Thiết kế vi cơ điện tử (vi động cơ quya kiểu tĩnh điện)

thiết kế hệ thống vi cơ điện tử LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1: Tổng quan về MEMS 3 1.1. Tổng quan về MEMS 3 1.2. Tổng quan về vi động cơ trong MEMS 4 1.2.1. Phân loại 4 1.2.2. Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 5 1.3. Các nghiên cứu về vi động cơ quay tĩnh điện. 6 1.4. Lý do chọn đề tài. 7 Chương 2: Lý thuyết về tĩnh điện 8 2.1. Hiệu ứng tĩnh điện 8 2.1.1. Lực pháp tuyến trên bản cực 8 2.1.2. Lực tiếp tuyến trên bản cực 10 2.2. Chuyển vị pháp tuyến 11 2.3. Đề xuất thiết kế mới. 12 Chương 3: Tính toán và thiết kế 13 3.1. Kích thước hệ thống 13 3.2. Phân tích lực và mô phỏng 15 3.2.1. Lực trong kì dẫn động 15 3.2.2. Tính toán lực trong kì hồi vị 19 3.2.3. Điều kiện hồi vị 21 3.2.4. Tính tần số và vận tốc quay 21 3.2.5. Mô phỏng ứng suất. 22 Chương 4: Quy trình chế tạo sản phẩm 24 4.1. Bước chuẩn bị 24 4.2. Quá trình quang khắc. 24 4.3. Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu DRIE 25 4.4. Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF 25 Chương 5: Kết luận. 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ - -

BÁO CÁO THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VI ĐỘNG CƠ QUAY KIỂU TĨNH ĐIỆN

Nhóm 4: Nguyễn Văn Hoàng (NT) MSSV: 20131625

Dương Xuân Thủy

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỉ XXI được coi là kỷ nguyên của Công nghệ số với sự phát triển như

vũ bão của Khoa học – Công nghệ Thành tựu của nó chính là đã tạo ra được

những sản phẩm công nghệ nhỏ gọn, tích hợp nhiều ứng dụng, an toàn với con người và thân thiện với môi trường Cùng với sự phát triển chung này, sự phát triển của ngành Vi cơ điện tử ( Micro ElectroMechanical Sytems – MEMS )

cũng đã đạt được những thành tựu ấn tượng Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn,mạch tích hợp, hoạt động thông minh, độ chính xác cao, các thiết bị MEMS trở thành bộ phận không thể thiếu trong điện thoại thông minh, các thiết bị số, các thiết bị y tế, y sinh, công nghệ ô tô, công nghệ hàng kh ông - vũ trụ, các dây

chuyền sản suất linh hoạt CIM & FMS…Mặc dù còn nhiều thiếu thốn về kinh tế

và cơ sở vật chất nhưng ngành công nghệ MEMS tại Việt Nam cũng đã có được nhiều thành tựu cơ bản, có nhiều công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế vềMEMS đặc biệt như tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa T.p Hồ Chí Minh, Đại học Quốc Gia Hà Nội…Công nghệ MEMS đã trở thành một

trong những ngành khoa học – công nghệ chiến lược quốc gia tới năm 2020

Với tầm quan trọng đó, nhiều năm gần đây Viện Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đưa môn học Thiết kế hệ thống Vi cơ điện tử vào chương trình học bắt buộc của kĩ sư ngành Cơ điện tử Để hiểu sâu hơn về ngành công nghệ MEMS cũng như sản phẩm ứng dụng của nó trong thực tế chúng em lựa

chọn đề tài: “ Thiết kế và tính toán vi động cơ quay kiểu tĩnh điện ’’

Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy

Phạm Hồng Phúc đã giúp nhóm em hoàn thành báo cáo này !

Hà Nội, tháng 11/2016

Nhóm sinh viên thực hiện

Nhóm 4

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: Tổng quan về MEMS 3

1.1 Tổng quan về MEMS 3

1.2 Tổng quan về vi động cơ trong MEMS 4

1.2.1 Phân loại 4

1.2.2 Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 5

1.3 Các nghiên cứu về vi động cơ quay tĩnh điện 6

1.4 Lý do chọn đề tài 7

Chương 2: Lý thuyết về tĩnh điện 8

2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 8

2.1.1 Lực pháp tuyến trên bản cực 8

2.1.2 Lực tiếp tuyến trên bản cực 10

2.2 Chuyển vị pháp tuyến 11

2.3 Đề xuất thiết kế mới 12

Chương 3: Tính toán và thiết kế 13

3.1 Kích thước hệ thống 13

3.2 Phân tích lực và mô phỏng 15

3.2.1 Lực trong kì dẫn động 15

3.2.2 Tính toán lực trong kì hồi vị 19

3.2.3 Điều kiện hồi vị 21

3.2.4 Tính tần số và vận tốc quay 21

3.2.5 Mô phỏng ứng suất 22

Chương 4: Quy trình chế tạo sản phẩm 24

4.1 Bước chuẩn bị 24

4.2 Quá trình quang khắc 24

4.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE 25

4.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF 25

Chương 5: Kết luận 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Chương 1: Tổng quan về MEMS1.1 Tổng quan về MEMS

Công nghệ vi chế tạo, cũng được biết đến là công nghệ MEMS

(Micro Electro Mechanical Systems) là một trong các công nghệ tiến tiến cho phép chế tạo các linh kiện vi hệ thống cơ điện tử

MEMS bao gồm các dạng vi cấu trúc cơ, các bộ cảm nhận tín hiệu (sensor), các bộ chấp hành (actuator)

MEMS là một ngành công nghệ mới (khi so sánh với nhiều công nghệ khác trên thê giới) nhưng cho đến nay những ứng dụng của MEMS trong khoa học kỹthuật ,trong sản xuất, trong đời sống là vô cùng phong phú và đa dạng MEMS

có trong những chiếc máy ảnh kĩ thuật số, điện thoại thông minh, cho đến cac phương tiện giao thông vận tải như ô tô, máy bay,…

MEMS hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng cho các lọai sản phẩm, cho phép phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng kết hợp giữa các yếu tố

vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ kích hoạt, tạo khả năng nhận biết và điều khiển Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng

1.2 Tổng quan về vi động cơ trong MEMS

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển với nghành công nghệMicro và Nano, việc nghiên cứu và chế tạo động cơ kích thước micro- hay còn

gọi là vi động cơ đã trở thành yêu cầu cấp thiết Vi động cơ cùng với các vi kích

hoạt/chấp hành là nguồn dẫn động cho các thiết bị MEMS

Vi động cơ được định nghĩa là loại động cơ kích thước micro có chức năngchuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…), hóa học, sinh học… thành chuyểnđộng cơ học (thằng hoặc quay) dung trong dẫn động các vi hệ thống

1.2.1 Phân loại

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

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 Có thể liệt kê các hiệu ứng thường được sử dụng là hiệu ứng điện từ (electromagnetic), tĩnhđiện(electrostatic), nhiệt điện (electrothermal), áp điện (piezoelectric) và hiệu ứng hợp kim nhớ hình SMA (shape memory alloy)

1.2.2 Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

Lực tĩnh điện cũng được dùng để vận hành vi động cơ có khả năng quay tròn Cấu trúc cơ bản của động cơ bao gồm 1 roto quay , được dùng như 1 điện cực, stator là những điện cực đối diện điện cực stator được dùng điều biến pha khiến rotor có thể quay được liên tục nếu xử lý bề mặt trục quay bằng phương pháp kết tủa, động cơ sẽ được bôi trơn và làm việc lâu dài ổn định Động cơ đã được xử lý bôi trơn có thể hoạt động liên tục hàng ngàn giờ

Phần lớn động cơ quay tĩnh điện được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt với nhiều lớp oxide hy sinh và silic đa tinh thể

1.3 Các nghiên cứu về vi động cơ quay tĩnh điện.

 Bài báo: “ Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting

Actuator”-(Danelle M 2001)-

 Bài báo: “Micro system Technologies, Micro and Nanosystem

information storage and processing system” -Phuc Hong Pham • Dzung

Viet Dao (2013)

Tác giả đưa ra mô hình vi động cơ quay kiểu tĩnh điện, nhờ lực tĩnh điện của các răng lược giúp cho vi động cơ quay Nhờ cơ cấu chống đảo chiều vi động cơ chỉ quay theo 1 chiều.

 Ưu, nhược điểm của các bài báo khoa học.

 Ưu điểm:

- Kết cấu và nguyên lý làm việc đơn giản

- Điều khiển dễ dàng

- Truyền chuyển động tốt, hiệu suất cao.

- Tiêu tốn ít năng lượng

 Nhược điểm:

- Cơ cấu chống đảo khó chế tao.

- Tạo lực ma sát giữa cơ cấu với nền

- Điện áp dẫn cao.

- Công suất dẫn động nhỏ, dễ trượt ở tốc độ cao.

1.4 Lý do chọn đề tài.

Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện rất phổ biến và sử dụng hiệu quả

cho việc truyền chuyển động

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

đơn giản

- Có nhiều tài liệu, bài báo, luận văn viết về vi động cơ quay tĩnh

điện

Chương 2: Lý thuyết về tĩnh điện

2.1. Hiệu ứng tĩnh điện

2.1.1 Lực pháp tuyến trên bản cực

Giả sử cung cấp điện áp một chiều V vào tụ điện gồm một cặp điện cực songsong như hình vẽ 2.1 Điện cực bên trái được cố định tại tọa độ x=0, điện cựcbên phải có thể di chuyển theo phương x,điện dung của tụ điện song song được

tính:

0

.

A C

x

 



(2.1)

Hình 2.1 Lực điện từ pháp tuyến trên điện cực

Trong đó: A là điện tích của điện cực

Điện tích của tụ điện là: Qc  C x V ( ). (2.2)

Và năng lượng điện trường trữ trong tụ là:

21

Dấu “ -” trong biểu thức trên chỉ ra rằng lực tác dụng hướng điện cực di chuyển

về phía điện cực cố định

2.1.2 Lực tiếp tuyến trên bản cực

Ta tiếp tục khảo sát tụ điện gồm hai bản cực song song cách nhau một khoảng không đổi g0 Tấm bên dưới được cố định, tấm bên trên có thể di động theo

phương y như hình vẽ (2.2) Giả sử rằng khoảng cách trùng nhau y lớn hơn

nhiều khe hở g0 giữa hai tấm

Hình 2.2 Lực điện từ tiếp tuyến trên điện cực

Điện dung giữa hai tụ điện là:

Lực Ft tác dụng làm bản cực bên trên di chuyển một khoảng vô cùng nhỏ ∆ y,theo quan hệ của sự bảo toàn năng lượng:

2 0 0

2.

0

2

2.2 Chuyển vị pháp tuyến

Độ dịch chuyển song song

Bộ kích hoạt răng lược làm việc dựa vào lực tĩnh điện tiếp tuyến Để loại bỏ tácdụng của lực pháp tuyến, bản tụ đứng yên được sắp xếp đối xứng và xen kẽ vềhai phía của mỗi bản tụ có thể di chuyển, bởi đó lực pháp tuyến từ hai bên sẽ bịtriệt tiêu từng cặp Chỉ còn lực tiếp tuyến Ft, nó không phụ thuộc vào sự dịchchuyển., biểu thức tính độ dich chuyển của bộ kích hoạt răng lược là:

2 0

 

(2.22)Trong đó :

- h là chiều cao trùng lên nhau giữa các bản điện cực theo phương z.

- g0 là khe hở giữa bản điện cực có thể di chuyển và bàn điện cực đứng yên

- n là số răng có thể di chuyển

- k là độ cứng của kết cấu lược theo phương tiếp tuyến y.

2.3 Đề xuất thiết kế mới.

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.4 chỉ ra cấu tạo của vi động cơ quay (MRM) gồm có bốn bộ kíchhoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược liên kết với các cơ cấu truyền động, vànhrăng cóc và bốn cơ cấu chống đảo

- Nguyên lý hoạt động:

Khi đặt một điện áp giữa hai điện cực cố định và điện cực di động củadầm của bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, do lực tĩnh điện tiếptuyến, phần di động (gồm có dầm và vành răng lược di động) quay trái quanhđiểm đàn hồi Thông qua cơ cấu truyền 4, chuyển động quay của bộ kíchhoạt/chấp hành được truyền ra vành răng ngoài 5 và quay ngược chiều kim đồng

hồ Khi điện áp giảm về 0, các dầm cùng với răng lược và cơ cấu truyền độnghồi vị về vị trí ban đầu nhờ lực đàn hồi Nhờ cơ cấu chống đảo 3, vành răngkhông xoay theo chiều ngược lại Vận tốc góc của vành răng phụ thuộc vào tần

số của điện áp đặt vào các điện cực

Chương 3: Tính toán và thiết kế

3.1 Kích thước hệ thống

 Kích thước vành răng cóc

 Kích thước dầm dẫn động

Trong đó:

Số răng lược di động là n=55

Số răng lược cố định là n’=57Khe hở giữa 2 răng lược: g = 2(μmm)

Độ dài răng lược: Cố định: h1 = 80 (μmm)

Di động: h2 =80 (μmm)

Độ dài trượt ngang tối đa l=22 (μmm)

Bề rộng 1 răng b= 3 (μmm)Khe hở chế tạo θ=2(μmm)

Bề rộng cổ đàn hồi: 4μmm

 Cơ cấu chống đảo và răng lược cố định

3.2 Phân tích lực và mô phỏng

3.2.1 Lực trong kì dẫn động

Là quá trình dẫn động cho bánh răng quay, dưới tác động của lực tĩnh

điện dầm dẫn động sẽ kéo bánh răng đi Các lực trên răng cóc dẫn và răng cóc của vành răng ngoài được phân tích trong nửa đầu của chu kỳ (hình 3.5)

Hình 3.5 Lực trong kì dẫn độngTrong đó:

F es là lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lược

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

Fms1 là lực ma sát của vành răng ngoài và lớp nền

Fdh2 là lực đàn hồi của lẫy chống đảo

Fms2 là lực ma sát giữa chân hãm và các răng cóc

Khi các răng cóc của vành răng ngoài được dẫn động bởi vành răng cóc dẫn,chuyển vị của vành răng cóc dẫn phải thỏa mã điều khiện sau:

Với: n = 55 là số răng lược trên 1 dầm đàn dồi dẫn động

b=30 μmm là độ dày của răng lược

g=2 μmm là khe hở giữa 2 răng lược

fm = 0.3 là hệ số ma sát giữa lớp silic dẫn với nền

m1,m2,m3 là khối lượng của cơ cấu tương ứng

i = 1, 2,… số bước răng dịch chuyển

p = 10 µm là bước răng cóc

θ =2 μmm Là khe hở chế tạo

- kp được tính qua mô phỏng

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

Với k p = 3.85 µN.µm-1 là độ cứng của cổ dầm khi quay quanh điểm đàn hồi Giá trị của kp được xác định qua mô phỏng như trên hình 3.6 Với lực

Fsim1 = 1 N, ta tính được độ cứng của dầm mang các răng lược tĩnh điện:

- kp2 được tính qua mô phỏng

1 3.85 / 0.26

- Giá trị của các lực được tính toán.

¿

¿

¿

¿

- Xác định điện áp tối thiểu

Điều kiện để lực dẫn F d làm vành răng cóc chuyển động là:

Vậy: với i=1 thì điện áp nhỏ nhất Vmin =82.06 (V)

với i=2 thì điện áp nhỏ nhất Vmin =109.56 (V)

3.2.2 Tính toán lực trong kì hồi vị

Hình 3.8 Sơ đồ phân tích lực trong kì hồi vịTrong kỳ hồi vị, dưới tác dụng của lực đàn hồi của dầm, thanh răng cócdẫn hồi vị về vị trí ban đầu và trượt trên vành răng ngoài, lực tác dụng giữachúng được chỉ ra trên (hình 3.8)

Ở đầu kỳ hồi vị, lực đàn hồi F elthắng lực ma sát F ms3vàF n1

Hình 3.9 Mô phỏng độ cứng của cổ dầm và lò xo cơ cấu chống đảo

Từ đó ta tính được:

1

5

6.79 / 0.736

i = 2 thì thỏa mãn điều kiện 2

Vậy để vành răng quay được 2 bước răng trong 1 bước dẫn cần điện áp

Trong đó: n: số vòng quay trong 1 phút

t: thời gian quay được 1 vòngz=345: số răng cóc của vành răng

- Ứng suất của cơ cấu dẫn.

Các giá trị ứng suất đều <600 N/m2 thỏa mãn ứng suất cho phép

Chương 4: Quy trình chế tạo sản phẩm

4.1 Bước chuẩn bị

Phiến SOI được sử dụng cho quá trình gia công là phiến có lớp silic linh kiện nằm trên lớp điện môi SiO2 (hình 4.8) Một phiến SOI gồm có 3 lớp:

 Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm

 Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm

 Dưới cùng là đế silic : dày khoảng 450 – 500 µm

Sau đó, phiến SOI được làm sạch bằng các hóa chất nhờ axêtôn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt Tiếp theo tiến hành sấy ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô phiến SOI

4.2 Quá trình quang khắc

4.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE

4.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF

Sản phẩm thu được:

Chương 5: Kết luận.

Phương pháp thiết kế hệ thống vi cơ điện tử quay răng lược tĩnh điện đãtính toán ở trên, ta có được những ưu và nhược điểm như sau:

 Ưu điểm:

 Kết cấu và nguyên lý hoạt động khá đơn giản

 Điều khiển đơn giản

 Cơ cấu chống đảo đơn giản

 Momen quay khá lớn, ăn khớp ngoài bằng bánh răng nên hiệu suất truyền động khá cao

 Quy trình gia công khá đơn giản

 Nhược điểm:

 Cơ cấu có một số chi tiết mảnh khó gia công, dễ bị đứt

 Tiêu thụ năng lượng lớn

 Những điều đã đạt được và chưa đạt được:

 Làm được: thiết kế, tính toán, mô phỏng được mô hình mới

• Chưa làm được: chưa chết tạo và chưa có sản phẩm thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting Actuator”-Danelle M (2001) [2] “Micro system Technologies, Micro and Nanosystem information storage

and processing system” -Phuc Hong Pham • Dzung Viet Dao (2013)

[3] “Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện

tử”-Đặng Bảo Lâm (2014)

Bảng phân công công việc

Đánh giá(%)

Nguyễn Văn Hoàng

(NT) (20131625)

Phân chia công việc, tổng quan, đề xuấtthiết kế, tính toán, quy trình chế tạo, làmslide và báo cáo, thuyết trình 100%

Nguyễn Văn Hoàng