Thiết kế vi mô tơ tịnh tiến

Luận văn trình bày nghiên cứu tổng quan công nghệ vi cơ điện tử MEMS và các vi mô tơ tịnh tiến, từ đó đề xuất mới một cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện. Tính toán và mô phỏng để tìm các điều kiện làm việc và các thông số cho vi mô tơ.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

HOÀNG TRUNG KIÊN

THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 60520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Trần Quang Dũng

Cán bộ hướng dẫn phụ: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS Trần Đức Tăng

Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS Trần Đức Tân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨHỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰNgày 14 tháng 01 năm 2015

Tôi xin cam đoan:

Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàntrung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ vàpháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Hoàng Trung Kiên

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Bản cam đoan

Mục lục

Tóm tắt luận văn

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

MỞ ĐẨU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MEMS VÀ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN 1.1 Tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử MEMS 4

1.1.1 MEMS và ứng dụng của MEMS 4

1.1.2 Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS 7

1.2 Tổng quan về vi mô tơ tịnh tiến 9

1.2.1 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10

1.2.2 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu điện từ 14

1.2.3 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện 15

1.2.4 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu áp điện 16

1.2.5 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu hợp kim nhớ hình SMA 17

1.3 Đánh giá, nhận xét 18

Chương 2 LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC 2.1 Lý thuyết tĩnh điện 21

2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến 21

2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến 23

2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong bộ kích hoạt răng lược 25

2.3 Đề xuất cấu trúc và nguyên lý hoạt động 27

2.3 Kết luận 30

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG VI MÔ TƠ 3.1 Tính toán chuyển vị 31

3.2 Phân tích lực cho vi mô tơ 36

3.2.1 Phân tích lực cơ cấu đẩy 36

3.2.2 Phân tích lực cơ cấu kẹp 47

3.3 Mô phỏng vi mô tơ 49

3.3.1 Mô phỏng kiểm tra chuyển vị 49

3.3.2 Mô phỏng kiểm tra độ bền 54

3.3.3 Mô phỏng tìm tấn số dao động riêng 55

3.4 Kết luận 57

Chương 4 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CHẾ TẠO VI MÔ TƠ 4.1 Tổng quan các công nghệ chế tạo MEMS 58

4.2 Thiết kế quy trình chế tạo vi mô tơ 59

4.2.1 Bản vẽ thiết kế vi mô tơ 59

4.2.2 Thiết lập quy trình chế tạo vi mô tơ 60

4.3 Kết luận 65

Kết luận 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Tóm tắt luận văn:

Họ và tên học viên: Hoàng Trung Kiên

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Khoá: 25

Cán bộ hướng dẫn 1: TS Trần Quang Dũng

Cán bộ hướng dẫn 2: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Tên đề tài: Thiết kế vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử MEMS

Tóm tắt: nghiên cứu tổng quan công nghệ vi cơ điện tử MEMS và các vi

mô tơ tịnh tiến, từ đó đề xuất mới một cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnhđiện Tính toán và mô phỏng để tìm các điều kiện làm việc và các thông sốcho vi mô tơ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 So sánh các hiệu ứng dẫn động 19

Bảng 3.1 Bảng giá trị các chuyển vị tính theo hành trình của thanh trượt 34

Bảng 3.2 Bảng số liệu dùng để tính toán lực 42

Bảng 3.3 Giá trị các lực tính theo điện áp dẫn 44

Bảng 3.4 Chuyển vị trong mô phỏng và sai số khi không tải 51

Bảng 3.5 Chuyển vị của đầu cần đẩy và sai số khi có tải 54

Bảng 4.1 Tóm tắt quy trình gia công vi mô tơ 63

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng bước 11

Hình 1.2 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng trượt 12

Hình 1.3 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo 13

Hình 1.4 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo tay dẫn đàn hồi 14

Hình 1.5 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu điện từ 14

Hình 1.6 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện 16

Hình 1.7 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu áp điện 17

Hình 1.8 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu hợp kim nhớ hình 18

Hình 2.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến giữa hai bản tụ 22

Hình 2.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến giữa hai bản tụ 24

Hình 2.3 Bộ kích hoạt răng lược kiểu tĩnh điện 26

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán bộ kích hoạt răng lược 26

Hình 2.5 Cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện 27

Hình 2.6 Góc nghiêng của thanh đẩy và cần đẩy 28

Hình 2.7 Kết cấu và các kích thước cơ bản của vi mô tơ 29

Hình 3.1 Mô hình phân tích chuyển vị 31

Hình 3.2 Sơ đồ phân tích chuyển vị khi cơ cấu đẩy làm việc 32

Hình 3.3 Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị thanh đẩy và hành trình thanh trượt 35

Hình 3.4 Mô hình phân tích lực cơ cấu đẩy 37

Hình 3.5 Mô phỏng độ cứng cổ đàn hồi trong ANSYS 39

Hình 3.6 Mô phỏng độ võng của thân bộ kích hoạt 40

Hình 3.7 Lược đồ phân tích lực khi không có tải 41

Hình 3.8 Đồ thị quan hệ điện áp dẫn và chuyển vị 42

Hình 3.9 Lược đồ phân tích lực khi có tải 43

Hình 3.10 Đồ thị mối quan hệ giữa tải và điện áp dẫn 45

Hình 3.11 Mô hình phân tích lực chu kỳ hồi vị 46

Hình 3.12 Mô hình phân tích lực kẹp 48

Hình 3.13 Mô hình đặt các điều kiện biên khi chưa có tải 50

Hình 3.14 Bảng tham số hóa và kết quả mô phỏng khi không tải 51

Hình 3.15 Mô hình đặt điều kiện biên khi có tải 52

Hình 3.16 Bảng tham số hóa và kết quả mô phỏng khi có tải 53

Hình 3.17 Kết quả mô phỏng kiểm tra độ bền 55

Hình 3.18 Tần số dao động riêng của thanh đẩy 56

Hình 3.19 Tần số dao động riêng của cần đẩy 56

Hình 4.1 Bản vẽ thiết kế vi mô tơ 59

Hình 4.2 Tóm tắt quy trình chế tạo vi mô tơ 60

MỞ ĐẦU Đặt vấn đề

Ngày nay, nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, những công nghệmới cho phép chúng ta có thể chế tạo hàng loạt các linh kiện, hệ thống cókích thước micro với giá thành rẻ, độ chính xác cao Việc nghiên cứu, chế tạo

và sử dụng các thiết bị có kích thước nhỏ với kích cỡ micro cũng đang trởthành một xu thế tất yếu Cùng với đó, công nghệ vi cơ điện tử (MEMS -Micro Electro Mechanical System) đang là một trong những lĩnh vực pháttriển nhanh nhất hiện nay trên thế giới Các thiết bị MEMS được ứng dụngngày càng nhiều trong các lĩnh vực của cuộc sống

Đã có nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các thiết

bị MEMS trong đó có vi mô tơ Tuy nhiên ở nước ta, việc nghiên cứu vềcông nghệ MEMS nói chung và về vi mô tơ nói riêng mới chỉ bắt đầu trongmột vài năm gần đây

Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé, tinh tế và nhạycảm, công nghệ MEMS hiện nay đã cho phép tạo ra các bộ vi cảm biến(micro sensor), các bộ vi kích hoạt (micro actuator) được ứng dụng rộng rãitrong cuộc sống

Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các vi mô tơ có vai trò quan trọng,

vì đó là một trong những thành phần được dùng để dẫn động các hệ thống vi

cơ trong vi robot, trong các hệ thống vi vận chuyển, trong các hệ thống vi lắpráp, trong các hệ vi phân tích sinh hóa… Đó là cơ sở để nghiên cứu, thiết kế

vi mô tơ có chuyển động tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là vi mô tơ tịnh tiến sử dụng bộ kích hoạt tĩnhđiện hoạt động hai chiều, được chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối

Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu một cách có hệ thống về các loại vi mô tơ tịnh tiến, từ đó

đề xuất cấu trúc một vi mô tơ tịnh tiến sử dụng bộ vi kích hoạt răng lược kiểutĩnh điện

- Tính toán thiết kế đưa ra các kích thước cụ thể về kết cấu của vi mô tơtịnh tiến kiểu tĩnh điện, mô phỏng kiểm chứng sự làm việc của vi mô tơ

- Thiết kế được quy trình chế tạo vi mô tơ dựa trên công nghệ chế tạo Vi

cơ khối (Bulk micromachining)

Phạm vi nghiên cứu

Tổng quan công nghệ vi cơ điện tử MEMS và vi mô tơ tịnh tiến, lýthuyết tĩnh điện và ứng dụng trong thiết kế các bộ kích hoạt răng lược kiểutĩnh điện

Tập trung nghiên cứu các vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện ứng dụngtrong các vi robot, trong các hệ thống vi vận chuyển, trong các hệ thống vilắp ráp, trong các hệ vi phân tích sinh hóa

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa lý thuyết và sửdụng các phần mềm thiết kế và mô phỏng Để đạt được các mục tiêu đề ra,nghiên cứu được tiến hành theo các bước:

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

- Sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng như Autocad để thực hiệnthiết kế sơ bộ vi mô tơ Các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng phầnmềm phần tử hữu hạn ANSYS

Ý nghĩa của luận văn

Nghiên cứu tổng quan một cách có hệ thống các vi mô tơ tịnh tiến, từ đó

đề xuất mới một cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện chế tạo bằng côngnghệ vi cơ khối

Vi mô tơ được thiết kế với các ưu điểm là cấu trúc khá đơn giản, dễ điềukhiển và được chế tạo dễ dàng bằng một mặt nạ duy nhất với giá thành hạ

Những kết quả của luận văn

Nghiên cứu tổng quan về MEMS và các loại vi mô tơ tịnh tiến, nghiên cứu

lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trong các bộ kích hoạt răng lược kiểu tĩnh điện

Đề xuất một cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện, tính toán và môphỏng vi mô tơ để từ đó lựa chọn được các kích thước và các thông số cơ bảncho vi mô tơ

Luận văn được trình bày trong bốn chương, nội dung chính trong cácchương như sau:

Chương 1: Trình bày tổng quan về công nghệ MEMS và về vi mô tơ

tịnh tiến Từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá để lựa chọn được đối tượng vàphạm vi nghiên cứu

Chương 2: Trình bày vắn tắt lý thuyết về hiệu ứng tĩnh điện và ứng

dụng trong các bộ kích hoạt dạng răng lược Đề xuất mới một cấu trúc vi mô

tơ tịnh tiến tiến kiểu tĩnh điện, mô tả nguyên lý hoạt động

Chương 3: Tính toán chuyển vị, phân tích lực hệ thống để tìm điều kiện

về điện áp dẫn, quan hệ giữa tải và điện áp dẫn Mô phỏng kiểm chứng sự hoạtđộng của các thành phần trong hệ thống

Chương 4: So sánh các công nghệ chế tạo MEMS, từ đó lựa chọn công

nghệ chế tạo cho vi mô tơ Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo vi mô tơ.Cuối cùng là kết luận và khuyến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MEMS VÀ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN

Nội dung chính của chương là những kiến thức chung về công nghệ vi cơđiện tử MEMS, tổng quan một số cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến tiêu biểu đã đượccông bố, từ đó đưa ra các nhận xét và đánh giá

1.1 Tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử MEMS

1.1.1 MEMS và ứng dụng của MEMS

Ta thường nghe nói đến công nghệ vi điện tử chế tạo ra các vi mạch haymạch tích hợp (IC) Trên một phiến bán dẫn, thường là silic người ta có thể tạo

ra lớp mỏng oxit silic để cách điện, bảo vệ, lớp silic pha tạp loại p, loại n đểlàm ra tranzitor, lớp kim loại để làm điện cực, dẫn điện v.v Công nghệ viđiện tử đã đạt được những thành tựu rất lớn, trên một tấm silic diện tích cỡ vàicentimet vuông đã có thể tạo ra từ vài trăm triệu đến một tỉ linh kiện, tạo thànhmột mạch chức năng được nhớ rất nhiều và xử lý rất nhanh

Tuy nhiên công nghệ vi điện tử chỉ chế tạo được những linh kiện điệnnằm trên mặt phẳng gắn chặt với đế silic Mạch tích hợp cực kỳ phức tạp, córất nhiều điện cực vào và ra, thực hiện nhiều chức năng nhưng chỉ là cácchức năng về điện Mạch tích hợp không thể thực hiện các chức năng về cơ,thí dụ như: quay, dịch chuyển, dao động, bơm v.v Nếu cần có các bộ phậnthực hiện những chức năng về cơ thì các bộ phận này được chế tạo theo kiểu

cổ điển, phải ghép nối thủ công với mạch tích hợp, tất nhiên là rất cồng kềnh

và phức tạp

Gần đây, công nghệ chế tạo tích hợp bộ chuyển đổi cơ và điện được pháttriển mạnh và được gọi là công nghệ chế tạo các hệ thống vi cơ điện tử -MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Về mặt chuyên môn, công nghệMEMS đã giải quyết được nhiều yêu cầu kỹ thuật theo cách hoàn toàn mới

Như vậy, MEMS là hệ thống tích hợp có kích thước micro bao gồm các

vi cảm biến, các bộ vi kích hoạt và các vi mạch điện tử được chế tạo bằng các công nghệ vi gia công [7].

Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là "bộ não", vàMEMS tăng cường thêm khả năng như là "mắt" và "tay" cho hệ thống vi điện

tử, điều này cho phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường.Các cảm biến tập hợp các thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc cáctín hiệu nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh Sau đó, các mạch điện xử lý thông tin từcảm biến để tác điều khiển các bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách dichuyển, thay đổi vị trí, dò tìm, lọc… theo ý muốn của con người

Các thiết bị MEMS ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực của đờisống Trong công nghiệp, các sản phẩm của MEMS được ứng dụng trongcác robot, các hệ thống tự động trong sản xuất, các thiết bị đo lường vàkiểm tra…

Trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô, các thiết bị MEMS thường được

sử dụng như cảm biến gia tốc để điều khiển hoạt động của túi khí an toàn, cảmbiến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảmbiến đo áp suất… Số lượng thiết bị MEMS được trang bị trong một chiếc ô tôhiện đại ngày càng nhiều, tính ra mỗi năm để dùng riêng cho ngành sản xuấtôtô người ta cần khoảng 100 triệu linh kiện MEMS

Đặc biệt, trong ngành công nghệ y sinh không thể không đề cập đến cácứng dụng của công nghệ vi cơ điện tử MEMS Và lý do chính là sự tươngthích giữa kích cỡ của các thiết bị MEMS với kích cỡ các mẫu hay vật liệuthường được sử dụng cũng như nghiên cứu trong y học và sinh học Trong yhọc, các thiết bị MEMS thường được sử dụng trong các thiết bị đo huyết áp,nhịp tim, nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích mẫu máu hay tế bào…

Ngoài ra, trong nhiều lĩnh vực khác ta vẫn có thể gặp các linh kiệnMEMS Trong lĩnh vực viễn thông, ứng dụng của MEMS trong các thiết bị diđộng, hệ thống truyền tín hiệu, trong các hệ thống ra đa… Các sản phẩmMEMS cũng có ảnh hưởng lớn đến ngành công nhiệp chế tạo vũ khí cũng nhưngành hàng không vũ trụ, một trong các địa chỉ ứng dụng tiêu biểu là các vệtinh quân sự và dân sự Công nghệ vi cơ điện tử cũng được ứng dụng rộng rãitrong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày như trong các thiết bịgiải trí, nghe nhìn, máy tính, máy in…

Sự thành công và phát triển mạnh của các sản phẩm công nghệ MEMS

là do đã khai thác được các tính chất sau đây :

Kích thước và năng lượng: Các linh kiện MEMS được tối thiểu hóa

kích thước sang đơn vị đo micro, vì vậy các thiết bị MEMS có kích thước rấtnhỏ gọn, khối lượng rất nhẹ và dễ bố trí trong một kết cấu tổng thể Đặc biệt,các thiết bị MEMS tiêu thụ năng lượng rất thấp, đáp ứng một tiêu chí quantrọng hiện nay là tiết kiệm năng lượng

Giá thành rẻ: Hiện nay một nhà máy chế tạo mạch tích hợp có giá

thành cỡ 1 tỉ đôla, làm việc trong 5 đến 7 năm thì xem như sản phẩm mạchtích hợp đã bị lạc hậu, phải thay thế bằng nhà máy khác công nghệ cao hơn,hiện đại hơn Nhưng nhà máy chế tạo mạch tích hợp đã cũ lỗi thời này lại cóthể sử dụng tốt để chế tạo các linh kiện MEMS, bằng cách bổ sung nhữngphương tiện máy móc để thực hiện các kỹ thuật như "tách rời", "gắn kết"

Vì vậy, các sản phẩm của công nghệ MEMS sản xuất ra trên thị trường có giáthành rất rẻ

Sự tích hợp: Yếu tố lợi thế về kích thước và công nghệ chế tạo đã cho

phép các linh kiện MEMS có khả năng tích hợp rất lớn, đặc biệt trong các hệthống tổng hợp thực hiện nhiều chức năng khác nhau Sự tích hợp đó đã làmcho các hệ thống có kích thước ngày càng nhỏ gọn

1.1.2 Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS

Công nghệ chế tạo MEMS kế thừa công nghệ vi điện tử và phát triểnmới nhiều kỹ thuật mà công nghệ vi điện tử không có, không làm được.Trước hết, công nghệ MEMS sử dụng rất nhiều kỹ thuật xử lý gia côngtrên bề mặt như ở công nghệ vi điện tử và cũng sử dụng vật liệu chính là silic.Trên phiến silic, theo thiết kế, người ta tạo ra các lớp oxit silic cách điện, cáclớp pha tạp bán dẫn loại n, loại p, tạo ra các lớp silic đa tinh thể dẫn điện, tạo

ra các lớp nitrit silic rất cứng và đàn hồi Ứng dụng các kỹ thuật thuật khắchình của công nghệ vi điện tử, các kỹ thuật tạo các đường dẫn điện rất tinh vi,

có thể làm ra cả một mạch điện thực hiện một chức năng nào đó

Tuy nhiên, để chế tạo MEMS bên cạnh việc gia công các mạch điện phảigia công trên phiến silic các chi tiết thực hiện các chức năng về cơ Vì vậy, bêncạnh các kỹ thuật của công nghệ vi điện tử chế tạo các linh kiện, các chi tiếtgắn chặt với phiến silic còn có các kỹ thuật đặc trưng của công nghệ MEMS là

kỹ thuật làm tách rời Ðó là các kỹ thuật ăn mòn chọn lọc, ăn mòn hết mộtphần nào đó của lớp đệm chỉ để lại những chi tiết mỏng gần như tự do, kỹthuật dùng chất hóa học kết hợp với nhiều kỹ thuật khác để chế tạo các chitiết…Ta có thể hình dung các quá trình chế tạo MEMS như sau: ban đầu dùngcác kỹ thuật của công nghệ vi điện tử tạo ra nhiều chi tiết gắn chặt với đế silic,sau đó dùng các kỹ thuật đặc thù của MEMS để tách rời một số chi tiết

Có thể kể đến một số công nghệ gia công vi cơ tiêu biểu ở công nghệMEMS như sau:

 Công nghệ vi cơ khối

Công nghệ vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích của phiến vật liệu đểhình thành cấu trúc vi cơ Bản chất là dùng các phương pháp hoá, lý để ănmòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến Silic các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v

Để hình thành các cấu trúc vi cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:

Ăn mòn ướt, thường dùng đối với các phiếnvật liệu là silic, thạch anh.

Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích địnhsẵn nhờ các mặt nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic

là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặcKOH Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng)hoặc dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm)

Ăn mòn khô, ăn mòn khô bằng cách dùng tia plasma tương tác vào bề mặt

của silic tạo ra phản ứng hóa học ăn mòn silic Hình dạng, diện tích hố ăn mònđược xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cườngtốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùngđiện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các chùm tia bắn phá

 Công nghệ vi cơ bề mặt

Vi cơ bề mặt là một công nghệ gia công dựa trên các phương pháp phủ

bề mặt, ăn mòn và lắng đọng các lớp vật liệu mỏng để tạo cấu trúc ba chiều.Thông thường, phương pháp này tạo ra và gia công với nhiều lớp vật liệumỏng, gồm các lớp vật liệu đệm và lớp vật liệu nền Các lớp vật liệu đệm sẽđược loại bỏ một phần trong các bước gia công sau cùng bằng cách ăn mònhóa học, các phần còn lại tạo thành một cấu trúc cơ như mong muốn

 Công nghệ hàn vi cơ

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, khoangkín có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia cônglại với nhau Trước hết, tạo một rãnh trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mònthông thường rồi hàn lên trên phiến đó một phiến khác để đậy rãnh đó lại Bảnchất của phương pháp gia công này là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặcdùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính

 Công nghệ gia công bằng tia laze

Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lầnlượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không giacông đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng tia lazethường chỉ dùng để làm khuôn Tia laze thường dùng là tia laze eximơ mới

đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer

 Công nghệ LIGA

LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithographie Galvanofruning undAbformung, theo tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn Bảnchất của phương pháp LIGA là người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên cóthể đi sâu vào chất cảm đến hàng milimet Chất cảm thường dùng thuộc loạiacrylic viết tắt là PMMA Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia

X chiếu vào lớp cảm theo những diện tích nhất định, làm biến chất chất cảm

có tia X chiếu đến và sẽ bị hoà tan trong dung dịch hóa học Vì trong kỹthuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X

có thể đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micrometnhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi cóthể rất sâu, hình khắc của phương pháp LIGA thực sự là ba chiều không phải

là hai chiều như ở quang khắc thông thường

1.2 Tổng quan về vi mô tơ tịnh tiến

Trong thế giới vĩ mô chúng ta đang sống, các động cơ hay mô tơ đã trởthành một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hành ngày Chúng ta bắtgặp các động cơ từ các thiết bị gia dụng đến các phương tiện vận tải, các máymóc trong các nhà máy… Động cơ chính là thiết bị chuyển đổi các dạng nănglượng như điện, nhiệt, hóa sang năng lượng cơ học để tạo ra chuyển độngquay hoặc tịnh tiến

Với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, ngày nay người ta đã có thểnghiên cứu và chế tạo thành công các động cơ có kích thước micro, hay còngọi là vi mô tơ Cùng với các bộ vi kích hoạt, các vi mô tơ là nguồn dẫn độngtrong các hệ thống MEMS, các micro robot, cũng như các hệ vi vận tải lắpráp Như vậy, vi mô tơ là loại động cơ có kích cỡ micro mét, có chức năngbiến đổi các dạng năng lượng: nhiệt, điện, từ, hóa học, sinh học…thành cơnăng (lực hoặc mô men) dùng để dẫn động các hệ thống vi cơ.

Khi xét đến vi mô tơ tịnh tiến, năm 1969 Joyce và Wilson đã giới thiệu vi

mô tơ bước kiểu áp điện có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến hai chiều vớibước chuyển động dao động trong khoảng 0,1 – 0,5 µm Từ đó đến nay, đã cóthêm rất nhiều công trình nghiên cứu và chế tạo vi mô tơ tịnh tiến được công

bố và ứng dụng Các hiệu ứng dẫn động thường được sử dụng trong các vi mô

tơ tịnh tiến là: tĩnh điện, nhiệt điện, áp điện, điện từ và hợp kim nhớ hình Để

có cái nhìn tổng quan, sau đây là một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về vi

mô tơ tịnh tiến đã được công bố

1.2.1 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Đây là kiểu mô tơ sử dụng lực dẫn động là lực tĩnh điện, có thể liệt kêmột số phương án thiết kế vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện:

- Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng bước;

- Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng trượt;

- Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo

 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng bước

Một kết cấu tiêu biểu được tác giả Sarajlic giới thiệu vào năm 2009(hình 1.1) [12], đây là loại vi mô tơ bước 3 pha kiểu tĩnh điện, với hành trìnhtrượt tổng cộng là 52 µm, một bước chuyển động là 1,4 µm, lực dẫn đạt được

là 39,4 µN, điện áp dẫn là 30 V Kết cấu chính của vi mô tơ này gồm hai phần

chính là thanh trượt và hệ thống các điện cực 3 pha, thanh trượt được nối vớithân vi mô tơ bởi kết cấu đàn hồi, hệ thống điện cực 3 pha bố trí đối xứng haibên thanh trượt và được nối với nguồn điện 3 pha có thể kích hoạt độc lập.

Hình 1.3 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng bước

Vi mô tơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối đối với phần thân vàthanh trượt, nhưng chế tạo các điện cực và đi dây khá phức tạp Để thu đượchành trình lớn hơn của thanh trượt phải bố trí nhiều điện cực theo phươngtrượt, điều đó làm tăng kích thước của hệ thống

 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng trượt

Năm 1997 Tas và nhóm nghiên cứu đã công bố một kết cấu mô tơ tịnhtiến dạng này (hình 1.2) [15] Để tạo ra chuyển động tịnh tiến, bằng cách giữ

cố định hoặc thả một trong hai chân của bản cực di động, sau đó sử dụng lựctĩnh điện tác động để làm biến dạng bản cực di động từ đó tạo ra chuyển vị ởmột chân của bản cực di động trên bản cực cố định Vi mô tơ tạo được lực đẩykhoảng 40 µN, bước tịnh tiến là 85 nm, điện áp dẫn cho cơ cấu kẹp là 40 V và

25 V cho thân bản tụ

Pha 2 Pha 1

Pha 3

Hình 1.4 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng trượt

Năm 2010, với nguyên lý làm việc tương tự, nhưng tác giả E Sarajlic đãcải tiến để thu được chuyển động tịnh tiến theo hai chiều [3] Kích thước của

vi mô tơ được thiết kế là 290 µm × 410 µm, bước chuyển động có thể điềuchỉnh từ 0,6 nm đến 62 nm, vận tốc lớn nhất đạt được là 3,6 mm/s, hành trìnhtổng cộng là 140 µm, lực đẩy đạt được khá lớn 1,7 mN, điện áp dẫn là 55 V.Với dạng vi mô tơ này được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt khá phứctạp, cần nhiều mặt nạ chủ, vì vậy rất tốn kém, dẫn đến giá thành cao

 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo

Với dạng mô tơ này, thay tác động lực tĩnh điện trực tiếp lên thanh trượtbằng tác động gián tiếp Năm 2002, R.Yeh cùng nhóm nghiên cứu đã giớithiệu vi mô tơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt tĩnh điện GCA (Gap closingactuator) làm việc theo nguyên lý sâu đo (hình 1.3) [11]

Hình 1.3 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo

Dưới tác dụng của các cơ cấu kẹp và kéo sử dụng lực tĩnh điện pháptuyến, thanh trượt chuyển động tịnh tiến theo bước Kích thước của vi mô tơnày là 3mm x 1mm x 50μm, hành trình là 80 μm, vận tốc trung bình đạt đượckhoảng 4 mm/s, lực đẩy là 260 µN với điện áp dẫn là 33V Vi mô tơ được chếtạo bằng công nghệ vi cơ khối với một mặt nạ chủ

Năm 2103, Penskiy giới thiệu một loại vi mô tơ tịnh tiến sử dụng bộkích hoạt tĩnh điện GCA (hình 1.4) [8] Khi đặt điện áp cho bộ kích hoạt,phần mang bản tụ di động cùng tay dẫn đàn hồi sẽ chuyển động theo phươngvuông góc với thanh trượt, tay dẫn đàn hồi kẹp và đẩy thanh trượt về phíatrước thông qua biến dạng của tay dẫn Vi mô tơ có các thông số như: tốc độlớn nhất 4,8 mm/s, lực dẫn lớn nhất trên thanh trượt là 1,88 mN tại 110 V, tỉ

số lực trên diện tích đạt 1,38 mN/mm2 Vi mô tơ được thiết kế và chế tạo vớimột mặt nạ nhưng có hiệu suất rất lớn Tuy nhiên, mô tơ chỉ dẫn động đượcmột chiều và hành trình dẫn bị hạn chế vì thanh trượt được liên kết với hệdầm đàn hồi

Hình 1.4 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện dạng sâu đo tay dẫn đàn hồi

1.2.2 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu điện từ

Đây là loại vi mô tơ sử dụng lực từ để dẫn động thanh tượt, cấu tạothường gồm hai phần là stator và thanh trượt, stator tạo ra lực từ dẫn động chothanh trượt Trên stator gồm các cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ, trên thanhtrượt có gắn nam châm vĩnh cửu

Hình 1.5 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu điện từ

Năm 2005, Shutov đã giới thiệu vi mô tơ tịnh tiến đồng bộ LSM (linearsynchronous motor) với hai phiên bản là LSM1 và LSM 2 (hình 1.5) [6].Phần kích từ gồm các cuộn dây tạo thành hệ thống dẫn từ 3 pha, haiphiên bản khác nhau ở chỗ cách gia công nam châm vĩnh cửu trên thanh trượt.Với phiên bản LSM1, nam châm vĩnh cửu có dạng nút được gắn trên lưng củathanh trượt, còn với phiên bản LSM2 thì phức tạp hơn, nam châm vĩnh cửuđược tích hợp vào phần bụng của thanh trượt Khi kích từ cho stator, từ trường

sẽ tương tác với nam châm vĩnh cửu trên thanh trượt và làm cho thanh trượtchuyển động tịnh tiến theo rãnh trượt Hành trình của cả hai vi mô tơ là 6 cm,vận tốc lớn nhất của LSM1 là 1cm/s và của LSM2 là 0.5 cm/s, với cường độdòng điện dẫn là 1,2A

Với kiểu mô tơ này, lực dẫn động và vận tốc là rất lớn, nhưng kích thướccũng lớn Lý do chính là phải gia công các cuộn dây để dẫn từ, trong khiđường kính dây dẫn bị giới hạn về kích thước

1.2.3 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện

Đây là loại vi mô tơ sử dụng hiệu ứng nhiệt điện để dẫn động thanh trượtchuyển động tịnh tiến Với hiệu ứng này, phổ biến nhất là sử dụng bộ kíchhoạt dầm chữ V để dẫn động Một thiết kế tiêu biểu của loại vi mô tơ này làcủa nhóm nghiên cứu John M Maloney công bố năm 2004 (hình 1.6) [5].Cấu tạo của vi mô tơ gồm ba bộ phận chính: hai cặp bộ kích hoạt dầmchữ V đối xứng, thanh trượt và kết cấu dầm đàn hồi Các tay của các bộ kíchhoạt tạo với thanh trượt một góc 450 Khi đạt điện áp lần lượt cho các cặp bộkích hoạt, các dầm chữ V sẽ dãn nở và làm cho các tay của các bộ kích hoạtkẹp và đẩy thanh trượt về phía trước thông qua lực ma sát giữa các tay vớithanh trượt Khi ngừng đặt điện áp, các bộ kích hoạt không làm việc, thanhtrượt sẽ bị đẩy về vị trí ban đầu nhờ lực hồi vị của hệ thống dầm đàn hồi

Hình 1.6 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện

Vi mô tơ có kích thước bao là 2,5 mm2,1 mm, bước chuyển động là

40 μm, vận tốc đạt được 1 mm/s, lực đẩy lớn nhất là 6,7 mN tại điện áp dẫn

12 V Vi mô tơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối

1.2.4 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu áp điện

Vi mô tơ tịnh tiến kiểu áp điện đã có khá nhiều công trình nghiên cứu vớicác nguyên lý hoạt động khác nhau, trong đó phổ biến nhất là nguyên lý dẫnđộng bằng quán tính và nguyên lý dẫn động bằng sóng siêu âm

Năm 2012, Takuma Nishimura đã công bố về vi mô tơ tịnh tiến kiểu ápđiện với nguyên lý dẫn động bằng quán tính dưới dạng “ma sát và trượt”(hình 1.7) [13] Với loại vi mô tơ này có bước chuyển động nhỏ và được gọi

là các vi mô tơ SIDM (Smooth Impact Drive Mechanism) Cấu tạo của vi mô

tơ gồm phần tử áp điện có một đầu liên kết chặt với tấm nền, đầu còn lại gắnvới một tấm ma sát, con trượt đặt trên tấm ma sát Vi mô tơ hoạt động dựatrên quá trình tăng điện áp chậm chiều đi và giảm nhanh chiều về Ở chiều đi,

phần tử áp điện giãn ra chậm do đó lực ma sát lớn hơn lực quán tính nên contrượt chuyển động theo tấm ma sát Trong chiều về, phần tử áp điện co nhanhlại sao cho lực quán tính của con trượt lớn hơn lực ma sát trượt, do đó contrượt sẽ trượt trên tấm ma sát và tạo ra chuyển vị Vi mô tơ hoạt động với điện

áp dẫn là 80V, tần số đặt điện áp là 22,45KHz, vận tốc vi mô tơ đạt được0,28m/s Tuy nhiên vi mô tơ cấu tạo gồm nhiều thành phần và vật liệu khácnhau nên việc chế tạo khó khăn

Hình 1.7 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu áp điện

1.2.5 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu hợp kim nhớ hình SMA

Hiệu ứng SMA (Shape Memory Alloy) ít thông dụng hơn các hiệu ứngkhác, tuy nhiên do những ưu điểm như điện áp dẫn thấp, tỉ lệ công suất vớikích thước và khối lượng là khá lớn nên vẫn được ứng dụng trong y sinh vàhàng không vũ trụ Năm 2004, Young Pyo Lee và nhóm nghiên cứu đã đưa ramột mô hình ứng dụng SMA (hình 1.8) [16]

Kết cấu dẫn động gồm hai lò xo, một lò xo làm bằng SMA và một lò xolàm bằng thép Lò xo SMA sẽ nhớ hình dạng ở nhiệt độ cao, do đó ở trạngthái ban đầu cần sử dụng thêm một lò xo thép ở trạng thái dãn đồng thời tích

lũy năng lượng Khi nhiệt độ hạ, lò xo SMA dãn ra cùng với lò xo thép néntrở về trạng thái ban đầu làm con trượt chuyển động theo phương kéo, nén củacác lò xo nhờ các gai nhọn ở bề mặt.

Hình 1.8 Vi mô tơ tịnh tiến kiểu hợp kim nhớ hình

Vi mô tơ có kích thước dài 50 mm và dường kính 9,5 mm, đạt được vậntốc 10 mm/phút, hành trình của một chu kỳ 2 mm Vi mô tơ được ứng dụngtrong ngành y sinh, địa chỉ cụ thể là trong các thiết bị nội soi

1.3 Đánh giá, nhận xét

Công nghệ MEMS đã và đang là lĩnh vực phát triển mạnh, do những lợiích của công nghệ này đem lại nên ứng dụng của MEMS vào đời sống ngàycàng sâu rộng Trong đó vi mô tơ là một lĩnh vực trong MEMS cũng đã thuhút nhiều nhà nghiên cứu và đã có nhiều công bố quốc tế Từ đó ta thấy đượctầm quan trọng của vi mô tơ, là thành phần để dẫn động các hệ vi robot, vivận tải, vi lắp ghép, vi bơm … Để tạo ra các vi mô tơ tịnh tiến có nhiều hiệuứng, nhiều nguyên lý và các phương pháp chế tạo đã được ứng dụng Với

mỗi hiệu ứng, nguyên lý và phương pháp chế tạo đều có những ưu điểm vànhược điểm riêng Để có cái nhìn tổng quan, ta lập bảng so sánh như sau:

Từ bảng trên ta có thể thấy các bộ kích hoạt sử dụng hiệu ứng điện từthường có hiệu suất thấp Hiệu ứng áp điện có thể đạt hiệu suất cao nhưngcác bộ kích hoạt có cấu trúc phức tạp, khó chế tạo và tích hợp trong các hệthống của MEMS Hiệu ứng nhiệt điện cho lực và chuyển vị lớn nhưng hiệusuất thấp do mất nhiệt Các bộ kích hoạt sử dụng hiệu ứng tĩnh điện cho phépđạt hiệu suất cao hiệu ứng điện từ hoặc nhiệt điện, đồng thời có khả năng tíchhợp tốt hơn so với hiệu ứng áp điện hoặc SMA.

Từ các nghiên cứu tổng quan trên, để dẫn động cho vi mô tơ tịnh tiến tathấy hiệu ứng tĩnh điện là thích hợp nhất Đồng thời để phù hợp với điều kiện

và khả năng kinh tế và công nghệ ở Việt Nam, tác giả luận văn chọn hiệu ứngtĩnh điện và công nghệ gia công vi cơ khối để thiết kế vi mô tơ tịnh tiến

Chương 2

LÝ THUYẾT TĨNH ĐIỆN, ĐỀ XUẤT CẤU TRÚC

Nội dung của chương là tìm hiểu lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trongcác bộ kích hoạt, đề xuất cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện, mô tảnguyên lý hoạt động của vi mô tơ

2.1 Lý thuyết tĩnh điện

Khi hai vật mang điện tích trái dấu, theo định luật Coulomb, thì lựctương tác giữa chúng được tính như sau:

1 2 2 0

4

q q F

- q và1 q lần lượt là điện tích của vật mang điện 1 và 2,2

-  là hằng số điện môi của chân không,0

- r là khoảng cách giữa hai điện tích điểm

Việc dẫn động bằng lực tĩnh điện rất hiếm khi sử dụng trong các máymóc thông thường, vì lực dẫn động quá nhỏ và để làm dịch chuyển được các

bộ phận của máy móc thì cần điện áp dẫn rất cao Nhưng trong các cấu trúckích cỡ vi mô thì lực tĩnh điện lại trở nên tương đối lớn Vì vậy, lực tĩnh điệnđược ứng dụng rộng rãi trong các vi cảm biến (micro sensors) và các bộ vikích hoạt (micro actuators) [7]

2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến

Đặt một hiệu điện thế U từ một nguồn điện vào một tụ điện gồm hai bản

tụ song song như hình 2.1

Ta cố định một bản tụ tại tọa độ x0, bản tụ còn lại có thể chuyển động

dọc theo phương x vuông góc với bản tụ cố định Điện dung của tụ điện được

tính theo công thức:

0

A C x



Trong đó:

- A là diện tích chồng nhau của hai bản tụ,

-  là hệ số điện môi giữa hai bản tụ,

- x là khoảng cách giữa hai bản tụ

Hình 2.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến giữa hai bản tụ

Khi đó điện tích được nạp trong tụ điện là:

dx dx

Với E là nội năng lượng của nguồn B

Lấy vi phân theo biến x hai vế công thức (2.4) ta được:

2

1 ( )2

12

2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến

Giả sử khoảng chồng nhau giữa hai bản tụ là a y là rất lớn so vớikhoảng hở d giữa hai bản tụ (hình 2.2), điện dung của tụ điện lúc này là:0

0

by C d

0

12

Hình 2.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến giữa hai bản tụ

Giả thiết lực tiếp tuyến F gây ra chuyển vị một đoạn t y của bản tụ diđộng theo phương song song với bản tụ cố định Áp dụng định luật bảo toànnăng lượng cho hệ tụ điện và nguồn ta có:

Vi phân hai vế (2.13) theo biến y ta có:

2

0

12

0

12

Biểu thức (2.17) chứng tỏ rằng lực tiếp tuyến F kéo bản tụ di động theo t

phương làm tăng diện tích chồng nhau Đồng thời, F không phụ thuộc vào t khoảng chồng nhau y và tỷ lệ nghịch với khoảng hở d , do đó muốn tăng lực0

tiếp tuyến nên thiết kế hai bản tụ gần nhau nhất có thể sao cho khi làm việckhông bị đánh thủng

Từ biểu thức (2.10) và (2.17) ta có:

0

0

n t

F a

Từ (2.18), ta thấy a lớn hơn rất nhiều so với0 d nên lực pháp tuyến0 F n

có giá trị rất lơn so với lực tiếp tuyến F t

2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong bộ kích hoạt răng lược

Bộ kích hoạt răng lược lần đầu tiên được đề xuất bởi Tang vào năm 1990[14], cấu hình của bộ kích hoạt có dạng như hình 2.3 Bộ kích hoạt gồm có ncặp răng lược gắn với phần cố định trên nền silicon, phần di động gồm cácrăng lược đan xen với răng lược cố định và được đỡ bởi hệ dầm đàn hồi, hệdầm này gắn với phần cố định được gọi là neo Khi làm việc, lực pháp tuyến

tác dụng lên từng răng lược di động sẽ bị triệt tiêu, dẫn động của bộ kích hoạt

có được nhờ các lực tiếp tuyến do các bản tụ sinh ra

Hình 2.3 Bộ kích hoạt răng lược kiểu tĩnh điện

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán bộ kích hoạt răng lược

Ta có sơ đồ tính toán bộ kích hoạt răng lược như hình 2.4, bằng việc thaythế dầm đàn hồi bởi lò xo có độ cứng k Khi đặt điện áp U vào bộ kích hoạt y

thì lực thiếp tuyến F hút răng lược di động sao cho khoảng chồng nhau là lớn t

3

3-Thân bộ kích hoạt

nhất, và được cân bằng với lực đàn hồi của hệ dầm.

Phương trình cân bằng lực theo phương y trên sơ đồ hình 2.5 là:

2nF t    k y y 0 (2.19)Với y là độ dịch chuyển của phần di động theo phương y

Từ (2.19) và (2.17) ta có:

2 0

Trong đó: n là số răng lược của phần di động

Như vậy muốn tăng dịch chuyển của phần di động ta có thể tăng điện áp

U, số răng lược n hoặc giảm độ cứng của dầm k bằng cách thiết kế dầm có y

tiết diện nhỏ hơn hoặc tăng chiều dài dầm

2.3 Đề xuất cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hình 2.5 Cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Qua nghiên cứu tổng quan các vi mô tơ tịnh tiến và lý thuyết tĩnh điện,tác giả đề xuất một cấu trúc vi mô tơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện như hình 2.5.Cấu tạo vi mô tơ gồm 5 phần chính: các bộ kích hoạt răng lược của cơcấu đẩy 1, các bộ kích hoạt răng lược của cơ cấu kẹp 2, thanh trượt 3, cácthanh dầm 4, cổ đàn hồi 5 Vi mô tơ có hai cơ cấu đẩy: cơ cấu đẩy bên trái và

cơ cấu đẩy bên phải, mỗi cơ cấu đẩy được cấu tạo từ hai bộ kích hoạt rănglược kiểu tĩnh điện đối xứng nhau qua trục chính của thanh trượt, các cơ cấuđẩy có tác dụng đẩy thanh trượt theo hai chiều ngược nhau thông qua ăn khớpgiữa đầu cần đẩy và răng cóc trên thanh trượt Cơ cấu kẹp gồm có hai bộ kíchhoạt răng lược kiểu tĩnh điện đặt đối xứng nhau ở hai bên thanh trượt, cơ cấukẹp có tác dụng kẹp giữ thanh trượt khi các cơ cấu đẩy hồi vị trong qua trìnhlàm việc Các thanh dầm 4 mặt cắt hình chữ nhật có tác dụng hồi vị phần diđộng của bộ kích hoạt (thanh đẩy và cần đẩy) Các cổ đàn hồi 5 có dạng hìnhvành khăn, là phần nối giữa thanh đẩy và cần đẩy của cơ cấu đẩy, có tác dụngbiến chuyển vị chéo của thanh đẩy thành chuyển vị thẳng theo phương ngangthông qua sự thay đổi góc xoay của cần đẩy

Hình 2.7 Kết cấu và các kích thước cơ bản của vi mô tơ

Trên hình 2.6 và hình 2.7 thể hiện một số kích thước cơ bản của vi mô tơ

Mỗi bộ kích hoạt răng lược có tổng số răng lược di động là n Chiều dày mỗi răng lược là w , khe hở giữa các răng lược là d Các thanh dầm đàn hồi có0

chiều dài là L , chiều dày là t , chiều cao là b (là độ dày của lớp Si cấu trúc) b

Góc nghiêng của thanh đẩy so với phương ngang là β, góc nghiêng của cần đẩy

p

h 0 w

Lbt

r t