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 lượng và Điện nhiệt chữ v

Chúng thường được đẳng để đẫn động œ hệ thông và thiết bị nhú vĩ công hưởng, vì chuyển mạch, vị tay De đó, chất lượng và độ chính xác khi làm việc của các bộ vi chấp hành ảnh hưởng r

_ BỘ GIÁO DỤC VÁ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỚNG CUA CAC THONG SỐ CÂU TẠO

BEN CHAT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẮP HÀNH MEMS

KIÊU TĨNH ĐIỆN RẰNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

LUẬN ÁN TIỀN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội — 2021

_ BỘ GIÁO DUC VA BAO TAO ` TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN | CỨU ẢNH HƯỚNG CỦA CÁC THONG SỐ CÂU TẠO BEN CHAT LU'ONG LAM VIEC CUA BỘ VI CHAP HANH MEMS

KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯợC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIỀN SÏ KỸ THUẬT GƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Phạm Hồng Phúc

2 PGS.TS Vũ Công Hàm

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng din

của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham kháo trong luận án được

trích dẫn đây đủ Các kết quả nghiên cửu của huận án là trưng thực và chưa tùng được các tác giả khác công bó

Hà Nội ngày — tháng - năm 2021

PGS.TS Phạm Hổng Phúc PGS.TS Vũ Công Hàm Toàng Trung Kiên

Qua đây tác giá muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.15 Pham

Trảng Phúc, PGS.TS Vũ Công IIâm, những người đã định hướng, tận tỉnh hướng dẫn

chuyên môn và bỗ sưng kịp thời những kiến thức liên quan Xm chân thành cảm ơn

các giáng viên, cáo nhà khoa học bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, viện Cơ khi, trường Dại học Bach khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên

môn quý báu và cung cấp tài liên tham khão để tác giả hoàn thành luận ám này

Tac gia xin cam ơn Viện Đảo tạo Quốc lế vẻ Khoa học Vật liêu (TTTMS), v

tiên Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại hoc Bách khoa Hà Nội dã hỗ trợ vẻ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình

thực nghiệm của luận án

lên Tiên

Tac pia cling xin cam on téi Dang ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại lọc

xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình

chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thé gia dinh, bạn bẻ đã hết lòng túng hộ, chia sẽ cả về tỉnh thần và vật chất để tác giá hoàn thánh tốt nội dựng nghiên cứu này

Tác giả luận áu

Hoàng Trung Kiến

MUC LUC

3.2 Phạm vi nghién CW eessscsicssesseesstestinssieeeneet 3

A ¥ nghia khoa học vả thực tiễn của luận án 3

6 Những dong gop ctia Win ances ses sseseieesineesestesiesene a4

1.3 Vì chấp hành kiểu điện rihiệt, - - - 18

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHAT LUGNG-LAM VIEC CUA VI CHAP

HÀNH TĨNH ĐIỆN RẰNG LUQC.o.csecseessssssiseeesetesieestmeninesinsteisasseses 26

3.3.2 Độ cứng tương đương à coi ¬

3 Khối lượng quy dỗi

2.3.4 Cân quy đổi của không khí -.35

3.3 Xác định đâp ứng của vì chấp hành lĩnh điện răng lược 40

3.3.1 Trường hợp điện áp dẫu có dạng xung vuông - 41 3.3.3 Trường hợp điện áp đẫu có dạng xung hình sản - 4

2.3.3 Ánh hưởng của tân số dẫn đến chuyển vỊ - - 43 2.4 Ánh hưởng của góc nghiêng bể mặt răng lược hình thang cân đến lực dẫn và

3.4.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng bẻ mặt răng đến lực tĩnh điện 48 3.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề muặi răng đến chuyên vị của vị chấp hành

2.4.4 Điều kiên ổn định của vĩ chấp hành răng lược hình thang cân 56 2.5 Ánh hưởng của kich thước dâm đến hệ số phẩm chải Q 60

3.1 Mõ hình truyền nhiệt và phương trình ví phân chuyến động - ø

3.1.3 Mõ hình truyền nhiệt đạng sai phân hữu han - 67 3.1.4 Lục đân nở nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt chi V Hì

3.2 Khao sat chuyền vị của vị chấp hành điện nhiệt dạng chữ V

3.2.1 Kiểm chưứng két qua tinh toan chuyển vị tĩnh 73 3.2.2 Tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ 16 3.3 Anh hudug ofa kich thude dim dén tan sé toi han 80 3.4 Ánh hưởng của kích thước dâm đến hệ số phẩm chal Q 82

4.3.1 Điều kiện ên định dọc trục đầm (ồn định co) "— 0

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

4.3 Điều kiện dâm bão an toàn cho vị chấp hành chữ V .95

4.4 Xác định kích thước tối tru của đâm chữ V cho chuyển vị lớn nhất bằng thuật

4.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kích thước đảm đến chuyển vị .98 4.4.2 Bài toán tôi ưu, kết quả tối ưu bằng thuật toán PSO TÔO 4,5 Kết luận chương 4 2 nàn errrrrtrrrrrrree sec TỔ

KET LUAN VA KIÊN NGHỊ eneneieeoe .-

Phụ lục 1 Quy trình chế tạo vị chấp hành dựa trên công nghệ vỉ cơ khỏi MEMS 119

Phụ lục 3 Chương trình thuật toán tôi trì bảy đản 126

1 DRIE Deep Reactive lon Ktching Cine xghê ăn muôn on hoạt hóa

2 HCA Llectrostatic Comb-drive Hộ chấp hành răng lược tĩnh

3 BVA 1ilectrothermal V-shape 136 chip hành điện nhiệt dạng

5 Ems — Miste-electro-mechanical Hệ thống vĩ cơ diện tử

System

6 PSO Particle Swarming Thuật (oán tối ưu bẩy đếm

Optimation

7 Rica Rectangular Llectrostatie 136 chap hanh tinh dién ring

8 SEM Scanning Electron Kink hién vi dién tir quel

Microscope

10 SOI Silizor-on-Tnsulator Phiên gilie kép

quy Trapezoidal Electrostatic Bộ chấp hành tĩnh diện răng

11 THCA Comb Actuator lược hình thang cân i

2 Danh mục ký hiệu

3 4 um? Điện tích mặt cắt đầm

Khoảng chồng ban đấu của rắng lược di động và răng lược

4 An um? Diện tích mặt đáy của thanh đầy

5 Ae mm? Tiện tích bê mặt chịu cân nhớt

6 Ae um Diện tích chẳng nhau của hai bán tụ

7 Amis em? Diện tích mặt bên của thanh đây

8 A gn? Tiền tịch mặt trên của thanh đây

Hệ số cản nhớt không khi tại mặt đáy của thanh day

Hệ số cần nhớt không khi tại bề mặt

Kheäng cách giữa hai điện tích điếm

Khối lượng riêng của silie

M6 dun dan héi của vật liệu

Nội năng của nguồn Năng lượng điện trường giữa lại bản tu Lực đẫn nở nhiệt của EVA

Tân sẽ của điện áp dẫn

Lần lượt lá lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp tuyến của bề mặt răng lược hinh thang cân

Lần lượt là lực tĩnh điện trên phương +, » của răng lược

Téng lực cân nhét không khí tại mặt đáy của một đảm đơn

Tuực cân nhớt không khi

'Tổng lực cắn không khi trên diện tích của dằm đơn vuông góc với phương chuyển động F

Wink Wim.K yon

um

um

mu

răng cặp

Ý nghĩa

Trực tĩnh điện pháp tuyến

Hé s6 Fourier Luc tinh diện tiếp tuyển

Tổng lực tĩnh đện trên phương y của ECA

Khe hồ giữa bề mặt răng lược có định và dĩ động, Lần lượt là khe hở ban dẫu, khe hở khi làm việc của răng

lược hinh thang cản

Khe hở giữa lớp câu trúc và nền

Vị trí lỗi ưu toán cục

Giá trị "phạt"

Vec to ham rang bude bat dang there

Chiều day dâm Vee to ham rang bude dang thie

M6 men quén tinh dign tich

Số vòng lặp lớn nhất

Độ cũng quy dỗi của hệ dam

Dé cứng quy đôi của một dâm đơn

Hệ số truyền nhiệt của không khí

Hệ số truyền nhiệt của silie

Chiéu dai dam

Chiều đải răng lược

Chiều đài khung ngang,

Chiều dải thanh dẫy của EVA, Khôi lượng quy đổi

Khối lượng của một dâm don

Khối lượng của thanh dây

Số răng lược đi động

Số cặp dam don Phần lực đọc trục dâm

86 phan doan dam

viii

Nhiệt lượng truyền qua phân tế đảm

NHiệt lượng simh ra trong ruột phân tố

điện

Nhiệt lượng truyền từ phân tả đảm đến nẻn qua khe hở

không khi

Nhiệt lượng tích trữ trong một phân tô dâm

'Tỉ số lực của răng lược hinh thang cân và hình chữ nhật

Hệ số hình đạng truyền nhiệt cia dam

Vee ty phan bé nhiệt độ trên đầm chữ V

Nhiệt độ môi trường Chu kỷ tới hạn

Thai gian cdp dién tdi han

mm khi có dòng

Nhiệt dộ ngưỡng an toàn

Nhiệt độ lớn nhất trên dảm

Điện áp giữa hai bản hạ

Giả trị trung bình của biên dộ diện áp dẫn xung hình sua

Tiện áp ngưỡng theo điều kiện chập của TECA

lói hạn theo điều kiện ổn định cơ

lạm Theo điều kiện bên nhiệt

Mô men phần lực liên kết

Vee to bién thiét ké

Cận đưới của biển thiết kế Cân trên của biến thiết kế

Chuyên vị tĩnh của BCA

vị của HCA khi điện áp dạng xưng vuông

ghiên của bề n

TIệ số khuếch tán nhiệt

Khoảng cách hiệu dựng

Dãn nở do nhiệt của đâm đơn

Hệ số điện môi giữa hai bán tụ

Hẳng số điện môi chân không

"Tỉ số cân tương đối

Góc nghiêng đầm

TIệ số nhiệt của điện trở suất

Hệ số cân nhớt động lực học của không khi

Điện trớ suất

Điện trở suất tại nhiệt độ mỗi trường

óc xoay của mặt cắt dâm

Hệ số ảnh hưởng cục bộ lIệ số ánh hưởng toàn cục

Tân số góc

số góc của điện ap dẫn xung hinh Sin Tân số gác ự nhiên

DANH MỤC BẢNG BIẾU

Bảng 1.1 So sánh ưa, nhược diễm của các loại vi chấp hành {1}

Bang 1.2 Tang hợp các câng bồ liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án

Bảng 2.1 Các thông xố vật liệu và môi trường

Bang 2.2 Các thông số hình học và câu trúc của bộ vì chấp hành ECA

Bang 2.3 Cae kich thute eo bin cia RECA va TECA

Bang 3.1 Các tham số hình học và cầu trúc của bộ vi chấp hành kiễu chit V

Bang 3.2 Các hằng số vật liệu

láng 3.3 Các tham số v thay đồi theo nhí 3J

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

xi

DANH MỤC HỈNH VẼ Hình 1.1 Câu trúc của vị chấp hành đình diện rằng lược

Hình 1.2 Các cầu trúc đâm [9

Hình 1.3 Biên dạng rằng hình thang cân [14]

Hình 1.4 Biên dạng răng biểu diễn bằng da thức {16}

1lình 1.5 Biên dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [17,

Hinh 1.6 Biên dạng răng lược kiếu hỗn hợp [18]

Hình 1.7 Răng lược có biên đạng được tỐi tru ƒ 19

Linh 1.8 Cae bi8n dạng răng lược dẫn động bộ vĩ chuyễn mạc

Hinh 1.9 Kỗt cầu răng lược Âược dé xuat boi Imboden [24]

Hình 1.10 Cấu trúc bộ vi công bưởng dẫn động bằng ECA 125,

Hình 1.11 Mất ôn dịnh của bệ dâm gấp

Hinh 1.12 Các cấu trúc tăng độ én đặn

Hình 1.13 Một số câu trúc vỉ chấp hành kiểu điện nhiệt

Hình 1.14 Hiện tượng mất ôn dịnh dọc trạc dam

1lình 2.1 Sơ đồ xác định lực pháp tuyễn giữa hai bản tụ

Hinh 2.2 Sơ đồ xác định hục niép tuyé

Hình 2.3 Cấu trúc bộ ví chấp hành kiểu tĩnh diện rằng lược

1ũình 2.4 Mê hình vật lý tương đương

Hinh 2.5 So đồ xác định các đại lượng qin' đỗi

Tình 2.6 Mö hình xác định lực cần nhới không kh

Hình 2.7 Quụ luật diện áp dẫn dạng xung vuông,

1Tình 2.8 Diện áp dẫn dạng xung hinh sin

Hình 2.9 Chuyỗn vị lĩnh cña RCA lại dién dp 100

Hình 2.10 Tân số cơ bản của BC:

Tink 2.11 Cdu trúc vị chấp bành tĩnh điện răng lược sau khi chế tạo

Hình 2.12 Đầ thị so sánh chuyễn vị Bình của BCA

Hình 2.13 Chuyến vị trong trưởng hợp điện áp xung vuông

Hình 2.14 Chuyên vị trong trường hợp điện áp xung hình sẵn

Hình 2.15 Mô hình răng lược dang hinh thang can

Hình 2.16 Cấu trúc răng lược hình thang cân

Hình 2.17 Quan hệ lực fĩnh diện và góc nghiêng bê mặt răng

1Tình 2 1ã Các kích thước của răng lược hình thang cân

Hinh 2.19 Dé thi quan hệ giữa tì số lực và địch chuyển 4

Hinh 2.20 Dé thi quan hệ chuyên vị

Tink 2.21 Anh SEM khi do đạc

Hình 2.22 Chuyén vi tinh todn va do đạc của RE\

Hình 2.23 Hiện tượng hỏng của TECA khi do dạc tại diện áp trên SOV

Hình 2.24 Quan hệ giữa lực tĩnh điện Ha và lực đàn hồi Eại theo chuyên vị

1Rình 2.25 Dâ thị quan hệ giữa độ cứng tôi thiểu và điện áp ngưỡng

Link 2.26 Ảnh hướng của chiều dài vẻ chiều rộng dâm dẫn hệ số phẩm chất

Hình 2.27 Quan hệ giữa chuyễn vị tĩnh và hệ số phẩm chất

Hình 3.1 Cấu trúc bộ chấp hành điện nhiệt chữ I2

Hình 3.2 Dâm mảnh tương dương (a) và phân tổ dâm (bJ

Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt trong đoạn dầm this i

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

Hình 3.5 Kết quả nhiệt độ và chuyên vị mô phông tại điện áp 20I

Link 3.6 Anh chụp chuyên vị bộ vi chấp hành chữ L rại các điện áp 10V, 20V, 30

Linh 3.8 Quy luật điện áp d

Hình 3.9 Chuyến vị của vị chấp hành trong miền thời gian tại các tân số khác nhau

Hình 3.10 Quan hệ giữa dõ giãm chuyên vị tương dối và tần số dã

Linh 3.11 Quan hệ giữa tấn số tới hạn và điện áp dẫn

Hình 3.12 Quan hệ giữa lần số tới hạn và chiều dài dam

Hình 3.13 Quan hệ giữa tân số tời hạn và chiều rộng dầm

1lình 3.14 Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và tỉ số kích thước d

tình 3.15 Đồ thị quan hệ giữa hệ số phẩm chất Ợ và góc nghiêng đâm 6

ỗ phẩm chất Q

Tình 3.16 Đã thị quan hệ giữa chuyên vị lớn nhất và hệ

Hình 4.1 Quan hệ giữa nhiệt độ lờn nhất và diện áp dẫn

Hình 4.2 Hiện tượng hông đầm của vi chấp hành:

Tình 4.3 Mối quan hệ giữa điện úp Lũ và chiều rộng dâm w

Hinh 4.4 Mối guan hệ giữa diện áp Úu và chiều dài dâm L

Tình 4.5 Diện áp U, thay đốt theo H lệ LÁo và v

Hình 4.6 Mô hình chị tải và xác định điều kiện Õn định dam

Hình 4.7 Ảnh hưởng của sóc nghiéng dầm dẫn độ cứng của

1iình 4.8 Ảnh buảng của góc nghiêng đầm đến chuyên vị của bệ chấp hamh

Hình 4.9 Quan hệ giữa độ cứng nhỏ nhất Kivù, và điện áp dẫm

Hình 4.10 Quan hệ giữa điện áp L, và chiều dài dầm

Hình 4.11 So sánh sự thay dỗi của Nụ với Po theo chiều đãi

Hình 4.12 Quan hệ giữa điện áp LŨ, và chiều rộng đầm

Hình 4.13 So sánh sự thay dỗi của Ny với P, thea chiều rộng dâm w

Hình 4.14 Sự thay dỗi của điện áp Uụ theo ti lệ LÁ» và w

1Tình 4.15 So sánh các điện áp Lĩ„ và LŨ, theo ti số Láu

Hình 4.16 Vùng kích thước đâm bảo an toàn cho bộ chấp bành chữ:

Linh 4.21 Két quai 161 uu các kích thước dằm tại các điện áp cho phép “

Hình 4.22 So sánh chuyên vị của vì chấp bành đã tối tm với chưa được tối ưu 104 Hình 4.23 Chênh lệch chuyển vị tương đối của các bộ kích thước lỗi ưu

Hình 4.24 Nhiệt độ và chuyên vị của một cặp đẫm chữ V tại 28

Mo BAU

1 Tính cấp thiết

Ngày nay, nhờ sự phát triển của các công nghệ vi gia công mà các linh kiện cũng

xihư hệ thống có kích thước đo bằng đơn vị micro được chế tạo hàng loạt với giá thành

rẻ, chất lượng làm việc ôn định và dễ chính xác cao Việc nghiên cửu và ứng dụng các thiết bị có kích thước nhỏ cỡ micro cũng đã trở thành một xu thể tắt yêu của thế

giới từ khoảng bai thập niên trước Cùng với đó công, nghệ vi cơ điện tử MEMS

(Micro Electro Mechanival System) da tra thanh mot trong whiimg tinh vue phat trién

rất nhanh trong những năm gàn dây Về dịnh nghĩa, MEMS là hệ thống tích hợp bao

ôm các vì cảm biển, các bộ vi chấp hành và các vỉ mạch điện từ có kich thước micro

và được chế tạo bằng cúc công nghệ vỉ gia công

Công nghệ MBMS ngày nay đã có thể chê tạo hàng loạt các bộ

sensor) va cae bé vi chip hanbivi kich hoal (micre actuator) duoc img dung trong

nhiều thiết bị và hệ thông khác nhau Trong một hệ thống tích hợp cụ thể, các ví mạch điện tử được coi như là “hệ thân kinh và bộ não”, các các thiết bị MEMS được xem như là “tại mất” và “tay chan”, digu nay lam cho hệ thống nhận biết và điều khiển

¡ cảm biển (micro

theo môi trường một cách lĩnh hoạt với độ chinh xác cao Các vị câm biển có nhiệm:

vụ thu thập các thông tin từ mỗi trường qua việc tiếp nhận các tín hiệu như: cơ, quang, nhidt, sinh, hóa Sau đó các vĩ mạch điệu tử xử Tý thông lin để kịp thời đưa ra các

ta hiệu diều khiển các bộ phận vi chap hank dé dap tng lai bang cach di chuyên, thay đổi trạng thái, dò tim, lọc theo ý muốn của con người Các thiết bị MÙMS ứng đụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống Trong đó các sản phẩm của

'MEMS được ứng dụng nhiều trong ô lô, hệ thông đo và phân lích y sinh, các thiết bị

viễn thông, vũ khí, vệ tỉnh, thiết bị giải trí,

'Trong MEMS, bộ vị chấp hành là một loại thiết bi quan trong déng vai trò cung, cấp chuyển động và lực đẻ dẫn động các bộ phận khác trong một hệ thông tích hợp Tiên thể giới đã có nghiều công bố về các loại bộ vị chấp hành khác nhau, đựa trên các hiệu ửng vật lý, bao gồm: vi chấp hành kiểu tĩnh điện, diện nhiệt, áp diện, diện

từ, vật liệu nhớ hình v.v Trong đó có thể kẻ đến hai loại vi chấp hành tương đối phổ

biến là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V Chúng thường được đẳng để đẫn động œ

hệ thông và thiết bị nhú vĩ công hưởng, vì chuyển mạch, vị tay

De đó, chất lượng và độ chính xác khi làm việc của các bộ vi chấp hành ảnh hưởng rắt lớn đến chất lượng và đệ chính xác chưng của các thiết bị và hệ thẳng, Chất lượng làm việc của bộ vì chấp hành bao gom: dé lin chuvén

gap, vi motor, vi van chy

vị, lần số tới hạn, hệ số phẩm chat, tinh on dịnh và an toàn

Vide nông chất lượng làm việo khi tính toán thiết các bộ vi chấp hành là rất quan

trọng Dễ tính toán thiết kế được các bộ vi chấp hành đáp ứng các yêu cầu đó cần phải

kế đến sự ảnh hưởng của rất nhiều yêu tế khác nhau, trong đó các kích thước hình

1

học có ánh hướng trực tiếp và chủ vếu Văn để nghiên cứu để tối ưu và đưa ra các

giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng làm việc ong như độ chính xác của các

bộ vĩ chấp hành mang ý nghũa lớn cả về mặt khoa học và thực tiễn

Trong cắc nghiên cứa về lĩnh vực MEMS, đã có rất thiêu công trình khoa học được công bó trên thể giới liên quan đến các bộ vị chấp lành Các công bỏ khoa học này lập trung vào các chú để như: thiết kế mới và cải tiên cấu trúc, ứng dụng vật liệu

mới và cải tiên cảng nghệ chế tạo, tối ưu kích thước và kết câu nhằm nâng cao chat

lượng làm vie O tong nude, vige nghiên cứu vẻ công nghệ MEMS nói chúng vẻ về

các bộ vi chấp hành nói riêng đã có những bước tiễn quan trọng trong những năm gắn

đây, trong đó có thể kế đến các trung tâm như: Trường Đại học Bach Khoa Hả Nội, Trưởng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viên Khea học Vật lí

Tuy nhiên, vẫn để nghiên cứu về ảnh hưởng của thông các số kích thước đến chat lượng làm việc của bộ vì châp hành MEMIS kiểu tĩnh điện và điện nhiệt chữ V chưa

Chính vì vậy, luận án này sẽ tập trung nghiên cứu một cách có hệ thẳng về ảnh

bường của các tham só cầu tạo dẫn chất lượng làm việc của vị chấp hành kiều 8nh điện răng lược va điện nhiệt chữ U, từ đó xác định tần số tới hạn, các điều kiện Ấn

định và an toàn khi làm việc, đề xuất phương pháp tính toán cải thiện một hoặc một

x0 chi tibu chal lượng làm việc cho bai kiểu vị chấp hành này

2 Mục tiêu của luận ăn

Luận án nghiên cứu làm rõ và sâu sắc thêm các vận đề lý thuyết liên quan đến một

số chỉ tiêu chất lượng làm việc của hai bộ v¡ chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và

điện nhiệt chíữ V Kết quả của luận án sẽ cung cấp một hệ thống lý thuyết tương đổi

hoan chính cho người thiết kế tham khảo và xây dựng quy trình tính toàn cho vị chấp

hành đâm bảo làm việc ổn định và an toàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đôi tượng nghiên cứu của luận an là bộ vị chấp hành tĩnh điện răng lược và vị chấp thành điện nhiệt đạng chữ V đừng để đần động các hệ vị hệ thống rửuữ: vì ruô lơ quay hoặc tịnh tiến, vi tay gắp, hệ vi vân chuyên Cụ thể hơn là vị chấp hành tình diện sử dụng răng lược hình chữ nhật và răng lược hính thang cản, vị chấp hành điện nhiệt

đạng chữ V chuyên động tịnh tiền trong mặt phẳng năm ngang Cáo vi chấp hành này

được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS sử dụng phương pháp gia công ăn môn khô

sau (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) Đổi với đổi tượng nghiên cửu của luận án,

đải tân số làm việc nhỏ hơn 1ODHz được coi là thập, từ 1OOHz đến 1kHz là dải tân số lâm việc trưng bình, trên 1kHz là đãi tần số làm việu cao.

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vĩ nghiên cứu của luận án là các chỉ tiêu chất lượng làm vide của bộ vị chấp

lành MEMS kiểu tĩnh điện rãng lược và diện nhiệt chữ V như: tân số tới hạn theo

điều kiện ổn định chuyển vị, độ lớn chuyển vị, hệ số phẩm chất, độ ôn định cơ học,

tính an toàn (tránh chập, cháy hoặc biến dạng dẻo) Các vấn để phức tạp kháo như:

tính phí tuyển của độ cứng khi biến dạng lớn, hiệu dng vidn (fringing effect) trong tụ điện, sự thay đãi của mô đun đản hỏi theo nhiệt độ, hiện tượng đối lưu và bức xạ nhiệt trong không khí, truyền nhiệt giữa cáo đầm trong hệ đảm, truyền nhiệt qua thanh đầy,

độ bên và ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bên v.v sẽ không được

dung của luận an

Các kết quá nghiên cứu cúa luận án làm sâu sắc thêm một cách có hệ thông các

vấn để lý thuyết cho đối tượng là vị chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng

chữ V như: plương, pháp tính các đại lượng động lực học quy dõi trong phương trình

vi phan chuyển động: tân số và điện áp giới bạn theo điều kiện bên nhiệt và ổn định

cơ khi làm việc; tối ưu kích thước đảm trong vi chấp hành chữ V nhằm cãi thiện

chuyển vị đồng thời thôa mãn điều kiện an toàn khi vận hành Các vận để này có ý nghĩa quan trong trong việc dưa ra các điều kiện lắm việc tới hạn lâm cơ sở dễ thiết

kế các bộ vi chấp hành đám bảo tốt yêu câu về chất lượng làm việc như chuyển vị

Tên, ôn đình và an toàn (tránh hiện tượng cháy đâun hoặc chap dién) trong dai did

dẫn xác dịnh Đây chính là mục tiêu và dòng góp chúnh của luận an dễ hoán thiện hệ

thống lý thuyết vẻ vị chấp hành tĩnh điện rắng lược và điện nhiệt đạng chữ V

ap

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc của vi chập hành có ý nghĩa quan trong trong quá trình thiết kê và chế tạo Kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế mới hoặc kiểm nghiệm theo các điều kiện làm việc giới hạn (tân số và điện áp đẫn) để đảm bao tinh én dinh

và an toàn cho thiết bị Luận án cũng xây đựng bài toán để sử dụng thuật toán tối ưa

xác dmh kích thước đâm của vị chấp hành điện huột chữ V cho chuyển vị lớn đồng

thời đảm báo các điều kiện về ổn định cơ và an toản nhiệt Các kết quả nay đặc biệt

có ý nghĩa trong việc rút ngắn thời gian thiết kế và giảm giá thành cho quá trình chế

thử các thiết bị hoặc hệ thống có sử dụng vi chấp hành tĩnh diện răng lược và điện

nhiệt dạng chữ V như vi mé to, vi tay kep, vi vin chuyển

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cửu chú dạo của luận án lả tỉnh toán lý thuyết, mô phóng vả kết hợp với thực nghiệm đề kiểm chứng Việc áp đựng các phương pháp này được

3

tiển hành một cách cụ thê như sau:

~ Dựa trên các nguyên lý và định luật vật lý cơ bản (cơ học, tĩnh diện, truyền nhiệt và

đân nỏ nhiệt), cùng với việc vận dựng, các phương, pháp toán học để xây đựng mô hình

au tao Loi chal

mô phông toàn bộ hệ thông

ê thực nghiệm, luận án sẽ tiền hành đo đạc một số đặc tính của vi chấp hanh dé so

sánh kiểm chứng Tại các kết quả tính toán và mô phẳng, Công việc này được thục hiện dựa trên sự hợp tác chặt chế với các phòng thí nghiệm MEMS tiên tiên trong nước

6 Những đóng góp của luận án

Luận án được thực biện thông qua việc phân tích, đảnh giá và kế thừa các công

trình khoa học đã công bỏ liên quan đến vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện

nhiệt đang chữ V, kết hợp với các phương pháp nghiên cửu lý thuyết, mô phông và

thực nghiệm Các dóng góp cụ thể của luận án được tóm tắt như sau:

- Cung cấp hệ thông các công thức tổng quát hơn dễ xác dịnh các dại lương déng lực học trong phương trình vị phân chuyển động của các vi chấp hành Đây là cơ sở để

*khão sát ảnh hưởng của các fhêng số kích thước đến chất lượng làm việc của các ví

chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật như chuyên vị, tản số làm việc nhằm

tránh mắt ổn định và mất an toàn khi làm việc

- Xây dưng các công thức lý thuyết để xác dịnh lực tĩnh diện, chuyên vị và điều kiện

an toàn tránh hiện tương chập bản tụ cho vi chấp hành tĩnh điện răng luọc hình thang, cân

~ Dễ xuất phương pháp xác định tân số làm việc theo điều kiện ấn định chuyển vị cho

diễn áp dang xung vuông dựa trên mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn Để xuất điều kiện an toàn làm việc cho vị chấp hành, ưảnh hư hỏng thiết bị trong quá

trình vận hành Thuật toán tôi tu được áp đựng đề xác định bộ kích thước đầm hợp lý

vừa cho chuyên vị lớn đồng thời đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định vá an toàn

7 Bồ cục cứa luận án

Để trình bảy một cách cụ thể các vẫn để nghiên cứu, nội dung của luận án dược chia thành bên chương với các nội dụng chính như sau:

Chương 1 Tổng quan về vi chắp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt

chữ V: Tìm hiểu tống quan các vấn đẻ nghiên cứu liên quan đến hai bộ vị chấp hành

ưu nhược điểm, các nội dụng còn chua được giải quyết hoặc giải quyết chưa triệt

của cáo nghiên cửu trong va ngoái nước Thông qua đỏ, luận án sẽ để xuấi mục tiêu,

nội đung và phương pháp nghiên cứu cho phú hợp,

Chương 2 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của vi chap hanh tinh

điện răng lược: Giới thiệu khái quát về

tụ Xây dựng công thức tỉnh các thông số déng lực học tương đương trong phương trình v¡ phân chuyển động Giải phương trình vị phân để xác định chuyên vị chung của vi chấp hành theo hai quy luật điện áp phổ biên là xung vuông và xung hình sin

Khao sat anh hưởng của lần số dan déu su ên định cũ

tới hạn và ánh hướng của kich thước dâm đến hệ số phẩm chất Xây dựng các các

công thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện, chuyên vị và điều kiện tránh hiện tượng

chập bản tụ của vị chấp hành tĩnh điện răng lược có đụng hình thang côn Khảo sát

ảnh hưởng của kích thước dâm đến hệ só phẩm chất của vi chấp hành tĩnh điện răng, lược truyền thống

Chương 3 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của của vi chấp hành

điện nhiệt chữ V: Xây dựng mã hình truyền nhiệt cho một cặp đâm chữ V sử đụng phương pháp sai phân hits bun So sánh chuyển vị xảo định theo tính toàn, mô phông và

đo đạc thực nghiệm đề kiểm chứng Kháo sát ảnh hướng cúa tằn sỏ dẫn đến chuyên vị

+hi sử dụng điện áp dạng xung vuông, từ đó đẻ xuất phương pháp xáo định tân sổ đẫn

tới hạn theo ¢

thước dâm đến tần số dân tới hạn và hệ số phẩm chất của vị chấp hành làm cơ sở đẻ lựa chọn kích thước đằm hợp lý phủ hợp với yêu câu của đầu bài khi thiết kế,

Chương 4 Xác định kích thước hợp lý của vi chấp hành điện nhiệt chữ V

dam bảo điều kiện kàm việc ổn định và an toàn: Tiền hành xác định và xây dựng

điều kiện làm việc giới hạn theo nhiệt độ lớn nhất trên đâm

từ dỏ xác định ảnh hướng của các thông số kích thước dâm dễn gia trị các điện áp giới hạn theo điêu kiện an toàn nhiệt và ốn định cơ Xác định miễn kích thước đảm

ảnh huông của các hông

thông qua quan hệ giữa các điện áp giới bạn

Khảo sát ảnh hướng của kích thước dâm dén chuyển vị tĩnh của vĩ chấp hành, äp dụng, thuật toán tối ưu để xác định bộ kích thước dảm thỏa mãn yêu cầu chưyên vị lớn mà vẫn đâm bảo điều kiện ốn định cơ và nhiệt độ giới hạn

Kết luận vả kiến nghỉ: Trinh bày tóm lược lại các nội đụng mà luận án đã thực

hiện, chỉ ra những điểm mới và các đồng góp chính của luận ản Thão luận thêm

những diém con tỏn tại dễ tiếp tue phat triển và hoàn thiện

Bên cạnh dỏ, quy trình chế tạo các vị chấp hành theo công nghệ SOI-MEMS dược

“đưa vào luận án trong phần Phụ Lục 1 để nhằm giới thiệu và làm rõ thêm về khả năng của công nghệ gia công, Phụ lục 2 mô tả hệ thống đo đạc Thuật toán tối ưu được lập

trình trong MATLAB cũng sẽ được trình bảy trong Phu Tuc 3

Chuong 1 TONG QUAN VE VI CHAP HANH TINH BIEN RANG

LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các bài báo khoa học được đăng trén cac tap

chỉ uy tin trong và ngoài nước, các luận án tiền sĩ và các công trình khoa học kháo đã

được công bỏ liên quan đến nội dung của hiận án Trên cơ sở đó rút ra những điểm

mạnh có thể kế thừa và phái triển, những vần để còn lên tại để luận án lập trưng

nghiên cửu và giải quyết,

1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng

Vị chấp hành là một loại linh kiện trong MEMS cỏ nhiệm vụ chuyển doi các dang

tín hiệu hoặc năng lượng như điện, nhiệt, quang, hóa, sinh thành các đại lượng cơ

học như chuyển vị, lực hoặc mô men Xhở đỏ vị chấp hành được dùng dễ đần động

cáo thuết bị trong hệ thông vi cơ như vi dộng cơ, vi bom, vi lắp ráp, vị vận chuyển

hay vỉ rô bố

Trong các hệ thống vi cơ cụ thể thì vị chấp hành chính là nguồn cung cấp cơ năng

giúp các bộ phân trong hệ thống có thế chuyên động được Các chuyển động này có

thé được truyền qua cóc cơ cầu trung gian dễ (hực hiện các nhiệm vụ trong thế giới

yi mỏ như kẹp, dây, vận chuyển các vi mẫu vật, hoặc dẫn động các thiết bị khác nhự

vi cim bién con quay (micro gyroscope) trong cac hé dan d6ng quan tinh [NS của các

phương tiên Lự hành mặt dất và vật thể bay, vi cong hudng (micro resonator), vi

chuyên mạch micro sw iích).v.v Như vậy, vai trò của vị chấp hanh trong thế giới

micro cé thé được so sánh với động cơ đốt trong trên phương tiện giao thông van tai

(ô tô, tàu hỏa, tàu thủy), đông cơ điện trong dẫn động các máy gia công cơ khí (máy

tiện, phay, khoan, bảo) và hệ thông máy móc trong các nhà máy lắp ráp ô tô, dệt may,

hóa chẤt

'Erong các lĩnh vực của đời sống, các thiết bị MMS nói chung và các vì chấp hành

nói riêng ngày cảng chiếm một vị trí quan trọng Đặc biệt là trong y hoc do sir trong

thích cao giữa các lĩnh kiện này với các mẫu vật và các nhiệm vụ cần độ chỉnh xác

cao như bơm vị lượng, thuốc, vị phầu thuật, vi nội soi

'theo hiệu ứng vật lý, vi chấp ánh MEMS được chia thành cáo loại như sau:

- Bd vi chp hanh kidu tinh dién Gniero electrostatic actuator) sử dụng bự nh điện

sinh ra gitta bai bản tụ tích điện trai đâu ở kích thước micro mét

- Bộ vị chấp hành kigu dién ahiét (micro electrothermal actuator) su dung sy din nd

nhiệt của các đâm mảnh làm bằng vật liệu đẫn điện hoặc bán cần, hoặc sử dụng hiện

tượng biến dạng nhiệt không đêu của cặp vật liệu có hệ sé dan nở nhiệt khác nhau khi

có dòng điện chạy qua

~ Bộ vị chấp hành kiểu áp điện (miero piesoelectrie aclaalor) sử dụng biển dang của

vật liệu do xuất hiện nội ứng suất khi có điện áp đặt vào

- Bộ vị chấp hanh kiéu dign tir (micro electromagnetic actuator) sit dung !uc dién tr

(hire Lorentz) sinh ra trong một cuộn đây dẫn hoặc ram châm vĩnh cửu đặt trong một

từ trểng của nam châm vĩnh cữu hoặc của một cuôn đây

đụng khả năng biển đạng lớn do nhiệt sinh ra trong các vật liệu có tính thể đặc biệt

Các loại vi chấp hành này có những tru và nhược diễm được trình bảy như trong

Bang 1.1

Bảng 1.1 So sảnh ws, nhược điểm của các loại vì chấp bành [1]

- Tốc đô đáp ứng nhanh, đãi tân _- Điện áp dân tương đối sao

số lâm việo rồng - Lụe tạo ra nhỏ Đòi hối điện áp dẫn

- Dễ chỗ tao và tích hợp với các _ cao nêu nuồn lực lớn

Tĩnh điện | cấu trúc silie khác - Các bộ vi chấp hành có câu tạo

(#lectrostafie) | - Luật điều khiên đơn giản phúc tạp

ệ cao hơn kiểu điện từ _- Công suất dẫn đông nhả

Điện nhiệt - Điền khiển phức tạp đo lĩnh phức

trường Tham số vật liệu thay đổi phức tạp theo nhiệt độ

- Chuyên vị nhỏ nêu không đừng cơ

câu khulch đại

- Điện áp đấu thâp - Hiệu suất thấp Chịu ảnh hưng của

Tiện từ - Mạch điều khiến đơn giãn, đễ từ trường xung quanh

Œiecro — | tiêu chuẩn hóa - Kích thước lớn do sử đựng nam magnetic) | - Cho Hành trình lớn đối với các - châm, cuộn đây,

vị đông cơ tỉnh liễn

- Hiệu suất cao ting voi mute

- Khó lich hap trong hg MEMS

- Dign ap din cao hon so véi vi chấp hành nhiệt, điện từ hoặc SMA

- Khó chẻ tạo đo cân trắc phức tạp

- Độ Ổn định phụ thuộc hưởng của

- Điện ap đẫn thập ~ Khó chế tạo và tích hợp

Vi liệu nhớ | - Hiểu suất cao - Gần ii thấp la nht

hợp, độ ôn định khả cao Cụ thể lá vị chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng

chữ V được luận án lựa chọn đề tap trung nghiên cứu Đây cũng là hai loại vi chấp

đành được ứng dụng khá phố biển Irong đẫn động các thiết bị MEMS Các van dé nghiên cứu liên quan dến hai loai vi chap hành này sẽ dược trình bảy chỉ tiết hơu

trong phần sau

1.2 Vĩ chắp hành tĩnh điện răng lược

a) Định nghĩa và phân loại

Vi chập hành kiểu tĩnh điện hoạt động dựa trên lục tĩnh điện sinh ra tại bê mặt của

hai ban tu tich dign trai đấu Trong đó, lực nh điện pháp tuyển có phường vuông góc với bề mặt của bản tụ, còn lực tình điện tiếp tuyển số phương song song với bé mat bán tụ Kiểu vị chấp hành nảy có nhiều dạng câu trúc khác nhau, trong đỏ có hai dạng phổ biến là: dẫn động bằng lục pháp tuyên [2] và dẫn động bằng lực tiếp tuyến [3] Đôi với vị chấp hành dẫn động bằng lực pháp tuyên có các ưu điểm: lực dẫn lớn, điện

áp dẫn nhó, nhưng có nhược điểm: chuyển vị rất nhé (bị bạn chế bởi khe hở giữa hai

bản tụ), lực đẫn phi tuyển (thay đối theo chuyến vị, đễ mắt ỏn định dẫn đến ngắn

mach va hé sé pham chất thấp Hệ số phẩm chát trong trường hợp này là hệ số khuếch đại biên độ dao động tại tần số công hưởng Các vị chấp lành dẫn động bằng lực tiếp

tuyến có các ưu điểm như dé điều khiến, độ ốn định cao, nhưng cần điện áp dẫn lớn

và tực đẫn tương đối nhỏ

Trong đân động các hệ thống như vì mô tơ quay hoặc tịnh tiên, vì vận chuyển, vỉ tay gap thi vi chap hành sử dụng lực tiếp tuyển phủ hợp hon câu chuyển vị và điều khiển Loại vị chấp hành nảy thường được thiết kế và chế tạo với cầu trúc gồm

nhiều bản tụ như răng lược đặt xen kẽ nhau nhằm tăng lực dẫn, do đó chúng được gọi

1ả vị chấp hành tĩnh điện rằng lược Như vậy, ví chấp hành lĩnh điện răng lược là một

loại vi chấp hành có câu trúc sâm nhiều bản tụ (răng lược) đặt xen kế nhau sử dụng

lye fink din dé tao ra lec din động va chuyén vi

'theo đặc điểm chuyển động thì vi chấp hảnh tĩnh điện răng lược lại được chia thành hai loại: chuyển động tinh tiến (răng thẳng) [4] và chuyển động lắc (răng cong) [5| Theo mat phẳng chuyển động, chủng dược chia thành: chuyển động trong mặt phiing (in-plane) [6] va chuyển động ngoài mặt phẳng cdu tric (Out-of-plane) [7]

Bai tượng mà luận án lựa chọn nghiên cứu là vi chấp hành tĩnh điện răng lược chuyển

động tình tiến trong mặt phẳng cầu trúc Do đây là loại vĩ chấp lành có cầu trúc đơn: giản, để điều khiến, ứng dụng da dang và dễ chế tạo hàng, loạt

Vi chấp hành tĩnh điện răng lược (CA electrostatic comb actuator) dược

W, C Tang vá đồng nghiệp ứng dựng trong dẫn động bộ vị cộng hướng và được giới

thiện lần đâu tiên năm 1990 [8] Cầu trúc điễn hình của bộ vi chấp hành được mẻ tả

như trên Hình 1.1

Khung đạc thanh đầy)

Hình 11 Cấu trúc của vì chấp hành fĩnh điện răng lược

Cau tạo của ECA bao gém hai phản chính: phần cô định và phân dì động Trong

đỏ, phân cỗ định gồm các răng lược và điện cực có định, phản di đông gồm khung ngang mang răng lược di động, khung đọc (thanh đây) vả được treo bởi hệ dam, dau

còn lại của dầm gắn liên với các điện cực cô định Các bản tụ di động vả có định được đất xen kế nhau vả đối xứng

Khi đặt điện áp vào các điện cực của vi chấp hảnh, các bề mặt của răng lược cỏ

định và di động tích điện trải dâu vả tạo thành các cặp tụ điện Trên các răng lược di

động xuất hiện lực tĩnh điện kéo phân di động dịch chuyên theo phương y cho đền

khi cân bằng với lực đàn hỏi của hệ đâm Lực tñnh điện trên phương x của các răng,

lược di động bị triệt tiêu do tính đối xứng của cấu trúc Khi ngất điện áp, lực đàn hỏi

của hệ đảm kéo phân di động vẻ vị trí ban đầu

b) Tình hình nghiên cứu ngoài nước về ECA

Một trong những nhược điềm lớn nhất của ECA lá lực tĩnh điện khả nhỏ nên cần

điện áp dẫn lon de có thẻ đạt được chuyên vị như mong muốn Điều nảy lâm giảm

khả năng ứng dụng của loại vi chấp hành nảy trong một số hệ thông Cải thiện chuyển

vị và giảm điện ap dan cho ECA 1a một bải toán đặt ra cho các nhả nghiên cứu Các

công bổ liên quan dén bộ ECA cũng đều hưởng đến mục tiêu nảy Những kết quả đã công bổ có thẻ được phân chia thành các hướng chủ yêu: cải tiên cầu trúc dim, cai

tiền hình dạng răng lược, tỉnh toán động lực học, nàng cao độ ôn định làm việc

Cải tiến câu tric dam

Van dé cai tien cau tric dam eó ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chuyên vị

và giảm điên áp thông qua giảm độ cứng của hệ dầm Các dạng câu trúc dam như: dam thẳng hai đầu ngam (fixed-fived beam), dam cảng cua (crab-leg beam) va dam

gap khiic (folded beam) nhur trén Hinh 1.2 đã được nêu lên trong các công bố [9] và [10] Các nghiên cứu này đã xây dựng công thức tính độ cứng cho ba câu trúc đảm

đề so sánh chuyển vị theo tính toán và mô phỏng Kết quả so sánh cho thấy đầm càng

9

cua và dâm gấp khe cho chuyên vị theo phương y lớn hơn so với dâm thẳng hai đầu

ngảm đo có độ cứng theo phương y nhỏ hơn Các kết quả tỉnh toán đã được kiểm

(a) Dam thang hai dan ngém; (b) Dam cang cua; (c) Dam gấp khúe

Tuy nhiên, hai loại đầm trên lại có độ cimg theo phurong x (Hinh 1.2) kha nhỏ nên

để xảy ra hiện tượng mắt ồn định lắc ngang trong mặt phẳng Øxy Mặt khác, độ cứng

nhỏ cũng đề xảy ra hiện tượng chap ban tu (pull-in) do lực tĩnh điện lớn hơn lực đàn

hồi, khâu chấp hành không về được vi trí ban đầu do lực phuc hỏi dap ứng chậm

Thông qua cá đánh giá như trên, luận án lựa chọn nghiên cứu vi chấp hành tĩnh

điện răng lược có câu trúc đầm thẳng hai dau ngảm Do ưu điểm của câu trúc dam nay lả đơn giản, tiết kiếm không gian bỏ trí, có lực đản hỏi phủ hợp với các ứng dụng

trong các thiết bị cân sự hồi vị nhanh như yi mé to quay [11], vi r6 bot [12], vi van

tai [13]

Cải tiến biên dạng răng lược

Cải tiên biên dạng răng lược lả việc làm rất có hiệu quả đề tăng lực tĩnh điện Đây

cũng là hướng nghiên cứu thu hút nhiều nhả khoa học vả cho ra nhiều công bỏ khoa

học trên các tạp chỉ có uy tin Các vỉ chấp hảnh tĩnh điện răng lược truyền thông chủ

yếu dùng răng có biên dang thẳng (hình chữ nhật như Hình 1.1) Với dạng ring nay, lực tĩnh điện của vi chấp hảnh cỏ phương tiếp tuyên (song song với bẻ mặt răng) rất

nhỏ so với lực tĩnh điện theo phương pháp tuyển (vuông góc với bề mặt răng),

Dé tan dung được một phân lực tĩnh điên trên phương pháp tuyên, tác giả M.S

Rosa va déng nghiệp đã đề xuất răng lược cỏ đạng hình thang cân (Hình 1.3) [14] Các kết quả tỉnh toán vả thi nghiệm kiếm chứng đã chỉ ra ưu điểm nỗi bật của dạng, răng này lả lực tĩnh điện lớn Trong củng môt điều kiện lảm việc thi vĩ chấp hành răng lược hình thang cân sinh ra lực dần gần gấp đôi so với vi chấp hảnh sử dụng,

10

răng lược truyền thông Đề xuất của tác giả đã mở đường cho một hưởng nghiên cứu

mới là cải tiên biên đạng răng lược đề thu được lực tĩnh điển có quy luật thay đôi có

thể đáp ứng đa dạng các yêu câu khác nhau trong ứng dụng vào thực tiễn

Hình 1.3 Biên dang răng hình thang cân [14]

Biên dạng răng lược được mô ta bằng một hàm đa thức (Hinh 1.4) đã được Jensen

và đồng nghiệp đề xuất trong các công bỏ [15] và [16]

Trong các công bỏ trên, tác giả đã khảo sát 7 thiết kế với các hàm biên dạng của

răng lược cô định (stafionary.finger) và di động (moving finger) khác nhau Các cặp

biển dang răng nảy có thể tao ra lực tĩnh điện thay đổi theo chuyên vị với những quy luật khác nhau Để xuất này có ưu điểm lả đơn giản hỏa việc xây dựng mô hình toán

cho biên dạng răng trong thiết kể, tao điều kiên để xác định hoặc tôi ưu biên dang

răng lược theo các yêu câu nao đó vẻ chuyên vị và lực dân Tuy nhiên, khả khỏ de đạt được độ chính xác khi chẻ tạo các biên dạng phức tạp này

Với mục đích giảm điện áp dẫn cho vi tay gắp, Kalaiarasi và đồng nghiệp [17] đã

để xuất ba mẫu khác nhau cho các biên dạng răng lược cô định Theo các kết quả mô phóng chuyên vị của tay kẹp, biên dạng răng như Hinh 1.5 cho chuyên vị là lớn nhất,

điểu nảy giúp giảm điện áp dẫn đáng ke so với rang lược truyền thống Tại củng

chuyên vị của đâu kẹp là 6.6m biên dạng mới cản điện áp dẫn 14V trong khi biên dạng hình chữ nhật cân 25V Như vậy, biên đang được đẻ xuất có tru điểm tăng lực din và chuyển vị, đồng thời giảm đáng kẻ điện áp dân

"

—

Hình 1.5 Biền dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [L7]

Cũng với mục đích tăng lực dân cho vĩ chấp hành, Engelen đã đẻ xuất biên dạng

răng kết hợp gồm ba đoạn khác nhau trong công bố [18] như Hình 1.6 Các kết quả

tỉnh toán vả thí nghiệm cho thay chuyên vị vả lực dân tại điện áp 120V lớn hơn 26%

so với răng lược hình thang cân mặc đủ hệ dầm có độ cứng lớn hơn 20% Như vậy,

ưu điểm của biên dạng răng hôn hợp nảy là sinh ra lực tĩnh điện và chuyển vị lớn hơn

so với răng thang vả răng thẳng truyền thông

Hình 1.6 Biên dạng răng lược kiểu hỗn hợp [18]

Một kiểu bién dang răng lược tôi ưu cho vi chấp hành tĩnh điện cũng đã được Enlegen và đỏng nghiệp giới thiệu trong [19] được mô tả như trên Hình 1.7 Các kết quả tỉnh toản và thí nghiệm cho thay bién dạng răng tối ưu có ưu điểm là cho chuyên

vị cũng như lực tĩnh điện lớn, đặc biết là lực dân bằng hiệu số của lực tĩnh điện và

lực đàn hỏi gản như là hằng số theo chuyên vị và để điều khiển Theo tải liệu nảy, biên dạng được đẻ xuất phủ hợp với các thiết bị cân chính xác vẻ vị trí như ban dieu

khiển đầu đỏ trong máy quét biên dạng bẻ mặt Tuy nhiên, cầu tạo của biên dạng răng

là mặt cong và không đối xứng dân đền khỏ chế tạo chính xác theo thiết kể, điều này

có thẻ gây ra hiện tượng mắt ôn định lắc trong mặt phẳng nằm ngang

Răng tổi im 12 pm

Hinh 1.7 Răng lược cỏ biên dạng được tối ưu [19]

Để có thể thiết kể các biên dạng răng lược theo quy luật của lực dân cho trước, Kotani

va đông nghiệp đã đẻ xuất sử dụng phương pháp tối ưu hình dạng hình học [20] Các kết quả tỉnh toản số cho bôn phương ản thiết ke đã chứng mình đô ôn định và chỉnh xác của

phương pháp Bài bảo đã cung cấp một phương pháp tính toán thiết kể và tối ưu hỏa hình

dạng các răng lược cho bỏ vi kích hoạt có thẻ sinh ra lực dẫn đông thay đổi theo các quy

luật khác nhau nhằm đáp ứng đa dạng các yêu câu trong việc ứng dụng vào thực tẻ

Để tăng lực tiếp xúc tại tiếp điểm của bộ vi chuyên mạch, Kang va dong nghiép da

để xuất sử dụng răng lược cỏ đạng bậc (Hình 1.8a) [21] va Gao và đồng nghiệp dé

xuất răng lược dạng hai đoạn nghiềng (Hình 1 8b) [22] Các kết quả tỉnh toản đã

chứng mình tru điểm của các biên dạng mới này là cho lực tiếp xúc lớn và giảm điện

áp đến 25% so với răng lược truyền thông

Hình 1 S Các biên dạng răng lược dẫn động bộ vi chuyển mạch:

(a) Răng lược dạng bác [21]; (b) Răng lược hai đoan nghiêng [22]

Một số biên dạng răng lược đặc biệt khác cũng đã được đẻ xuất như răng lược dang

nhieu bac trong dan động tay gắp của tác giả Harouche và đồng nghiệp [23], răng, lược hình răng cua cia tic gia Jensen va dong nghiệp [15] Cac dang rang đặc biệt này có tính ứng dụng khả hạn che, do lực thay đổi có dạng xung niên rat dé gay mat

ồn định và chỉ ứng dụng trong một sỏ thiết bị không cân độ chính xác quá cao về lực dẫn và chuyển vị

Một biện pháp đề tăng chuyên vị cho vị chấp hành là thêm một bản tụ cổ định gắn

trên nên đã được Imboden vả đồng nghiệp đẻ xuất trong [24] như mô tả trên Hình

1.9 Với phương pháp nảy, biên dạng răng lược truyền thống vẫn được giữ nguyên, chuyển vị được cải thiện lên đến 35% Tuy nhiên, giải pháp nảy có kết câu phức tạp, khó chế tạo và điều khiến

Như vậy, đã cỏ nhiều biên dạng răng lược cũng như kết câu khác nhau đã được dé

xuất Các kết quả tính toán và thực nghiệm cho

dang răng lược mới so với đạng răng lược truyền thông là

các tru điểm vượt trội của các

cho luc din va chuy

Jon hon Cé mét s6 bién dang ring pluie tap duge thiét ké dé tao ra luc dan thay déi

theo một quy luật cho trước đáp ứng các yêu cầu da dang của ứng dụng, Tuy nhiên,

nhược điề

\ của các răng lược có biên đạng phúc lap yéu cau phải có độ chính xác cao khi chế tạo Đối với kích thước micro, các công nghệ vi gia công tiêu chuẩn thường có sai số đặc biệt với các biên dang phức tạp Diễu nảy dẫn đến sự mnất cân

bang của hợp luc pháp tuyến trên các răng lược đi động làm cha hệ thẳng có thể mat

ẩn đình (xoay ngang) và dẫn tới xây ra hiện tượng ngắn mach gây cháy dầm

Qua việc đánh giá và phân tích các ưn nhược điểm cña các biên dạng răng lược trong vi chấp hành tĩnh diện răng lược, luận án lựa chọn biên dạng rắng lược hình

thang cân để làm đối tượng nghiên cứu Day 14 hinh dạng răng lược tương đối don giản, để chế Lao rhưng lại cho lực tĩnh điện lớn hơn đẳng kể so với rồng lược tuyển thông Cụ thể, luận ản sẽ xây dựng một cách chỉ tiết công thức tính lực tĩnh diện cho một cặp răng lược hình thang cân, thiết lập phương trinh chuyển vị, xác định điều,

kiện ốn định tránh hiện tượng chập bản tụ

Động lực học

Nghiên cứu đáp ứng động lực học của vi chấp hành tĩnh điện răng lược đã được thực

hiện bởi W.C Tang klú ông để xuất sử đụng bộ vị chấp lánh này trong dẫn động bộ vị

cộng hưởng (Hình 1.10) Trong luận án tiến sĩ [25], tác giá dã xảy dựng, phương trình

vi phan chuyên động cho hệ thống vi cộng hướng dựa trên các tham số động lực học quy đổi tương đương như: độ cũng, khối lượng và cản không khí Từ đó tác giả đã xác

định tần số riêng, đáp ứng tần số biên dộ và hệ số phẩm chất @ của vị chấp hảnh khi

chịu điện áp kích thích là hàm điều hòa sỉn Dây là các thông số động lực học quan

trọng đổi với vi chấp hành đứng để dẫn động các bộ vi cộng hưởng,

Dé xác định tân số riêng của hai loại dầm phô biển trong vị chấp hành tĩnh điện

răng lược là đâm thắng và dam gập, Fabrim và đồng nghiệp [26] đã xây dựng các

công thức tính độ cứng tương đương, khối lượng, tường đương, Các kết quả tính loàn

được so sảnh với kết quê mô phỏng trong phần mém ANSYS, Trong tài liệu [27], các táo giả đã nghiên cứu để xác định mỏi quan hệ giữa gia tốc ngưỡng và tân số kích thích đáo động điều hòa, xác định đáp ứng xung nữa hình sin trong ba trường hợp

cần yếu, cần tới hạn và cản lớn Các kết quả tỉnh toán được kiểm chứng bằng thực

nghiệm và có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định ngưỡng chịu sốc của thiết bị khi

làm việc trong điều kiện rung lắc lên nhì cảm biển vận tốc và gia tắc góc

Tinh phi tuyên về độ cứng, của vi chấp hành tĩnh điện răng lược với hệ đảm gập đã

được nghiên cửu trong tài gu [28] c giá đã xây dựng phương Irình vì phân

chuyên động cho hệ thống, trong dó có kẻ dến sự phi tuyến của dộ củng khi biên dộ

đao động lớn Táo giả cũng đã khảo sát bến trường hợp biên độ đao động: rất nhỏ (bỏ

qua phí tuyến), nhỏ, vừa vá lớn, từ đó xác định được vũng tần số đâm bão biên dé đao động én dinh ửng với ruột số biên độ diện áp dẫn Tác giả J Han và déng nghiệp [29] cũng đã phát triển lý thuyết về hiện tượng phi tuyến của vị chấp hành khi làm việc, trong đó có xét đến thêm ảnh hưởng của hiệu ứng viễn trong ham lực tĩnh điện

Các kết quả này có ý ngHữa quan trọng đối với việc tính toán thiết kế bộ ví công hưởng xăng lược trong các hề thông căm biến, chấp hành và thu nạp năng lượng

Các nghiên cửu trên dã tập trung giải quyết chỉ tiết và tương đối dây đú vẻ động,

lục học của LiCA Các công thúc tính độ cứng, khỏi lượng và cán không khí quy đối

đã được xây dựng cho hệ dầm thẳng và đầm gấp Phương trình vi phân chuyển động:

từ tuyển tỉnh dễn phi tuyến theo độ cũng và lực tĩnh diện cũng đã dược thiết lập vả

giải bằng cáo phương pháp số Các kết quả nghiên cứu đã góp phần hoàn thiện hệ

thêng lý thuyết động lực học cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược Vấn để xác định

cáo đại lượng động lực học quy đổi như độ cứng, khối lượng và cân không khí

tục được kế thừa và phát triển trong luận án đưới đạng cáo công thức mang tính tổng,

quất hơn Cụ thể là các công thức được xây dựng có thế áp dựng cho cã hệ đầm thắng

và đâm nghiêng (dạng chữ V của vĩ chấp hành điện nhiệt), Một vấn để gòn chưa được lảm rõ là tan sé toi han dam bảo ôn định biên dé chuyển vị khi hàm diện áp có dang,

xung vuông và dạng xung hinh sin cho vi chấp hành ứng dung trong dẫn động vi mô

to, vi vận chuyển, vì lay gấp

Nâng cao độ én dink

Tin đã phân tích ở trên, các vi chấp hành sử dụng hệ đâm gắp có độ cứng nhỏ nên

có thể tăng chuyển vị và giãm diện áp dẫn, nhưng lại làn giấm: độ nhạy và đặo biệt là

để gay mat én định, nghĩa là lực tĩnh diện lớn hơn lực dân hỏi và không tên tai diém cân bằng lực Dễ khắc phục nhược điểm này, tác giả Borovic và đồng nghiệp [30] đã

đề xuất sử đựng thêm một bộ câm biên và một vi chấp hành phụ đạng răng lược dé điều khiến chồng lại hiện tượng lắc ngang của thanh đây trung tâm (Hinh 1.11a) Vẫn

18

dé mat ồn định của vị chấp hành tĩnh điện răng lược được nghiền cứu chỉ tiết trong

[B1] ở đây các tác giả đã xây dựng công thức đề xác định điện áp ngưỡng cho hiện

tượng mắt ồn định theo phương chuyên động tịnh tiến vả lắc trong mặt phẳng cầu trúc (Hình 1.11b) Từ đó các tác giả cũng đã khảo sát ảnh hưởng của sai số về góc va

khe hở đền điện áp ngưỡng để tìm ra môi quan hệ giữa các đại lượng nảy

a) Cau trite chỗng mắt ôn định [30]; bì Mô hình mắt ẩn định [31]

Với mục đích tăng 6n định vả chuyên vi cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược,

Zhou vả đồng nghiệp [32] đã thay đổi câu trúc hệ dầm gấp thẳng thành hệ dam gap

nghiêng (Hình 1.12a) Việc cải tiền hệ dâm gấp nhằm tăng độ cứng theo phương,

ngang vả độ cứng xoắn trong mặt phẳng chuyên động đã được đề xuất bởi Olfatnia

va dong nghiệp [33] Theo đỏ, các đầm đơn trong hệ được tăng thêm chiều dày ở đoạn giữa và giảm chiêu dày ở hai đâu (Hình 1.12b) Các đẻ xuất này cỏ ưu điểm là tăng đô ôn đình của hệ thông thông qua việc tăng đô cứng của hệ dâm, từ đó hạn chế chuyên đông trên các phương không cản thiết mả vẫn giữ được chuyển vị theo phương

Hình 1.12 Các cẩu trúc tăng độ ôn định

a) Cau trie dam gap nghiéng [32]; b) Cau trúc dầm được tăng độ dày [33]

ý, các công bổ về ổn định của vị chấp hành tĩnh điện răng lược tập trung

chủ yên vào loại răng lược truyền thống và hệ dằm gấp Các nghiên cứu này đã xây

đựng mô hình (

mé dun phy dé ting dé én dinh cho vi chấp hành Tuy nhién, van dé én định của ví

chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân có hệ đảm thắng chưa được nghiên cứu một cách chỉ liết Vì vậy, luận án

điều kiện ổn dịnh cho loại vi chấp hành này, từ đó xác định quan hệ giữa diện áp và

độ cửng nhõ nhất để tránh hiện tượng chập ban tu

ế đi sâu nghiền cứu xây dựng mô hình loán mô lÃ

©) Tình hình nghiên cứu frong nước vé ECA

Cho dén nay đã có một số công trình nghiên cứu liên quan đến bộ vị chấp hành

tĩnh điện răng lược được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong số

đỗ thủ luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Bão Lâm |1 | lò một công trình nghiên cửu về

vi déng cơ quay din dộng bằng BCA Ở đây, tác giả đã đẻ xuất các mẫu vi động cơ quay dẫn động bằng các vị chấp hánh tĩnh điện răng lược cong để tạo ra chuyển động

Jao, thang, qua co cau răng cóc để dẫn động vành răng chuyển động quay Trong các

tình toán về lực, táo giá xem xét vị mô tơ như một cơ hệ tỉnh (r dơn giãn hóa việc tính toán) đề dự bảo về khá năng hoạt động cúa các mẫu vi động cơ được đề xuất Các kết quả tính toán và đo đạc về vận tốc khá sát nhau tại tản số làm việo nhỏ nhưng,

tại các lần số lớn Lý do của dự sat khác này một phân có thể

tmg an mon canh (side etching) rong công nghệ gia công DRIE Các công bổ [11]vả

[35] để cập đến hệ vị cam quay và vi động cơ tính tiền din động băng vi chấp hành ECA truyền thông qua các cảnh đàn hồi (elastic wings) Trong các công trình này các tác giả đã tính toán thiết kế cho tường hợp hệ thống hoạt động ở tân số tháp, (nhỏ hơn 10Hz) và có thể coi như trạng thái tĩnh Như vậy, các công bố trong nước chưa để cập đến trạng thái động, ảnh hưởng của đại lượng quán tính và cản không khi đến chuyên vị của thiết bị, Tuận án sẽ xét đến ảnh hưởng của tân số dẫn đến chuyển

yị dựa trên phương, trình v¡ phân clruyền động tương dương và các tham số dộng lực học quy đổi như khôi lượng, cản không khí

Luận án tiến sĩ của tác giá Dặng Văn Tiểu [36] đã nghiên cũu thiết kế, chế thử các

bô vi chap hành và mũi đỏ quét ứng dụng trong chế tạo các cấu trức nano Luận án

đã phần tích các thiết ké dua trên sai lệch tấn số riêng giữa hai dạng riêng dẫn tiên dễ chọn ra kết cầu cho sai lệch tân số lớn nhất, làm cơ sở dễ thiết kế bộ vi chấp hành tĩnh: điện răng lược chuyển động theo ba chiều x, y, z Ở đây, tác giả cũng đã xác định độ cứng hệ đâm, khôi lượng chuyến động và hệ số cân không khí sử dụng cho việc tỉnh tin số riêng, hệ số phẩm chất cho vi chấp hảnh, Tuy nhiên, các công công thức tính

17

khối lượng và cản không khí quy đổi còn tương đối đơn giản, chưa xét đến ảnh hưởng của khối lượng dam va can trên các dầm làm giảm độ chỉnh xác của kết quả tinh toan

1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt

a) Định nghĩa và phân loại

Vi chấp hành điện nhiệt sứ dụng hiệu ứng nhiệt Toule (dòng điện đi qua một vật có

điện trở và sinh nhiệt) để tạo ra lực và chuyên vị thông qua biến dạng nhiệt của vật

liệu Loại vĩ chấp hành này có nhược điểm là phụ thuộc vào môi trường làm việc, tổn

hao năng lượng vả nhiệt độ làm việc khả cao, tân số đáp ứng thập, nhưng cỏ ưu điểm

lã tạo ra lực lớn, điện áp dẫn tháp, lâm việc ôn định, để điều khiển

Theo đặc điểm chuyển động, chúng được chia thành hai loại: chuyên động trong mặt phẳng câu trúc (n-piane) [37], chuyên động ra ngoài mặt phẳng cau tric (Out-

of-plane) [38] Cac vi chap hành chuyên động ra ngoài mặt phẳng thường cỏ câu trúc

nhiều lớp vật liệu hoặc dạng không gian nên khó chế tạo bằng các công nghệ thông thường với giá thành thập, Vĩ chấp hành chuyên động trong mặt phẳng phé bien hon

do đề chế tạo và tích hợp trong các hệ thông vi cơ khác nhau

Phương chuyển

Theo hình dạng, các vi chap hành điện nhiệt được chía thành ba loại chính: dạng

chữ U (U-shaped, hot-and-cold-arm) [39] dạng chữ V (I'-shaped, chevron) [40]

dang chit Z (Z-shaped) [41] Vi chap hành dạng chữ U tạo ra chuyên động lắc dựa trên hiệu ứng dan né nhiệt không đổi xửng của hai nhánh dâm có nhiệt độ khác nhau, còn vi chấp hành chữ V và Z tạo ra chuyên động tịnh tiền dựa trên hiệu img dan no

nhiệt đồng đều của ác đảm Khi so sảnh với dạng chữ U củng kích thước và vật liêu thì dạng chữ V cho chuyển vị lớn hơn tại cùng một nhiệt độ [42], Với cùng kích thước

bao, vật liệu và điều kiên làm việc thì dạng chữ V cho chuyên vị và lực lớn hơn khi

so sảnh với dạng chữ Z [43]

18

Như vậy, vi chip hành điện nhiệt dạng chữ V chuyển động trong mặt phẳng có

nhigu tru điểm hơn so với các loại khác Do đó, loại vi chấp hành này được ứng đụng

trong nhiều thiết bì MEMS rứnr ví lay gắp [44], vì gương [45], tiết bị an toàn nhiệt [46], vị mô tơ tuyến tính |47, thiết bị kiểm tra vat ligu nano [48] x.v Vì vậy, lân

án lựa chọn vi chấp hành điện nhiệt chữ V là đổi tượng để tập trung nghiên cứu

b) Tình hình nghiên cứu ngoải nước về vi chấp hành diện nhiệt dạng chữ V

Các nghiên cửu gần đây liên quan đến v¡ chấp hảnh điện nhiệt dạng chit V (EVA

- Electrothermal V-shaped Actuator) tap trung vào cáo chủ đề chính như: mỗ hình

toán đu trường điện-nhiệt-cơ, cải thiện chuyển vị và tôi ưu kích thước đảm, an toàn

nhiệt và ôn dịnh cơ

Mô hình toán điện-nhiệt-cơ

Theo nguyễn lý làm việc thì vi chấp hành diện nhiệt chữ V chuyển dỗi diện năng thành cơ nắng thông qua nhiệt năng, Như vậy, cần có hai mỏ hình toán để mồ tá các

quá trình chuyến đối năng lượng là quá trình điện-nhiệt và nhiệt-cơ Trong đó, quá trình chuyển đổi năng lượng điện-nhiệt là rải phức tạp do sự ảnh hướng của nhiều yêu

tổ phi tuyển như tỉnh chất dẫn nhiệt của vật liệu, môi trường, không gian lảm việc,

kich thước của đảm nhiệt Đây cũng là chủ để nhận được nhiều sự qưan tâm của các

nhà nghiên cứu và đã có nhiều công bồ liền quan Các phương pháp toán học thường, được sử dụng để mô hình hỏa bản chất quá trình truyền nhiệt như: giải tích trực tiếp, sai phân hữu hạn, điểm nút, phản tứ hữu hạn, mạch điện tương đương v.v

Mô hình toán sử dụng phương pháp giải tích trục tiếp được nhiều tác giá áp dụng

trong việc xác định nhiệt độ phân bỏ trên đầm Trong tải liệu [49], mô hình truyền

Tihiệt lrạng thái ö ổn định đưới dạng phương trình vì phân bộc hai đã được xây dưng

một cách chỉ tiết Trong mô hình, tác giá có kế đến ảnh hướng của truyền nhiệt qua khe hở không khi giữa lép cấu trúc và lớp nên Mô hình truyền nhiệt này đã được

xhhiểu lắc giả áp dụng trong các công bồ sau này như |46] và |50]- Trong [51 J, các lắc

giả dã xét dến hiện tượng mát nhiệt qua thanh dẫy ở trung tâm (shuttle) Cang véi việc sứ dụng mỏ hình toán mô tả truyền nhiệt trên dim ở trạng thái Ổn định, trong

công bổ [5] đã bỏ qua hiện tượng mắt nhiệt qua khe hỗ mà thay vào đó là hiện lượng dối lưu trong không khi Tuy nhiên, mô hùnh toàn giái tích mô tá trạng thải nhiệt én định đã bỏ qua quá trình thay đổi nhiét độ theo thời gian, do đó không xác định được

đáp ứng nhiệt cting như tân số khi vi chấp hành làm việc

Mô hình toán đây đủ hơn có xét đến quá trình tăng giảm nhiệt độ trên dâm đã được

đề xuất trong [47] Trong đó các lác giã đã xây dựng mô hình truyền nhiệt dưới đụng: phương trình dao hảm riêng trên cơ sở các giả thiết như: bỏ qua hiện tượng dỏi h trúc xạ nhiệt và mắt nhiệt qua thanh đây Mô hình được sử đựng để xác định tần làm việc của vi chấp hành cũng như vận tốc lớn nhất của vi mô tơ tuyên tính Miốt mô tỉnh tuyển nhiệt Lương tự đã được trình bày chỉ tiết trong |53|, thêm vào đó hiện

18

tượng mắt nhiệt qua thanh đây đã được các tả giả kể đến Mô hình đã được sử dung

48 khảo sát ảnh hưởng của các tham số kích thướo đến đáp tp nhiệt cửa ví chấp

thành Tuy nhiên, đạng mỗ hình này chỉ phù hợp khi các Linh cha

truyền nhiệt, diện trở suất, nhiệt dụng riêng là hẳng số hoặc thay dỗi tuyến tỉnh theo

nhiệt độ Vì vậy, phương pháp giải tích trực Hếp chỉ có thể áp đụng trong mệt số

trường hợp như: khoảng nhiệt độ tính toán thay đổi nhỏ khi đó coi các hệ số nhiệt via vật ligu la hang sé, dy doán và đánh giá một cách gần dung quy luật ảnh hưởng của các kích thước và hệ số nhiệt của vật liệu dén quy luật phân bê nhiệt độ và thời gian

đáp ứng nhiệt

Đổ có thể xác định quy luật phân bổ nhiệt độ trên đầm chính xác hơn, phương pháp

sai phân hữu hạn đã được sử dựng trong một số công bố liên quan đến vi chập hành

dạng chữ V trong các công bố |54| và |55| Đây là phương pháp tỉnh toán rời rac

nhung lại rât hiện quả đổi với mã hình truyền nhiệt một chiều cho hé dim chit V Phương pháp này khắc phục các lồn tại của phương pháp giải tích trực tiếp như: giảm

độ phức tạp của các phép tính, có thê kề dến sự thay déi của tỉnh chất vật liệu theo nhiệt độ, phù hợp với tỉnh toán số và cho độ chính xác khả cao đổi với bải toàn truyền nhiệt một chiều trong đầm mãnh như hệ đảm chữ V Phương pháp sai phân hữu hạn cfing c6 thể mô tả hai trạng thái truyền nhiệt trong ruột dâm rảnh là trạng thái ổn định và không ổn định Dộ chính xác của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào việc phân chia số phân tử, phân từ nhỏ cé thể giảm số phương trình và thời

giam tính toàn nhưng lại cho kết quả 06 độ

lớn lại tăng số phương trinh và thời gian tỉnh toàn Do đó, số phân tứ cần được lựa

chọn một cách phủ hợp đâm bảo đồng thười độ chính xác và thời gian tính toán

vật liệu như hệ

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

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

sử dụng như: phương pháp điểm nit [56], phương pháp mạch điện Lương đương |Š7|

Tai phương pháp này đều xuất phát từ phương pháp giải tích trực tiếp vả 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 dựng đề mô lä quả trình truyền nhiệt cho vĩ chấp hành điện nhiệt chữ V, phương pháp sai phân hữu han co ưu điểm nỏi trội ở chỗ: phù hợp với tinh toan sé, có thể kế dén sự thay déi phi tuyển của các tỉnh chất vật liệu theo nhiệt độ, có độ chính xác khá cao Do đó, phương,

pháp sai phân hữu hạn được lựa chọn đề xác định phản bố nhiệt, sự thay đối nhiệt độ

theo thời giam trên dim chit V,

chương 3 va chương 4 của luậ

lực đấn nở nhiệt và chuyển vị của thanh diy trong

an

Vin dé an tuàn nhiệt va mat ôn định đọc dầm

Để vi chấp hành diện nhiệt chữ V cho lực dân và chuyên vị lớn cần tăng điện ap

chế tạo vi chấp hành thường tên tại một giới hạn nhiệt độ nhất định, nêu vượt qua

20

nhiệt độ ngưỡng thì độ bên của vật liệu giảm hoặc bị nóng chảy Do đó, điều kiện an

†oản nhiệt có ý nghĩa rật quan trọng nhằm tránh làm hỏng thiết bị trong quả trình vận

trành và lăng tuổi thọ phục vụ của thiết bị Trong [58] các tác giả

hệ phi tuyến biển đang-chuyên vị vả công thức tỉnh ứng suất lớn nhất trên đâm, từ đó

xáo định nhiệt độ và điện áp giới hạn đề tránh hiện tượng phát sinh biến dạng đo

Trong [47] các láo giả cũng đã đưa ra giới hạn nhiệt độ để tính toàn thiết kế vĩ mô lợi tịnh tiên dẫn động, vị chấp hành diện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng, quá nhiệt Van dé an toàn nhiệt cho tay gắp khi thao tác với các mẫu vật đã được xác định trong

[59] đề giãm nhiệt độ cho tay gấp tác giả đã để xuất giải pháp tích hợp các cánh tan

nhiệt trên thanh đây

Hình 1.14 Hiện tượng mấi ẩn định doc truc dam

it An định dọc trục đầm như mô tả trên Hình 1.14 sẽ làm giảm khả năng

đẫn động và giảm chuyển vị trong quá trinh làm việc của vi chân hành điện nhiệt kiến

chữ V Trong quá trình thiết kế và đo đạc thục nghiệm vì mổ lơ quay đẫn động bằng

vi chấp hành V-shaped ]60|, vân dẻ mắt ổn định dâm dã được dưa ra dễ dánh giả khả năng làm việc của thiết bị Khi thiết kế va đo dạc hệ định vị micro sử dụng ví chấp thành chữ V [61], van dé ip khi dinh gia chal Iucmg chuyển vị của hệ thông Trong thiết kế thiết bị kiểm thử vật liệu nano [62], ổn định dọc đâm là

một trong những tiểu chuẩn được dùng trong quả trinh tỉnh toàn thiết kế nhằm tăng

khả năng gia tải cho mẫu vật Tuy nhiên, các công bố này chủ yêu tập trung vào hiện

tượng mất ôn định theo phương vuông góc với mặt phẳng cdu Inic (out-of-plane) cho

loại vi chấp hành chế tạo bằng phương pháp phú bề mặt eö chiều dày nhỏ hơn chiều

rộng dâm Thêm vào đỏ, môi quan hệ giita các điện áp giới hạn theo điển kiên mat ồn

đình cơ và an Loàn nhiệt chưa có công bộ nào để cập đến một cách rố ràng,

như chiêu dài và chiều rộng theo điều kiện an toán nhiệt và theo điều kiện mất ôn

định đọc dâm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng cầu trúc) đối với vì chấp hành chữ

V được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS; Xây dụng quan hệ giữa các kích thước

đầm theo điều kiện an toàn cho vị chấp hành khi làm việc trong điều kiện tái lớn hoặc

qua tai (điện áp giới hạn theo điều kiện ấn định cơ nhỏ hơn điện áp giới hạn theo điều kiên an toàn nhiệU

Cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước đầm

Vẫn đề tôi tm kích thước dâm cho vị chấp hành điện nhiệt chít V là một ý tưởng,

nghiên cửu đã được nhỉ ¿đến trong các công bố của mình Mục đích e

tôi ưu chính là từn một hoặc một số bộ kích thước nhằm thôa mân một hoặc một

chỉ tiến như chuyến vị lớn nhất, lực dẫn lớn nhật, kích thước nhỏ nhất Trong đó chỉ

21

tiêu chuyển vị lớa nhất cỏ ÿ nghĩa rất lớn đối với việc giám điện áp dẫn cũng như

gidm công suất tiêu thụ của vi chấp hinh

Chính vì vậy, vẫn đề cải thiện chuyến vị của vi chap hanh điện nhiệt chít V là một

trong những chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cửu trong lĩnh vực MEMS Để tăng chuyển vị của “cánh tay” trong thiết bị an toàn nhiệt (safcty-and-

anming device), cáo cảnh tay đòn đã được sử dụng nhằm khuếch đạt chuyển vị của các

vi chấp hành [46] Mêt loại vị chấp hành kết hợp từ hệ gồm bón cặp đắm chữ V và một

tộ đâm chữ Ư với mục dich tăng chuyển vị và giảm công suất đã duợc đẻ xuất trong

công bố [63] Ý tưởng sử dụng vật liệu SU-8 để chế tạo vi chấp hành điện nhiệt chữ V

din déng vi tay gắp nhằm giảm điện áp và chuyển vị lớn đã được giới thiệu trang các

tải liệu [64], [65] Hod

3D dễ có thể tạo ra các vị chấp hành từ vật liệu là kim loại có diện trở suất thập và din

nở nhiệt lớn như trong [66] Nhược điểm của đẻ xuất thêm cánh tay đòn và kết hợp với đầm chữ U sẽ làm tăng kích thước của hệ thống, côn việc sử dụng vật liệu mới và cỗi tiền quy trinh hoặc áp dụng quy trình mới sẽ lảm tăng giá thành săn phẩm

sé nghiên cửu trang thời gian gân đây Với mục đích tăng độ bên cho vi chấp hành

tại chuyển vị lớn thông qua giãm ứng suất tập trung, một bộ vị chấp hành chữ V đã được tôi ưu kích thước bằng thuật toán gien dị truyền (GA - Genetic Algorithm) dược trình bảy trong cổng bố [67] Thuật toán bẩy đản (PSO - Đarticle Suarming Ôptừnafion) cũng đã được áp đụng để tối ưu kích thước đâm theo trục tiêu piểm thiểu nhiệt truyền ra môi trường như trong công bổ [68] Tuy nhiên, càc công bổ nảy chỉ

sử dựng các rô hình truyền nhiệt tương đối đơn giản, chưa kê đến tính phi tuyên của

vật liêu cũng như chưa có các ràng buộc theo điều kiện bên nhiệt và ốn định cơ Điều

nay sé gidi hạn khả năng ứng dụng của các vì chấp hành đã được tối ưu trong những

thiết bị có yêu cầu cao về điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ Do đó, luận án sẽ sử đụng thuật toản tối ưu bây dan xác định bộ kich thước đảm hop ly vita cho chuyên vi Ton nhất đồng thời thỏa mãn điều ki

một số ưu diễm như ít tham số, hội tụ nhanh vả phù hợp với mô hình toán và yêu cau

của bài toán tối ưu mà luận án để ra

e) Tình hình nghiên cứu trong nước

Luận án tiên sĩ của tác giá Nguyễn Tiên Dũng [72] là một công trình tiêu biểu liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt chữ V Trong đó, tác giả đã để xuất thiết kế câu trúc

và hệ điều khiển vi động cơ quay dẫn động bằng vi chấp hành chữ V Để xác định sự

22

phân bỏ cũng như đáp ứng nhiệt độ trên dim tác giá đã sử dụng mô hình giải tích, sứ

đụng hệ phương trình trạng thái và kết hợp mê phỏng bằng mồ đun SIMSCATE trong

MATT.AB Vĩ động cơ đã được chế tạo lành công và qua thí nghiệm đo đạc đã chứng

minh vị mỏ tơ có thể hoạt động tốt khi đặt điện áp và tân số thích hop

hư vậy, các nghiên cứu trong nước về vị chấp hành loai EVA con khá hạn chế, đặc biệt là các nghiên cửu chuyên sâu về ảnh hướng của các thông số kích thước đến

chất hượng làm việc cũng như cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng, làm việc

1.4 Tháo luận vá đánh giá

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

vi chap hanh mà luận án tập trung nghiên cửu Việc tổng hợp, khái quát và so sánh các công trình đã công, bố được trình bảy tóm tắt như trong băng sau:

Bảng 1 2 Tông hạp các công bổ liên guan đến vẫn đề nghiên cửa của luận án

Vi chấp hành fnh điện răng lược

R _ Legtenberg | Giam 46 cine & ting chuyén vi va I1 giảm điện áp Tuy nhiên, giảm lực

5 Gupla [10] — | hỏi phục, độ nhạy và tink én định

Tác lĩnh điện lăng gấp đổi Tuy nhiên lựo thay đối phí luyển theo

Nội dụng

Cái tiễn câu

mạ [DEN dang sing „an ng" | rang tue đầnvàchuyễnvị, nhưng

omg 148 | nhiều đoạn khác „ỐC ”—_ | lực thay đổi đột ngột tại các đoạn

lược Hoa của nhau Kang [21], tao [23] tê p giáp đễ xảy a ra mất én at an dink

Biền dang răng lược đặc biệt như: Harouhe [73], nhiều bậc, răng Jensen [15]

Cho chuyển vị dạng bước và tự khỏa Tuy nhiên ứng đựng han chế, Tực đạng xung đễ mài én định

tuyến độ cứng lực 1 Han |29j

tĩnh điện

ECA

Hoàn thiện lý thuyết về ứng xử

động lưo học của ECA có kế đến

tính phí tuyến

23

Tông cao độ | tình phụ đã điều POFOViEISĐ] — Í trước và độ phức tạp chúng của hệ ổn dịnh của | Matt end khiến thống i

Cho phép xác định quy luật ánh hưởng của các tham số kích thước cũng như vật liễu, đự đoán nhiệt

độ, lực và chuyển vị

Tuy nhiên chỉ phù hợp khi các hệ

số vật liệu là hằng sổ, tuyển tỉnh và khoảng nhiệt đô không quá lớn

Mô hình truyền

Có thể kế đến sự phi tyễn của các

tính chất vật liệu, cho quy luật

EVA NHệt dang sa: C-D.L©f[54L, | phân bổ nhiệt chỉnh xác hơn Tuy

hân hữu hạa ‘T.Shan[55] | nhiên đô chinh xác phụ thuộc số

trình

nh đến tương 5 anew Zale | Pháp ei tich trực tiếp Nhưng khó

đương (sal tinh toàn khi kể đến tính phí tuyến

của vật liệu

Vấn để an|Antoàntheonhiệt Malonsy|47| | Cho phép xác định ngưỡng làm

toàn nhiệt | độ lớn nhất cha Lnikov [58], việc cho ¿VA nhằm tránh cháy

và mất ổn EVA Shivhare [59] đầm do quá nhiệt

định - đợc | s„ gu đọc mục 1Š Park[S0], | trámhhiệntượngmátễn địmhdäm dâm - chơ làn, 8 Oak [61], | khitảilớn, từ đó tăng khả năng tải

a nen ket đều Y.7hao|46|, |Tăng đảng kể chuyển vị nhưng

nem Sani fay don Khazaai [63] tăng độ phức tạp và kích thước bệ