Thiết kế cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa trên công nghệ mems

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR Bộ kích hoạt răng lược có hình giống như cái lược gồm các răng lược được đặt song song với nhau Hình 1.9.. Cấu tạo của chúng gồm: phần tĩnh là c

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- - -

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

THIẾT KẾ CẢI TIẾN VÀ LẬP QUY TRÌNH CHẾ TẠO

MICROMOTOR QUAY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ ĐIỆN TỬ - CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Hà Nội – 11/2010

Trang 2

MỤC LỤC

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii

LỜI NÓI ĐẦU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR 1

1.1 Tổng quan về công nghệ MEMS 1

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ MEMS 1

1.1.2 Phân loại MEMS 2

1.1.3 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS 3

1.1.4 Ứng dụng công nghệ MEMS 4

1.1.5 Thị trường MEMS 6

1.2 Micromotor sự phát triển và các ứng dụng 7

1.2.1 Chuyển động tuyến tính 7

1.2.2 Động cơ quay - Rotary motor 11

1.2.3 Truyền và biến đổi chuyển động 14

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN 16

2.1 Lý thuyết tĩnh điện 16

2.1.1 Khái niệm về lý thuyết tĩnh điện 16

2.1.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện và lực tĩnh điện 17

2.2 Ứng dụng lý thuyết tĩnh điện trong bộ kích hoạt răng lược 21

CHƯƠNG 3 MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN 23

3.1 Ứng dụng bộ kích hoạt răng lược để thiết kế micromotor quay 23

3.2 Micromotor quay kiểu cũ 24

3.2.1 Thiết kế và nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu cũ 25

3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống 26

3.2.3 Đo đạc và ưu nhược điểm micromotor quay kiểu cũ 30

Trang 3

MỤC LỤC

3.3 Thiết kế cải tiến thứ nhất - CT01 31

3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 31

3.3.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT01 33

3.3.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT01 35

3.4 Thiết kế cải tiến thứ hai - CT02 37

3.4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết kế cải tiến CT02 37

3.4.2 Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT02 38

3.4.3 Phân tích lực trong thiết kế cải tiến CT02 40

3.4.4 Tính toán số vòng quay lý thuyết nlt trong thiết kế cải tiến 42

3.5 Tính toán bằng mô phỏng trong phần mềm AnsysWorkbench 43

3.5.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 43

3.5.2 Tính toán mô phỏng chuyển vị cổ dầm bộ kích hoạt răng lược 45

3.5.3 Tính toán mô phỏng độ cứng lò xo đàn hồi 51

3.5.4 Tính toán độ cứng cổ thanh răng cóc dẫn 53

3.5.5 Tính toán mô phỏng hệ thanh răng trong cơ cấu truyền chuyển động 55

CHƯƠNG 4 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MICROMOTOR QUAY 58

4.1 Tổng quan về gia công MEMS 58

4.2 Một số quy trình gia công trong công nghệ MEMS 58

4.2.1 Quy trình gia công quang khắc - Photolithography 58

4.2.2 Quy trình gia công micromotor 61

4.3 Các thiết bị tại ITIMS 66

4.3.1 Thiết bị dùng trong quy trình quang khắc 66

4.3.2 Thiết bị dùng trong quy trình ăn mòn sâu bằng ion hoạt hóa D-RIE 68

4.3.3 Thiết kế mặt nạ trong phần mềm L-Edit 69

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 74

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bầy trong luận văn này là của bản thân tôi, không phải là sự sao chép hay cóp nhặt của bất cứ tác giả nào Tôi xin

tự chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Tác giả

NGUYỄN ĐÌNH HƯỚNG

Trang 5

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MEMS Micro Electro Mechanical Systems

NEMS Nano Electro Mechanical Systems

IC Integrated Circuit

RF Radio frequency

GPS Global Positioning System

CAGR Compound Annual Growth Rate

APCOT Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro-Nano

Technology

CT01 Thiết kế cải tiến thứ nhất

CT02 Thiết kế cải tiến thứ hai

ANSYS Analysis Systems

LIGA Lithographie, Galvanoformung, Abformung Tiếng Đức

UV ultraviolet

SOI Silicon on Insulating layer

D-RIE Deep Reactive Ion Etching

FIB Focused ion beam

ITIMS International Training Institute for Materials Science

ICP Inductively Coupled Plasma

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.1 Các thiết bị MEMS tích hợp trên mạch điện tử IC

1.2 Các thiết bị MEMS siêu nhỏ

1.3 Các thành phần trong MEMS

1.4 Ứng dụng MEMS trong công nghiệp sản xuất ô tô

1.5 Cảm biến áp suất dùng trong máy đo huyết áp

1.6 Các thiết bị MEMS dùng trong văn phòng

1.7 Các thiết bị MEMS dùng trong quốc phòng, quân sự

1.8 Dự báo kinh doanh các sản phẩm MEMS của tổ chức iSuppli - 2009

1.9 Cấu tạo một bộ kích hoạt răng lược

1.10 Một thiết bị MEMS sử dụng bộ kích hoạt răng lược

1.11 Bộ kích hoạt khe hở kín

1.12 Cấu tạo và hoạt động bộ kích hoạt kiểu cào

1.13 Động cơ quay biến đổi điện dung đa trường

1.14 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc

1.15 Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong

1.16 Bộ truyền động bánh răng micro sử dụng bộ kích hoạt răng lược 1.17 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng

2.1 Cấu tạo một tụ điện

2.2 Lực pháp tuyến sinh ra trên tụ

2.3 Lực tiếp tuyến Ft trên tụ

2.4 Cấu tạo của bộ kích hoạt kiểu răng lược

3.1 Cấu tạo một bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược

3.2 (a,b) Hoạt động của bộ kích hoạt răng lược

3.3 Ảnh chụp micromotor quay cũ và các bộ phận qua kính hiển vi điện tử

Trang 7

3.4 Cấu tạo micromotor quay kiểu cũ

3.5 Cấu tạo bộ kích hoạt răng lược trong thiết kế cũ

3.6 (a, b) Quá trình làm việc của cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cũ 3.7 Kích thước răng lược

3.8 Cấu tạo cơ cấu chống đảo

3.9 Vị trí làm việc của cơ cấu chống đảo

3.10 Vị trí làm việc của chân hãm trong cơ cấu chống đảo

3.11 Đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc góc và tần số dẫn động

3.12 Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT01

3.13 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT01 3.14 Vị trí làm việc của cơ cấu truyền chuyển động răng cóc

3.15 Quá trình làm việc bộ kích hoạt và cơ cấu truyền chuyển động 3.16 Sơ đồ tính áp lực Q trong thiết kế cải tiến CT01

3.17 Cấu tạo micromotor quay trong thiết kế cải tiến CT02

3.18 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cải tiến CT02 3.19 Vị trí làm việc của cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế CT02 3.20 Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V ≠ 0

3.21 Vị trí thanh răng cóc dẫn khi điện áp đặt V = 0

3.22 Sơ đồ tính áp lực Q trong thiết kế cải tiến CT02

3.23 Mô hình bài toán mô phỏng chuyển vị cổ dầm bộ kích hoạt

3.24 Xây dựng mô hình và chia lưới dầm trong Ansys Multiphysics 3.25 Chuyển vị cổ dầm trong bài toán cấu trúc trong Ansys Multiphysics 3.26 Ứng suất tại cổ dầm trong bài toán cấu trúc

3.27 Mô hình bài toán tĩnh điện

3.28 Chuyển vị cổ dầm trong bài toán tĩnh điện

3.29 Ứng suất cổ dầm trong bài toán tĩnh điện

3.30 Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng lò xo đàn hồi

3.31 Chia lưới mô hình lò xo đàn hồi trong AnsysWorkbench

Trang 8

3.32 Kết quả mô phỏng chuyển vị của lò xo với lực đặt Ftd = 56µN 3.33 Kết quả mô phỏng ứng suất lò xo đàn hồi

3.34 Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng cổ thanh răng cóc dẫn

3.35 Chia lưới mô hình thanh răng cóc dẫn trong AnsysWorkbench 3.36 Kết quả mô phỏng chuyển vị của thanh răng với lực đặt Ftd = 56µN 3.37 Kết quả mô phỏng ứng suất cổ đàn hồi thanh răng cóc dẫn

3.38 Mô hình bài toán mô phỏng đàn hồi hệ cổ thanh răng cóc

3.39 Chia lưới cho mô hình hệ thanh răng cóc dẫn

3.40 Kết quả mô phỏng chuyển vị hệ cổ thanh răng cóc dẫn

3.41 Kết quả mô phỏng ứng suất cổ thanh răng cóc dẫn trong hệ

3.42 Chuyển vị dầm dẫn động bộ kích hoạt răng lược

4.1 Các bước trong quy trình quang khắc - Photolithography

4.2 Quy trình gia công micromotor

4.3 Cấu tạo một phiến wafer

4.4 Quá trình quang khắc và phát triển lớp photoresist

4.5 Quá trình ăn mòn khô D-RIE

4.6 Quá trình ăn mòn axit bay hơi - Vapor HF

4.7 Kết quả sau quá trình ăn mòn axit HF

4.8 Máy quay phủ

4.9 Máy tinh chỉnh mặt nạ - Mask aligner

4.10 Máy sấy - Baker

4.11 Hệ thống ăn mòn khô ICP - RIE 10iP

4.12 Thiết kế mặt nạ trong phần mềm L-Edit

Trang 9

LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, công nghệ vi cơ điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) đang phát triển rất mạnh trên thế giới với rất nhiều những ứng dụng trong công nghiệp và đời sống Ở Việt Nam, trong thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, cần thực hiện việc đi tắt đón đầu nắm bắt các công nghệ mới và công nghệ MEMS cũng không ngoại lệ Tuy mới phát triển ở nước ta gần đây nhưng công nghệ MEMS bước đầu cũng có những kết quả nhất định và hứa hẹn về sự phát

triển trong tương lai Nắm bắt được nhu cầu thực tế đó, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa trên công nghệ MEMS”.

Luận văn đã trình bầy những nghiên cứu, tìm hiểu về công nghệ MEMS và micromotor Tiếp theo là về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của micromotor quay kiểu tĩnh điện với những ưu, nhược điểm của nó Từ những kết luận thu được, luận văn đưa ra những điểm cải tiến trong các thiết kế mới nhằm nâng cao hiệu suất của micromotor Đồng thời, cũng đề xuất một quy trình gia công khối (bulk-micromachining) cho micromotor

Qua quá trình học tập, nghiên cứu tại Viện đào tạo sau đại học - trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo Phạm Hồng Phúc, cùng sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy, các cán bộ trong bộ môn

Cơ sở thiết kế máy và rôbốt, viện Cơ khí, đến nay luận văn tốt nghiệp của tôi đã hoàn thành

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên luận văn này khó tránh khỏi những thiếu sót về nội dung cũng như trình bầy Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa từ các thầy để luận văn được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Trang 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS VÀ MICROMOTOR 1.1 Tổng quan về công nghệ MEMS

1.1.1 Giới thiệu về công nghệ MEMS

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là công nghệ tích hợp, phát triển

từ công nghệ mạch điện tử - IC Trong đó, các mạch điện, bộ nhớ, cảm biến, bộ kích hoạt được tích hợp trên cùng một con chíp và cho phép chuyển đổi các dạng tín hiệu đầu vào như điện, cơ, nhiệt, hóa… thành các tín hiệu tương tự Vật liệu được dùng chủ yếu trong công nghệ MEMS hiện nay là silicon Nó được ví như vật liệu sắt trong cơ khí

Hình 1.2 Các thiết bị MEMS siêu nhỏ

Bộ kích hoạt Cảm biến

Bộ nhớ, mạch điện

OUT

IN

Điện, Cơ Nhiệt, Hóa Quang

Trang 11

Nếu gia công chất bán dẫn được xem là cuộc cách mạng đầu tiên trong thế giới micro thì MEMS là cuộc cách mạng thứ hai Trong những thập niên 80-90 của thế kỉ XX, các nhà khoa học trả lời câu hỏi: “Làm MEMS như thế nào?” (How to make?) Ở thế kỉ XXI, MEMS là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn và có tiềm năng cách mạng cho các sản phẩm công nghiệp cũng như đời sống

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ MEMS là bởi những ưu điểm nổi trội như: độ chính xác cao (chỉ một vài micro mét), tính gia công hàng loạt, tính tái sản xuất cao, khối lượng và kích thước nhỏ, tích hợp mạch điện tử, và giảm giá thành

1.1.2 Phân loại MEMS

MEMS bao gồm các thành phần như: các loại cảm biến (microsensors), những bộ kích hoạt (microactuators), các vi điện tử (microelectronics) và các loại vật liệu (microstructures) Các thành phần này có quan hệ lẫn nhau trong MEMS

1.1.2.1 Bộ kích hoạt

Bộ kích hoạt là các thiết bị chuyển các tín hiệu (điện, nhiệt, hóa…) về các tín

hiệu cơ học như: lực, áp suất, mômen, vận tốc hay chuyển vị

1.2.2.2 Cảm biến

Cảm biến là một thiết bị đo, dùng để chuyển đổi các tín hiệu từ môi trường đo

về tín hiệu điện Dựa trên các dạng tín hiệu, cảm biến được phân thành các loại sau:

Trang 12

- Các cảm biến cơ học: chuyển đổi các tín hiệu cơ học (lực, áp suất, vận tốc,

gia tốc, vận tốc góc, chuyển vị) thành tín hiệu điện (áp điện, áp điện trở, điện dung)

- Các cảm biến hóa học: chuyển đổi các thông tin hóa học (mật độ tập trung

hóa học, thành phần, tốc độ phản ứng) thành các tín hiệu điện (điện trở, tần số cộng

1.1.2.4 Vật liệu MEMS

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ MEMS, ngành công nghệ vật liệu đang nghiên cứu và ứng dụng những vật liệu mới như: nhựa (polymer), gốm (ceramics), composite… cùng với vật liệu truyền thống silicon (Si) để có những đặc tính tốt đáp ứng cho sự phát triển của công nghệ MEMS

1.1.3 Lịch sử phát triển công nghệ MEMS

Lịch sử của công nghệ MEMS thể hiện tính đa dạng, những thách thức trong

sự phát triển và ứng dụng Các mốc lịch sử thể hiện sự phát triển của MEMS như:

- Thập niên 50: các nhà khoa học tìm hiểu được đặc tính của silicon, từ đó đặt tiền đề cho sự phát triển của công nghệ MEMS sau này

- Thập niên 60: chế tạo ra cảm biến áp suất silicon đầu tiên

- Những thập niên 70: chế tạo cảm biến gia tốc và đầu in mực đầu tiên

- Những thập niên 80: công nghệ MEMS trở nên phổ biến và được đưa vào

nghiên cứu nhiều hơn với phương pháp gia công bề mặt (SURFACE) và gia công

tia laze (LIGA)

Trang 13

- Thập niên 90: tiếp tục có những nghiên cứu, cải tiến các thiết bị trong công nghệ MEMS và bắt đầu ứng dụng nhiều trong đời sống

- Từ năm 2000 đến nay: công nghệ MEMS được ứng dụng vào hầu như mọi lĩnh vực của khoa học, đời sống với tỉ trọng kinh tế lớn

1.1.4 Ứng dụng công nghệ MEMS

Ngày nay, công nghệ MEMS được dùng rất nhiều trong công nghiệp, khoa học, đời sống, y học, quân sự …

1.1.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp

MEMS được sử dụng nhiều trong các robot công nghiệp, các thiết bị kiểm tra

đo lường, và đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô Ngày nay, một chiếc ô tô có thể gắn trên nó hàng trăm các thiết bị MEMS

Trang 14

1.1.4.3 Ứng dụng đời sống

Trong đời sống, MEMS được ứng dụng rất nhiều trong văn phòng và ngành công nghiệp giải trí Các thiết bị văn phòng như: máy in, máy chiếu… đều được ứng dụng công nghệ MEMS Và các thiết bị dùng trong ngành giải trí như các thiết

bị nghe nhìn, trò chơi tương thích…

1.1.4.4 Ứng dụng trong quốc phòng, quân sự

Trong lĩnh vực quốc phòng, quân sự, công nghệ MEMS được ứng dụng chủ yếu trong các thiết bị tần số vô tuyến điện (RF) Các thiết bị có thể kể đến như: hệ thống

Hình 1.6 Các thiết bị MEMS dùng trong văn phòng Hình 1.5 Cảm biến áp suất dùng trong máy đo áp huyết

Trang 15

ra đa, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và ăng ten điều chỉnh… bên cạnh những ứng dụng truyền thông không dây như điện thoại di động

1.1.5 Thị trường MEMS

1.1.5.1 Thị trường MEMS thế giới

Theo báo cáo của tổ chức iSuppli-2009, doanh thu các thiết bị MEMS giảm

8%, chỉ đạt 5,5 tỉ USD do ảnh hưởng khủng hoảng kinh tế Tuy nhiên, dự báo tốc

độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) từ 2009 đến 2013 là 10%, và sẽ đạt 8,5 tỉ USD

Hình 1.8 Dự báo kinh doanh các sản phẩm MEMS của tổ chức iSuppli - 2009

Hình 1.7 Các thiết bị MEMS dùng trong quốc phòng, quân sự

Trang 16

1.1.5.2 Thị trường MEMS trong nước

Ở Việt Nam, trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010” đã đưa ra một số hướng cơ điện tử mới có triển vọng như hệ vi cơ điện tử (MEMS) và hệ nano cơ điện tử (NEMS)… Những năm qua, Việt Nam đã trở thành điểm dừng chân của các nhà đầu tư nước ngoài Trong số đó có không ít công ty hàng đầu có sản phẩm cần đến các linh kiện được chế tạo từ công nghệ MEMS Do trình độ phát triển các ngành công nghệ cao ở nước ta còn hạn chế, việc phát triển công nghệ MEMS sẽ cho phép chúng ta thực hiện các chiến lược đi tắt đón đầu vì những tiềm năng to lớn phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau

1.2 Micromotor sự phát triển và các ứng dụng

Vào thập niên 1960, Bolee và đồng nghiệp của ông nghiên cứu những động

cơ tĩnh điện Họ đã xây dựng những động cơ tĩnh điện kiểu quay kích thước 1-10

cm Vào năm 1988, những động cơ tĩnh điện được phát triển với nhóm nghiên cứu MEMS bao gồm động cơ dẫn động sườn bên, động cơ lắc… Và chuyển động của micromotor có thể là: chuyển động tuyến tính, chuyển động quay, và sự kết hợp các chuyển động với nhau

1.2.1 Chuyển động tuyến tính

1.2.1.1 Bộ kích hoạt răng lược (Comb-drive actuator)

Hình 1.9 Cấu tạo một bộ kích hoạt răng lược

Trang 17

Bộ kích hoạt răng lược có hình giống như cái lược gồm các răng lược được đặt song song với nhau (Hình 1.9) Bộ kích hoạt răng lược làm việc dựa trên lý thuyết tĩnh điện

Một micromotor chuyển động thẳng (Hình 1.10) sử dụng hai bộ kích hoạt răng lược (1) Cấu tạo mỗi bộ kích hoạt răng lược gồm các răng lược cố định (fixed fingers) - (3), và các răng lược di động (movable fingers) - (4) Phần răng lược di động được gắn trên hệ thanh dầm (2) Các thanh dầm này được thiết kế và tính toán

Trang 18

1.2.1.2 Bộ kích hoạt khe hở kín - Gap closing

Hình 1.11 mô tả một bộ kích hoạt khe hở kín (Gap closing) Bộ kích hoạt khe

hở kín có cấu trúc giống một bộ kích hoạt răng lược Cấu tạo bộ kích hoạt này gồm hai cặp răng lược đặt song song với nhau, phần răng lược di động (1) và phần răng

lược cố định (2) Hai dầm mảnh có chiều dài l s được nối với phần di động Khác với

bộ kích hoạt răng lược thông thường, bộ kích hoạt khe hở kín gồm các răng lược được đặt lệch theo phương x Khe hở giữa các răng lược là x1 và x 2

Khi ta đặt điện áp vào bộ kích hoạt (phần tĩnh đặt điện áp dương, phần động nối đất) thì các cặp răng lược sẽ trở thành các tụ điện Lực tĩnh điện theo phương tiếp tuyến (phương z) sinh ra không đủ lớn để làm biến dạng dầm Còn lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến (phương x) Fact = Fn sinh ra sẽ làm biến dạng dầm và kéo phần di động xuống tác động vào phần cản (bumper) để thực hiện một nhiệm vụ cho trước (Hình 1.11) Trong trường hợp này, các lực theo phương pháp tuyến sẽ không bị triệt tiêu vì khe hở giữa các cặp răng lược khác nhau (x1 ≠ x2) Và lực pháp tuyến được tính theo công thức:

Trang 19

Qua công thức (1.1) ta thấy, Fn1 >> Fn2 vì x1 << x2 Trong đó:

A: diện tích phần răng lược trùng nhau

ε, ε0: các hằng số điện môi

V: điện áp đặt

x: khe hở giữa các điện cực (tính theo phương x)

1.2.1.3 Kích hoạt kiểu cào - Scratch Drive

Nguyên lý đẩy trong bộ kích hoạt kiểu cào (scratch drive) được phát minh bởi Akiyama Cấu tạo của bộ kích hoạt kiểu cào gồm có một tấm silicon mỏng (1- 2µm), phần cuối tấm là một tấm bạc (bushing) Tấm này được đặt cách tấm silicon nền (substrate) bởi một lớp cách điện (insulator)

Hoạt động của bộ kích hoạt này dựa trên lý thuyết tĩnh điện Hình 1.12a-c

mô tả các bước hoạt động của hệ thống Ở trạng thái được cấp điện, tấm bị hút xuống nền (điện cực thấp hơn)- Hình 1.12a Khi điện áp chuyển từ cực dương sang

cực âm, tấm giãn trở về và tiến được một đoạn dx - Hình 1.12b, còn bạc không bị

trượt do ma sát giữa bạc (bushing) với lớp cách điện (insulator) lớn hơn ma sát giữa tấm (plate) với nền Ta có tâm xoay là đường thẳng tiếp xúc giữa bạc với lớp cách điện Như vậy, khi được cấp điện- Hình 1.12c, tấm lại bị hút xuống và lúc này bạc

trượt về phía trước một khoảng dx’ do ma sát giữa tấm với nền lớn hơn ma sát giữa bạc với lớp cách điện Quá trình chuyển động lại lặp lại từ bước (a)

Hình 1.12 Cấu tạo và hoạt động bộ kích hoạt kiểu cào

Trang 20

Ưu điểm của bộ kích hoạt kiểu cào là chuyển động chính xác vì chỉ thực hiện trên một đường thẳng Tuy nhiên, nhược điểm của bộ kích hoạt này là có thể xảy ra hiệu ứng chạy ngược bởi giới hạn về kết cấu Ví dụ như cấu trúc cạnh tiếp xúc của tấm bạc với lớp cách điện cũng quan trọng để đạt được ma sát mong muốn Bộ kích hoạt kiểu cào được dùng phổ biến trong nghiên cứu hơn ứng dụng trong thực tế

1.2.2 Động cơ quay - Rotary motor

1.2.2.1 Động cơ quay kiểu điện dung có thể thay đổi được - Variable capacitance motor

Hoạt động của động cơ tĩnh điện kiểu quay này dựa trên sự thay đổi điện dung Động cơ quay gồm hai phần chính: phần động (rotor) có thể quay quanh một

ổ lăn gồm n-k điện cực, phần tĩnh (staror) mang n điện cực Khi ta cấp dòng điện

xoay chiều tần số f vào phần tĩnh, còn phần động được cấp điện trái dấu với phần

tĩnh Theo lý thuyết tĩnh điện sẽ xuất hiện các mômen xoắn Tα trên điện cực ở phần động Ta có công thức tính mômen xoắn như sau:

= 2 (1.2) ℎ

Hình 1.13 Động cơ quay biến đổi điện dung đa trường

Trang 21

Trong đó:

• V: điện áp đặt vào điện cực;

• R: bán kính rotor;

• h và g: chiều cao và khe hở giữa các điện cực tương ứng

Theo công thức trên ta thấy, mômen xoắn Tα tỉ lệ với bình phương điện áp V đặt vào mỗi điện cực Sự khác nhau về điện áp tại từng thời điểm khác nhau giữa các điện cực dẫn tới sự chênh lệch mômen xoắn, do đó làm quay rotor

Ưu điểm của động cơ quay này là khả năng hoạt động tốt: vận tốc góc đạt hàng nghìn vòng/phút, tuổi thọ làm việc lâu (hàng nghìn giờ) Tuy nhiên, nhược điểm của loại động cơ quay này là phần điều khiển phức tạp vì phải có bộ biến đổi pha Hơn nữa việc dẫn động chuyển động quay từ phần động ra ngoài gặp khó khăn Trong thực tế, kiều dẫn động quay này được dùng trong các máy quét quang học

1.2.2.2 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc

Bộ kích hoạt xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc (Torsional Ratcheting

Actuator-TRA) được phát triển tại phòng thí nghiệm phát triển vi điện tử thuộc phòng thí

nghiệm quốc gia Sandia Cấu tạo của hệ thống gồm rất nhiều những bộ kích hoạt

Hình 1.14 Hệ thống dẫn động xoắn sử dụng cơ cấu răng cóc

Cơ cấu đẩy Vành răng cóc

Cơ cấu hãm

Bộ kích hoạt răng lược kiểu xoay

Trang 22

răng lược kiểu xoay được đặt đồng tâm trong một khung tròn lớn Phần răng lược di động của những bộ kích hoạt này được nối vào với nhau trên khung tròn Ở tâm của khung là bốn dầm công xôn hoạt động như lò xo xoắn (torsion spring) Các dầm này

có tác dụng chống lại chuyển động ngang của khung, tuy nhiên vẫn cho phép khung quay

Hệ thống làm việc dựa trên lý thuyết tĩnh điện Khi cấp điện áp lên các cực

bộ kích hoạt, lực tĩnh điện sinh ra khiến khung tròn quay Thông qua các cơ cấu đẩy

và cơ cấu hãm trên khung sẽ làm quay vành răng cóc (ratchet pawl) và vành răng (ring gear) bên ngoài nó (Hình 1.14)

Ưu điểm của hệ thống này là sự chính xác, nguyên lý làm việc đơn giản Tuy nhiên, hệ thống được chế tạo theo phương pháp gia công bề mặt (surface-micromachining) sử dụng nhiều mặt nạ nên khá phức tạp

1.2.2.3 Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong

Hình 1.15 mô tả một động cơ quay được thiết kế bởi Phạm Hồng Phúc[4]

Động cơ quay được dẫn động bởi bốn bộ kích hoạt răng lược với các răng cong Cấu tạo của chúng gồm: phần tĩnh là các điện cực mang các răng lược cố

Hình 1.15 Động cơ quay dựa trên bộ kích hoạt răng lược cong

Phần tĩnh Phần động

Trang 23

định, phần động là điện cực (dầm) mang các răng lược di động Dầm được thiết kế hẹp ở cổ O để có thể lắc quanh nó một cách dễ dàng Hoạt động của bộ kích hoạt này dựa trên lý thuyết tĩnh điện, các răng lược có chung tâm quay chính là cổ đàn hồi O Khi đặt điện áp (V ≠ 0) vào các điện cực trên bộ kích hoạt răng lược (Rotational comb actuators), lực tĩnh điện sinh ra làm vành răng cóc (outer ratchet ring) quay theo chiều kim đồng hồ Khi điện áp đặt vào các cực (V = 0), vành răng cóc bị hãm không quay ngược chiều kim đồng hồ nhờ cơ cấu chống đảo (anti- reserve mechanism) Như vậy, quá trình cấp điện áp theo tần số cho ta chuyển động quay của động cơ

Ưu điểm của động cơ quay này là chế tạo đơn giản vì sử dụng phương pháp gia công khối Nhược điểm của động cơ quay này là hiện tượng trượt giữa các răng cóc dẫn (được gắn trên dầm) với vành răng cóc khi tần số điện áp cấp vào bộ kích hoạt cao Do đó làm ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của micromotor

1.2.3 Truyền và biến đổi chuyển động

1.2.3.1 Biến đổi chuyển động quay - quay (Bộ truyền động bánh răng)

Hình 1.16 Bộ truyền động bánh răng micro sử dụng bộ kích hoạt răng lược

1

2

3

Trang 24

Phương pháp gia công bề mặt (surface-micromachining) với nhiều lớp silicon giúp tạo ra các bánh răng với số răng khác nhau Mỗi bánh răng này có thể

ăn khớp với các bánh răng khác tạo thành những bộ truyền động (hộp số) micro Hình 1.16 mô tả một hệ thống truyền động bánh răng được phát triển ở phòng thí nghiệm Sandia - Hoa Kỳ Để có chuyển động quay của bánh răng dẫn động người ta

sử dụng các bộ kích hoạt răng lược Kết hợp chuyển động thẳng độc lập tạo bởi hai

bộ kích hoạt răng lược (1) đặt vuông góc với nhau để tạo chuyển động quay của bánh răng dẫn động (2) Và bánh răng dẫn động (2) ăn khớp với bánh răng bên ngoài (3) để tạo thành bộ truyền động bánh răng

1.2.3.2 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng

Kiểu biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng được thực hiện bởi những nhà nghiên cứu ở Sandia (Hình 1.17)

Dẫn động cho bộ biến đổi chuyển động này là hai bộ kích hoạt răng lược (1) đặt vuông góc với nhau (Hình 1.17a) Kết hợp chuyển động thẳng theo hai hướng vuông góc bởi hai bộ kích hoạt răng lược (1) để tạo ra chuyển động quay của bánh răng dẫn (2) Bánh răng (2) này ăn khớp với thanh răng (3) để biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng (Hình 1.17b)

(b) (a)

Hình 1.17 Biến đổi chuyển động thẳng - quay - thẳng

1

2

3

Trang 25

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN

2.1 Lý thuyết tĩnh điện

2.1.1 Khái niệm về lý thuyết tĩnh điện

Hiệu ứng tĩnh điện là hiệu ứng hai vật tích điện hút nhau Lực tĩnh điện là lực giữa hai vật mang điện đứng yên Lực này được nhà bác học người Pháp - Coulomb tìm ra khi cho hai điện tích điểm tương tác lẫn nhau Và định luật Coulomb được phát biểu như sau:

Lực tĩnh điện là lực tương tác giữa hai điện tích điểm, có phương nằm trên một đường thẳng nối hai điện tích, có chiều cùng với chiều của lực hút nếu hai điện tích cùng dấu và đẩy nếu hai điện tích trái dấu Lực tĩnh điện có độ lớn tỉ lệ thuận với tích các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng

Công thức tính lực hút tĩnh điện:

= || | |

(2.1) Trong đó:

• F: Lực hút tĩnh điện, [N]- Newtons

• q1: Điện tích hai vật mang điện 1, [C]- Culông

• q2: Điện tích hai vật mang điện 2, [C]- Culông

• r: Khoảng cách giữa hai điện tích điểm, [m]-mét

• k: Hằng số vật lý, được tính theo công thức dưới

( = 41

; là hằng số điện môi chân không)

Trang 26

2.1.2 Bộ kích hoạt tĩnh điện và lực tĩnh điện

Bộ kích hoạt tĩnh điện có cấu trúc kiểu răng lược được phát minh bởi W Tang, T Nguyen, và R Home năm 1989 khi họ đang làm việc ở UC Berkeley Bộ kích hoạt này có tính chất biến đổi điện dung khi có tác động cơ học Cấu trúc của

bộ kích hoạt này gồm hai phần chính: phần răng lược tĩnh (fixed comb hay stator)

và phần răng lược di động (movable comb hay rotor) Thực chất đó là một tụ điện gồm một bản tụ cố định và bản tụ kia đi động được

Xét một tụ điện với bản tụ bên trái là cố định (Hình 2.1) Khi đặt vào tụ một hiệu điện thế (V ≠ 0), theo định luật Culông sẽ xuất hiện lực tĩnh điện pháp tuyến Fn

Trang 27

Giả sử có một tụ điện (Hình 2.2) Bản tụ bên trái được cố định tại vị trí x0 = 0, còn bản tụ bên phải có thể di chuyển được tại vị trí x1 Đặt một điện áp (V ≠ 0) vào

tụ Khi đó, lực pháp tuyến Fn có chiều hướng từ bản tụ di động sang bản tụ cố định

Và điện dung của tụ điện được tính theo công thức:

) = (2.2)

Trong đó:

• A: diện tích trùng nhau của hai bản cực, [C]-Culông

• ε0: hằng số điện môi chân không, ε0 = 8,854.10-12 F/m

• ε: hằng số điện môi giữa hai bản cực, với môi trường không khí ε = 1

- Điện tích của tụ điện:

Trang 28

Xét một tụ điện với hai bản tụ song song đặt cách nhau một khoảng g 0 Giả

sử bản tụ đặt dưới là cố định, bản tụ phía trên là di động (Hình 2.3)

- Điện dung của tụ được tính theo công thức:

Hình 2.3 Lực tiếp tuyến F t trên tụ

Trang 29

∆y Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

=∆< +2-2< ∆< +. 2-2< ∆< = 0 (2.14)3

Đạo hàm 2 vế biểu thức (2.13), ta thu được:

2-.2< =ℎ 2 (2.15) Đạo hàm 2 vế biểu thức (2.12), ta thu được:

2-32< = −

2*.2< = −

ℎ

2 (2.16)

Ta thu được: = = −ℎ 2

(2.17) Như vậy, lực tiếp tuyến có tác dụng làm di chuyển bản tụ và làm tăng diện tích giữa phần bản tụ trùng nhau Qua biểu thức (2.17) ta thấy, khi kích thước của

các bản tụ lớn hơn rất nhiều so với khe hở g 0 giữa hai bản tụ thì lực tiếp tuyến Ft

Trang 30

không phụ thuộc vào khoảng cách y và có giá trị không đổi khi bản tụ di chuyển Từ

biểu thức (2.10) và (2.17) ta có mối liên hệ giữa hai lực pháp tuyến Fn và tiếp tuyến

Ft là:

= =< (2.18)

2.2 Ứng dụng lý thuyết tĩnh điện trong bộ kích hoạt răng lược

Bộ kích hoạt tĩnh điện có cấu trúc răng lược (Comb-drive actuator) là một cấu trúc được phát hiện bởi W Tang và các đồng nghiệp Nó hoạt động dựa trên lực tiếp tuyến Ft giữa các cặp bản cực đặt xen kẽ nhau giống như răng lược

Lực tĩnh điện tiếp tuyến Ft phụ thuộc vào bình phương điện áp V và độc lập với độ dịch chuyển y Độ lớn của lực tiếp tuyến phụ thuộc vào số cặp răng lược

Để triệt tiêu tác dụng của lực pháp tuyến Fn , các răng lược cố định được đặt đối xứng và xen kẽ về hai phía so với các răng lược di động (Hình 2.4a)

Giả sử có một cặp răng lược như Hình 2.4b, lực tĩnh điện sinh ra là :

Trang 31

Như vậy, nếu có n cặp răng lược, lực tiếp tuyến tổng hợp sẽ là:

= = Fℎ

(2.20) Phương trình xác định độ dịch chuyển cân bằng của điện cực di động là:

Fℎ

− < = 0 (2.21) Trong đó:

• h: Chiều rộng các bản tụ theo phương z

• g0: Khe hở giữa bản tụ di động và bản tụ cố định

• n: Số lượng răng lược (bản tụ) di động

• k: Độ cứng của kết cấu răng lược theo phương tiếp tuyến y

Do đó, độ dịch chuyển cân bằng của bản tụ di động là:

< = Fℎ

= 0 (2.22) Theo công thức (2.22), muốn thay đổi độ độ dịch chuyển ta có thể thay đổi điện áp đặt vào (V), hoặc số cặp răng lược (n)

Kết luận: Bộ kích hoạt kiểu răng lược (Comb-drive actuator) có đặc điểm

chế tạo đơn giản, chuyển vị tạo ra khá lớn, kích thước nhỏ gọn và dễ điều khiển Tuy nhiên muốn có chuyển vị lớn tức lực tĩnh điện tiếp tuyến Ft lớn thì cần nhiều cặp răng lược

Trang 32

CHƯƠNG 3 MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN

CHƯƠNG 3 MICROMOTOR QUAY VÀ THIẾT KẾ CẢI TIẾN

3.1 Ứng dụng bộ kích hoạt răng lược để thiết kế micromotor quay

Bộ kích hoạt được dùng trong micromotor quay có cấu trúc răng lược với các răng lược dạng cong Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ kích hoạt này cũng giống với bộ kích hoạt răng lược thẳng Hình 3.1 mô tả một bộ kích hoạt răng lược cong được dùng trong micromotor quay

Cấu tạo một bộ kích hoạt răng lược gồm hai phần: phần động là điện cực (dầm) mang các răng lược di động (1) và phần tĩnh là điện cực mang các răng lược

cố định (2) Các răng lược cố định được đặt đối xứng và xen kẽ về hai phía so với các răng lược di động Dầm mang các răng lược di động được thiết kế đặc biệt với

cổ dầm (tại điểm O) được thu hẹp để có thể dễ dàng lắc quanh vị trí điểm O Các răng lược cong trên các điện cực có tâm quay trùng với điểm O (Hình 3.1)

Trang 33

Hoạt động của bộ kích hoạt răng lược này dựa trên lý thuyết tĩnh điện Nghĩa

là, khi ta đặt điện áp (V ≠ 0) vào hai điện cực, phần trùng nhau của các cặp răng lược sẽ trở thành các tụ điện Theo lý thuyết tĩnh điện sẽ sinh ra các lực tĩnh điện pháp tuyến và tiếp tuyến Do thiết kế của bộ kích hoạt, các lực pháp tuyến sẽ bị triệt tiêu, chỉ còn các lực tiếp tuyến tác dụng Hợp các lực tiếp tuyến này sẽ làm dầm lắc

về bên phải Khi điện áp đặt vào các cực (V = 0), dầm trở về vị trí cũ do lực đàn hồi tại cổ dầm O Quá trình tác dụng liên tục của lực tĩnh điện (khi V ≠ 0) và lực đàn hồi (khi V = 0) sẽ làm dầm lắc qua lắc lại Ta sẽ sử dụng nguyên lý hoạt động này cho thiết kế của micromotor quay sau này Hình dưới mô tả quá trình làm việc của bộ kích hoạt răng lược

3.2 Micromotor quay kiểu cũ

Thiết kế micromotor quay cũ được đề xuất bởi tác giả Phạm Hồng Phúc[4] cùng

các đồng nghiệp Thiết kế này đã được công bố trong một bài báo tại Hội nghị Châu

á Thái Bình Dương lần thứ 4 về những bộ chuyển đổi và công nghệ Micro/Nano (APCOT) diễn ra tại Đài Loan năm 2008 Hình 3.3 là ảnh chụp qua kính hiển vị điện tử của micormotor quay và các bộ phận đã được công bố tại Hội nghị

Hình 3.2 Hoạt động của bộ kích hoạt: (a) Điện áp đặt V = 0;(b) Điện áp đặt V ≠ 0

(b) (a)

V= 0

V ≠ 0

Trang 34

3.2.1 Thiết kế và nguyên lý hoạt động micromotor quay kiểu cũ

Trang 35

Hình 3.4 mô tả thiết kế micromotor quay kiểu cũ:

1 Điện cực mang các răng lược cố định 4 Cơ cấu truyền chuyển động

2 Điện cực mang các răng lược di động 5 Vành răng cóc

3 Cơ cấu chống đảo 6 Cổ dầm

Micromotor quay này hoạt động dựa trên lý thuyết tĩnh điện với bốn bộ kích hoạt răng lược Khi ta cấp điện áp cho các điện cực trên bộ kích hoạt: cực âm vào các điện cực mang răng lược cố định (1), cực dương vào điện cực mang răng lược

di động (2)- (Hình 3.4) Khi đó, phần trùng nhau của các răng lược cố định và di động trong các bộ kích hoạt sẽ trở thành các tụ điện Lực tĩnh điện sinh ra sẽ làm dầm lắc sang phải Thông qua các cơ cấu truyền chuyển động (4) được gắn trên dầm

sẽ đẩy vành răng cóc (5) quay theo chiều thuận kim đồng hồ Khi dừng cấp điện áp vào các cực (V = 0), dầm và cơ cấu truyền chuyển động trở về vị trí cũ nhờ lực đàn hồi của cổ dầm (6) Vành răng cóc bị hãm không cho quay ngược chiều kim đồng

hồ nhờ cơ cấu chống đảo (3) Quá trình cấp và dừng cấp điện áp diễn ra liên tục làm dầm lắc qua lắc lại tạo thành chuyển động quay của micromotor Tốc độ quay của micromotor nhanh hay chậm phụ thuộc vào tần số của điện áp cấp

3.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống

3.2.2.1 Bộ kích hoạt răng lược (Comb-drive Actuator)

Hình 3.5 thể hiện cấu tạo bộ kích hoạt răng lược, trong đó:

1 Điện cực (dầm) mang các răng lược di động 5 Giá đỡ

2 Điện cực mang các răng lược cố định 6 Lò xo đàn hồi

3 Cổ dầm 7 Răng cóc dẫn

4 Cơ cấu truyền chuyển động 8 Vành răng cóc

Hoạt động của bộ kích hoạt răng lược dựa trên lý thuyết tĩnh điện Khi cấp điện

(V ≠ 0) vào hai cực (1-2) của bộ kích hoạt, lực tĩnh điện sinh ra làm dầm (1) lắc sang phải Các răng cóc dẫn (7) được nối mềm với giá (5) thông qua lò xo đàn hồi (6) sẽ đẩy vành răng cóc (8) quay theo chiều thuận kim đồng hồ (Hình 3.6a)

Trang 36

Khi điện áp đặt (V = 0), dầm trở về vị trí cũ do lực đàn hồi tại cổ dầm (3) Khi đó vành răng cóc đứng yên nên lò xo đàn hồi (6) bị ép xuống để cơ cấu truyền chuyển động trở về vị trí ban đầu (Hình 3.6b)

Hình 3.6 Quá trình làm việc của cơ cấu truyền chuyển động trong thiết kế cũ: (a) Quá trình cấp điện áp (V ≠ 0); (b) Quá trình dừng cấp điện áp (V = 0)

Cơ cấu truyền chuyển động

Hình 3.5 Cấu tạo bộ kích hoạt răng lược trong thiết kế cũ

Trang 37

Kích thước của các răng lược cho ở hình 3.7

3.2.2.2 Cơ cấu chống đảo

Hình 3.8 thể hiện cơ cấu chống đảo trong micromotor quay:

1 Chân hãm vành răng cóc 4 Chân hãm thanh đẩy

2 Lò xo đàn hồi 5 Thân thanh đẩy

Trang 38

Ban đầu, ta đẩy thanh đẩy (5) lên để đưa chân hãm (1) vào vị trí làm việc Khi ở vị trí làm việc, chân hãm (1) luôn có xu hướng hãm vành răng cóc để vành răng không quay ngược chiều kim đồng hồ Thanh đẩy (5) được cố định bởi hai chân hãm (4) trong hai khe hẹp của phần cố định (3) và được giữ bởi hai lò xo đàn hồi (2) Hình dưới mô tả vị trí làm việc của cơ cấu chống đảo (Hình 3.9)

Cơ cấu chống đảo hoạt động theo bộ kích hoạt răng lược Như trình bầy ở phần trước, khi các cực của bộ kích hoạt răng lược được cấp điện, vành răng cóc sẽ

quay theo chiều kim đồng hồ (Hình 3.10a) bởi các răng trên vành răng cóc (6) sẽ tỳ

chân hãm (1) xuống để vành răng cóc có thể quay được Khi điện áp đặt (V = 0), chân hãm trở về vị trí cũ (vị trí hãm) nhờ lực đàn hồi và do đó nó chống lại chuyển động quay theo chiều ngược kim đồng hồ của vành răng cóc (Hình 3.10b)

(a)

Vành răng cóc Chân hãm

Thanh đẩy

(b)

Hình 3.9 Vị trí làm việc của cơ cấu chống đảo

Hình 3.10 Vị trí làm việc của chân hãm trong cơ cấu chống đảo

Trang 39

3.2.3 Đo đạc và ưu nhược điểm micromotor quay kiểu cũ

3.2.3.1 Đo đạc

- Theo thiết kế kiểu cũ, số răng cóc trên vành răng là: z = 740 (răng)

- Khi đặt điện áp vào các cực bộ kích hoạt răng lược, dầm sẽ lắc sang phải và đẩy vành răng đi được i (răng) Với i là số bước nhảy trong một chu kỳ dẫn động

- Giả sử tần số điện áp đặt vào là f Khi đó, muốn vành răng cóc quay hết một vòng (z = 740 răng) thì cần thời gian t là:

Trang 40

tần số càng tăng thì số vòng quay motor tăng càng ít Đó là do hiện tượng trượt giữa răng cóc dẫn và vành răng cóc

3.2.3.2 Ưu, nhược điểm của thiết kế cũ

- Ưu điểm:

Với thiết kế kiểu cũ, việc dẫn động dùng bộ kích hoạt răng lược là khá đơn giản, dễ chế tạo và kiểm tra Hệ thống chống đảo làm vành răng cóc không quay ngược lại

- Nhược điểm:

Nhược điểm chủ yếu của thiết kế này là hiện tượng trượt giữa bề mặt răng dẫn và vành răng cóc Do đó mất mát vận tốc góc của vành răng cóc

3.3 Thiết kế cải tiến thứ nhất - CT01

3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của micromotor trong thiết kế cải tiến CT01 được thể trong hình 3.12:

1 Điện cực (dầm) mang các răng lược di động 4 Cơ cấu truyền chuyển động

2 Điện cực mang các răng lược cố định 5 Vành răng cóc bị dẫn

3 Cơ cấu chống đảo 6 Cổ dầm

Kích thước các răng lược trong thiết kế này giống như trong thiết kế của micromotor cũ (Hình 3.7)

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	9,94 MB

Thiết kế cải tiến và lập quy trình chế tạo micromotor quay dựa trên công nghệ mems

Thiết kế cải tiến thứ nhất CT01

Đặc điểm cải tiến trong thiết kế CT01