nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa MEMS Micro Electro Mechanical System – Hệ vi cơ điện tử MST Microsystems Technology – Công nghệ vi hệ thống µ-TAS Mi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đặng Bảo Lâm

NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN

CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Tất cả các số liệu và kết quả

nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình

nghiên cứu nào khác

Nghiên cứu sinh

Đặng Bảo Lâm

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của các thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng và PGS.TS Phạm Hồng Phúc Ngoài những chỉ dẫn, định hướng về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tưởng của các thầy luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say mê trong nghiên cứu Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với các thầy giáo hướng dẫn

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ môn Cơ sở thiết kế Máy và Robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Các thầy, các đồng nghiệp trong bộ môn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo môi trường thuận lợi, tích cực cho nghiên cứu, thực hành, cũng như đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng trong thời gian tác giả thực hiện luận án

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS Đào Việt Dũng, phòng thí nghiệm các thiết

bị tích hợp micro nano MiNIDeL, trường đại học Ritsumeikan, Nhật Bản vì sự hỗ trợ nhiệt tình và những đóng góp chuyên môn quý báu

Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, mẹ, vợ và con trai, những người luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 VI ĐỘNG CƠ 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Vi động cơ và các phương pháp phân loại 7

1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) 9

1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10

1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 13

1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 18

1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 18

1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ 20

1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) 21

1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện 21

1.5.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện 23

1.6 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor) 25

1.6.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện 26

1.6.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện 28

1.7 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình SMA 30

1.8 Phân tích và kết luận chương 1 31

CHƯƠNG 2 BỘ KÍCH HOẠT TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG VIỀN 37

2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 37

2.1.1 Tụ điện 37

2.1.2 Lực pháp tuyến 38

2.1.3 Lực tiếp tuyến 40

2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích hoạt/chấp hành kiểu răng lược 41

2.3 Hiệu ứng viền 42

2.3.1 Hiệu ứng viền 42

2.3.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ điện có xét hiệu ứng viền 44

2.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện kiểu răng lược 45

2.3.4 Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 48

2.4 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC VI ĐỘNG CƠ QUAY 53

3.1 Vi động cơ quay kiểu 1 53

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 53

3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng 55

3.1.3 Đánh giá phương án 60

3.2 Vi động cơ quay kiểu 2 62

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 62

3.2.2 Phân tích lực và mô phỏng 64

3.2.3 Đánh giá phương án 68

3.3 Vi động cơ quay kiểu 3 69

3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 69

3.3.2 Phân tích lực và mô phỏng 72

3.3.3 Đánh giá phương án 75

3.4 Kết luận chương 3 77

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 78

4.1 Giới thiệu 78

4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi động cơ 79

4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit 79

4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế: 81

4.3 Thiết lập quy trình gia công 82

4.3.1 Bước chuẩn bị 83

4.3.2 Quá trình quang khắc 84

4.3.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE 85

4.3.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching) 87

4.4 Tóm tắt quy trình chế tạo 89

4.5 Xử lý, đánh giá kết quả 95

4.5.1 Kết quả thu được 95

4.5.2 Các bước tiến hành đánh giá kết quả 97

4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1 97

4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2 99

4.6 Kết luận chương 4 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

KẾT LUẬN 103

KIẾN NGHỊ 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa

MEMS Micro Electro Mechanical System – Hệ vi cơ điện tử

MST Microsystems Technology – Công nghệ vi hệ thống

µ-TAS Micro Total Analysis System – Hệ phân tích tổng hợp kích cỡ micro LOC Lab-on-a-chip – Phòng thí nghiệm trên chip

IC Integrated Circuit – Mạch tích hợp

ECA Electrostatic Comb-drive Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh

điện răng lược GCA Gap Closing Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành khe hở đóng

TRA Torsional Ratcheting Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành răng cóc

dạng xoắn SDA Scratch Drive Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng cào

VTA V-shape electroThermal Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt

dạng chữ V DRIE Deep Reactive Ion Etching – Ăn mòn Ion hoạt hóa sâu

LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Abformung – Công nghệ LIGA

FE Fringe Effect – Hiệu ứng viền

SOI Silicon on Insulator – Phiến silic kép (lớp silic linh kiện trên lớp điện

môi) EDM Electro Discharge Machining – Gia công tia lửa điện

LSM Linear Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ tịnh tiến

LRM Reluctance Stepping Motor – Động cơ bước kiểu từ trở

IDM Impact Drive Mechanism – Cơ cấu dẫn động bằng xung

SIDM Smooth Impact Drive Mechanism - Cơ cấu dẫn động bằng xung nhỏ SAW Surface Acoustic Wave – Sóng âm bề mặt

RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến

SMA Shape Memory Alloy – Hợp kim nhớ hình

MRM Micro Rotational Motor – Vi động cơ quay

SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét

Ký hiệu Giải thích ý nghĩa

0 độ điện thẩm chân không: 0 = 8,854.10-12 (Fm-1)

 hằng số điện môi của không khí:  = 1

0 khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ

C điện dung tụ điện lý tưởng

A diện tích trùng nhau của hai bản cực

V hiệu điện thế giữa hai bản tụ

Ec năng lượng điện trường sinh ra giữa hai bản tụ

EB năng lượng của nguồn

Fn, Ft lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa hai bản tụ

Ctb điện dung thực của tụ điện

Ce điện dung thực của tụ điện xét đến hiệu ứng viền

Fne lực tĩnh điện pháp tuyến xét đến hiệu ứng viền

Fte lực tĩnh điện tiếp tuyến xét đến hiệu ứng viền

kdn độ cứng của dầm hai đầu ngàm

Fes lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lược

Fel lực đàn hồi cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi)

Ff1 , Ff2 , Ff3, Ff4 các lực ma sát

Fa lực đàn hồi của lẫy chống đảo

Fs lực đàn hồi lớn nhất của lò xo cơ cấu dẫn động

Q hợp lực theo phương y trên cơ cấu dẫn động

Far lực tác dụng của cơ cấu chống đảo chiều lên vành răng

Fsp lực đàn hồi lớn nhất của lò xo khi răng cóc của thanh dẫn trượt qua đỉnh

răng của vành răng ngoài

FN áp lực trên bề mặt răng cóc

M mô men với tâm quay của vành răng cóc

n số răng lược di động của mỗi bộ vi kích hoạt/chấp hành

b chiều dày của các răng lược

V và Vmin điện áp dẫn và điện áp dẫn cực tiểu

fm hệ số ma sát tĩnh giữa bề mặt silicon–silicon

E mô đun đàn hồi Young của silicon

I mô men quán tính của tiết diện mặt cắt ngang của tay đòn chống đảo

L chiều dài dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V

m2 khối lượng của thanh răng cóc dẫn

m3 khối lượng của vành răng ngoài

d chuyển vị của răng cóc dẫn

i số bước răng cóc trong một lần dẫn động

kp độ cứng của cổ dầm đàn hồi cơ cấu dẫn động

kar độ cứng của dầm cơ cấu chống đảo chiều

z số răng cóc trên vành răng

nlt tốc độ lý thuyết của vi động cơ

b chiều rộng của dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V

k hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/µmK)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số loại vi động cơ tịnh tiến 31

Bảng 1.2 Một số loại vi động cơ quay 33

Bảng 1.3 Các hiệu ứng dẫn động 34

Bảng 2.1 Chuyển vị lý thuyết bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 50

Bảng 2.2 Chuyển vị do mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 50

Bảng 2.3 Chuyển vị đo đạc bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 51

Bảng 3.1 Liên hệ giữa lực Q với số bước răng cóc trong một lần dẫn động 74

Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất yêu cầu Vmin (V) giữa các loại mô tơ 77

Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 98 Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 100

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian 6

Hình 1.2 Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện 8

Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động 9

Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động 9

Hình 1.5 Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10

Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle) 11

Hình 1.7 Vi động cơ dạng sâu đo kiểu tĩnh điện 12

Hình 1.8 Vi động cơ dạng sâu đo hoạt động nhờ thanh dẫn 12

Hình 1.9 Vi động cơ MLM 13

Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bước kiểu tĩnh điện 14

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc 14

Hình 1.12 Các phương án bố trí rotor và stator 15

Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator 16

Hình 1.14 Vi động cơ TRA 16

Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép 17

Hình 1.16 Vi động cơ SDA 18

Hình 1.17 Vi động cơ LSM 19

Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 19

Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ 20

Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc 20

Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V 22

Hình 1.22 Vi động cơ dạng sâu đo với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V 22

Hình 1.23 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm” 23

Hình 1.24 Vi động cơ quay với các cơ cấu compliant dẫn động 24

Hình 1.25 Vi động cơ quay kích thước 1mm3 24

Hình 1.26 Vi động cơ bước kiểu nhiệt điện 25

Hình 1.27 Vi động cơ tịnh tiến áp điện IDM 26

Hình 1.28 Vi động cơ tịnh tiến áp điện SIDM 27

Hình 1.29 Vi động cơ tịnh tiến dạng sóng âm SAW 28

Hình 1.30 Vi động cơ quay dạng sóng âm SAW 28

Hình 1.31 Các phương án vi động cơ quay dạng sóng âm SAW 29

Hình 1.32 Vi động cơ quay dạng sâu đo 29

Hình 1.33 Vi động cơ tịnh tiến SMA 30

Hình 1.34 Vi động cơ quay dẫn động bằng vi khuẩn M.mobile 31

Hình 2.1 Tụ điện 37

Hình 2.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ 38

Hình 2.3 Sơ đồ tính lực pháp tuyến và tiếp tuyến hai bản tụ song song 39

Hình 2.4 Bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược ECA 41

Hình 2.5 Mô hình tính toán bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 42

Hình 2.6 Phân bố đường sức điện trường trong tụ phẳng song song 43

Hình 2.7 Tiết diện cắt ngang của một số loại cấu trúc tụ điện 43

Hình 2.8 Lực pháp tuyến khi xét hiệu ứng viền 45

Hình 2.9 Lực tiếp tuyến khi xét hiệu ứng viền 45

Hình 2.10 Sai số tương đối điện dung tụ điện khi thay đổi tỉ số a/δ 46

Hình 2.11 So sánh lực tiếp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền 47

Hình 2.12 So sánh lực pháp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền 47

Hình 2.13 Kết cấu dầm tính toán 48

Hình 2.14 Tìm nghiệm đầu bằng phương pháp hình học 49

Hình 2.15 Mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 50

Hình 2.16 Ảnh SEM bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 51

Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 51

Hình 3.1 Cấu tạo vi động cơ kiểu 1 53

Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược và cơ cấu truyền chuyển động 54

Hình 3.3 Cơ cấu truyền chuyển động 54

Hình 3.4 Cơ cấu chống đảo chiều 55

Hình 3.5 Phân tích lực trong kỳ dẫn động 56

Hình 3.6 Mô phỏng độ cứng cổ dầm mang các răng lược tĩnh điện 56

Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị 59

Hình 3.8 Cấu tạo vi động cơ kiểu 2 62

Hình 3.9 Cơ cấu truyền chuyển động (vị trí ban đầu) 63

Hình 3.10 Cơ cấu truyền động (vị trí làm việc) 63

Hình 3.11 Quá trình làm việc của cơ cấu truyền động 64

Hình 3.13 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 66

Hình 3.14 Mô phỏng độ cứng lò xo 67

Hình 3.15 Cấu tạo vi động cơ kiểu 3 69

Hình 3.16 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động kiểu 3 70

Hình 3.17 Cơ cấu truyền động sau khi chân lẫy được “khóa” 70

Hình 3.18 Hoạt động của ECA và cơ cấu truyền chuyển động 71

Hình 3.19 Các lực trong quá trình dẫn 72

Hình 3.20 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 73

Hình 3.21 Mô phỏng độ cứng của lò xo và cổ dầm dẫn động 74

Hình 4.1 Thiết kế vi động cơ kiểu 1 79

Hình 4.2 Cơ cấu chống đảo 80

Hình 4.3 Thiết kế vi động cơ kiểu 2 80

Hình 4.4 Thiết kế vi động cơ kiểu 3 81

Hình 4.5 Vành răng cóc dạng lưới các nan có chiều dày tối đa wmax=8µm 81

Hình 4.6 Khe hở tối thiểu 82

Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các mô tơ 83

Hình 4.9 Quá trình quang khắc 84

Hình 4.8 Phiến silic kép SOI 84

Hình 4.10 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI 85

Hình 4.11 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 87

Hình 4.12 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 88

Hình 4.13 Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 88

Hình 4.14 Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan 91

Hình 4.15 Hệ thống máy quang khắc tại ITIMS 91

Hình 4.16 Sơ đồ bố trí hệ ăn mòn hơi HF 94

Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1 95

Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2 96

Hình 4.19 Vi động cơ quay kiểu 3 96

Hình 4.20 Chip được kích điện, đo đạc và quay phim thông qua kính hiển vi 97

Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 1 98

Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 99

Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 2 100

Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, Vi Cơ Điện tử - MEMS là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển mạnh mẽ Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ (micro motor) cùng với các micro robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu được dùng để vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ

vi phân tích tổng hợp (-TAS), hệ phân tích sinh hóa… Để tạo ra chuyển động, có thể sử dụng nhiều hiệu ứng như hiệu ứng từ, nhiệt, áp điện và tĩnh điện Trong đó, hiệu ứng tĩnh điện có thể tạo ra chuyển động đẳng hướng một cách đơn giản và hiệu quả nhất Đã có khá nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các vi động cơ kiểu tĩnh điện và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở nước ta, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài năm gần đây Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ 21 là đưa các thiết bị, máy móc,

hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro hoặc nano vào nghiên cứu, sản xuất cũng như ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính của các thành phần chính của các vi hệ thống như vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của toàn bộ hệ thống Tuy nhiên cho đến nay, đa phần các công trình nghiên cứu về các vi cơ cấu cũng như các vi động cơ đều được tiến hành rải rác, chưa có hệ thống, chủ yếu chỉ trong các trường hợp cụ thể nhằm phục vụ cho các đối tượng cụ thể Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử” để thực hiện luận án

Đối tượng nghiên cứu

Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện (rotational electrostatic micro motors) được chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micro machining technology)

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu một cách có hệ thống về các loại vi động cơ có khả năng ứng dụng trong các

hệ micro robot, hệ vi vận tải và vi lắp ghép… từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược (electrostatic comb-drive actuators)

Thiết kế và chế tạo các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện Đo đạc, đánh giá đặc tính một số động cơ từ các thiết kế được chọn

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm công nghệ Để đạt được các mục tiêu đề ra, các bước nghiên cứu, tính toán, thiết kế sau sẽ được tiến hành:

- Vận dụng các kiến thức về cơ học, vật lý, lý thuyết cơ cấu, thiết kế máy … để tính toán, thiết kế các vi động cơ

- Sử dụng các phần mềm thiết kế chuyên dụng như AutoCad, L-Edit để thực hiện thiết kế sơ bộ Bản thiết kế được hoàn thiện, các kích thước được kiểm nghiệm bằng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS

- Các vi động cơ được chế tạo bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn và thông dụng như công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học …

- Đo đạc, đánh giá đặc tính của các sản phẩm được chế tạo Phân tích, so sánh với các kết quả tính toán và mô phỏng

Ý nghĩa của luận án

Nghiên cứu một cách có hệ thống về các vi động cơ, qua đó lựa chọn đối tượng nghiên cứu phù hợp với tình hình nghiên cứu, phát triển của ngành Công nghệ Vi cơ điện tử tại Việt Nam

Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lược

Thiết lập quy trình chế tạo cho các vi động cơ, trong đó chỉ sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn

Những kết quả mới của luận án

Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng viền (fringe effect) trong các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược cũng như trong các vi động cơ có sử dụng các bộ

vi kích hoạt/chấp hành đó

Thiết kế, chế tạo thử ba loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều, cũng như đề xuất vi động cơ kiểu tĩnh điện - nhiệt điện có thể quay hai chiều Các vi động cơ đều được chế tạo với cùng một quy trình, sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn Việc ứng dụng công nghệ gia công vi cơ khối trên phiến silic kép (SOI wafer) cho phép tăng tính chính xác, giảm giá thành khi chế tạo, đồng thời tăng công suất truyền lực của các vi động cơ so với các vi động cơ được chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt

Luận án được trình bày trong bốn chương, tập trung lần lượt vào các nội dung về nghiên cứu tổng quan về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện và hiệu ứng viền, tính toán, thiết kế ba loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lược và thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các sản phẩm Nội dung cụ thể của các chương như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về vi động cơ Tác giả đưa ra các phương pháp phân loại

một cách có hệ thống các vi động cơ, đồng thời, cũng đưa ra các nhận xét, đánh giá để từ

đó lựa chọn đối tượng nghiên cứu phù hợp

Chương 2 trình bày vắn tắt về lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trong các bộ vi kích

hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược Ảnh hưởng của hiệu ứng viền lên hoạt động của các bộ vi kích hoạt/chấp hành được phân tích cụ thể thông qua các minh chứng thu được từ tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế

Chương 3 giải quyết các bài toán về cấu trúc, động học và lực của các loại vi mô tơ quay

sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược có khả năng ứng dụng trong các

hệ vi robot, hệ vi vận tải và lắp ghép…, nhằm thỏa mãn các tiêu chí sau: độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, có tính mođun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, có thể sản xuất hàng loạt, tiêu hao ít năng lượng Trong các vi động cơ được thiết kế, có thể coi các vi động cơ kiểu hai và kiểu ba là phiên bản hoàn thiện của vi động cơ quay một chiều kiểu thứ nhất

Chương 4 có phần đầu trình bày việc xây dựng bản vẽ chế tạo bộ mặt nạ (MASK) bằng

phần mềm L-Edit Các bản vẽ hệ thống động cơ được xây dựng dưới dạng mô đun và lớp,

có tính kế thừa, giúp cho việc sửa chữa và cải tiến được thuận tiện Việc xây dựng bản vẽ

tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của công nghệ MEMS Qui trình chế tạo vi động cơ bằng phương pháp gia công vi cơ khối là một qui trình chuẩn, dễ làm và độ ổn định cao, đồng thời đảm bảo độ chính xác Sau khi chế tạo thành công, tác giả cũng tiến hành phân tích, đánh giá đặc tính của một số vi động cơ

Phần cuối cùng là kết luận và kiến nghị của luận án Trong đó, ngoài việc trình bày các kết quả thu được, tác giả đưa ra đề xuất thiết kế vi động cơ với rotor có thể quay hai chiều hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược và các bộ kích hoạt/chấp hành nhiệt điện chữ V (V-shaped electrothermal actuator)

vi cơ điện tử đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

“Hệ thống vi cơ điện tử - MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp các vi cảm biến (sensors), bộ vi kích hoạt/chấp hành (actuators) và các vi mạch điện tử (micro electronic circuits)” [4]

Hoặc theo Lyshevski [5]:

“Hệ thống vi cơ điện tử là hệ thống tích hợp có kích cỡ micro được sản xuất hàng loạt (batch-fabricated) với các phần tử là các bộ vi kích hoạt/chấp hành, các bộ vi cảm biến, các bộ vi mạch điều khiển và xử lý tín hiệu (controlling/processing IC), các thiết bị truyền năng lượng kích cỡ micro (radiating energy microdevices) để:

1 chuyển đổi các tín hiệu điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu vào thành các tín hiệu điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu ra và ngược lại;

2 thực hiện các chức năng như cảm biến, kích hoạt …

3 đảm nhận nhiệm vụ điều khiển, phân tích dự báo, xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu thông qua các phần tử điện cơ, điện tử, quang học và sinh học kích cỡ micro

Chúng ta có thể gặp những ứng dụng của công nghệ Vi cơ điện tử - MEMS ngày càng nhiều trong mọi lĩnh vực của cuộc sống Trong công nghiệp, các sản phẩm Vi cơ điện tử

được ứng dụng trong robot, các hệ thống sản xuất linh hoạt, các thiết bị đo lường, kiểm tra… Trên hình 1.1 là đồ thị về độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian [6]:

Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian

Trên đồ thị 1.1 có thể thấy cùng với độ chính xác đo đạc, độ chính xác trong gia công cũng ngày một tăng cao, từ khoảng milimét trong những năm đầu thế kỷ 20, đến đầu thế kỷ 21, các sản phẩm được gia công đôi khi có độ chính xác đến hàng thập phân của micromét Đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, số lượng các cảm biến MEMS như các cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến đo áp suất… được trang bị trong một chiếc ô tô hiện đại ngày càng tăng [7] Trong lĩnh vực viễn thông, có thể gặp các sản phẩm MEMS trong các thiết bị di động, hệ thống ra đa … Các sản phẩm MEMS cũng có ảnh hưởng lớn đến ngành công nghiệp chế tạo vũ khí cũng như thám hiểm vũ trụ Một trong các địa chỉ ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự hoặc dân sự Công nghệ vi cơ điện tử cũng được

sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày như trong các thiết

bị nghe nhìn, máy tính, máy in …

Công nghệ y sinh cũng là lĩnh vực không thể thiếu khi nhắc đến ứng dụng của công nghệ

vi cơ điện tử Lý do chính là vì sự tương thích về kích cỡ của các linh kiện MEMS với các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng, nghiên cứu trong y học cũng như sinh học Công nghệ MEMS thường được sử dụng trong các thiết bị đo huyết áp, thiết bị nội soi, cũng như trong các hệ phân tích máu và các mẫu sinh học kích cỡ micro khác… Sản phẩm tiêu biểu

Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian

(Micromechatronics – Uchino K., Giniewicz J.)

có thể nhắc tới ở đây là các “hệ phân tích tổng hợp kích thước micro” (Micro total analysis system - µTAS) hay “phòng thí nghiệm trên chip” (Lab-on-a-chip – LOC)

Đi cùng các hệ µTAS nói riêng cũng như các hệ vi cơ điện tử nói chung là các hệ vi vận

tải, vi lắp ráp và các micro robot với chức năng vận chuyển và lắp đặt các vi mẫu đến những vị trí yêu cầu Để thực hiện những công việc đó, cụ thể là để tạo ra các chuyển động như mong muốn, chúng ta phải thiết kế những động cơ và các bộ kích hoạt/chấp hành có kích thước tương ứng Đây là lý do tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, thiết kế các vi động

cơ quay có khả năng ứng dụng trong các hệ micro robot để thực hiện trong luận án của mình

1.2 Vi động cơ và các phương pháp phân loại

Trong thế giới vĩ mô (macro world) chúng ta đang sống, các động cơ đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hàng ngày Chúng ta gặp các động cơ từ các thiết bị gia dụng trong nhà, trên các phương tiện vận tải trên đường đến công sở, đến các máy móc,

thiết bị trong các nhà máy, cơ sở nghiên cứu Theo Polka [8] động cơ là “thiết bị dùng để

chuyển đổi các dạng năng lượng như điện, nhiệt, từ, hóa … sang năng lượng cơ học để tạo

ra chuyển động - quay hoặc tịnh tiến”

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành công nghệ Micro và Nano,

việc nghiên cứu, chế tạo các động cơ kích thước micro – còn gọi là các vi động cơ đã trở

thành yêu cầu cấp thiết Cùng với các bộ vi kích hoạt/chấp hành, các vi động cơ là nguồn dẫn động cho các thiết bị MEMS, các micro robot, cũng như các hệ vi vận tải và lắp ráp…

Vi động cơ được định nghĩa là loại động cơ kích thước cỡ micromét có chức năng chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…), hóa học, sinh học … thành chuyển động cơ học (thẳng hoặc quay) dùng trong dẫn động các vi hệ thống

Điểm khác biệt lớn trong việc thiết kế các vi động cơ so với các động cơ thông thường nằm

ở kích thước hệ thống và hình thức liên kết giữa động cơ và hệ thống mà nó dẫn động Đối với các động cơ trong thế giới vĩ mô, trong nhiều trường hợp, thành phần không thể thiếu dùng để liên kết động cơ cùng hệ thống được thiết kế là hộp giảm tốc Các hộp giảm tốc có nhiệm vụ thay đổi vận tốc về mức vận tốc làm việc cũng như tăng mômen xoắn Trong thế giới vi mô, khi các kích thước được tính theo micro hay nanomét, việc chế tạo các hộp giảm tốc bao gồm các bánh răng lắp trên trục trở nên vô cùng khó khăn và tốn kém Vấn đề nan giải khác là làm thế nào để kết nối giữa các vi động cơ với các vi hệ Các biện pháp sử dụng khớp nối trục, vốn thông dụng trong các loại máy móc, sẽ không thể sử dụng được

trong những hệ thống với kích thước tính theo micromét Từ các nguyên nhân đó, có thể thấy các vi động cơ cần được thiết kế với cách tiếp cận khác, để có thể dễ dàng tích hợp với các thiết bị kích cỡ micro

Minhang Bao trong [4] có đề cập đến vi động cơ đầu tiên là vi động cơ bước kiểu tĩnh điện được thiết kế bởi Tai và Muller [9] Trong vi động cơ này, rotor sẽ quay theo bước tùy theo điện áp dẫn được đặt lên cực nào của stator (hình 1.2)

Hình 1.2 Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện

Tuy nhiên, khi xét đến các vi động cơ tịnh tiến, từ năm 1969 Joyce và Wilson đã giới thiệu động cơ bước kiểu áp điện có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến hai chiều với các bước chuyển động dao động trong khoảng 0,15 m và sai số vị trí ở mức 0,01 m [10] Trong [11], vào năm 1987, Trimmer và Gabriel đã đưa ra các đề xuất thiết kế và thực hiện mô phỏng hoạt động của các vi động cơ kiểu tĩnh điện quay hoặc tịnh tiến ở điện áp dẫn 100

V Từ những công trình đầu tiên nghiên cứu về vi động cơ cho đến nay, đã có thêm rất nhiều vi động cơ được thiết kế, chế tạo và ứng dụng Để có một cái nhìn tổng quát, có hệ thống về các vi động cơ, điều tất yếu là phải tiến hành phân loại chúng

Phương pháp phân loại đầu tiên dựa trên dạng chuyển động mà vi động cơ tạo ra Theo phương pháp này đối tượng nghiên cứu sẽ được chia thành các vi động cơ quay (rotary/rotational micro motor) và các vi động cơ tịnh tiến (linear micro motor) (hình 1.3)

Có thể tiếp tục phân loại các vi động cơ quay thành các vi động cơ quay một chiều, quay hai chiều hoặc chỉ lắc qua lại một góc nhất định

Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động

Phương pháp phân loại thứ hai sẽ dựa trên hiệu ứng dùng để dẫn động vi động cơ Trong luận án, tác giả chỉ tập trung vào những hiệu ứng quan trọng mà đa số vi động cơ sử dụng Các hiệu ứng đặc biệt, ví dụ như các vi động cơ hoạt động dựa trên chuyển động của các vi khuẩn hay tế bào… sẽ được xếp chung vào một nhóm Có thể liệt kê các hiệu ứng thường được sử dụng là hiệu ứng điện từ (electromagnetic), tĩnh điện (electrostatic), nhiệt điện (electrothermal), áp điện (piezoelectric) và hiệu ứng hợp kim nhớ hình SMA (shape memory alloy) Hình 1.4 miêu tả phương pháp phân loại vi động cơ thứ hai:

Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động

Để đưa ra cái nhìn tổng quan về các vi động cơ, tác giả kết hợp hai phương pháp phân loại

đã trình bày ở trên

1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor)

Ngày nay, phần lớn các động cơ được sử dụng trong đời sống là các động cơ điện hoạt động theo nguyên lý điện từ Tuy nhiên trong thế giới vi mô, các vi động cơ kiểu tĩnh điện mới là loại động cơ được ứng dụng nhiều nhất Có thể liệt kê một số ưu điểm của các vi động cơ tĩnh điện như khả năng tạo thành điện trường với cường độ lớn do khoảng cách rất nhỏ giữa các bản cực (submicron air gap), dễ đạt được vận tốc làm việc lớn, dễ dàng chế tạo trên các tấm silic cũng như khả năng tích hợp mạch điều khiển ngay trên chip [12] Các

vi động cơ kiểu tĩnh điện đều sử dụng lực Coulomb tương tác giữa các bản cực để tạo ra chuyển động

1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Có thể liệt kê một số phương án thiết kế các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện, đó là các vi động cơ bước kiểu truyền thống (step motor), các vi động cơ sử dụng trực tiếp các lực tĩnh điện tạo ra biến dạng cơ học, qua đó thu được chuyển vị (shuffle motor) Cũng có thể sử dụng lực tĩnh điện một cách gián tiếp, ví dụ như trong các vi động cơ dạng sâu đo (inchworm motor) hoặc các động cơ dùng lực tĩnh điện bóp kẹp để tạo ra chuyển động tịnh tiến qua lại của thanh trượt

Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện: Các vi động cơ tịnh tiến dạng này không phổ

biến bằng các vi động cơ quay Nguyên nhân do để thu được hành trình lớn của thanh trượt (shuttle), phải bố trí nhiều cực cố định của stator theo phương trượt Điều đó làm tăng kích thước của hệ thống Trong [13], các tác giả giới thiệu vi động cơ bước 3 pha kiểu tĩnh điện, với hành trình của thanh trượt là 52 m ( 26 m) Hệ thống bao gồm hai thành phần chính là thanh trượt được liên kết với khung cố định bằng các cấu trúc đàn hồi và stator với các cực bố trí đối xứng hai bên thanh trượt (hình 1.5) Stator được nối với nguồn điện 3 pha, trong đó từng pha có thể được kích hoạt độc lập

Hình 1.5 Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Nhìn chung quy trình chế tạo phần khung và thanh trượt của vi động cơ tương đối đơn giản

do chỉ phải sự dụng công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu (DRIE) để tạo ra cấu trúc 3D, tuy

(1.5b) (1.5a)

nhiên việc chế tạo stator khá phức tạp vì phải tạo các lớp cách điện cũng như các cầu nối (interconnect) Vi động cơ hoạt động với bước chuyển động là 1,4 m và điện áp dẫn cỡ

30 V

Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle motor): Để tạo ra chuyển động tịnh tiến, trong

[14], Tas và nhóm nghiên cứu bằng cách điều khiển giữ cố định hoặc thả chân phía trước

và phía sau bản cực di động, sau đó sử dụng trực tiếp lực tĩnh điện tác động để làm biến dạng bản cực di động và tạo ra chuyển vị của bản cực di động trên bề mặt của bản cực cố định (hình 1.6) Vẫn trên nguyên lý làm việc đó, Sarajlic vào năm 2005 tiếp tục phát triển

để thiết kế vi động cơ kiểu tĩnh điện có thể chuyển động tịnh tiến theo hai hướng [15]

Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle)

Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Thay vì dùng các lực tĩnh điện tác động trực tiếp lên

thanh trượt, các vi động cơ dạng này sử dụng phương pháp gián tiếp Richard Yeh và các đồng nghiệp sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng răng lược ECA để tạo ra các cơ cấu kẹp và đẩy thanh trượt [16] Dưới tác dụng kẹp và đẩy của các lực tĩnh điện pháp tuyến, thanh trượt có thể chuyển động với hành trình 80 m Ở mức điện áp dẫn 33 V, lực sinh ra tương ứng là 260 N Trên hình 1.7 là sơ đồ hoạt động cũng như ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử của vi động cơ sau khi được chế tạo

Hình 1.7 Vi động cơ dạng sâu đo kiểu tĩnh điện

Trước đó khá lâu, từ năm 1997, Tas và đồng nghiệp đã giới thiệu vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện làm việc theo nguyên lý sâu đo [17] Được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, động cơ tạo ra lực 3 N tại điện áp dẫn 40 V

Hình 1.8 Vi động cơ dạng sâu đo hoạt động nhờ thanh dẫn

Vi động cơ kiểu sâu đo trong [18] có cấu trúc hoàn toàn khác với hai loại trước (hình 1.8), với cơ chế kẹp được thực hiện qua khả năng liên kết của giá trượt với thanh dẫn hoặc lớp nền, còn cơ chế dẫn động được thực hiện bởi thanh dẫn và các bản cực tạo ra lực tĩnh điện

Vi động cơ có thể đạt hành trình 5 cm với các bước chuyển động trong khoảng từ 0,05 mm đến 2 mm Trong công trình [19] công bố năm 2005, Sang Ho Kim và nhóm nghiên cứu sử

dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện xoắn để tạo ra lực đẩy thanh trượt Động cơ

có độ phân giải nano với hành trình 3 m và bước chuyển động nhỏ hơn 10 nm

Vi động cơ tịnh tiến dạng bóp kẹp: đã có một số công bố về loại vi động cơ này, một

trong số đó được Phuc P.H giới thiệu trong [20, 97] Lực từ các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược ECA qua các thanh răng cóc tác động lên các cánh của thanh trượt để tạo ra chuyển động (hình 1.9)

Hình 1.9 Vi động cơ MLM

1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện được phân loại thành các động cơ bước truyền thống (variable capacitance), động cơ có rotor lắc (wobble), động cơ sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu răng lược và một số loại đặc biệt khác

Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Hệ thống được giới thiệu trong [9, 21] ở hình 1.2 được

coi là một trong những vi động cơ bước quay đầu tiên được thiết kế Cùng với thời gian, cấu trúc các vi động cơ bước kiểu tĩnh điện ngày càng được hoàn thiện [22] Trong [23], các tác giả đã tiến hành phân tích đánh giá hoạt động của từng loại động cơ gồm có dẫn động mặt trên (top-drive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) và dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa (harmonic side-drive) (hình 1.10)

Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bước kiểu tĩnh điện

Vi động cơ bước dẫn động mặt trên (hình 1.10a) có đường kính lớn hơn hẳn so với các vi động cơ dẫn động mặt cạnh (hình 1.10b, c) – 300 m so với 100 m Khác với hai loại còn lại dùng lực tiếp tuyến, vi động cơ bước kiểu dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa sử dụng các lực tĩnh điện pháp tuyển để tạo ra chuyển động Về mặt lý thuyết, các vi động cơ dẫn động mặt trên có mômen xoắn đầu ra lớn hơn, tuy nhiên các lực tĩnh điện tác động theo phương thẳng đứng vuông góc với trục động cơ có xu hướng kéo rotor chạm vào stator hoặc tiếp xúc với lớp nền Để khắc phục nhược điểm này, trong [24], các tác giả đã dùng chính các lực tĩnh điện để “treo” và ổn định vị trí của rotor Còn trong [25], nhóm nghiên cứu sử dụng các viên bi với đường kính 284,50,25 m để tạo ra ổ đỡ cho rotor Một số vi động cơ dẫn động mặt cạnh thiết kế cho một số ứng dụng đặc thù (như trong ổ cứng HDD)

sẽ không cần thiết phải quay toàn vòng Các động cơ [26], [27] chỉ lắc trong biên độ lần lượt là 150 và 130 ở điện áp làm việc tương ứng là 65 V và 75 V

Vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Trong các vi động cơ tĩnh điện, vấn

đề quan trọng là ổn định khoảng cách vốn đã rất nhỏ giữa các bản cực Các vi động cơ quay với rotor lắc có hoặc rotor, hoặc các cực của stator được bọc bởi lớp vật liệu cách điện có thể khắc phục vấn đề đó Trên hình 1.11 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một vi động cơ kiểu rotor lắc tiêu biểu [28]:

Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc

Chuyển động quay của rotor được tạo ra bằng cách lần lượt kích hoạt điện áp giữa rotor và các cực 1, 2, 3 và 4 của stator Các vi động cơ dạng này có các ưu điểm như cường độ điện trường cao, ma sát nhỏ hơn so với các vi động cơ bước tĩnh điện thông thường Jacobsen là một trong những tác giả đầu tiên công bố về các vi động cơ kiểu rotor lắc Trong [29], Jacobsen trình bày về 5 phương án vi động cơ được thiết kế với đường kính rotor trong khoảng 0,11 mm, chiều dài 120 mm, điệp áp dẫn 100300 V và số vòng quay từ

300100000 vòng/phút Như trên hình 1.11, với các cực của stator bố trí xung quanh rotor

và các thành phần của động cơ chỉ hoạt động trên cùng mặt phẳng sau khi được gia công bằng phương pháp vi cơ bề mặt, việc kết nối động cơ với các thiết bị bên ngoài trở nên rất khó khăn Để khắc phục nhược điểm đó, Furuhata trong [30] giới thiệu vi động cơ với rotor ở bên ngoài và stator cố định bên trong (hình 1.12)

Hình 1.12 Các phương án bố trí rotor và stator

Để tăng công suất truyền lực của các vi động cơ loại này, ngoài phương án giảm khoảng cách giữa các bản cực, còn giải pháp tăng diện tính của các bản cực, hay nói một cách khác, là tăng kích thước của rotor hoặc stator Nếu không sử dụng các loại vật liệu như nhôm, đồng [28-30], thì một trong các giải pháp là gia công trên silic bằng công nghệ LIGA [31] để thu được cấu trúc có chiều sâu 5001000 m Giải pháp khác là thiết kế các động cơ với hai stator [31-32], hoặc với rotor có dạng ren vít [33-34]*

(* đây là vi động cơ

có rotor quay nhưng để thực hiện các dịch chuyển tịnh tiến)

Sử dụng rotor có dạng hình nón [28], hoặc dạng đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator cũng góp phần làm tăng mômen xoắn do có phần chồng giữa rotor và stator lớn hơn, giảm

ma sát, tăng khả năng tích hợp của các vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc [35-36]

Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator

Trên hình 1.13 là vi động cơ có rotor đường kính 2 mm, hoạt động trong dải điện áp 2080

V, vận tốc tối đa 7800 vòng/phút và có công suất 1 W - tương đương công suất của động

cơ đồng hồ đeo tay

Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược:

Theo Min-Hang Bao [4], vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành ECA này là một trong những loại động cơ phù hợp với công nghệ MEMS nhất, kể cả về mặt chế tạo cũng như ứng dụng Các vi động cơ loại này tiếp tục được chia thành hai nhóm: dẫn động trực tiếp và dẫn động gián tiếp

Hình 1.14 Vi động cơ TRA

Trong nhóm đầu tiên tiêu biểu là các vi động cơ răng cóc xoắn (torsional racheting motor), được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Sandia [37-39] Động cơ này sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lược, với các phần di động được gắn khung chính Bốn dầm công

xôn có nhiệm vụ đỡ khung đồng thời là lò xo xoắn hồi vị Cơ cấu răng cóc và lẫy chống đảo có nhiệm vụ đảm bảo chuyển động quay một chiều của vành răng với đường kính 750

μm bên ngoài (hình 1.14)

Vi động cơ TRA được gia công bằng quy trình SUMMiT Đây là quy trình phức tạp, với nhiều bước sử dụng công nghệ vi cơ bề mặt Dưới điện áp dẫn 0140 V, lực tác động tương ứng nằm trong dải 0120 N

Ở nhóm thứ hai, năm 1995, Garcia và Sniegowski giới thiệu về vi động cơ [40], trong đó chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA được biến đổi thành chuyển động quay của rotor nhờ cơ cấu xilanh kép (hình 1.15) Bằng cách điều khiển hoạt động của các bộ ECA, động cơ có thể đổi chiều quay Được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, động cơ đạt được vận tốc lên đến 200.000 vòng/phút, và đã được ứng dụng để dẫn động hệ bánh răng,

hệ màn chập [41-42]…

Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép

Cũng sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, nhưng động cơ do Sammoura thiết kế chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm) [43] Tám bộ vi kích hoạt/dẫn động kiểu GCA (gap closing actuator) được bố trí bên ngoài đĩa rotor với đường kính 200 m, trong đó 4 bộ GCA đóng vai trò kẹp và 4 bộ còn lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm Với nguyên lý làm việc khác, Abraham Lee sử dụng chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA để thông qua cần tạo ra dao động và làm rotor quay với vận tốc có thể lên tới 60000 vòng/phút [44]

Một số loại vi động cơ tĩnh điện quay khác:

Năm 2002, Linderman giới thiệu vi động cơ sử dụng các bộ kích hoạt/chấp hành SDA ứng dụng để thiết kế các quạt quay kích cỡ micro [45] Trên hình 1.16 là sơ đồ hoạt động của

hệ thống Bản cực di động sẽ bị hút xuống lớp nền và chuyển động khi đóng và ngắt điện

áp tác dụng giữa hai bản cực Động cơ hoạt động với dải điện áp 30150 V và đạt được vận tốc 180 vòng/phút

Hình 1.16 Vi động cơ SDA

Ngoài ra, cũng có các phương án vi động cơ tĩnh điện khác được công bố như vi động cơ dạng điện hoa (micro corona motor) [46], vi động cơ bước dạng chêm (wedge step motor) [47]

Nhìn chung, các vi động cơ tĩnh điện có ưu điểm là có tính tương tích cao, có thể sinh ra lực cũng như mômen lớn Đây là nhóm động cơ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ MEMS

1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor)

So với các loại hiệu ứng khác, hiệu ứng điện từ giúp các vi động cơ có thể tạo được chuyển động liên tục với các bước nhỏ hơn (smoother motion) Tuy nhiên, ưu điểm nổi trội nhất của các vi động cơ điện từ là khả năng tạo được chuyển động với hành trình lớn Đây cũng

là lý do đa số các vi động cơ được thiết kế dựa trên hiệu ứng này là các động cơ tịnh tiến

1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ

Các vi động cơ kiểu này đều có stator là đường dẫn và con trượt hay thanh trượt chuyển động trên đường dẫn đó Trong [48], tác giả giới thiệu về động cơ tịnh tiến đồng bộ LSM (linear synchronous motor) với stator gồm các cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ 3 pha Khi kích từ cho stator, từ trường sẽ tương tác với nam châm vĩnh cửu trên con trượt và tạo ra chuyển động tịnh tiến của con trượt

Hình 1.17 Vi động cơ LSM

Trên hình 1.17 là sơ đồ cấu tạo của hai loại vi động cơ LSM phân biệt nhau bởi cấu trúc lõi dẫn từ trên stator và nam châm vĩnh cửu trên rotor Động cơ được thử nghiệm và có hành trình 60 mm với độ chính xác cao do có hệ thống điều khiển phản hồi

Demmig, Gehrking và nhóm nghiên cứu trong [49] thực hiện mô phỏng thiết lập đặc tính của các phương án vi động cơ tịnh tiến điện từ, trong đó ngoài các vi động cơ LSM, còn có các động cơ bước kiểu từ trở LRM (reluctance stepping motor) và động cơ lai hybrid (hình 1.18)

Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ

Các tác giả nói trên cũng giới thiệu thiết kế động cơ bước kiểu từ trở với stator dẫn bị động gồm 6 hệ con, mỗi hệ gồm hai hàng cực được bố thí theo các răng dọc theo phương chuyển động Qua đó hình thành động cơ bước 6 pha, với mỗi bước có độ lớn 16,7 m [50] Trong [51-52], nhóm nghiên cứu cũng sử dụng nam châm vĩnh cửu tích hợp trên stator Điểm khác biệt là cả cấu trúc động cơ có dạng ống với rotor trượt bên trong hệ thống Vi động cơ này được sử dụng để dẫn động mobile robot kiểu sâu đo với kích thước 7x10 mm

1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ

Các động cơ quay điện từ rất quen thuộc và phổ biến trong cuộc sống, tuy nhiên trong thế giới micro, không có nhiều công trình nghiên cứu về các vi động cơ kiều này được công

bố Một trong những vi động cơ điện từ đầu tiên [53] được thiết kế với các cuộn cảm điện được cuốn để tạo thành stator và dẫn động rotor với đường kính 500 m và vận tốc tối đa

500 vòng/phút (hình 1.19) Với dòng có cường độ 500 mA được cấp cho các cực của stator, động cơ có mômen xoắn dự kiến là 1,2 Nm

Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ

Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc

Hiệu ứng điện từ cũng được ứng dụng để thiết kế các vi động cơ có rotor lắc (wobble motor) Trong [54] là vi động cơ với rotor lắc với biên dạng rotor và stator được tạo thành bởi các cung cong, với mục tiêu khắc phục hiện tượng trượt trong các vi động cơ loại này Động cơ được chế tạo có đường kính 10 mm, ứng với dòng 240 mA sẽ có mômen xoắn đầu ra 350 Nm, và có tiềm năng ứng dụng trong micro robot nội soi (hình 1.20)

Nhóm nghiên cứu trong [55] giới thiệu vi động cơ với đĩa rotor đường kính 2500 m lắc ngoài mặt phẳng chứa 12 cực stator với ứng dụng là con quay hồi chuyển

1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor)

Một trong những hiệu ứng dẫn động được sử dụng phổ biến trong MEMS là hiệu ứng nhiệt điện (Electrothermal effect) Khác với các động cơ sử dụng hiệu ứng tĩnh điện và hiệu ứng điện từ phải hoạt động với điệp áp dẫn cao để đạt được chuyển vị và lực lớn, các vi động

cơ nhiệt điện chỉ cần điện áp tương đối nhỏ để thu được hiệu quả tương tự Mặc dù vẫn có các nhược điểm như nhiệt sinh ra lớn, hiệu suất không cao, tốc độ đáp ứng thấp…, nhưng nhìn chung, các vi động cơ kiểu nhiệt điện có tiềm năng lớn trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế Do đặc thù của dẫn động nhiệt, đa phần các vi động cơ nhiệt đều sử dụng nguyên

lý chuyển động dạng sâu đo hoặc ma sát, với nhiệm vụ dẫn động do các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V, chữ Z, dạng hot arm – cold arm, hoặc do các cấu trúc đàn hồi (compliant mechanism) đảm nhận

1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện

Vi động cơ có thanh trượt chuyển động do ma sát: Trong các dạng bộ vi kích hoạt/chấp

hành nhiệt, có thể nói thông dụng nhất là dạng chữ V (V-shape/chevron) Sử dụng ba bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V này, thanh trượt với chiều dài 750 m trong động cơ [56] có thể di chuyển với vận tốc 250 m/s và tạo ra lực đẩy lớn hơn 14 N Trên hình 1.21 lần lượt là sơ đồ cấu trúc và ảnh SEM chụp vi động cơ Nguyên lý làm việc của động cơ khá đơn giản, với bước đầu tiên là cả 3 bộ vi kích hoạt/chấp hành VTA đều được cấp điện và đẩy thanh trượt tịnh tiến Trong bước tiếp theo, bộ VTA thứ 3 trở về vị trí ban đầu Do ma sát giữa hai bộ VTA còn lại với thanh trượt lớn hơn ma sát giữa bộ VTA thứ 3 với thanh trượt, nên thanh trượt vẫn giữ nguyên vị trí, không bị đẩy ngược lại vị trí lúc trước Tiếp theo VTA2 và 3 lặp lại các bước tương tự

Ali Khiat và nhóm nghiên cứu dùng nguyên lý dẫn động tương tự nhưng với các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng thanh đơn giản có chiều dài 550 m với cổ đàn hồi [57] Các bộ kích hoạt/chấp hành này được bố trí theo từng nhóm dọc theo thanh trượt Cả hệ thống được chế tạo trên tấm silic kép với chiều dày lớp thiết bị và lớp nền lần lượt là 50 m và

350 m

Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V

Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Đây là cơ cấu truyền động được ứng dụng phổ biến

trong các vi động cơ kiểu nhiệt điện Trong [58], các tác giả sử dụng hai cặp các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V để kẹp và đẩy, qua đó đảm bảo chuyển động tịnh tiến một chiều của thanh trượt Làm việc ở mức điện áp dẫn 12 V, rotor có vận tốc lên đến 1 mm/s, tạo được lực 6,7 mN và đạt được hành trình 2000 m (hình 1.22)

Hình 1.22 Vi động cơ dạng sâu đo với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V

Kolesar sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng hai nhánh khác tiết diện “hot arm - cold arm”, thay cho các bộ vi kích hoạt dạng chữ V thông thường, để thiết kế vi động cơ tịnh tiến hai chiều [59-61] Trên hình 1.23a là sơ đồ kết cấu của bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm” với chiều dài nhánh “lạnh” 250 m Vi động cơ trên hình 1.23b

(a)

(c) (b)

dùng hai nhóm gồm 8 bộ kích hoạt/chấp hành để dẫn động hai chiều thanh rotor Hai nhóm gồm 3 bộ kích hoạt/chấp hành có tác dụng kẹp tạo nên tiếp xúc giữa răng của má kẹp và thanh rotor đề đảm bảo chuyển động của rotor Các tác giả cũng đề xuất ứng dụng của vi động cơ trong bộ truyền thanh răng - bánh răng kích thước micro

Hình 1.23 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm”

Trong [62], để dẫn động của thanh trượt, các tác giả sử dụng cơ cấu khớp mềm (compliant mechanism) gồm 5 khâu được nối với nhau bởi các khớp đàn hồi Khi dòng điện chạy qua, các khâu trong cơ cấu dưới ảnh hưởng của giãn nở nhiệt sẽ thay đổi độ dài và tạo ra chuyển động Các cơ cấu khớp mềm cũng được sử dụng trong [63], điểm khác biệt là vi động cơ có thêm các cơ cấu chống đảo chủ động hoặc bị động để đảm bảo thanh truyền sau khi di chuyển không chuyển động ngược lại

Vi động cơ tịnh tiến dạng bóp kẹp có nguyên lý hoạt động tương tự như [20], cũng có thể được thực hiện cùng với các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ U [64] Vi động cơ được thử nghiệm ứng dụng trong các thiết bị quang học

1.5.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện

Có thể nói các động cơ quay kiểu nhiệt điện có nguyên lý hoạt động cũng như cấu trúc tương đối đa dạng, không tập trung vào các nhóm lớn Trong [63,65], các tác giả giới thiệu

vi động cơ quay sử dụng hai cơ cấu khớp mềm đặt theo phương vuông góc Cấu trúc động học của động cơ có dạng cơ cấu xilanh kép Bằng việc điều khiển dòng điện chạy qua hai

cơ cấu, các khâu bị giãn nở nhiệt sẽ tạo ra chuyển động quay có thể đổi chiều của đĩa rotor đường kính 100 m

Hình 1.24 Vi động cơ quay với các cơ cấu compliant dẫn động

Trên hình 1.24 là vi động cơ với các vi cơ cấu khớp mềm, trong đó các khâu có chiều dài

500 m, chiều dài tay biên 1000 m Vi động cơ hoạt động với điện áp nhỏ hơn 12 V và có mômen xoắn đầu ra lớn hơn 500 pNm

Một trong những sản phẩm vi động cơ hoàn chỉnh có khả năng quay hai chiều, kích thước ngoài 1 mm3, được giới thiệu trong [66] Sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt điện dạng chữ V, điểm đặc biệt của vi động cơ này nằm ở cơ cấu tiếp xúc giữa các bộ kích hoạt/chấp hành với đĩa rotor đường kính 290 m, dày 50 m Cả phần dẫn động lẫn phần phanh hãm của cơ cấu tiếp xúc nằm ở hai đầu của thanh dầm cong (hình 1.25):

Hình 1.25 Vi động cơ quay kích thước 1mm 3

Các bộ vi kích hoạt/chấp hành A và B sẽ làm việc lệch pha để đẩy rotor quay Động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối trên tấm silic kép, và dưới điện áp dẫn 24 V, động

cơ đạt mômen xoắn 0,14 Nm cùng công suất 76 mW

Trong [57], ngoài các vi động cơ tịnh tiến, Ali Khiat còn giới thiệu vi động cơ quay, trong

đó 8 bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt điện thông qua dãn nở nhiệt và ma sát dẫn động theo hai chiều trục bằng vật liệu sứ đường kính 1,249 mm và chiều dài 6,45 mm (hình 1.26) Phần dẫn động của động cơ được chế tạo trên phiến SOI với độ dày 500 N Do chênh lệch kích thước giữa trục và ổ nên hiện tượng lắc trục rotor xảy ra khi hoạt động Vi động

cơ vẫn chỉ ở giai đoạn hoàn thiện để có thể hoạt động hiệu quả

Hình 1.26 Vi động cơ bước kiểu nhiệt điện

Không phải tất cả các vi động cơ kiểu nhiệt điện trong các công trình được công bố đều quay được hai chiều Trong [67], với các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V kết hợp cùng với cơ cấu răng cóc, các tác giả đạt được chuyển động quay một chiều của rotor Đây là biến thể nhiệt điện của phương án động cơ quay tĩnh điện TRA [37-39] Còn trong [68], vi động cơ được Stevenson và nhóm nghiên cứu giới thiệu chỉ đạt được chuyển vị 7,4

m về hai phía Cấu trúc của vi động cơ khá đặc biệt với vòng rotor đường kính 450 m ở bên ngoài được liên kết với trục quay với 8 “nan hoa” dãn nở nhiệt thông qua các điểm mút Khi có điện áp tác dụng, các cặp “nan hoa” thay đổi độ dài và tạo ra chuyển động lắc qua lại cho vòng rotor bên ngoài Thay đổi cấu hình của bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm – cold arm”, Anwar với việc bố trí các “nhánh nóng” xung quanh “nhánh lạnh” có dạng đĩa rotor, thu được chuyển vị góc đến 1,52 độ với các điện áp dẫn có giá trị đến 16

V [69]

1.6 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor)

Nhưng năm 80-90 của thế kỷ 20, khi đa phần các vi động được công bố hoạt động trên nguyên lý tĩnh điện và được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, vi động cơ kiểu áp điện bắt đầu thu hút được sự quan tâm vì kết cấu đơn giản, tiêu thụ ít năng lượng nhưng có khả

năng sinh lực lớn, tốc độ đáp ứng nhanh Cho đến nay, đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về các vi động cơ áp điện với các nguyên lý hoạt động khác nhau được công bố

1.6.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện

Có thể chia nhóm các vi động cơ tịnh tiến áp điện dựa trên nguyên lý truyền động thành các vi động cơ dẫn động bằng quán tính và siêu âm [70]

Vi động cơ dẫn động bằng quán tính: Các vi động cơ này lại tiếp tục chia thành hai

nhóm nhỏ, đó là dẫn động bằng xung IDM (Impact Drive Mechanism), và dẫn động bằng

ma sát và trượt (stick-slip drive) Về mặt cấu tạo, các vi động cơ IDM đều gồm phần thân, phần tử áp điện và khối quán tính (inertial weight).Chuyển động tịnh tiến được tạo ra khi điều khiển điện áp dẫn tăng nhanh và giảm chậm hoặc ngược lại Các vi động cơ IDM thông thường sẽ có quá trình điện áp tăng chậm, để lực ma sát tĩnh lớn hơn lực quán tính Nhưng trong chiều giảm nhanh của điện áp, lực quán tính tăng đột ngột sẽ tạo ra chuyển vị Trong [71], các tác giả đặt ra quy trình ngược lại để tăng chuyển vị, từ trạng thái ban đầu, khi điện áp tăng nhanh làm tăng nhanh chiều dài của phần tử áp điện, cả thân rotor sẽ chuyển động Khi điện áp giảm từ từ, do lực mà sát nên vị trí thân rotor không thay đổi Quá trình giảm điện áp sẽ kết thúc đột ngột để tạo ra lần tịnh tiến do quán tính thứ hai (hình 1.27)

Hình 1.27 Vi động cơ tịnh tiến áp điện IDM

Các vi động cơ áp điện dẫn động bằng “ma sát và trượt” có thể tạo ra chuyển động với bước nhỏ hơn các vi động cơ IDM, do đó chúng còn được gọi là các động cơ SIDM (Smooth Impact Drive Mechanism) Điểm khác biệt lớn nhất là trong các vi động cơ