Nghiên cứu chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS

Nghiên cứu chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS Nghiên cứu chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS Nghiên cứu chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

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

- Nguyễn Hoàng Việt

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ TĨNH ĐIỆN

DẪN ĐỘNG BẰNG CÁNH MỀM DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hoàng Việt

Đề tài luận văn: Nghiên cứu, chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh

mềm dựa trên công nghệ MEMS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số SV: CA170368

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 29/09/2019với các nội dung sau:

 Chỉnh sửa định dạng đánh số hình vẽ theo chương luận văn, sửa lỗi bị

nhảy trang

 Chỉnh sửa định dạng đánh số bảng theo chương luận văn, chỉnh sửa

định dạng chữ trong bảng

 Chỉnh sửa định dạng đánh số công thức theo chương luận văn

 Sửa các lỗi hành văn: thay đổi “đồ án” thành “luận văn”, giải thích

công thức

 Thay đổi tên một số hình ảnh cho phù hợp

 Bổ sung tóm tắn luận văn trong phần mở đầu

 Bổ sung kết luận cuối các chương

 Chỉnh sửa một số công thức và hình vẽ cho đúng

Ngày tháng 09 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn

PGS TS Phạm Hồng Phúc

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Việt CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TS Phạm Minh Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi được hoàn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phạm Hồng Phúc Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn và chưa được công bố trong bất

kỳ nghiên cứu nào khác

Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự

nỗ lực cố gắng của bản thân và sự nhiệt tình hướng dẫn của Thầy PGS.TS Phạm Hồng Phúc, tôi còn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS Phạm Hồng Phúc, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô đã giảng dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ tại trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội Các Thầy Cô đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi hoàn thiện đề tài luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn cùng học và các đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019

Học viên

Nguyễn Hoàng Việt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC BẢNG 9

LỜI MỞ ĐẦU 10

Lý do chọn đề tài 10

Lịch sử nghiên cứu 10

Mục đích nghiên cứu 10

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 11

Phương pháp nghiên cứu 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12

1.1 Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) 12

1.1.1 Công nghệ MEMS là gì? 12

1.1.2 Tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ MEMS 12

1.1.3 Tiềm năng ứng dụng của MEMS 14

1.2 Tổng quan về vi động cơ 15

1.2.1 Vi động cơ cảm ứng điện 15

1.2.2 Vi động cơ áp điện 17

1.2.3 Vi động cơ nhiệt điện 19

1.2.4 Vi động cơ tĩnh điện 20

1.3 Kết luận chương 26

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 28

2.1 Nguyên lý hoạt động của lực tĩnh điện 28

2.1.1 Lực tĩnh điện giữa hai bản cực song song 28

2.1.2 Lực tĩnh điện song song với bản cực tụ điện 30

2.1.3 Cấu trúc đàn hồi sử dụng lực tĩnh điện 32

2.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo 35

2.3 Phân tích động học 39

2.3.1 Vận tốc góc của vành bánh cam 39

2.3.2 Tính toán điều kiện chuyển vị 39

2.4 Phân tích lực 42

2.4.1 Lực dẫn động 42

2.4.2 Lực ma sát 44

2.4.3 Điều kiện động lực học 47

2.5 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của ELCA 49

2.6 Mô phỏng động cơ 54

2.6.1 Mô phỏng biến dạng 54

2.6.2 Mô phỏng chuyển vị và tần số dao động riêng 55

2.7 Kết luận chương 56

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ 57

3.1 Quy trình chế tạo 57

3.2 Đo đạc và đánh giá 58

3.2.1 Hệ thống vi cam 58

3.2.2 Đo đạc mô phỏng tần số dao động riêng 61

3.3 Kết luận chương 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ECA / ELCA Electro-static Comb-drive Actuator

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Phân loại thiết bị MEMS 13

Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng điện tử 16

Hình 1-3: Vi động cơ 3 pha cảm ứng điện từ[1] 16

Hình 1-4: Vi động cơ cảm ứng điện từ với vòng bi đỡ[3] 17

Hình 1-5: Quy trình hoạt động của động cơ sâu đo 18

Hình 1-6: Vi động cơ sâu đo quay[5] 18

Hình 1-7: Vi động cơ quay nhiệt điện[7] 19

Hình 1-8: Cấu trúc vi động cơ sử dụng dầm nhiệt chữ V[1] 20

Hình 1-9: Lực tĩnh điện giữa 2 bản cực 21

Hình 1-10: Vi động cơ tĩnh điện sử dụng 2 bộ ECA[8] 21

Hình 1-11: Vi động cơ đầu tiên sử dụng cơ chế răng cóc[9] 22

Hình 1-12: Thiết kế hệ thống vi vận chuyển được ghép từ nhiều module[10] 23

Hình 1-13: Hệ thống vi vận chuyển đầy đủ module[11] 23

Hình 1-14: Vi động cơ quay với quy trình chế tạo đơn giản[13] 24

Hình 1-15: Hệ thống vi động cơ và bánh răng dẫn động bằng ECA[14] 25

Hình 1-16: Hệ thống vi cam dẫn động bằng ECA[15] 25

Hình 2-1: Lực tĩnh điện vuông góc với bản cực 29

Hình 2-2: Lực song song với bản cực tụ điện 31

Hình 2-3: Chuyển vị của kết cấu đàn hồi bởi lực tĩnh điện 32

Hình 2-4: Mối quan hệ giữa 𝑭𝒆 và 𝑭𝒌 33

Hình 2-5: Cấu tạo bộ dẫn động răng lược 34

Hình 2-6: Đề xuất thiết kế vi động cơ 35

Hình 2-7: Cấu tạo của cánh mềm và răng cóc 36

Hình 2-8: Nguyên lý hoạt động của hệ thống chống đảo 38

Hình 2-9: Chuyển động của cánh mềm 40

Hình 2-10: Mô phỏng tính độ cứng của cánh mềm 41

Hình 2-11: Lực tác dụng lên cánh mềm và răng cóc 43

Hình 2-12: Lực ma sát giữa cần chống đảo và răng cóc của vành cam 45

Hình 2-13: Lực ma sát giữa vành cam và cần đẩy 46

Hình 2-14: Mô hình động học của bộ ELCA 49

Hình 2-15: Điện áp điều khiển dạng sóng vuông 52

Hình 2-16: Điện áp điều khiển dạng hình sin 53

Hình 2-17: Ứng suất chuyển vị của cánh mềm 54

Hình 2-18: Ứng suất chuyển vị của dầm ELCA 55

Hình 2-19: Mô phỏng chuyển vị của bộ ELCA 56

Hình 2-20: Mô phỏng tần số dao động riêng của ELCA 56

Hình 3-1: Quy trình chế tạo vi động cơ 57

Hình 3-2: Ảnh chụp hệ thống vi cam sau khi chế tạo 58

Hình 3-3: Hình ảnh chụp hệ thống vi cam hoạt động 59

Hình 3-4: Hình ảnh chụp chuyển vị cực đại của thanh trượt 59

Hình 3-5: Mối quan hệ giữa vận tốc góc của vành cam với tần số hoạt động 60 Hình 3-6: Mối quan hệ giữa điện áp và chuyển vị của ELCA 61

Hình 3-7: Mối quan hệ giữa chuyển vị với tần số điều khiển 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Bảng so sánh các loại vi động cơ 26

Bảng 2-1: Các thông số của vi động cơ 36

Bảng 2-2: Các giá trị đặc trưng của silicon và không khí 54

Bảng 3-1: Tỉ lệ giữa giá trị vận tốc góc thực tế so với tính toán lý thuyết 60

LỜI MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

MEMS (micro electro-mechanical system), tạm dịch là hệ thống vi cơ điện tử,

là công nghệ đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới từ những năm

70 Công nghệ vi cơ điện tử là công nghệ được phát triển từ công nghệ chế tạo chip điện tử IC, sử dụng chất bán dẫn làm nguyên liệu chế tạo Các sản phẩm đặc trưng của công nghệ vi cơ gồm có: vi cảm biến, cơ cấu vi chấp hành và các vi cơ cấu khác Các thiết bị vi cơ điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ngành: viễn thông, tự động hóa, hàng không – vũ trụ, quân sự, v.v… Các vi cơ cấu và vi động cơ với chức năng chuyển hóa năng lượng và dẫn động đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị MEMS, cũng như tạo nên sự khác biệt lớn giữa cơ học truyền thống

và vi cơ/vi cơ điện tử

Trong MEMS, vi động cơ dùng để dẫn động các vi cơ cấu (micro-mechanism),

vi robot (micro-robot), vi vận chuyển (micro-transportation) … Do đó nhu cầu nghiên cứu, chế tạo vi động cơ là rất cần thiết

Lịch sử nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của luận văn được kế thừa từ các kết quả đồ án tốt nghiệp đại học của tác giả và các công bố khoa học của thầy giáo hướng dẫn PGS TS Phạm Hồng Phúc Các tài liệu này đều đã được liệt kê tại mục “Tài liệu tham khảo” của luận văn

Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một loại vi động

cơ với đường kính sản phẩm trong khoảng từ 2 mm đến 3 mm; được dẫn động bằng các vi kích hoạt tĩnh điện thông qua bộ truyền động là các cánh mềm Quy trình chế tạo động cơ sẽ được xây dựng dựa trên công nghệ MEMS

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong các loại vi động cơ, vi động cơ kiểu tĩnh điện là phát triển nhất nhờ các

ưu điểm nổi trội như: Thiết kế và chế tạo đơn giản, dải tốc độ làm việc lớn, không phụ thuộc vào nhiệt độ và môi trường Do vậy, trong phạm vi luận văn này, tác giả chỉ tập trung vào phân tích, thiết kế vi động cơ kiểu tĩnh điện

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Luận văn này đề xuất cải tiến một loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện Điểm cải tiến ở đây là thay thế cơ cấu đàn hồi lò xo trong động cơ cũ bằng cơ cấu cánh mềm nhằm tăng tần số riêng và giảm bớt va đập phần răng cóc dẫn Kết quả đo đạc cho thấy vận tốc góc của vi động cơ mới là tốt hơn kiểu cũ trong dải tần số nhỏ hơn 30Hz

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn này sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết từ các tài liệu chuyên ngành, sách, báo, đồng thời kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đây của tác giả và thầy giáo hướng dẫn Luận văn được chia làm 4 phần chính:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống MEMS và vi động cơ

 Chương 2: Tính toán và mô phỏng vi động cơ

 Chương 3: Chế tạo, đo đạc và đánh giá

 Kết luận

Quá trình thực hiện mô phỏng và tính toán có sử dụng các phần mềm và công

cụ hỗ trợ như Solidworks, ANSYS,

và cực kì phức tạp có thể tích hợp cả các cơ cấu cơ khí (ví dụ như cơ cấu bánh răng, CAM,…) và mạch điện tử điều khiển

1.1.2 Tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ MEMS

Tuy rằng công nghệ MEMS mới ra đời chưa lâu (vào cuối những năm 50 của thế kỉ XX) nhưng những ứng dụng của công nghệ này đã đóng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội Trong các đóng góp đó không thể không nhắc đến công nghệ vi cảm biến (micro sensor) và vi chấp hành (micro actuator)

Vi cảm biến và vi chấp hành được phân loại là các “transducer”, hay còn gọi là các bộ chuyển đổi Chức năng hoạt động của chúng là chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác Với vi cảm biến, các thay đổi vật lý đầu vào sẽ được chuyển hóa thành tín hiệu điện tử và ngược lại với vi chấp hành, tín hiệu điện sẽ được chuyển hóa thành các chuyển động cơ học

Hình 1-1: Phân loại thiết bị MEMS

Trong vòng vài thập niên gần đây, các nhà khoa học thuộc lĩnh vực MEMS đã công bố một số lượng vô cùng lớn các vi cảm biến có thể đo gần như tất cả các thông

số như: nhiệt độ, áp suất, lực, cảm biết hóa chất, từ, phóng xa, Trong đó, nhiều vi cảm biến đã chứng minh được hiệu suất vượt trội so với các bộ cảm biến truyền thống

Ví dụ như một bộ chuyển cảm biến áp lực được gia công bằng kỹ thuật gia công vi

mô thường có hiệu suất cao hơn một cảm biến áp suất được gia công bằng phương pháp truyền thống Không chỉ cho hiệu suất cao hơn, công nghệ sản xuất các thiết bị MEMS sử dụng các kỹ thuật chế tạo hàng loạt giống nhau được sử dụng trong ngành sản xuất mạch tích hợp – nhờ vậy chi phí sản xuất hàng loạt cho mỗi thiết bị rất thấp, cũng như nhiều lợi ích khác Với các ưu điểm trên, không có gì đáng ngạc nhiên khi các bộ vi cảm biến trên nền silic được nhanh chóng khai thác thương mại và thị trường cho các thiết bị này tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh Đáng chú ý gần đây, đã xuất hiện một số cơ cấu vi chấp hành như: van siêu nhỏ để điều khiển lưu lượng khí và chất lỏng; thiết bị chuyển mạch quang học và gương để chuyển hướng hoặc điều chỉnh tia sáng; hệ thống vi gương điều khiển độc lập cho việc hiển thị, bộ vi cộng hưởng cho một số ứng dụng khác nhau, máy bơm siêu nhỏ tạo áp suất chất lỏng cũng như nhiều bộ phận khác Mặc dù các thiết bị vi chấp hành này rất nhỏ, chúng vẫn có thể gây ra các hiệu ứng ở cấp độ vĩ mô; có nghĩa là những thiết bị truyền động nhỏ này có thể thực hiện những chuyển động lớn hơn kích thước của chúng rất nhiều Ví

dụ, các nhà nghiên cứu đã đặt các thiết bị truyền động siêu nhỏ trên cạnh trước của cánh máy bay và đã có thể điều khiển máy bay bằng cách sử dụng các thiết bị siêu nhỏ này

1.1.3 Tiềm năng ứng dụng của MEMS

Các hệ thống vi cơ điện tử trở nên có tiềm năng sử dụng rất lớn nhờ các kết cấu siêu nhỏ gồm cảm biến, bộ dẫn động, kết cấu hệ thống và cả mạch điện tử có thể được gộp vào chế tạo trên cùng một tấm nền silicon (điển hình trong lĩnh vực vi điện tử) Khá giống với các thiết bị điện tử được chế tạo bằng phương pháp gia công mạch tích hợp (Intergrated Circuir – IC) như CMOS hay BICMOS, các thành phần vi cơ khí được chế tạo sử dụng quy trình vi gia công với nguyên lý gia công tương tự Các thành phần vi cơ được chế tạo sử dụng quy trình vi gia công, ăn mòn tấm silicon hoặc thêm các lớp cấu trúc mới, tạo nên các thiết bị cơ khí hoặc cơ điện Hơn thế nữa, công nghệ MEMS không chỉ có thể tích hợp với công nghệ điện tử, mà còn có thể tích hợp với các công nghệ khác như quang học, công nghệ nano,… Với tính chất tích hợp không đồng nhất này, chắc chắn công nghệ MEMS sẽ có cơ hội rất lớn khi đưa ra thị trường

Trong khi các hệ thống tích hợp phức tạp đang là xu hướng phát triển của công nghệ MEMS, các hệ thống MEMS hiện đại được sử dụng rộng rãi chỉ thường là một cấu trúc đơn lẻ Ví dụ như: một thiết bị vi cảm / vi chấp hành biến rời rạc, một vi cảm biến / vi chấp hành tích hợp với mạch điện tử hoặc một loạt các vi cảm biến / vi chấp hành cùng loại tích hợp với mạch điện tử, … Hơn nữa, khi công nghệ chế tạo các hệ thống MEMS phát triển, các thiết kế mới với việc tích hợp bất kì loại vi cảm biến / vi chấp hành với mạch điện tử cũng như với các công nghệ quang học, công nghệ nano Tất cả các thiết kế này đều chỉ nằm gọn trong một tấm nền

Xu hướng phát triển này của công nghệ MEMS được mong đợi là một trong những đột phá công nghệ quan trọng nhất trong tương lai Điều này sẽ cho phép phát triển các sản phẩm thông minh bằng cách tăng cường khả năng tính toán của vi điện

tử với khả năng nhận thức và điểu khiển của các vi cảm biến và các bộ vi truyền động Mạch vi điện tử tích hợp có thể được coi là "bộ não - bộ vi xử lý” của một hệ thống

và MEMS tăng cường khả năng ra quyết định của hệ thống bằng "mắt - vi cảm biến”

và "cánh tay - vi chấp hành”, để cho phép các hệ thống vi mô cảm nhận và điều khiển

môi trường xung quanh Các cảm biến thu thập thông tin môi trường bằng việc đo các thông số cơ khí, nhiệt độ, hóa học, quang học và từ trường Sau đó phần điện tử

xử lý thông tin từ cảm biến và đưa ra các phản hồi tương ứng như di chuyển, định vị, điều chỉnh, bơm và lọc Nhờ đó điểu khiển môi trường bên ngoài theo mục đích mong muốn Hơn nữa, nhờ sử dụng quy trình chế tạo ăn mòn tương tự như chế tạo IC, các thiết bị với tính năng, tính ổn định và sự tinh tế rất cao có thể đặt trên một con chip silicon rất nhỏ với chi phí khác thấp Công nghệ MEMS cực kỳ đa dạng và có tiền năng, cả trong các lĩnh vực ứng dụng dự kiến của nó, cũng như cách thiết bị được thiết kế và sản xuất Hiện tại, công nghệ MEMS đang cách mạng hóa nhiều loại sản phẩm nhờ khả năng cho phép thực hiện các hệ thống hoàn chỉnh trên một con chip

1.2.1 Vi động cơ cảm ứng điện

Với tư tưởng thiết kế động cơ truyền thống sử dụng từ trường để quay động cơ,

vi động cơ loại này đặc trưng bởi việc sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ giữa 2 tấm nền silicon Cấu tạo động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính: phần quay (roto) là một nam châm vĩnh cửu đa cực và phần cố định (stato) là các vòng dây Trong đa số trường hợp, các vòng dây được hình thành bởi nhiều lớp đồng được cố định trên mặt tấm

nền silicon

Tín hiệu điện điều khiển được cấp vào vòng dây (stator) tạo ra từ trường Rotor

là các nam châm di động được đặt trong từ trường Khi stator được cấp điện sẽ xảy

ra hiện tượng cảm ứng điện từ, làm chuyển động rotor tạo ra lực quay động cơ

Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng điện tử

Dưới đây là một số thiết kế nổi bật của vi động cơ điện từ

Hình 1-4: Vi động cơ cảm ứng điện từ với vòng bi đỡ [3]

Các vi động cơ sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ nhìn chung có cấu tạo khá phức tạp, cấu trúc vòng dây nhiều lớp Chính vì vậy quy trình chế tạo của các vi động

cơ loại này rất phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao

1.2.2 Vi động cơ áp điện

Vi động cơ áp điện hoạt động nhờ sử dụng hiệu ứng áp ngược, tức vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng khi được đặt điện áp Cũng như các động cơ khác, vi động cơ áp điện về cơ bản có hai phần - stato và roto Stator chuyển đổi năng lượng điện đặt phần

tử áp điện thành dao động Động cơ sâu đo sử dụng ba bộ truyền động piezo Quá trình hoạt động thực tế động cơ là một quá trình tuần hoàn sáu bước[4]:

Hình 1-5: Quy trình hoạt động của động cơ sâu đo

 Bước 1: Kẹp A kẹp trong khi kẹp B nhả

1.2.3 Vi động cơ nhiệt điện

Các thiết bị MEMS sử dụng hiệu ứng nhiệt điện thường tạo ra chuyển động bằng cách khuếch đại giãn nở nhiệt Một lượng nhỏ giãn nở nhiệt của một phần của thiết bị sẽ được khuếch đại thành một lượng lớn độ dịch chuyển của thiết bị tổng thể

Sự gia tăng nhiệt độ thường đạt được bằng cách đốt nóng điện trở bằng điện[6] Nguyên lý hoạt động của vi động cơ sử dụng dụng hiệu ứng nhiệt điện được thể hiện trong hình dưới đây

Hình 1-7: Vi động cơ quay nhiệt điện [7]

Một thiết kế vi động cơ nhiệt điện khác với nguyên lý hoạt động đơn giản sử dụng mô hình dầm nhiệt chữ V hơn cũng được giới thiệu trong hình sau

Hình 1-8: Cấu trúc vi động cơ sử dụng dầm nhiệt chữ V [1]

Các vi động cơ nhiệt điện có cấu tạo khá đơn giản, thậm chí có thể thể chế tạo hoàn chỉnh chỉ với một mặt nạ quang khắc Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng giãn

nở nhiệt có thể đạt được tỷ trọng công suất cao hơn nhiều so với các hiệu ứng dẫn động khác và có điện áp dẫn thấp hơn Thế nhưng nhược điểm của loại động cơ này

là sinh nhiệt trong quá trình hoạt động và tốc độ đáp ứng (tần số hoạt động) không được cao, thấp nhất trong tất cả các loại vi động cơ

Hình 1-9: Lực tĩnh điện giữa 2 bản cực

Ứng dụng hiệu ứng lực tĩnh điện này vào thiết kế và chế tạo vi động cơ, năm

1996, Sniegowski và Garcia đã giới thiệu một thiết kế vi động cơ dẫn động bằng 02

bộ dẫn động răng lược tĩnh điện (ECA – electrostatic comb-drive actuator)[8] Hai bộ ECA này được bố trí vuông góc với nhau, tạo thành cơ cấu truyền động hình chữ V

và được dùng để dẫn động cho vòng bánh răng

Vi động cơ đã được chế tạo và vận hành thử nghiệm thành công, với tốc độ góc tối đa lên tới 200.000 vòng/phút tại điện áp hoạt động 90V Nhược điểm lớn nhất của thiết kế này là ma sát rất lớn tại các khớp nối và giữa các bánh răng

Nhằm cải tiến thiết kế để giảm lực ma sát giữa các khớp, cơ cấu răng cóc lần đầu tiên được sử dụng dụng trong lĩnh vực MEMS vào năm 2000 bới Barnes[9]

Roto của động cơ được chế tạo bởi công nghệ vi cơ bề mặt với rất nhiều lớp mặt nạ và nhiều quá trình ăn mòn phức tạp Hơn nữa, độ dày của kết cấu là rất mỏng

(chỉ vài micromet) dẫn tới công suất của vi động cơ bị hạn chế

Kế thừa từ thiết kế ứng dụng cơ cấu răng cóc của Barnes, năm 2010-2011, một

hệ thống vận chuyển kích thước siêu nhỏ đã được đề xuất [10], [11] Tác giả đã dùng hệ thống răng cóc để thiết kế và chế tạo hệ thống vi vận chuyển có độ chính xác cao, quy trình chế tạo và điều khiển đơn giản, có thể dùng trong các hệ phân tích tổng hợp trên chip (micro – TAS)

Bằng việc thiết kế cấu trúc của container và module rẽ và điều hướng, hệ thống

có khả năng điều khiển xe container theo cả hai hướng thẳng và rẽ với vận tốc điều khiển được Xe container với cấu trúc cánh lái và cánh chống đảo có thể quay quanh

cổ đàn hồi giúp tạo ra phản lực đẩy xe lên phía trước Thiết kế này được cải tiến từ

hệ thống vi vận chuyển đã được công bố từ trước bởi tác giả[12]

Sau thành công trong việc sử dụng răng cóc vào hệ thống vi vận chuyển, từ năm

2012 đến năm 2014, lần lượt 3 thiết kế vi động cơ quay sử dụng bộ dẫn đồng ECA được tác giả công bố [13], [14], [15] Cả 3 động cơ đều có ưu điểm nổi bật là có quy trình chế tạo đơn giản, chỉ sử dụng một mặt nạ quang khắc trong quy trình chế tạo vi cơ khối

Hình 1-14: Vi động cơ quay với quy trình chế tạo đơn giản [13]

Hình 1-15: Hệ thống vi động cơ và bánh răng dẫn động bằng ECA [14]

Kích thước động cơ

Tính

ổn định

Ứng dụng khác

50 Hz

Trung bình, từ 80V đến 100V

6 vòng/phút

Đơn giản,

có thể chỉ cần dùng

1 lớp quang khắc

Nhỏ

Trung bình khá

thể lên

tới 2MHz

Rất cao, có thể lên tới 300V

100 vòng/phút

Rất phức tạp do được cấu thành từ nhiều lớp

Có thể làm máy phát điện

Thấp

Đơn giản,

có thể chỉ cần dùng

1 lớp quang khắc

Trung bình thấp, từ 50V đến 100V

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

2.1 Nguyên lý hoạt động của lực tĩnh điện

2.1.1 Lực tĩnh điện giữa hai bản cực song song

Nội dung trong chương này chỉ nói về lý thuyết chung của hiệu ứng tĩnh điện

Do vậy các hình ảnh, công thức trong chương này được tham khảo từ cuốn sách:

“Micro mechanical transducers, Accelerometers and Gyroscopes”, chương 4,

“Electrostatic driving and capacitive sensing” [16]

2.1.1.1 Lực vuông góc với bản cực

Giả sử có một mạch điện với nguồn phát V và một tụ điện như trong Hình 2-1

Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực song song, trong đó một bản cực được cố định tại vị trí 𝑥 = 0 (được đánh dấu bằng vùng gạch chéo trong hình) Bản cực còn lại có thể di chuyển theo chiều vuông góc với bản cực, cách bản cực cố định một khoảng 𝑥 Coi kích thước của bản cực lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách 𝑥, do vậy phần rìa của bản tụ có thể được bỏ qua trong khi tính toán Từ đó điện dung 𝐶 của tụ điện có thể được tính bằng công thức sau:

𝐸𝐶 = 1

Hình 2-1: Lực tĩnh điện vuông góc với bản cực.

Gọi lực xuất hiện giữa hai bản cực là 𝐹𝑛, lực này có phương vuông góc với hai bản cực và hướng của lực theo xu hướng làm giảm khoảng cách giữa hai bản cực (Hình 2-1) Lực này khiến cho bản cực di động tiến tới bản cực cố định một khoảng

∆𝑥 Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng trong mạch điện, ta thu được phương trình:

𝐹𝑛∆𝑥 +𝑑𝐸𝐶

𝑑𝐸𝑠

Với 𝐸𝑠 là nội năng của nguồn điện

Đạo hàm 2 vế của công thức (2.3), ta được:

𝑑𝐸𝐶

12

𝜕𝐶𝑥

Thay (2.1) vào (2.7), ta tìm được mối quan hệ giữa lực pháp tuyến giữa hai bản

cực của tụ điện với kích thước của tụ điện theo công thức dưới đây:

𝐹𝑛 = −1

2

𝐴𝜀𝜀𝑥

Dấu trừ trong công thức (2.8) thể hiện chiều của lực tĩnh điện theo phương

vuông góc bản tụ 𝐹𝑛 có hướng ngược với hướng được thể hiện trong Hình 2-1 Lực này có tác dụng kéo bản cực di động về hướng bản cực cố định

2.1.2 Lực tĩnh điện song song với bản cực tụ điện

Giả sử mạch điện như Hình 2-2, tụ điện cấu tạo bởi hai bản cực song song cách nhau một khoảng cách cố định là 𝑑0 Trong đó một bản cực là cố định và một bản cực di động theo hướng trong hình (chiều di chuyển vuông góc bản cực bị loại bỏ)

Để đơn giản việc tính toán, ta coi kích thước vùng chồng lấn giữa 2 bản cực 𝑦 lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa hai bản cực 𝑑0 Vậy điện dung của tụ điện được tính bởi công thức:

Hình 2-2: Lực song song với bản cực tụ điện.

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho bản cực di động, với khoảng cách chuyển dịch ∆𝑦, ta được phương trình:

𝑏𝜀𝜀0

Dấu dương trong phương trình (2.14) cho thấy lực tĩnh điện song song có chiều

hướng làm tăng diện tích vùng chồng lấn giữa hai bản cực Đại lượng 𝑦 cũng không xuất hiện trong phương trình, tương đường độ lớn của lực tĩnh điện song song chỉ phụ thuộc vào điện áp giữa hai bản cực

Từ phương trình (2.7) và (2.14), ta tính được tỉ lệ giữa lực tĩnh điện pháp