaai [63]

Tăng đáng kể chuyển vị nhưng tăng độ phức tạp và kích thước hệ thống

Ứng dụng công nghệ chế tạo tiên tiến và vật liệu mới

R Voicu [64], [65]

O Fogel [66]

Tăng chuyển vị, giảm điện áp dẫn nhưng tăng giá thành do sử dụng vật liệu quý hiếm và máy móc hiện đại

Áp dụng thuật toán tối ưu

M S Suen [67],

S E [68]

Tăng đáng kể chuyển vị nhưng còn đơn giản, chưa kể đến yếu tố phi tuyến của vật liệu

Các công bố trên đã trực tiếp và gián tiếp đề cập đến vấn đề ảnh hưởng của các thông số kích thước hình học đến chất lượng làm việc của các bộ vi chấp hành tĩnh