thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược .... Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc...Với

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

Chương I: Tổng quan về MEMS và lựa chọn trúc 4

1 Tổng quan về MEMS 4

2 Lịch sử phát triển của MEMS 6

3 Tổng quan về các loại micro motor 8

3.1 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược 8

3.1.1 Nguyên lí hoạt động 8

3.1.2 Cấu tạo 9

3.1.3 Ứng dụng 9

3.1.4 Ưu điểm, nhược điểm 10

3.2 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt 11

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm 11

3.2.2 Ưu điểm, nhược điểm 12

3.2.3 Ứng dụng 12

3.3 Motor quay 2 chiều nhiệt chữ V 13

3.3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt chữ V 13

3.3.2 Ưu điểm, nhược điểm 14

3.3.3 Ứng dụng 14

4 Đề xuất mô hình 15

Chương II : Tính toán thiết kế 16

1 Nguyên lý hoạt động 16

2 Tính toán vi động cơ 16

ChươngIII: Quá trình chế tạo actuator nhiệt điện 22

1 Các Mask sử dụng trong quá trình gia công 22

2 Chế tạo bánh răng và dầm: 24

3.Chế tạo 3 trục tại bánh răng và dầm 28

5.Chế tạo thanh truyền thứ hai 37

Chương IV:Kết Luận 43

Tài liệu tham khảo 44

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển của khoa học công nghệ trong nhưng thập niên gần đây, thế kỉ XIX được coi là thế kỉ của kỉ nguyên số và công nghệ cao.Xu thế tập trung và những ngành công nghiệp công nghệ cao, kĩ thuật tinh vi chuyên môn tự động trong sản xuất từ khâu nghiên cứu chế tạo đến bước cuối cùng hành thành sản phẩm Đáp ứng những nhu cầu yêu cầu cao của con người, cũng như phù hợp với sự tất yêu phát triển của thời đại nền kinh tế tri thức ngày càng hoàn thiện và tiên tiến hơn

Trong ngành khoa học công nghệ cao thì lĩnh vực vi cơ điện tử tuy mới phát triển nhưng có nhưng đóng góp to lớn cho sự phát triển khoa học công nghệ của toàn nhân loại, đặc biệt ngành micromotor đã chú trọng rất nhiều cho những cải tiến phát minh ứng dụng sâu rộng trong các nghành công nghiệp, kĩ thuật điều khiển tự động, tự động hóa cao thay thế lao động trực tiếp của con người Được sự giúp đỡ của giảng viên chúng em

đã chọn đề tài : “ Vi động cơ kiểu nhiệt điện ” làm đề tài nghiên cứu cho môn học thiết kế

hệ thống vi cơ điện tử của mình

Trong quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giảng dạy môn học thiết kế hệ thống vi cơ điện tử đã giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu này Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những sai sót và hạn chế cần khắc phục Vì vậy chúng em rất mong được sự chỉ bảo đóng góp ý kiến từ thầy để chúng

em có thể khắc phục và hoàn thiện hơn đề tài mà chúng em đã nghiên cứu

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo tận tình của thầy PGS.TS.Phạm Hồng Phúc đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này !

Trân trọng cảm ơn

Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2015

Chương I: Tổng quan về MEMS và lựa chọn trúc

1 Tổng quan về MEMS

Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất

cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems)

viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Hệ thống vi cơ điện tử -MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là hệ thống tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử được sản xuất bằng công nghệ Micro Hai dòng sản phẩm chính của MEMS là sensor ( cảm biến) và actuator (bộ kích hoạt)

Nhiêt

Nhiệt

Áp điện

Tĩnh điện

Hợp kim

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện

tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip) Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với các ưu thế: có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, cho phép tích hợp các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, chế tạo hàng loạt, độ lặp lại cao, có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một thiết bị hoàn chỉnh, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ

kỹ, cồng kềnh trước đây Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn

Bộ chấp hành ( dẫn động, truyền động – Actuator) là cấu trúc biến đổi các dạng năng lượng cơ, quang, nhiệt, điện từ, hóa học, sinh học thành năng lượng cơ học, tạo ra chuyển động tương đương với một quá trình điều kiển Kết quả của một quá trình có thể

là một tác động dưới dạng: ngăn cản, kẹp chặt, kéo đẩy Được ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa trong các quy trình sản xuất: motor, robot…

Về Micro Motor, có 2 loại động cơ sử dụng 2 bộ kích hoạt điển hình là:

 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện (Kiểu răng lược)

 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt (Bộ kích hoạt nhiệt chữ V hoặc bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm)

Cảm biến áp suất Cảm biến gia tốc Con quay vi cơ

Micromotor Vi gương ( Micromiror ) Vi vận chuyển

+1967: Công bố các kết quả nghiên cứu về ăn mòn ướt dị hướng (anisotropic etching) và

ăn mòn dừng (etch-stop) vật liệu si-líc

+1967: Ra đời công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining)

+ 1969: Lần đầu tiên, transistor bán dẫn FET được chếtạo theo công nghệ MEMS

- Thập kỷ 70

+ 1977: Cảm biến áp suất kiểu tụ được chế tạo lần đầu tiên

+ 1979: Cảm biến gia tốc silicon đầu tiên được chế tạo

- Thập kỷ 80

+ 1984: Linh kiện MEMS trên cơ sở vật liệu polysilicon được chế tạo lần đầu tiên

+ 1987: Thuật ngữ MEMS chính thức được đưa ra và được thừa nhận để chỉ về một lĩnh vực công nghệ mới, kèm theo là các biến thể tương đương, MICROSYSTEM sử dụng ở châu Âu và MICROMACHINED ở Nhật

+ 1989: Vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện cũng được chế tạo thành công

- Thập kỷ 90

+ 1993: Cảm biến gia tốc vi cơ bề mặt chính thức trở thành thương phẩm

+ 1995: Mở ra kỷ nguyên của các linh kiện MEMS y-sinh

+ 1999: Một loạt các thiết bị công nghệ tiên tiến cho các qui trình chế tạo ăn mòn khô sâu, cắt gọt bằng laser, quang khắc UV sâu (deep UV) được chế tạo giúp cải thiện cho các quá trình chế tạo

+ 2007: Hệ thống vi vận chuyển (Microtransportation) được chế tạo

Hình 1.3: Micro motor răng lược

3 Tổng quan về các loại micro motor

3.1 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược

3.1.1 Nguyên lí hoạt động

Hình 1.4: Tĩnh điện kiểu răng lược

Bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược có nguyên lí hoạt động như sau: Khi ta đặt vào 2 bản tụ được xếp song song như hình vẽ một hiệu điện thế thì giữa chúng sinh ra lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, lực này làm cho hai bản tụ bị hút vào với nhau

Lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến Fn:

𝐹𝑛 = −𝐴𝜀𝜀0

2𝑦0 𝑉

2

Trong đó:

A: Diện tích phần răng lược (bản tụ) trùng nhau, A = h.y0

ε, ε0: Các hằng số điện môi, h: Bề rộng răng lược (bản tụ)

V: Điện áp đặt, y0: Phần răng lược trùng nhau

3.1.2 Cấu tạo

Cấu tạo bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược bao gồm các bản tụ điện được xếp song song, đan xen lẫn nhau (hình vẽ) Trong đó, có một bản cực là bản cực cố định, bản cực kia có thể di động được Khi ta đặt vào 2 bản cực này một hiệu điện thế V, thì lực tĩnh điện sinh ra giữa 2 bản cực sẽ hút bản cực di động về gần phía với bản cực cố định

Ở trên bản cực di động có thể được gắn với các thanh nhằm truyền chuyển động ra ngoài

Hình 1.5: Cấu tạo tĩnh điện kiểu răng lược

3.1.3 Ứng dụng

Bộ kích hoạt nhiệt kiểu răng lược được ứng dụng và chế tạo rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp, y –sinh, Ở trên thế giới, thì cấu trúc truyền động tĩnh điện kiểu răng lược được ứng dụng từ những năm 1989 đó là: Cho xác định vị trí ổ đĩa các đầu lần đầu tiên chế tạo Tiếp sau đó là vi động cơ hoạt động theo nguyên lí

tĩnh điện ( Rotary electrostatic micromotor) cũng được chế tạo thành công

Hình 1.6: Vi cấu trúc của động cơ tĩnh điện

Năm 2007: Hệ thống vi vận chuyển (microtransportation) sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược được chế tạo thành công

Hình 1.7: Microtransportation

Hiện nay, việc chế tạo micro motor sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược

đã đạt được một số thành tựu nhất định Trong tương lai ứng dụng của micro motor sẽ ngày càng nhiều và quan trọng hơn do những ưu thế vượt trội của các chi tiết kích thước micro mà các chi tiết kích thước thường không thể có Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo micro motor sẽ là một lĩnh vực khoa học và công nghiệp phát triển mạnh mẽ trong tương lai

Hình 1.8: Động cơ quay một chiều sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược

3.1.4 Ưu điểm, nhược điểm

 Ưu điểm: Tiêu hao năng lượng thấp, thích hợp với mạch IC

 Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, các bản tụ có xu hướng bị hút lại với nhau gây mất cấu trúc tụ dẫn đến dễ hỏng linh kiện

3.2 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt

a) Bộ kích hoạt dùng sự giãn nở b) Bộ kích hoạt cặp nhiệt của chất khí , chất lỏng

c) Bộ kích hoạt hot – cold arm d)Bộ kích hoạt dầm chữ V Hình 1.9: Các bộ kích hoạt nhiệt( Electrothermal Actuator)

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm

Hình 1.10: Thermal actuator hot – cold arm (one hot arm)

Cấu tạo của bộ kích hoạt nhiệt dạng hot- cold arm được thể hiện như hình vẽ đặt vào hai đầu ngàm của bộ kích hoạt một hiệu điện thế V, vì trong các thanh hot arm và cold arm đều có điện trở suất mà hot arm thường mỏng hơn so với cold arm, nên điện trở của hot arm trở nên cao hơn so với cold arm Khi một dòng điện đi qua hot và cold arm, thì nhiệt tạo ra trong hot arm lớn hơn nhiệt tạo ra trong cold arm Dẫn đến thanh hot arm dãn nở vì nhiệt lớn hơn cold arm, thanh hot arm có cấu trúc đàn hồi giãn ra đẩy cong về phía thanh cold arm, bộ kích hoạt chuyển động Khi hiệu điện thế bằng 0, lúc này nhiệt

độ trang các thanh hot và cold arm trở về nhiệt độ môi trường, trở về vị trí ban đầu, bộ

kích hoạt không chuyển động

3.2.2 Ưu điểm, nhược điểm

 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vào thấp

 Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu làm dầm Kém nhạy hơn kết cấu tĩnh điện

Hình 1.12: Micro motor quay sử dụng bộ kích hoạt hot – cold arm

3.3 Motor quay 2 chiều nhiệt chữ V

3.3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Hình 1.13: Bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Trong bộ kích hoạt nhiệt chữ V (hình vẽ), dầm V có kích thước b rất nhỏ hơn so với chiều dài L ( L ≈ 100.b ) Đặt hiệu điện thế dạng xung (f) vào hai đầu của bộ kích hoạt nhiệt chữ V Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là V, dầm mảnh có điện trở suất

do đó sẽ nóng lên và có sự giãn nở vì nhiệt Càng gần về phía ngàm thì dầm chữ V càng giãn nở nhỏ và phía đầu ngàm nhiệt độ gần như bằng với môi trường nên sự giãn nở là không đáng kể Càng xa phía ngàm thì sự giãn nở càng lớn kéo theo dầm đẩy tịnh tiến về phía trước Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là 0, lúc này nhiệt độ trong dầm chữ V bằng với nhiệt độ môi trường do đó dầm chữ V sẽ dịch chuyển về vị trí ban đầu kéo theo dầm đẩy cũng trở về vị trí ban đầu

3.3.2 Ưu điểm, nhược điểm

 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vào thấp

 Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu làm dầm Kém nhạy hơn kết cấu tĩnh điện

3.3.3 Ứng dụng

Mô hình của một số động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V:

Hình 1.14: Cấu tạo vi động cơ (Hội nghị cơ học KT 9/4/2014)

JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL 10, NO 2, JUNE 2001 Hình 1.15:Vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Trong thực tế hiện nay các ngành khoa học và công nghiệp về MEMS đã phát triển lên tầm cao, đạt được nhiều thành tựu đáng kể nhưng lĩnh vực về Micro motor đặc biệt là micro motor sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V đang là vấn đề khá mới mẻ, chưa phát triển xứng tầm với những ưu việt mà bộ kích hoạt này mang lại Vì vậy, nhóm chúng

em đã mạnh dạn chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và chế tạo Motor nhiệt điện 1 chiều chữ V” Nhằm mục đích chính là giới thiệu quy trình thiết kế một Motor theo quy trình

MEMS với bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Chương II : Tính toán thiết kế

1 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống kích hoạt chữ V đặt vuông góc theo hai phương Ox và Oy , 1 thanh kéo và 1 thanh đẩy làm cho cơ cấu culit gắn trên bánh răng chuyển động, kéo theo hệ thống bánh răng chuyển động

Phương trình truyền nhiệt trong các dầm chữ V:

-

2 2

k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

 là điện trở suất của dầm, J là mật độ dòng điện Nghiệm của phương trình trên được biểu diễn như sau :

(2 ) O

U B

Hình 2.2: Phân bố nhiệt độ với độ dịch chuyển

Ta đi tính chuyển vị của dầm:

Hình 2.3: Sơ đồ tính chuyển vị dầm

Coi α - hệ số giãn dài là hằng số ta có độ giãn dài của dầm V là:

2 0

c m





-Độ dịch chuyển tổng hợp của thanh đẩy khi cơ cấu hoạt động :

Trong một chu kì quay của vi động cơ, điểm đặt của thanh đẩy trên bánh răng sẽ di chuyển hết quãng đường bằng chu vi của vòng tròn chứa điểm đặt đó, đồng thời di chuyển hết khoảng dịch chuyển của thanh dầm do tác động của dầm chữ V gây ra , tức là :

Lực sinh ra do biến dạng nhiệt trên dầm chữ V:

Với: E là mô đun đàn hồi của vật liệu silicon ( chọn E =169 GPa)

A là diện tích mặt cắt ngang của dầm V

Lực sinh ra trên dầm đẩy theo quy tắc tổng hợp lực :

th mal

L

L mN

6 2 5 10

2329 188 10 10 0 38 9 8 10

ms ms

F     .V .( .  )  ,  ,  ( )N (8)

Phương trình cân bằng lực:  F th maler  F F ms 0 (9)

Suy ra: F F th maler F ms

er

th mal

F

 >>F ms nên ta bỏ qua lực ma sát

-Tính toán các momen trên bánh răng

Momen mà dầm đẩy tác dụng tâm quay của bánh răng:

Fms_ Lực ma sát của bánh răng với nền

R_Bán kính của khớp tác động quay bánh răng

Phương trình cân bằng moment: M th maler MM c 0 (11)

Suy ra:M M th maler M c

Ta thấy M th maler >> Mc nên bánh răng quay được với các thông số dầm đẩy và kích thước như đã tính

-Vận tốc quay của bánh răng

Ta có vận tốc dài của bánh răng

D v

w





ChươngIII: Quá trình chế tạo actuator nhiệt điện

Hình 3.1 Actuator nhiệt điện

Để gia công vi động cơ như yêu cầu, ta sử dụng 4 mask như sau + Mask 1: Tạo cấu trúc bánh răng và các dầm kích hoạt nhiệt chữ V

+ Mask 2: Tạo cấu trúc trục trên các dầm V và trên bánh răng