Nghiên cứu chế tạo một số vi cơ cấu (mô tơ, bánh răng siêu nhỏ) sử dụng trong các hệ thống Micro Robot phục vụ trong lĩnh vực Y sinh dựa trên công nghệ MEMS

2 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/11-15 BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VI CƠ CẤU

2

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/11-15

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ VI CƠ CẤU (MÔ TƠ, BÁNH RĂNG SIÊU NHỎ) SỬ DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG MICRO ROBOT PHỤC VỤ TRONG LĨNH VỰC Y SINH DỰA TRÊN

CÔNG NGHỆ MEMS (MÃ SỐ KC.03.TN01/11-15)

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

Hà Nội - 2012

3

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo một số vi cơ cấu (mô tơ, bánh răng siêu nhỏ) sử dụng trong các hệ thống Micro Robot phục vụ trong lĩnh vực y sinh dựa trên công nghệ MEMS”

Fax: E-mail: phuc.phamhong@hust.vn

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Địa chỉ tổ chức: Số 1- Đại Cồ Việt – Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Khu đô thị Văn Khê-Hà đông-Hà Nội

3 Tổ chức chủ trì đề tài:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Điện thoại: 04.38692136 Fax:

E-mail: qlkh@mail.hut.edu.vn

Website: www.hust.vn

Địa chỉ: Số 1- Đại Cồ Việt – Hà Nội

4

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS Nguyễn Trọng Giảng

Số tài khoản: 931.01.062

Ngân hàng: Kho bạc Nhà nước Hai Bà Trưng, Hà Nội

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo

5

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,

phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn

bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

1 1882/QĐ-BKHCN

ký ngày 27/6/2011

Quyết định thành lập HĐ KHCN tư vấn xét chọn đề tài tiềm năng

4

01/2011/HĐ-ĐTTN-KC.03/11-15 ký

ngày 12/01/2012

Hợp đồng NCKH và PT Công nghệ ký với cơ quan chủ trì và CNĐT

6

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án: Phòng thí nghiệm MEMS,

trường đại học Ritsumeikan, Nhật Bản

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Hỗ trợ máy móc chế tạo

Mặt nạ chủ

và chip bán thành phẩm

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 Phạm Hồng Phúc Phạm Hồng Phúc Chủ nhiệm ĐT Mặt nạ, chip

2 Đỗ Đức Nam Đỗ Đức Nam Thư ký ĐT Mạch điện

3 Đặng Bảo Lâm Đặng Bảo Lâm Thành viên Tính toán, đo

4 Nguyễn Tuấn Khoa Nguyễn Tuấn Khoa Thành viên Mô phỏng, đo

5 Đinh Khắc Toản Đinh Khắc Toản Thành viên Chế tạo, đo đạc

6 Đào Việt Dũng Đào Việt Dũng Hợp tác quốc

(Nội dung, thời gian, kinh phí, địa

điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn,

số lượng người tham gia )

1 Đoàn ra (01 vé máy bay khứ hồi đi

Nhật Dự kiến 6/2012 Chi ăn ở 1

- Lý do thay đổi (nếu có): Không có

1 Hội thảo khoa học lần 1 tại

trường ĐHBK Hà Nội để báo cáo

kết quả nghiên cứu (dự kiến

tháng 9 năm 2012)

Nội dung: Tính toán mô phỏng hệ

mô tơ – bánh răng- tay kẹp

Kinh phí: 6 triệu đồng

Đã tổ chức hội thảo thành công Vào ngày 3 tháng 11 năm 2012 Tại ĐHBK Hà Nội

Nội dung: Tính toán mô phỏng

hệ thống mô tơ-bánh răng Kinh phí chi: 6 triệu đồng

2 Hội thảo khoa học lần 2 tại

trường ĐHBK Hà Nội để báo cáo

kết quả nghiên cứu (dự kiến

tháng 12 năm 2012)

Nội dung: Các phương pháp gia

công vi cơ khối

Kinh phí: 6 triệu đồng

Đã tổ chức hội thảo thành công Vào ngày 3 tháng 12 năm 2012 Tại ĐHBK Hà Nội

Nội dung: Các qui trình gia công vi cơ khí

Kinh phí chi: 6 triệu đồng

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Người,

cơ quan thực hiện

1 Công việc 1.1: Nghiên cứu tổng quan,

phân tích cấu trúc hệ thống 1/2012 3/2012 Chủ nhiệm ĐT

2 Công việc 1.2: Nghiên cứu, thiết kế,

5 Công việc 1.5: Nghiên cứu, thiết kế

bản vẽ chế tạo hệ thống 3-4/2012 4-5/2012 Nguyễn Tuấn Khoa

6 Công việc 2.1: Nghiên cứu, lựa chọn,

lập quy trình công nghệ chế tạo hợp lý 5/2012

6/2012 Chủ nhiệm ĐT

8

7 Công việc 2.2: Nghiên cứu thiết kế,

tính toán, chế tạo mặt nạ 5/2012- 6/2012

6/2012 Chủ nhiệm ĐT

8 Công việc 2.3: Chi phí công lắp đặt

máy móc và thiết bị phục vụ chế tạo

6/2012- 7/2012

12 Công việc 3.3: Chi phí công cài đặt hệ

thống đo đạc kiểm tra

14 Công việc 3.5: Chi phí công đo đạc

các thông số, kiểm tra hoạt động của

sản phẩm

9/2012- 10/2012

11/2012 Chủ nhiệm ĐT

15 Công việc 3.6: Xử lý các kết quả đo

đạc Chi phí công hiệu chỉnh sản phẩm

để đạt các thông số theo yêu cầu

10/2012- 11/2012

11-12/2012 Chủ nhiệm ĐT

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Thực tế đạt được

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

01 bộ, sử dụng được

2 Quy trình công nghệ chế tạo

hệ thống

01 bộ, sử dụng được

01 bộ, sử dụng được

3 Dữ liệu thí nghiệm (ảnh

chụp, video minh họa hoạt

động của hệ thống)

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

Số lượng, nơi công bố

2 Bài báo tạp chí quốc tế 01 bài 01 bài ISI

(Đã đăng)

Microsystem Technologies- Springer

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

d) Kết quả đào tạo:

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

- Lý do thay đổi (nếu có): Không

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống

cây trồng: Không có

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

2

- Lý do thay đổi (nếu có):

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

- Kết quả đề tài thể hiện tính mới trong đặt vấn đề và sản phẩm chính đạt được (kết quả được công bố bài báo quốc tế ISI trên tạp chí có uy tín ngành MEMS có chỉ số ảnh hưởng IF – Microsystem Technologies/Springer Đến nay đã đăng online trên trang WEB của tạp chí)

- Nhóm nghiên cứu đã nắm bắt và làm chủ công nghệ vi cơ khối, có thể sử dụng và hiệu chỉnh các máy móc hiện đại phục vụ quá trình gia công Có kinh nghiệm thiết kế, mô phỏng các sản phẩm MEMS Tạo thuận lợi cho các công việc tiếp theo của nhóm

- Lập được 01 bộ quy trình chế tạo chíp dùng mặt nạ đơn, dựa trên công nghệ

vi cơ khối Quy trình đã được thử nghiệm chế tạo thực tế tại cả Nhật Bản và Việt Nam đạt kết quả tốt Các dữ liệu, báo cáo có thể dùng làm tài liệu tham khảo có giá trị cho đào tạo đại học và sau đại học

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

- Xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) Tiếp cận và nắm bắt các công nghệ mũi nhọn, tiến tới công bố quốc tế thường xuyên trong lĩnh vực nghiên cứu

- Góp phần đào tạo, hướng dẫn sau đại học (cả thạc sĩ và NCS) thông qua quá trình thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học Gắn kết lý thuyết với thực hành

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

Chế tạo xong mặt nạ, hệ đo đạc Viết được 02 bài báo Đào tạo xong 01 thạc sỹ

Hoàn thành theo đăng ký 7/15 chuyên đề Có bài báo đăng Chuẩn hóa lại các chuyên đề Giải ngân còn chậm

Kết luận hội đồng cơ sở: Đạt yêu cầu Cần chỉnh sửa lỗi trình bày Kết luận và kiến nghị nên cụ thể hơn

Chủ nhiệm đề tài

(Họ tên, chữ ký)

Thủ trưởng tổ chức chủ trì

(Họ tên, chữ ký và đóng dấu)

1

PHẦN BÁO CÁO TỔNG HỢP

Chủ nhiệm đề tài KC.03.TN01/11-15 xin cam đoan rằng những kết quả

được trình bày trong báo cáo Đề tài này là do chính tôi và nhóm đề tài nghiên

cứu làm ra Không sao chép từ các tài liệu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về báo cáo tổng hợp này

Chủ nhiệm đề tài

9733

2

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4 

DANH MỤC CÁC BẢNG 6 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7 

MỞ ĐẦU 10 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14 

1.1 Tổng quan về vi mô tơ 14 

1.1.1 Mô tơ tuyến tính 14 

1.1.2 Mô tơ quay 16 

1.2 Đề xuất thiết kế mô tơ 17 

1.3 Đề xuất thiết kế hệ bánh răng 19 

1.4 Đề xuất hệ thống tay kẹp dẫn động bằng actuator nhiệt 20 

1.5 Kết luận 22 

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 23 

2.1 Đặt vấn đề 23 

2.2 Mô phỏng cấu trúc 23 

2.2.1 Giới thiệu về ANSYS 23 

2.2.2 Mô phỏng cấu trúc mô tơ, bánh răng 25 

2.2.3 Mô phỏng cấu trúc vi tay kẹp 31 

2.3 Tính toán động học và động lực học cho hệ thống 35 

2.3.1 Tính toán động học cho mô tơ và bánh răng 35 

2.3.2 Tính toán lực cho mô tơ và bánh răng 36 

2.3.3 Tính toán động học cho vi tay kẹp 40 

2.3.4 Tính toán lực cho vi tay kẹp 42 

2.4 Kết luận 43 

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BẢN VẼ VÀ LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO 44 

3.1 Đặt vấn đề 44 

3.2 Quy trình thiết kế mặt nạ 44 

3.2.1 Giới thiệu phần mềm L-edit 44 

3.2.2 Cách định dạng và cấu trúc file 46 

3.2.3 Thiết kế chi tiết của các hệ thống 48 

3.2.4 Một số chú ý khi thiết kế các vi cơ cấu 52 

3.3 Lập quy trình chế tạo hệ thống 53 

3.3.1 Khảo sát một số quy trình chế tạo MEMS 53 

3

3.3.2 Đề xuất quy trình gia công một mặt nạ 62 

3.4 Kết luận 70 

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO CÁC CHÍP HỆ THỐNG 72 

4.1 Đặt vấn đề 72 

4.2 Chuẩn bị vật tư, máy móc 72 

4.2.1 Vật tư và hóa chất 72 

4.2.2 Máy móc thiết bị 73 

4.3 Các bước chế tạo và kết quả 77 

4.3.1 Làm sạch tấm SOI 77 

4.3.2 Sấy khô 78 

4.3.3 Quay phủ lớp photoresist 78 

4.3.4 Quang khắc và phát triển 79 

4.3.5 Kiểm tra lần đầu 79 

4.3.6 Ăn mòn khô D-RIE 80 

4.3.7 Phủ lớp bảo vệ 81 

4.3.8 Cắt chíp 81 

4.3.9 Rửa chíp và sấy khô 82 

4.3.10 Ăn mòn hơi HF 83 

4.4 Kết luận 85 

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG 86 

5.1 Đặt vấn đề 86 

5.2 Lắp đặt hệ thống đo đạc 86 

5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của mô tơ quay và hệ bánh răng 89 

5.3.1 Mô tơ quay 89 

5.3.2 Hệ bánh răng 92 

5.4 Đo đạc và xử lý dữ liệu tay kẹp nhiệt 94 

5.4.1 Đánh giá chuyển vị của dầm kẹp 95 

5.4.2 Đánh giá hoạt động của tay kẹp 96 

5.4.3 Kiểm tra lực đẩy của tay kẹp 97 

5.5 Kết luận 99 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- MEMS: Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Electro-Mechanical System)

- Actuator: Bộ kích hoạt (vi động cơ)

- Sensor: Cảm biến

- Bulk-Micromachining: Công nghệ vi cơ khối

- Surface-Micromachining: Công nghệ vi cơ bề mặt

- LIGA: Công nghệ gia công dùng tia laze

- MASK: Mặt nạ dùng cho quá trình quang khắc

- SEM: Ảnh chụp qua kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy)

- SOI wafer: Tấm silic kép (đa lớp-Silicon On Insulator)

- ANSYS: Phần mềm phần tử hữu hạn dùng để mô phỏng cấu trúc

- L-Edit: Phần mềm thiết kế các cấu trúc trong MEMS

- Photolithography: Quy trình quang khắc

- DRIE: Quy trình ăn mòn khô sâu (Deep Reactive Ion Etching)

- HF Etching: Quy trình ăn mòn bằng hơi a xít HF

- Piranha: Dung dịch hỗn hợp H2SO4 và H2O2 để rửa sạch chip

- Hakuri (106): Dung dịch hòa tan chất cảm quang dương

- Electrostatic comb-drive actuator (ECA): Bộ kích hoạt răng lược tĩnh điện

- Electrothermal actuator (ETA): Bộ kích hoạt kiểu dãn nở nhiệt

5

- ks , kp: Độ cứng lò xo và cổ dầm

- b= 30: Bề dày lớp Si trên tấm SOI (µm)

- g0 = 2: Khe hở giữa hai răng lược (µm)

- p và h: Bước răng cóc và chiều cao răng cóc (µm)

- E= 169Gpa : Mô đun đàn hồi của tinh thể silicon

- I : Mô men quán tính mặt cắt ngang dầm

- A: Tiết diện mặt cắt ngang của dầm

- ∆L: Độ dãn dài do nhiệt của dầm đơn

- ∆D: Chuyển vị của thanh đẩy đầu dầm đơn

- ∆S: Chuyển vị ngang của thanh trượt (vật bị kẹp)

- β= 45 0: Góc nghiêng của tay kẹp so với phương vật kẹp (ngang)

- γ = 2 0: Góc nghiêng ban đầu của dầm đơn so với phương vuông góc với thanh đẩy

- T max: Nhiệt độ lớn nhất sinh ra trên dầm (độ C)

Bảng 5.3 Chuyển vị bước của thanh trượt tại điện áp 30V, tần số 1Hz 97 

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng 14 

Hình 1.2 Hoạt động của một loại mô tơ bước tuyến tính 15 

Hình 1.3 Bộ kích hoạt khe hở kín (gap-closing actuator-GCA) 16 

Hình 1.4 Mô tơ răng cóc xoắn 17 

Hình 1.5 Cấu tạo mô tơ quay (micro rotational motor) 18 

Hình 1.6 Cấu tạo của hệ thống bánh răng 19 

Hình 1.7 Cấu tạo Hệ thống vi tay kẹp nhiệt 21

Hình 2.1 Kết cấu dầm mô phỏng 28 

Hình 2.2 Chuyển vị trong bài toán cấu trúc 28 

Hình 2.3 Ứng suất trong bài toán cấu trúc 29 

Hình 2.4 Chuyển vị trong bài toán tĩnh điện 29 

Hình 2.5 Ứng suất trong bài toán tĩnh điện 30 

Hình 2.6 Mô hình mô phỏng actuator nhiệt V-shaped 31 

Hình 2.7 Xây dựng mô hình bàn kẹp 1 

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng chuyển vị-Ứng suất bàn kẹp 1 

Hình 2.9 Sơ đồ tính lực kẹp bằng ANSYS 33 

Hình 2.10 Phân bố nhiệt độ của dầm chữ V 34 

Hình 2.11 Đồ thị quan hệ nhiệt độ cao nhất - điện áp theo mô phỏng 35 

Hình 2.12 Phân tích động lực học chu kỳ dẫn động 36 

Hình 2.13 Sơ đồ phân tích động lực học chu kỳ hồi vị 38 

Hình 2.14a Sơ đồ tính chuyển vị dầm đơn 40

Hình 2.14b Chuyển vị bước của thanh trượt 42

Hình 3.1Giao diện của phần mềm L-edit 8.3 45 

Hình 3.2 Tổng thể mặt nạ (mask) 45 

Hình 3.3 Cách quản lý các cell của L-edit theo dạng “cây” 1 

Hình 3.4 Mặt nạ tổng thể (Mask) 47 

Hình 3.5 Bản vẽ thiết kế chíp 5x5mm 2 48 

8

Hình 3.6 Bản vẽ mô tơ trên L-edit 49 

Hình 3.7 Cơ cấu chống đảo chiều 50 

Hình 3.8 Bản vẽ trên L-edit bánh răng của hệ bánh răng 50 

Hình 3.9 Bản vẽ L-edit hệ thống tay kẹp 51 

Hình 3.10 Vành răng dạng lưới các nan có bề rộng tối đa wmax=10µm 52 

Hình 3.11 Khe hở tối thiểu giữa các răng lược 53 

Hình 3.12 Vi động cơ tĩnh điện hai chiều 1 

Hình 3.13 Lược đồ động học 1 

Hình 3.14 Rotor – bánh răng đầu ra 1 

Hình 3.15 Các bước của quy trình SUMMiT 1 

Hình 3.16 Mô tơ quay dạng sâu đo 1 

Hình 3.17 Các bước chế tạo mô tơ quay 1 

Hình 3.18 Bộ kích hoạt tĩnh điện xoắn 1 

Hình 3.19 Các bước chế tạo 1 

Hình 3.20 Actuator được chế tạo 1 

Hình 3.21 Quy trình gia công micromotor 1 

Hình 3.22 Cấu tạo một phiến wafer 1 

Hình 3.23 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist 1 

Hình 3.24 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 1 

Hình 3.25 Quá trình ăn mòn axit bay hơi - Vapor HF 1 

Hình 3.26 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF 1 

Hình 3.27 Sơ đồ bố trí ăn mòn HF 1

Hình 4.1 Hệ thống máy quang khắc 73 

Hình 4.2 Máy quay phủ (spin coater) 74 

Hình 4.3 Hệ thống sấy và gia nhiệt 75 

Hình 4.4 Hệ thống đo độ dày ALPHA STEP 500 75 

Hình 4.5Hệ thống ăn mòn khô D-RIE 76 

Hình 4.6 Máy cắt silicon DAD-522 77 

Hình 4.7 Làm sạch tấm SOI 77 

Hình 4.8 Vị trí gá đặt mặt nạ và tấm SOI 79 

Hình 4.9 Gá đặt tấm SOI  Hình 4.10 Đặt tham số gia công 80 

9

Hình 4.11 Tấm SOI sau khi phủ lớp bảo vệ và sấy khô 81 

Hình 4.12 Gá dao vào trục dao  Hình 4.13Gá tấm SOI lên máy cắt 82 

Hình 4.14 Đèn sấy hệ thống HF  Hình 4.15 Hệ thống hút khí 84 

Hình 4.16 Hệ thống mô tơ/bánh răng sau khi chế tạo (SEM) 84 

Hình 4.17 Hệ thống tay kẹp sau khi chế tạo 85 

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống đo đạc kiểm tra 88 

Hình 5.2 Thiết lập hệ đo đạc chip 89 

Hình 5.3 Hình chụp từ video hoạt động của mô tơ 90 

Hình 5.4 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ và tần số dòng điện (Vpp = 80V) 91 

Hình 5.5 Hình chụp từ video hoạt động của hệ bánh răng 93 

Hình 5.6 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ và tần số dòng điện (Vpp = 80V) 94 

Hình 5.7 Quan hệ chuyển vị dầm kẹp - điện áp 95 

Hình 5.8 Ảnh SEM mô tả chuyển vị lớn nhất của dầm kẹp loại motor có 10 cặp dầm tại điện áp 30V 95 

Hình 5.9 So sánh kết quả mô phỏng–đo đạc chuyển vị tay kẹp loại 10 cặp dầm 96 

Hình 5.10 Chuyển vị bước của thanh trượt ở 30V với các tần số từ 1-20Hz 97 

Hình 5.11 Kiểm tra lực đẩy của thanh trượt qua độ cong của dây giữ 97 

Hình 5.12 Sơ đồ tính lực đẩy Fđ (thử tải) 98 

Ở Việt Nam, công nghệ MEMS bắt đầu được quan tâm phát triển trong vài năm gần đây tại một số trung tâm nghiên cứu lớn như hai Đại học quốc gia Hà Nội và TPHCM, Viện Khoa học vật liệu - thuộc Viện Khoa học Việt Nam, trường Đại học Bách khoa Hà Nội… Từ năm 2009, nhóm nghiên cứu trẻ tại Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội do TS Phạm Hồng Phúc xây dựng đã đi sâu nghiên cứu phát triển các hệ thống vận chuyển micro, các hệ thống micro robot trên chip phục vụ cho các thí nghiệm của ngành y sinh và nghiên cứu vật liệu mới Đầu năm 2012, được tài trợ từ đề tài NCKH tiềm năng mã số KC.03.TN01/11-15, nhóm đã bắt đầu nghiên cứu, chế tạo thử một

số hệ thống mô tơ, bánh răng và tay kẹp siêu nhỏ với mục đích trong tương lai gần sẽ tích hợp vào các hệ thống micro robot phục vụ cho việc vận chuyển mẫu kích thước micro/nano trong các thí nghiệm y sinh/vật liệu nano…

Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu và chế tạo một số vi cơ cấu phục vụ cho hệ thống micro robot như bánh răng truyền động, mô tơ dẫn, tay kẹp… sử dụng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) Đây là những bộ phận quan trọng để tạo nên một hệ thống micro robot ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu mới với mục đích vận chuyển, phân loại, kiểm tra vi mẫu (như các ống cacbon kích thước nano), hoặc trong các phòng thí nghiệm y sinh để chuyên chở và kiểm tra mẫu máu, mẫu tế bào cần xét nghiệm

11

Đề tài dự kiến trong thời gian một năm sẽ nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một loại micro mô tơ kiểu tĩnh điện đường kính ngoài khoảng 2-3mm, làm việc trong dải tần số rộng (cỡ từ 1-1000Hz), dẫn động hệ thống bánh răng (có mô đun 20-30 micromet) với đường kính vài trăm micromet Toàn bộ hệ thống trên cùng nằm trên chíp silicon với kích thước phủ ngoài khoảng 1x1(cm2) Ngoài ra chế tạo một số chíp khác chứa loại tay kẹp kiểu nhiệt dùng để kẹp những vật có kích thước vài chục micromet với lực kẹp lớn

từ vài trăm µN tới hàng chục mN

Các hệ thống robot siêu nhỏ ngày càng được quan tâm và ứng dụng rộng rãi trong y học để thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác cao, không gây nguy hiểm cho người bệnh như vi phẫu thuật, lấy mẫu tế bào, xét nghiệm mẫu máu, xét nghiệm tế bào nghi ung thư… Việc nghiên cứu chế tạo các bộ phận của hệ thống robot như đề cập ở trên – tiến tới có thể lắp ráp và ứng dụng các robot này trong điều kiện ở Việt Nam có ý nghĩa quan trọng, giúp cho y học có những bước tiến mới trong việc chẩn đoán chính xác và chữa trị cho bệnh nhân mà không cần làm đại phẫu thuật Đây cũng là một trong những nhiệm vụ ứng dụng công nghệ tự động hóa trong chương trình KC.03/11-15

Về tình hình nghiên cứu trong nước:

Nghiên cứu, chế tạo ứng dụng các sản phẩm công nghệ MEMS bắt đầu được quan tâm và phát triển ở Việt Nam vài năm gần đây, cụ thể là tại một số nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm nano, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh và trường Đại học Công Nghệ, ĐH Quốc gia Hà Nội Một số hội thảo khoa học quốc tế và quốc gia tổ chức tại Việt Nam trong lĩnh vực khoa học vật liệu, cơ điện tử vài năm gần đây đều đã

có các tiểu ban riêng cho công nghệ MEMS chứng tỏ tầm quan trọng của nó Tuy nhiên, ngoại trừ nhóm tác giả thực hiện đề tài này, cho đến hiện tại ở Việt

12

Nam chưa có nhóm tác giả, cơ quan tổ chức nào nghiên cứu về hệ thống mô

tơ dẫn động bánh răng siêu nhỏ dùng công nghệ MEMS

Về tình hình nghiên cứu trên thế giới:

- Năm 1995, E I Garcia và các đồng nghiệp đã chế tạo được vi mô tơ dẫn động hệ vi bánh răng sử dụng công nghệ gia công bề mặt dựa vào hiệu ứng tĩnh điện [1, 2] Tuy nhiên kích thước hệ thống còn lớn

- Năm 1999, S -C Kim (Hàn quốc) và đồng nghiệp đề xuất, chế thử một loại mô tơ quay chính xác sử dụng đai ma sát dẫn động bằng hiệu ứng điện từ với số vòng quay cao [3], tuy nhiên hiệu suất mô tơ là thấp (chỉ vài phần trăm)

- Đến năm 2001, phòng thí nghiệm Sandia – Hoa kỳ đã nghiên cứu chế tạo mô tơ dẫn động quay các hệ vi bánh răng khá hoàn chỉnh dùng công nghệ gia công nhiều lớp (tuy nhiên quy trình vi cơ bề mặt là tương đối phức tạp và giá thành cao [4, 5])

- Tới năm 2004, Sammoura (Hoa kỳ) đã nghiên cứu chế thử loại mô tơ quay dạng sâu đo sử dụng công nghệ bề mặt dẫn động tay lắc, tuy nhiên vận tốc quay không được cao do hệ thống điều khiển mô tơ khá phức tạp [6]

- Mô tơ nhiệt cũng đang được nghiên cứu thiết kế và ứng dụng trong việc dẫn động chuyển động thẳng và quay Ứng dụng của loại mô tơ nhiệt tuyến tính này có thể thấy ở các loại vi tay kẹp (micro-gripper) hay trong nhiều loại vi dẫn động tuyến tính [7-8]

Chủ nhiệm đề tài trong thời gian 2006-2010 cũng đã nghiên cứu chế tạo thành công một số hệ thống MEMS như các hệ robot vận tải trên chíp sử dụng hiệu ứng tĩnh điện, hệ vi bơm dùng hiệu ứng áp điện và đã có công bố quốc tế [9-12]

Trong đề tài này, nhóm sẽ đi nghiên cứu, đề xuất thiết kế các hệ thống

mô tơ, bánh răng kích thước micro với ưu điểm hơn các thiết kế ở trên là có kết cấu hệ thống và phương pháp điều khiển đơn giản hơn, sử dụng công nghệ

13

vi cơ khối (Bulk-micromachining) phổ biến và rẻ hơn công nghệ vi cơ bề mặt (Surface-micromachining), dùng chỉ một mặt nạ nhằm giảm chi phí chế tạo các chíp Nhóm cũng sẽ phối hợp với phòng thí nghiệm các nước tiên tiến để tận dụng máy móc chính xác, hiện đại nhằm đạt hiệu quả cao trong chế thử Tạo đà tích lũy và nắm vững công nghệ gia công vi cơ khối-là một công nghệ mới, hiện đại trong lĩnh vực MEMS, tiến tới làm chủ công nghệ và thiết bị tiên tiến, góp phần đào tạo lực lượng cán bộ nhân lực trình độ cao cho đất nước

14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ HỆ THỐNG

1.1 Tổng quan về vi mô tơ

Một số loại vi mô tơ điển hình đã được đề cập đến ở phần mở đầu Theo tính chất chuyển động, ta chia chúng làm hai loại là mô tơ tịnh tiến và

mô tơ quay Trong phần tiếp theo, ta sẽ đi xem xét hai ví dụ điển hình cho hai loại mô tơ này:

1.1.1 Mô tơ tuyến tính

Nhiều mô tơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ kích hoạt kiểu răng lược (comb-drive actuator) Bộ kích hoạt này gồm nhiều răng đặt song song với nhau và cách đều nhau giống như các bản

tụ điện nối song song với nhau, chúng gồm phần cố định (fixed part) và phần chuyển động (movable part) Khi được kích điện vào phần cực, lực tiếp tuyến hoặc pháp tuyến giữa các mặt của bản tụ được sử dụng tạo ra chuyển động tịnh tiến của mô tơ Hình 1.1 thể hiện ứng dụng của của bộ kích hoạt này trong các ứng dụng dẫn động chuyển động thẳng

Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng

15

Với ý tưởng tích lũy nhiều chuyển vị tịnh tiến nhỏ thành chuyển vị lớn hơn, N.R Tas [13]đề xuất thiết kế mô tơ bước kích thước micro dựa trên hiệu ứng tĩnh điện Nguyên lý hoạt động của mô tơ được thể hiện trên hình 1.2

Trong ứng dụng của mô tơ bước tịnh tiến này thì bộ kích hoạt kẹp và đẩy được sử dụng ở đây là bộ kích hoạt khe hở kín (gap closing actuator-GCA) Nguyên lý của bộ kích hoạt này thể hiện trên hình 1.3, cấp điện dương vào phần cố định (2) và cho phần di động (1) nối đất thì khi đó lực pháp tuyến hút bản tụ thắng lực đàn hồi của dầm và kéo xuống (ngược chiều OX), chuyển động bị chặn bởi phần đỡ (bumper) để tránh chập điện

Hình 1.3 Bộ kích hoạt khe hở kín (gap-closing actuator-GCA)

Trong pha chuyển động đầu tiên, bộ kích hoạt kẹp (clamp actuator) chuyển động ngược chiều trục OX kẹp thanh shuttle Sau đó bộ kích hoạt kéo (pull actuator) kéo thanh shuttle chuyển động sang phải (theo chiều OY) Trong pha chuyển động tiếp theo, cặp kích hoạt kẹp-đẩy phía dưới phối hợp nhau tạo ra chuyển vị tịnh tiến tiếp theo sang phải Cứ như vậy thanh shuttle chuyển động từng bước nhỏ trên đường thẳng nên gọi là mô tơ bước tuyến tính

Mô tơ này có ưu điểm là chuyển động ổn định, có công suất dẫn động lớn

và có thể tạo chuyển động tiến lùi Tuy nhiên việc điều khiển mô tơ cũng phức tạp, cần phối hợp xung điều khiển bộ kích hoạt kẹp và đẩy

1.1.2 Mô tơ quay

Mô tơ răng cóc xoắn (Torsional ratcheting motor) trình bày trên hình

1.4 [14, 15] được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Sandia-Hoa kỳ được sử dụng truyền chuyển động xoắn trong các hệ thống truyền động bánh răng…Mô tơ này sử dụng bộ kích hoạt răng lược kiểu xoay (Torsional ratcheting actuator) được đặt trong một khung tròn lớn Ở tâm mô tơ là bốn dầm công xôn giữ vai trò như lò xo xoắn (Torsion spring)

17

b)Cơ cấu đẩy (ratchet pawl)

Hình 1.4 Mô tơ răng cóc xoắn

Khi được cấp điện, thông qua cơ cấu đẩy và hãm, vành răng cóc có chuyển động quay giúp mô tơ có thể quay theo một chiều và truyền chuyển động ra ngoài thông qua hệ thống vành răng Hệ thống này làm việc tin cậy và chính xác, tuy nhiên chế tạo phức tạp do phải gia công nhiều lớp

1.2 Đề xuất thiết kế mô tơ

Qua phân tích tổng quan ở trên, nhóm đề xuất một loại vi mô tơ quay một chiều có kích thước milimét và công suất cỡ mW, hoạt động dựa trên hiệu ứng tĩnh điện Mô tơ này sẽ được thiết kế và chế tạo dựa trên công nghệ gia công vi cơ điện tử tiên tiến (MEMS)

Các tác giả đề xuất thiết kế vi mô tơ quay truyền động dạng răng cóc (Micro Ratcheting Transmission System) sử dụng cơ cấu răng cóc truyền động một chiều có nguyên lý làm việc như sau (hình 1.5):

18

Hình 1.5 Cấu tạo mô tơ quay (micro rotational motor)

Phần cố định (1) và cực (2) được đặt làm hai điện cực khi vi mô tơ làm việc Lúc đó, do tính chất của bộ kích hoạt răng lược dạng răng cong, lực tiếp tuyến giữa các bản điện cực sẽ hút bốn thanh dầm dẫn động quay theo chiều kim đồng hồ quanh cổ đàn hồi có bề dày nhỏ (4µm) nối giữa thanh dầm dẫn động và cực (2) Thông qua hệ thống truyền động (4) mà chuyển động này được truyền sang vành răng (5) và chuyển động được dẫn động ra ngoài Chú

ý rằng khi thanh dầm dẫn động chuyển động ngược lại vị trí ban đầu thì hệ thống cóc hãm (3) lúc ấy đóng vai trò cản trở sự di chuyển ngược chiều kim đồng hồ của vành răng ngoài

Mô tơ này có ưu điểm chế tạo đơn giản (một mặt nạ) và công suất truyền lớn do chiều dày mô tơ lớn hơn các mô tơ chế tạo bằng công nghệ vi

cơ bề mặt, kích thước nhỏ chỉ vài milimét, dễ tích hợp với micro robot Hệ thống điều khiển đơn giản và dải tần số làm việc rộng

19

1.3 Đề xuất thiết kế hệ bánh răng

Trên cơ sở cấu tạo của mô tơ dẫn phần trước, nhóm đề tài đề xuất hệ thống bánh răng như trên hình 1.6:

Hình 1.6 Cấu tạo của hệ thống bánh răng

Cấu tạo của cơ cấu bánh răng dẫn động bởi các actuator tĩnh điện dạng răng lược, bao gồm bánh răng dẫn và 4 bánh răng bị dẫn, 4 actuator quay răng lược và 4 cơ cấu chống đảo chiều Bánh răng dẫn có khả năng quay một chiều nhờ các actuator quay thông qua các răng cóc và cơ cấu chống đảo Các răng của bánh răng có biên dạng thân khai với mô đun m = 20 µm Số răng của bánh dẫn và bị dẫn là Z1 = 126 và Z2 = 42 Chuyển động và năng lượng cơ học được truyền tới bánh răng bị dẫn thông qua các răng ăn khớp với tỷ số

20

truyền là:

3

2 1 2

r p =

lần lượt là bán kính của vòng chia của bánh dẫn và bị dẫn

Bốn actuator răng lược dẫn động bánh răng thông qua cơ cấu răng cóc Mỗi actuator răng lược cong xoay quanh cổ đàn hồi có bề rộng 4µm Bề rộng của mỗi răng lược là 3µm, khe hở ghép g0 giữa hai răng liên tiếp là 2µm, và tổng số răng lược của một actuator là 76 Phần di động của actuator có dạng dầm ngàm một đầu và đầu kia nối với thanh răng cóc bởi lò xo

Tương tự hoạt động của mô tơ, khi đặt điện áp giữa phần di động và phần cố định bên phải (hay trái), phần di động sẽ quay sang phải (hoặc trái) quanh cổ đàn hồi, và đẩy thanh răng cóc di chuyển theo 1 chiều nhờ hệ thống chống đảo chiều

1.4 Đề xuất hệ thống tay kẹp dẫn động bằng actuator nhiệt

Tay kẹp vi cơ (micro gripper) là một khâu tác động cuối cho các hệ thống để điều khiển hoặc thao tác (kẹp, nắm) các vật có kích cỡ micro hoặc nano

Trong phạm vi các hệ thống MEMS, có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong đó các tay kẹp vi cơ có tầm ảnh hưởng ngày càng lớn Phạm vi ứng dụng của các cấu trúc tay kẹp từ các thao tác với các hạt vi mô, các thành phần micro và ngay cả các tế bào cho đến các ứng dụng trong micro robot và

có tác động đáng kể đến công nghệ hiện tại và tương lai Ngoài ra, tay kẹp vi

cơ cũng tạo khả năng cho những ứng dụng hoàn toàn mới như trong nghiên cứu y sinh: chúng có thể được sử dụng trong thao tác đối với các tế bào hoặc

kỹ thuật cấy mô, vi phẫu thuật hoặc dùng để gắp, kéo các sợi nano trong nghiên cứu vật liệu mới

Hiện nay các vi tay kẹp thường dẫn động bằng hiệu ứng tĩnh điện [16] hay nhiệt [17] Vi kẹp loại nhiệt có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, điện áp dẫn

Hình 1.7 Cấu tạo hệ thống vi tay kẹp nhiệt

Thiết kế của hệ thống bao gồm bốn bộ kích hoạt nhiệt (2) và hai bộ kích hoạt kẹp (4) để kẹp và đẩy thanh trượt (1) Thanh trượt (1) di chuyển được sang cả hai phía trái và phải nhờ từng cặp bộ kích hoạt nhiệt hoạt động

đôi một Khi cấp điện áp dạng xung V1 cho hai bộ kích hoạt bên trái (2), ở khoảng thời gian V1 >0, hiệu ứng nhiệt-điện làm cho các dầm của bộ kích hoạt dãn nở nhiệt đẩy dầm đỉnh chữ V (nghiêng góc β so với phương ngang) tiến

theo hướng đã định trước (nhờ góc nghiêng ban đầu γ), dầm (3) sau khi khắc

phục khe hở g1 = 2 µm với thanh trượt (1) sẽ kẹp và đẩy thanh trượt (1) di

22

chuyển sang trái Ở thời điểm có bước nhảy của V1 (điện áp giảm về 0) là lúc dầm dãn nở lớn nhất và đẩy thanh trượt chuyển vị một khoảng ∆S Ở giai đoạn V1 = 0, dầm giảm nhiệt độ (truyền nhiệt qua đế, bức xạ nhiệt…) và co lại

trở về kích thước ban đầu Cùng lúc này bộ kích hoạt kẹp (4) (được đặt điện

áp V2 chậm pha hơn) sẽ hoạt động (tương tự bộ kích hoạt đẩy thanh trượt) và

kẹp chặt thanh trượt nhằm giữ nó cố định Ở chu kỳ điện áp tiếp theo bộ kích hoạt tiếp tục dãn nở đẩy thanh trượt tiếp tục trượt sang trái Chuyển động của thanh trượt là thẳng và gián đoạn Các khối cố định (5) có vai trò định hướng

cho thanh trượt (1) Khe hở g2 giữa khối (5) và thanh trượt đủ lớn để thanh

trượt (1) chuyển động dễ dàng nhưng đủ nhỏ để không bị lệch hướng Khi chuyển động sang phải thì hệ thống hoạt động tương tự

1.5 Kết luận

Sau khi đi phân tích kết cấu, ưu nhược điểm của một số loại vi mô tơ đã được công bố trên thế giới Nhóm Đề tài đã tổ chức thảo luận, đề xuất và lựa chọn thiết kế sơ bộ cho một loại mô tơ quay dẫn động hệ thống bánh răng sử dụng các bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược (Electrostatic comb-drive actuator) Ngoài ra còn đề xuất một thiết kế vi tay kẹp dùng để kẹp và đẩy vật mẫu đi theo đường thẳng dẫn động bằng các bộ kích hoạt điện-nhiệt (Electrothermal Actuator)

Ưu điểm chính của thiết kế này là sử dụng chỉ một mặt nạ và dùng công nghệ vi cơ khối giúp giảm giá thành chế tạo và tăng tỷ lệ chíp sản phẩm đạt yêu cầu, hệ thống điều khiển cực kỳ đơn giản Các kết quả là mới và cho phép nhóm có thể công bố trên các tạp chí quốc tế

23

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

2.1 Đặt vấn đề

Sau khi đề xuất các thiết kế cho hệ thống mô tơ, bánh răng và tay kẹp, việc

đi tính toán, mô phỏng các cấu trúc hệ thống là rất quan trọng nhằm đạt được các mục đích sau:

- Xác định các kích thước hình học hợp lý cho hệ thống, đảm bảo cấu trúc nhỏ gọn nhưng phải đủ sức bền trong khi làm việc

- Thiết kế cấu trúc hợp lý đảm bảo có thể chế tạo được bằng công nghệ

2.2.1 Giới thiệu về ANSYS

Mô phỏng cấu trúc nhằm tìm ra mối quan hệ lực-chuyển vị hoặc điện chuyển vị/ứng suất trong các kết cấu cơ bản của hệ thống Từ đó giúp người thiết

áp-kế có thể tìm ra các kích thước hình học hợp lý cho cấu trúc Có cái nhìn tổng thể

về cấu tạo hệ thống, chuẩn bị cho bài toán phân tích động học và lực học tiếp theo

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ tính toán cùng với

sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến

24

tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật

lý như: ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA, Nastran, Marc, COMSOL Multiphysics, SAP2000, MIDAS, STAAP PRO, ETABS…

Phần mềm nhóm đề tài lựa chọn là ANSYS Multiphysics [18] Trong tính toán thiết kế mô phỏng, kiểm nghiệm, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi

và phá huỷ của chi tiết Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, vật liệu siêu đàn hồi, các chất lỏng và chất khí …

Trong hệ thống tính toán của ANSYS, bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp Phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS gồm 3 phần chính:

- Tạo mô hình tính (preprocessor)

- Tính toán (solution)

- Xử lý kết quả (postprocessor)

ANSYS cung cấp 2 cách để giao tiếp với người dùng (GUI): công cụ trực quan dùng menu với các thao tác click chuột hoặc viết mã lệnh trong một file văn bản rồi đọc vào từ File/Read input from (cũng có thể dùng kết hợp 2 cách này: dùng lệnh tạo cấu trúc, rồi dùng menu khai thác kết quả, )

Trước hết, cần chọn được kiểu phần tử, phù hợp với bài toán cần giải ANSYS cung cấp trên 200 kiểu phần tử khác nhau Mỗi kiểu phần tử, tương ứng với một dạng bài toán Khi chọn một phần tử, phần mềm sẽ chọn các mô đun tính toán phù hợp, và đưa ra các yêu cầu về việc nhập các tham số tương ứng để giải Đồng thời việc chọn phần tử, ANSYS yêu cầu chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử Việc tính toán còn phụ thuộc vào vật liệu Mỗi bài toán cần đưa mô hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay

25

phi tuyến, với mỗi vật liệu, cần nhập đủ các thông số vật lý của vật liệu ANSYS

là phần mềm giải các bài toán bằng phương pháp số, chúng giải trên mô hình hình học thực Vì vậy, cần đưa vào mô tình hình học đúng ANSYS là phần mềm giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, ANSYS cho phép chia lưới phần tử do người sử dụng chọn hoặc tự động chia lưới Số lượng nút và phần tử quyết định đến độ chính xác của bài toán, nên cần chia lưới càng nhỏ càng tốt Nhưng việc chia nhỏ phần tử phụ thuộc năng lực

xử lý của máy tính Để giải một bài toán bằng phần mềm ANSYS, cần đưa vào các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình hình học Các ràng buộc và các ngoại lực hoặc nội lực (lực, chuyển vị, nhiệt độ, mật độ, ) được đưa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học Sau khi xác lập các điều kiện bài toán, để giải chúng, ANSYS cho phép chọn các dạng bài toán Khi giải các bài toán phi tuyến, vấn đề đặt ra là sự hội tụ của bài toán ANSYS cho phép xác lập các bước lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao

2.2.2 Mô phỏng cấu trúc mô tơ, bánh răng

Việc mô phỏng các cấu trúc được tiến hành nhằm tối ưu hóa các kích thước và luôn tuân theo những quy tắc nhất định:

- Kích thước bao ngoài tối đa của mỗi cấu trúc là 5x5 mm2

- Các khe hở (ghép) tối thiểu giữa các phần riêng biệt là 2µm (để đảm bảo việc chế tạo)

a Bài toán cấu trúc

Để xây dựng một chương trình ANSYS trước hết ta phải xây dựng mô hình cấu trúc cần mô phỏng bằng cách tạo các Keypoint, sau đó tiến hành nối các điểm bằng lệnh Line, chia lưới Meshing, tạo các mặt và kéo khối để tạo thành khối cấu trúc cần mô phỏng Từ đó ta đã có thể giải được bài toán cấu trúc

26

Để vẽ các đường cong về nguyên tắc cũng làm như với đường thẳng, tức

là ban đầu ta xác định các Keypoint nằm trên đường cong Ta có thể sử dụng các công thức cũng như phương trình toán học để xác định vị trí các điểm cần vẽ ở trên đường cong Ngoài ra cũng cần xác định điểm tâm của đường cong, xác định bán kính

Sau đó nối các điểm đã xác định bằng lệnh Larc

Việc chia lưới và tạo các mặt cũng tương tự như với các đường thẳng Nhưng nếu tạo các mặt cong với góc quá nhỏ thì việc chia lưới bằng tay sẽ không thực hiện được và phải chia lưới tự động

b Bài toán tĩnh điện

Để giải bài toán tĩnh điện trước hết ta phải xây dựng bài toán cấu trúc gồm

có dầm cần mô phỏng và khối tĩnh điện Sau đó đặt điện áp vào dầm bằng V, điện áp vào khối tĩnh điện bằng 0 Tiếp theo tiến hành giải bài toán liên kết trường, nguyên tắc giải bài toán tĩnh điện có thể được mô tả như sau: khi ta giải bài toán tĩnh điện, sinh ra lực tĩnh điện, lực tĩnh điện tác dụng, bài toán trở thành bài toán cấu trúc tạo chuyển vị, chuyển vị đó làm biến dạng phần tĩnh điện, dẫn đến điện dung thay đổi, làm lực tĩnh điện thay đổi, bài toán tĩnh điện lại được tiếp tục giải

Quá trình trên lặp đi, lặp lại đến khi sai số chuyển vị đạt đến giá trị cho phép, quá trình giải liên kết giữa hai trường kết thúc

Trong bài toán dầm xoay ở trên, việc tạo khối tĩnh điện và đặt điện áp trên mặt cong trong hệ tọa độ phẳng là rất khó khăn vì vậy ta sử dụng hệ tọa trụ để làm việc trong bài toán này

Để đổi hệ toạ độ trụ ta dùng câu lệnh : CSYS,1

Khi đó một điểm sẽ được xác định trong hệ tọa độ bằng góc và bán kính

so với gốc: K (ϕ ) ,r

27

Như vậy ta có thể đặt điện áp lên các mặt cong bằng cách xác định góc và bán kính của điểm đầu và điểm cuối của mặt cong (trong bài toán này các điểm thuộc cùng một mặt cong có bán kính bằng nhau)

Để vẽ khối tĩnh điện ta dùng lệnh để vẽ các hình vành khăn :

CYL4, XCENTER, YCENTER, RAD1, THETA1, RAD2, THETA2, DEPTH

Với XCENTER, YCENTER là tọa độ tâm

RAD1, RAD2 là bán kính nhỏ và bán kính lớn

THETA1, THETA2 là góc của điểm đầu và điểm cuối

DEPTH là độ sâu nếu ta tạo khối 3D, mặc định DEPTH = 0

Sau khi vẽ xong các khối ta đặt điện áp cho các mặt răng, cũng như các mặt sẽ tiếp xúc nhau của dầm và khối tĩnh điện

Sau đó quay để dịch chuyển khối tĩnh điện vào dầm để các mặt đã đặt điện

áp tiếp xúc với nhau, phép quay này ta cũng thực hiện trong hệ tọa độ trụ

Đặt lệnh giải tĩnh điện và tiến hành giải

c Mô phỏng mô tơ xoay

Kích thước chính của kết cấu dầm mang răng lược (hình 2.1):

+ Bài toán cấu trúc

Chuyển vị và ứng suất của bài toán cấu trúc được tính toán với điện áp 100V và số răng là 76 răng

Hình 2.2 Chuyển vị trong bài toán cấu trúc

29

Hình 2.3 Ứng suất trong bài toán cấu trúc

Chuyển vị lớn nhất của dầm (hình 2.2): Umax =38,826(µm)

Ứng suất lớn nhất của dầm: σmax =840,093(MPa)(phần màu đỏ hình 2.3)

+ Bài toán tĩnh điện

Do đặc điểm của bài toán tĩnh điện và điều kiện máy tính không cho phép nên việc giải bài toán tĩnh điện với 76 răng và điện áp 100V sẽ gặp nhiều khó khăn Nên ở đây ta giải bài toán với điện áp 10V, sau đó dùng phương pháp nội suy tuyến tính theo điện áp để tìm ra chuyển vị và ứng suất với điện áp 100V

Hình 2.4 Chuyển vị trong bài toán tĩnh điện

Hình 2.5 Ứng suất trong bài toán tĩnh điện

Ứng suất lớn nhất của dầm là: σmax =9,16(MPa) tập trung ở phần cổ dầm

Ta có thể quan sát ứng với phần màu đỏ trên hình 2.5

Áp dụng phép nội suy, ta suy ra ứng suất lớn nhất của dầm ứng với điện áp 100V là σmax =9,16.100=916(MPa)

Nhận xét: