Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ v

Chính vì vậy, luận án này sẽ tập trung nghiên cứu một cách có hệ thống về ảnh hưởng của các tham số cấu tạo đến chất lượng làm việc của vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Phạm Hồng Phúc

2 PGS.TS Vũ Công Hàm

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này

Tác giả luận án

Hoàng Trung Kiên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

3.1 Đối tượng nghiên cứu 2

3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

4.1 Ý nghĩa khoa học 3

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

6 Những đóng góp của luận án 4

7 Bố cục của luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 6

1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng 6

1.2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược 8

1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18

1.4 Thảo luận và đánh giá 23

1.5 Kết luận chương 1 25

Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC 26

2.1 Lý thuyết tĩnh điện 26

2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến 26

2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến 28

2.2 Các tham số động lực học tương đương 29

2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát 29

2.2.2 Độ cứng tương đương 31

2.2.3 Khối lượng quy đổi 34

2.2.4 Cản quy đổi của không khí 35

2.3 Xác định đáp ứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược 40

2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông 41

2.3.2 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung hình sin 42

2.3.3 Ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị 43

2.4 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng lược hình thang cân đến lực dẫn và chuyển vị và điều kiện ổn định 48

2.4.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến lực tĩnh điện 48

2.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến chuyển vị của vi chấp hành 53

2.4.3 Kết quả đo đạc thực nghiệm 54

2.4.4 Điều kiện ổn định của vi chấp hành răng lược hình thang cân 56

2.5 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 60

2.6 Kết luận chương 2 61

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 63

3.1 Mô hình truyền nhiệt và phương trình vi phân chuyển động 63

3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc 63

3.1.2 Mô hình truyền nhiệt dạng giải tích 64

3.1.3 Mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn 67

3.1.4 Lực dãn nở nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt chữ V 71

3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động 72

3.2 Khảo sát chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V 73

3.2.1 Kiểm chứng kết quả tính toán chuyển vị tĩnh 73

3.2.2 Tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V 76

3.3 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến tần số tới hạn 80

3.4 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 82

3.5 Kết luận chương 3 84

Chương 4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN 86 4.1 Điều kiện bền nhiệt của dầm và điện áp dẫn giới hạn 86

4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm và điện áp giới hạn 90

4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ) 90

4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ” 93

4.3 Điều kiện đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V 95

4.4 Xác định kích thước tối ưu của dầm chữ V cho chuyển vị lớn nhất bằng thuật toán bầy đàn (PSO) 98

4.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến chuyển vị 98

4.4.2 Bài toán tối ưu, kết quả tối ưu bằng thuật toán PSO 100

4.5 Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 111

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 119

Phụ lục 1 Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa trên công nghệ vi cơ khối MEMS 119 Phụ lục 2 Hệ thống thiết bị đo 125

Phụ lục 3 Chương trình thuật toán tối ưu bầy đàn 126

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1 Danh mục các từ viết tắt

STT Từ viết

tắt

1 DRIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa

sâu

2 ECA Electrostatic Comb-drive

Actuator

Bộ chấp hành răng lược tĩnh điện

3 EVA Electrothermal V-shape

Actuator

Bộ chấp hành điện nhiệt dạng chữ V

4 GA Gen Algorithm Thuật toán di truyền

5 MEMS Micro-electro-mechanical

System Hệ thống vi cơ điện tử

6 PSO Particle Swarming

Optimation Thuật toán tối ưu bầy đàn

7 RECA Rectangular Electrostatic

Comb Actuator

Bộ chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật

8 SEM Scanning Electron

Microscope Kính hiển vi điện tử quét

9 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình

10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép

11 TECA Trapezoidal Electrostatic

Comb Actuator

Bộ chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân

2 Danh mục ký hiệu

1 a µm Khoảng chồng giữa hai bản tụ

6 A e µm Diện tích chồng nhau của hai bản tụ

7 A mb µm2 Diện tích mặt bên của thanh đẩy

8 A t µm2 Diện tích mặt trên của thanh đẩy

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

13 C 1 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại mặt đáy của thanh đẩy

14 C 2 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại bề mặt răng lược

15 C 3 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại mặt bên và mặt trên của thanh

20 C e pF Điện dung của tụ điện

21 C p pJ/kg.K Nhiệt dung riêng

22 C V µN.s/µm Hệ số cản không khí quy đổi về vị trí thanh đẩy của EVA

23 d µm Khoảng cách giữa bề mặt bị cản và nền

24 d 0 µm Khe hở giữa hai bản tụ

25 D a kg/µm3 Khối lượng riêng của không khí

26 d e µm Khoảng cách giữa hai điện tích điểm

27 D s kg/µm3 Khối lượng riêng của silic

28 E MPa Mô đun đàn hồi của vật liệu

29 E B pJ Nội năng của nguồn

30 E C pJ Năng lượng điện trường giữa hai bản tụ

31 F µN Lực dãn nở nhiệt của EVA

32 f Hz Tần số của điện áp dẫn

33 F 2n , F 2t µN Lần lượt là lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp

tuyến của bề mặt răng lược hình thang cân

34 F 2x , F 2y µN Lần lượt là lực tĩnh điện trên phương x, y của răng lược

39 F db µN Tổng lực cản không khí trên diện tích của dầm đơn vuông

góc với phương chuyển động Y

40 F e µN Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến

41 F e1 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung vuông

42 F e2 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung hình Sin

43 F et µN Tổng lực tĩnh điện của TECA

45 F h µN Lực tĩnh điện giữa hai chất điểm

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

46 F n µN Lực tĩnh điện pháp tuyến

47 Fo - Hệ số Fourier

48 F t µN Lực tĩnh điện tiếp tuyến

49 F y µN Tổng lực tĩnh đện trên phương y của ECA

50 g 0 µm Khe hở giữa bề mặt răng lược cố định và di động

51 g 02 , g 2 µm Lần lượt là khe hở ban đầu, khe hở khi làm việc của răng

lược hình thang cân

52 g a µm Khe hở giữa lớp cấu trúc và nền

53 Gbest - Vị trí tối ưu toàn cục

54 G - Giá trị "phạt"

55 g s - Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức

56 h µm Chiều dày dầm

57 h r - Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức

58 I kg.µm4 Mô men quán tính diện tích

59 I max - Số vòng lặp lớn nhất

60 K µN/µm Độ cứng quy đổi của hệ dầm

61 k µN/µm Độ cứng quy đổi của một dầm đơn

62 k a W/m.K Hệ số truyền nhiệt của không khí

63 k s W/m.K Hệ số truyền nhiệt của silic

64 L µm Chiều dài dầm

65 l c µm Chiều dài răng lược

66 L f µm Chiều dài khung ngang

67 L s µm Chiều dài thanh đẩy của EVA

68 M kg Khối lượng quy đổi

69 m b kg Khối lượng của một dầm đơn

70 m s kg Khối lượng của thanh đẩy

71 N răng Số răng lược di động

72 n cặp Số cặp dầm đơn

73 N b µN Phản lực dọc trục dầm

74 N d đoạn Số phân đoạn dầm

75 nvar - Số biến thiết kế

76 P - Số điểm tìm kiếm của thuật toán PSO

77 Pbest - Vị trí tối ưu cục bộ

78 P cr µN Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm

79 P t µN Lực tác dụng lên đầu dầm tại vị trí nối với thanh đẩy

80 Q - Hệ số phẩm chất

81 q 1 C Điện tích của vật mang điện 1

82 q 2 C Điện tích của vật mang điện 2

83 Q C C Điện tích trong một tụ điện

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

84 q cd pJ Nhiệt lượng truyền qua phân tố dầm

85 q e pJ Nhiệt lượng sinh ra trong một phân tố dầm khi có dòng

điện

86 q ls pJ Nhiệt lượng truyền từ phân tố dầm đến nền qua khe hở

không khí

87 q st pJ Nhiệt lượng tích trữ trong một phân tố dầm

88 r - Tỉ số lực của răng lược hình thang cân và hình chữ nhật

89 S - Hệ số hình dạng truyền nhiệt của dầm

90 T ºC Vec tơ phân bố nhiệt độ trên dầm chữ V

91 T 0 ºC Nhiệt độ môi trường

92 T C s Chu kỳ tới hạn

93 t C s Thời gian cấp điện tới hạn

94 T cr ºC Nhiệt độ ngưỡng an toàn

95 T max ºC Nhiệt độ lớn nhất trên dầm

96 U V Điện áp giữa hai bản tụ

97 U 0 V Giá trị trung bình của biên độ điện áp dẫn xung hình sin

98 U C V Điện áp ngưỡng theo điều kiện chập của TECA

99 U m V Điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ

100 U n V Điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt

101 w µm Chiều rộng dầm

102 W - Hệ số quán tính của thuật toán PSO

103 w 0 µm Chiều dày răng lược

104 w s µm Chiều rộng thanh đẩy của EVA

105 X 1 µN Phản lực liên kết

106 X 2 µN.µm Mô men phản lực liên kết

107 X - Vec tơ biến thiết kế

108 X L - Cận dưới của biến thiết kế

109 X U - Cận trên của biến thiết kế

110 y µm Chuyển vị tĩnh của ECA

111 y 1 µm Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung vuông

112 y 2 µm Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung hình sin

113 y t µm Chuyển vị tĩnh của TECA

114 α º Góc nghiên của bề mặt răng lược

115 γ µm2/s Hệ số khuếch tán nhiệt

116 δ µm Khoảng cách hiệu dụng

117 ΔL µm Dãn nở do nhiệt của dầm đơn

118 ε - Hệ số điện môi giữa hai bản tụ

119 ε 0 pF/µm Hằng số điện môi chân không

TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

125 ρ 0 TΩ.µm Điện trở suất tại nhiệt độ môi trường

126 φ rad Góc xoay của mặt cắt dầm

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1] 7

Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án 23

Bảng 2.1 Các thông số vật liệu và môi trường 43

Bảng 2.2 Các thông số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành ECA 43

Bảng 2.3 Các kích thước cơ bản của RECA và TECA 50

Bảng 3.1 Các tham số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành kiểu chữ V 73

Bảng 3.2 Các hằng số vật liệu 73

Bảng 3.3 Các tham số vật liệu thay đổi theo nhiệt độ [73] 73

Bảng 4.1 So sánh với điều kiện an toàn của các vi chấp hành 105

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược 9

Hình 1.2 Các mô hình cấu trúc dầm [9] 10

Hình 1.3 Biên dạng răng hình thang cân [14] 11

Hình 1.4 Biên dạng răng biểu diễn bằng đa thức [16] 11

Hình 1.5 Biên dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [17] 12

Hình 1.6 Răng lược dạng hỗn hợp [18] 12

Hình 1.7 Răng lược có biên dạng được tối ưu [19] 12

Hình 1.8 Các biên dạng răng lược dẫn động bộ vi chuyển mạch: 13

Hình 1.9 Kết cấu răng lược được đề xuất bởi Imboden [24] 13

Hình 1.10 Mô hình bộ vi cộng hưởng dẫn động bằng ECA [25] 14

Hình 1.11 Mô hình mất ổn định của hệ dầm gấp 16

Hình 1.12 Các cấu trúc tăng độ ổn định 16

Hình 1.13 Một số cấu trúc vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18

Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm 21

Hình 2.1 Sơ đồ xác định lực pháp tuyến giữa hai bản tụ 26

Hình 2.2 Sơ đồ xác định lực tiếp tuyến 28

Hình 2.3 Mô hình bộ vi chấp hành kiểu tĩnh diện răng lược 30

Hình 2.4 Mô hình vật lý tương đương 30

Hình 2.5 Sơ đồ xác định các đại lượng quy đổi 31

Hình 2.6 Mô hình xác định lực cản nhớt không khí 36

Hình 2.7 Quy luật điện áp dẫn dạng xung vuông 41

Hình 2.8 Điện áp dẫn dạng xung hình sin 42

Hình 2.9 Chuyển vị tĩnh của ECA tại điện áp 100V 44

Hình 2.10 Tần số cơ bản của ECA 44

Hình 2.11 Cấu trúc vi chấp hành tĩnh điện răng lược sau khi chế tạo 45

Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị tĩnh của ECA 45

Hình 2.13 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung vuông 46

Hình 2.14 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung hình sin 47

Hình 2.15 Mô hình răng lược dạng hình thang cân 48

Hình 2.16 Cấu trúc răng lược hình thang cân 49

Hình 2.17 Quan hệ lực tĩnh điện và góc nghiêng bề mặt răng 51

Hình 2.18 Các kích thước của răng lược hình thang cân 51

Hình 2.19 Đồ thị quan hệ giữa tỷ số lực và dịch chuyển Δy 52

Hình 2.20 Đồ thị quan hệ chuyển vị và góc nghiêng bề mặt răng 53

Hình 2.21 Ảnh SEM khi đo đạc 54

Hình 2.22 Chuyển vị tính toán và đo đạc của RECA và TECA theo điện áp 55

Hình 2.23 Hiện tượng hỏng của TECA khi đo đạc tại điện áp trên 50V 56

Hình 2.24 Quan hệ giữa lực tĩnh điện F et và lực đàn hồi F el theo chuyển vị y t 57

Hình 2.25 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng 59

Hình 2.26 Ảnh hưởng của chiều dài và chiều rộng dầm đến hệ số phẩm chất 60

Hình 2.27 Quan hệ giữa chuyển vị tĩnh và hệ số phẩm chất 61

Hình 3.1 Cấu trúc bộ chấp hành điện nhiệt chữ V 63

Hình 3.2 Dầm mảnh tương đương (a) và phân tố dầm (b) 64

Hình 3.3 Mô hình truyền nhiệt trong đoạn dầm thứ i 68

Hình 3.4 Sơ đồ tính hợp lực của một cặp dầm chữ V 71

Hình 3.5 Kết quả nhiệt độ và chuyển vị mô phỏng tại điện áp 20V 74

Hình 3.6 Ảnh chụp chuyển vị bộ vi chấp hành chữ V tại các điện áp 10V, 20V, 30V 75

Hình 3.7 So sánh chuyển vị tính toán, mô phỏng và đo đạc 75

Hình 3.8 Quy luật điện áp dẫn 77

Hình 3.9 Chuyển vị của vi chấp hành trong miền thời gian tại các tần số khác nhau 77

Hình 3.10 Quan hệ giữa độ giảm chuyển vị tương đối và tần số dẫn 78

Hình 3.11 Quan hệ giữa tần số tới hạn và điện áp dẫn 80

Hình 3.12 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều dài dầm 81

Hình 3.13 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều rộng dầm 81

Hình 3.14 Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và tỉ số kích thước dầm 82

Hình 3.15 Đồ thị quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và góc nghiêng dầm θ 83

Hình 3.16 Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất và hệ số phẩm chất Q 84

Hình 4.1 Quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và điện áp dẫn 87

Hình 4.2 Hiện tượng hỏng dầm của vi chấp hành 87

Hình 4.3 Mối quan hệ giữa điện áp U n và chiều rộng dầm w 88

Hình 4.4 Mối quan hệ giữa điện áp U n và chiều dài dầm L 88

Hình 4.5 Điện áp U n thay đổi theo tỉ lệ L/w và w 89

Hình 4.6 Mô hình chịu tải và xác định điều kiện ổn định dầm 90

Hình 4.7 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến độ cứng của hệ dầm 91

Hình 4.8 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành 92

Hình 4.9 Quan hệ giữa độ cứng nhỏ nhất K min và điện áp dẫn 92

Hình 4.10 Quan hệ giữa điện áp U m và chiều dài dầm L 93

Hình 4.11 So sánh sự thay đổi của N b với P cr theo chiều dài dầm L 94

Hình 4.12 Quan hệ giữa điện áp U m và chiều rộng dầm 94

Hình 4.13 So sánh sự thay đổi của N b với P cr theo chiều rộng dầm w 95

Hình 4.14 Sự thay đổi của điện áp U m theo tỉ lệ L/w và w 95

Hình 4.15 So sánh các điện áp U m và U n theo tỉ số L/w 96

Hình 4.16 Vùng kích thước đảm bảo an toàn cho bộ chấp hành chữ V 97

Hình 4.17 Ảnh hưởng của chiều dài dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V 98

Hình 4.18 Ảnh hưởng của chiều rộng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V 99 Hình 4.19 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến chuyển vị 99

Hình 4.20 Sơ đồ thuật toán PSO 102

Hình 4.21 Kết quả tối ưu các kích thước dầm tại các điện áp cho phép 103 Hình 4.22 So sánh chuyển vị của vi chấp hành đã tối ưu với chưa được tối ưu 104 Hình 4.23 Chênh lệch chuyển vị tương đối của các bộ kích thước tối ưu 105 Hình 4.24 Nhiệt độ và chuyển vị của một cặp dầm chữ V tại 28V 106

(Micro Electro Mechanical System) đã trở thành một trong những lĩnh vực phát triển rất nhanh trong những năm gần đây Về định nghĩa, MEMS là hệ thống tích hợp bao gồm các vi cảm biến, các bộ vi chấp hành và các vi mạch điện tử có kích thước micro

và được chế tạo bằng các công nghệ vi gia công

Công nghệ MEMS ngày nay đã có thể chế tạo hàng loạt các bộ vi cảm biến (micro sensor) và các bộ vi chấp hành/vi kích hoạt (micro actuator) được ứng dụng trong

nhiều thiết bị và hệ thống khác nhau Trong một hệ thống tích hợp cụ thể, các vi mạch điện tử được coi như là “hệ thần kinh và bộ não”, các các thiết bị MEMS được xem như là “tai mắt” và “tay chân”, điều này làm cho hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường một cách linh hoạt với độ chính xác cao Các vi cảm biến có nhiệm

vụ thu thập các thông tin từ môi trường qua việc tiếp nhận các tín hiệu như: cơ, quang, nhiệt, sinh, hóa… Sau đó các vi mạch điện tử xử lý thông tin để kịp thời đưa ra các tín hiệu điều khiển các bộ phận vi chấp hành để đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay đổi trạng thái, dò tìm, lọc… theo ý muốn của con người Các thiết bị MEMS ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống Trong đó các sản phẩm của MEMS được ứng dụng nhiều trong ô tô, hệ thống đo và phân tích y sinh, các thiết bị viễn thông, vũ khí, vệ tinh, thiết bị giải trí,…

Trong MEMS, bộ vi chấp hành là một loại thiết bị quan trọng đóng vai trò cung cấp chuyển động và lực để dẫn động các bộ phận khác trong một hệ thống tích hợp Trên thế giới đã có nghiều công bố về các loại bộ vi chấp hành khác nhau, dựa trên các hiệu ứng vật lý, bao gồm: vi chấp hành kiểu tĩnh điện, điện nhiệt, áp điện, điện

từ, vật liệu nhớ hình v.v Trong đó có thể kể đến hai loại vi chấp hành tương đối phổ biến là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V Chúng thường được dùng để dẫn động các hệ thống và thiết bị như vi cộng hưởng, vi chuyển mạch, vi tay gắp, vi motor, vi vận chuyển… Do đó, chất lượng và độ chính xác khi làm việc của các bộ vi chấp hành ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và độ chính xác chung của các

thiết bị và hệ thống Chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành bao gồm: độ lớn chuyển

học có ảnh hưởng trực tiếp và chủ yếu Vấn đề nghiên cứu để tối ưu và đưa ra các giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng làm việc cũng như độ chính xác của các

bộ vi chấp hành mang ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học và thực tiễn

Trong các nghiên cứu về lĩnh vực MEMS, đã có rất nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới liên quan đến các bộ vi chấp hành Các công bố khoa học này tập trung vào các chủ đề như: thiết kế mới và cải tiến cấu trúc, ứng dụng vật liệu mới và cải tiến công nghệ chế tạo, tối ưu kích thước và kết cấu nhằm nâng cao chất lượng làm việc Ở trong nước, việc nghiên cứu về công nghệ MEMS nói chung và về các bộ vi chấp hành nói riêng đã có những bước tiến quan trọng trong những năm gần đây, trong đó có thể kể đến các trung tâm như: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học Vật liệu…

Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu về ảnh hưởng của thông các số kích thước đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện và điện nhiệt chữ V chưa

đầy đủ và có tính hệ thống

Chính vì vậy, luận án này sẽ tập trung nghiên cứu một cách có hệ thống về ảnh hưởng của các tham số cấu tạo đến chất lượng làm việc của vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V, từ đó xác định tần số tới hạn, các điều kiện ổn định và an toàn khi làm việc, đề xuất phương pháp tính toán cải thiện một hoặc một

số chỉ tiêu chất lượng làm việc cho hai kiểu vi chấp hành này

2 Mục tiêu của luận án

Luận án nghiên cứu làm rõ và sâu sắc thêm các vấn đề lý thuyết liên quan đến một

số chỉ tiêu chất lượng làm việc của hai bộ vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V Kết quả của luận án sẽ cung cấp một hệ thống lý thuyết tương đối hoàn chỉnh cho người thiết kế tham khảo và xây dựng quy trình tính toán cho vi chấp hành đảm bảo làm việc ổn định và an toàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược và vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V dùng để dẫn động các hệ vi hệ thống như: vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi tay gắp, hệ vi vận chuyển Cụ thể hơn là vi chấp hành tĩnh điện sử dụng răng lược hình chữ nhật và răng lược hình thang cân, vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng nằm ngang Các vi chấp hành này được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS sử dụng phương pháp gia công ăn mòn khô sâu (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) Đối với đối tượng nghiên cứu của luận án, dải tần số làm việc nhỏ hơn 100Hz được coi là thấp, từ 100Hz đến 1kHz là dải tần số làm việc trung bình, trên 1kHz là dải tần số làm việc cao

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận án là các chỉ tiêu chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V như: tần số tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị, độ lớn chuyển vị, hệ số phẩm chất, độ ổn định cơ học, tính an toàn (tránh chập, cháy hoặc biến dạng dẻo) Các vấn đề phức tạp khác khác

như: tính phi tuyến của độ cứng khi biến dạng lớn, hiệu ứng viền (fringing effect)

trong tụ điện, sự thay đổi của mô đun đàn hồi theo nhiệt độ, hiện tượng đối lưu và bức xạ nhiệt trong không khí, truyền nhiệt giữa các dầm trong hệ dầm, truyền nhiệt qua thanh đẩy, độ bền và ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền v.v sẽ không được kể đến trong nội dung của luận án

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

4.1 Ý nghĩa khoa học

Các kết quả nghiên cứu của luận án làm sâu sắc thêm một cách có hệ thống các vấn đề lý thuyết cho đối tượng là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V như: phương pháp tính các đại lượng động lực học quy đổi trong phương trình

vi phân chuyển động; tần số và điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt và ổn định

cơ khi làm việc; tối ưu kích thước dầm trong vi chấp hành chữ V nhằm cải thiện chuyển vị đồng thời thỏa mãn điều kiện an toàn khi vận hành Các vấn đề này có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra các điều kiện làm việc tới hạn làm cơ sở để thiết

kế các bộ vi chấp hành đảm bảo tốt yêu cầu về chất lượng làm việc như chuyển vị lớn, ổn định và an toàn (tránh hiện tượng cháy dầm hoặc chập điện) trong dải điện áp dẫn xác định Đây chính là mục tiêu và đóng góp chính của luận án để hoàn thiện hệ thống lý thuyết về vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc của vi chấp hành có ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo Kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế mới hoặc kiểm nghiệm theo các điều kiện làm việc giới hạn (tần số và điện áp dẫn) để đảm bảo tính ổn định

và an toàn cho thiết bị Luận án cũng xây dựng bài toán để sử dụng thuật toán tối ưu xác định kích thước dầm của vi chấp hành điện nhiệt chữ V cho chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo các điều kiện về ổn định cơ và an toàn nhiệt Các kết quả này đặc biệt

có ý nghĩa trong việc rút ngắn thời gian thiết kế và giảm giá thành cho quá trình chế thử các thiết bị hoặc hệ thống có sử dụng vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V như vi mô tơ, vi tay kẹp, vi vận chuyển

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của luận án là tính toán lý thuyết, mô phỏng và kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng Việc áp dụng các phương pháp này được

tiến hành một cách cụ thể như sau:

- Dựa trên các nguyên lý và định luật vật lý cơ bản (cơ học, tĩnh điện, truyền nhiệt và dãn

nở nhiệt), cùng với việc vận dụng các phương pháp toán học để xây dựng mô hình toán cho các bộ vi chấp hành, từ đó tính toán ảnh hưởng của tham số cấu tạo tới chất lượng hoạt động

- Sử dụng phần mềm thông dụng để mô phỏng các bộ vi chấp hành kiểm chứng tính chính xác của một số kết quả được tính theo mô hình toán đã xây dựng Kết hợp cả mô phỏng từng phần và mô phỏng toàn bộ hệ thống

- Về thực nghiệm, luận án sẽ tiến hành đo đạc một số đặc tính của vi chấp hành để so sánh kiểm chứng lại các kết quả tính toán và mô phỏng Công việc này được thực hiện dựa trên sự hợp tác chặt chẽ với các phòng thí nghiệm MEMS tiên tiến trong nước

6 Những đóng góp của luận án

Luận án được thực hiện thông qua việc phân tích, đánh giá và kế thừa các công trình khoa học đã công bố liên quan đến vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V, kết hợp với các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm Các đóng góp cụ thể của luận án được tóm tắt như sau:

- Cung cấp hệ thống các công thức tổng quát hơn để xác định các đại lượng động lực học trong phương trình vi phân chuyển động của các vi chấp hành Đây là cơ sở để khảo sát ảnh hưởng của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc của các vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật như chuyển vị, tần số làm việc nhằm tránh mất ổn định và mất an toàn khi làm việc

- Xây dựng các công thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện, chuyển vị và điều kiện an toàn tránh hiện tượng chập bản tụ cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân

- Đề xuất phương pháp xác định tần số làm việc theo điều kiện ổn định chuyển vị cho điện áp dạng xung vuông dựa trên mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn Đề xuất điều kiện an toàn làm việc cho vi chấp hành, tránh hư hỏng thiết bị trong quá trình vận hành Thuật toán tối ưu được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định và an toàn

chưa triệt để của các nghiên cứu trong và ngoài nước Thông qua đó, luận án sẽ đề xuất mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu cho phù hợp

Chương 2 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược: Giới thiệu khái quát về các công thức tính lực tĩnh điện giữa hai bản tụ Xây dựng công thức tính các thông số động lực học tương đương trong phương trình vi phân chuyển động Giải phương trình vi phân để xác định chuyển vị chung của vi chấp hành theo hai quy luật điện áp phổ biến là xung vuông và xung hình sin Khảo sát ảnh hưởng của tần số dẫn đến sự ổn định của chuyển vị để xác định tần số tới hạn và ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Xây dựng các các công thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện, chuyển vị và điều kiện tránh hiện tượng chập bản tụ của vi chấp hành tĩnh điện răng lược có dạng hình thang cân Khảo sát ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất của vi chấp hành tĩnh điện răng lược truyền thống

Chương 3 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của của vi chấp hành điện nhiệt chữ V: Xây dựng mô hình truyền nhiệt cho một cặp dầm chữ V sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn So sánh chuyển vị xác định theo tính toán, mô phỏng và đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng Khảo sát ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị khi sử dụng điện áp dạng xung vuông, từ đó đề xuất phương pháp xác định tần số dẫn tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị Khảo sát ảnh hưởng của các thông

số kích thước dầm đến tần số dẫn tới hạn và hệ số phẩm chất của vi chấp hành làm cơ sở

để lựa chọn kích thước dầm hợp lý phù hợp với yêu cầu của đầu bài khi thiết kế

Chương 4 Xác định kích thước hợp lý của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đảm bảo điều kiện làm việc ổn định và an toàn: Tiến hành xác định

và xây dựng điều kiện làm việc giới hạn theo nhiệt độ lớn nhất trên dầm và ổn định dọc trục dầm, từ đó xác định ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến giá trị các điện áp giới hạn theo điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ Xác định miền kích thước dầm đảm bảo điều kiện an toàn khi làm việc thông qua quan hệ giữa các điện

áp giới hạn Khảo sát ảnh hưởng của kích thước dầm đến chuyển vị tĩnh của vi chấp hành, áp dụng thuật toán tối ưu để xác định bộ kích thước dầm thỏa mãn yêu cầu chuyển vị lớn mà vẫn đảm bảo điều kiện ổn định cơ và nhiệt độ giới hạn

Kết luận và kiến nghị: Trình bày tóm lược lại các nội dung mà luận án đã thực hiện, chỉ ra những điểm mới và các đóng góp chính của luận án Thảo luận thêm những điểm còn tồn tại để tiếp tục phát triển và hoàn thiện

Bên cạnh đó, quy trình chế tạo các vi chấp hành theo công nghệ SOI-MEMS được đưa vào luận án trong phần Phụ Lục 1 để nhằm giới thiệu và làm rõ thêm về khả năng của công nghệ gia công, Phụ lục 2 mô tả hệ thống đo đạc Hàm thuật toán tối ưu trong MATLAB cũng sẽ được trình bày trong Phụ Lục 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V

Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các bài báo khoa học được đăng trên các tạp chí uy tín trong và ngoài nước, các luận án tiến sĩ và các công trình khoa học khác đã được công bố liên quan đến nội dung của luận án Trên cơ sở đó rút ra những điểm mạnh có thể kế thừa và phát triển, những vấn đề còn tồn tại để luận án tập trung nghiên cứu và giải quyết

1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng

Vi chấp hành là một loại linh kiện trong MEMS có nhiệm vụ chuyển đổi các dạng tín hiệu hoặc năng lượng như điện, nhiệt, quang, hóa, sinh… thành các đại lượng cơ học như chuyển vị, lực hoặc mô men Nhờ đó vi chấp hành được dùng để dẫn động các thiết bị trong hệ thống vi cơ như vi động cơ, vi bơm, vi lắp ráp, vi vận chuyển hay vi rô bốt

Trong các hệ thống vi cơ cụ thể thì vi chấp hành chính là hạt nhân giúp các hệ thống có thể chuyển động được thông qua cơ năng Dạng năng lượng này có thể truyền qua các cơ cấu trung gian để thực hiện các nhiệm vụ trong thế giới vi mô như kẹp, đẩy, vận chuyển các vi mẫu vật hoặc cũng có thể tạo ra nguồn chuyển động để

dẫn động các thiết bị khác như vi cảm biến con quay (micro gyroscope), vi cộng hưởng (micro resonator), vi chuyển mạch (micro switch).v.v Như vậy, vi chấp hành

trong thế giới micro có thể được so sánh với động cơ đốt trong trên các phương tiện giao thông vận tải (ô tô, tàu hỏa, tàu thủy) hay như động cơ điện trong các máy gia công cơ khí (máy tiện, phay, khoan, bào), các hệ thống máy móc trong nhà xưởng công nghiệp như lắp ráp ô tô, dệt may, hóa chất…

Trong các lĩnh vực của đời sống, các thiết bị MEMS nói chung và các vi chấp hành nói riêng ngày càng chiếm một vị trí quan trọng Đặc biệt là trong y học do sự tương thích cao giữa các linh kiện này với các mẫu vật và các công việc cần độ chính xác cao như bơm vi lượng thuốc, vi phẫu thuật, vi nội soi…

Theo hiệu ứng vật lý, vi chấp hành MEMS được chia thành các loại như sau:

- Bộ vi chấp hành kiểu tĩnh điện (micro electrostatic actuator) sử dụng lực tĩnh điện sinh

ra giữa hai bản tụ tích điện trái dấu ở kích thước micro mét

- Bộ vi chấp hành kiểu điện nhiệt (micro electrothermal actuator) sử dụng sự dãn nở

nhiệt của các dầm mảnh làm bằng vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn, hoặc sử dụng hiện tượng biến dạng nhiệt không đều của cặp vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau khi

có dòng điện chạy qua

- Bộ vi chấp hành kiểu áp điện (micro piezoelectric actuator) sử dụng biến dạng của vật

liệu do xuất hiện nội ứng suất khi có điện áp đặt vào

- Bộ vi chấp hành kiểu điện từ (micro electromagnetic actuator) sử dụng lực điện từ (lực

Lorentz) sinh ra trong một cuộn dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu đặt trong một từ tường của nam châm vĩnh cửu hoặc của một cuộn dây dẫn khác tương ứng

- Bộ vi chấp hành kiểu vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA - shape memory alloys) sử dụng

khả năng biến dạng lớn do nhiệt sinh ra trong các vật liệu có tinh thể đặc biệt

Các loại vi chấp hành này có những ưu và nhược điểm được trình bày như trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1]

- Luật điều khiển đơn giản

- Hiệu suất cao hơn kiểu điện từ

và kiểu điện nhiệt

- Làm việc ổn định

- Điện áp dẫn tương đối cao

- Lực tạo ra nhỏ Đòi hỏi điện áp dẫn cao nếu muốn lực lớn

- Các bộ vi chấp hành có cấu tạo phức tạp

- Chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường Tham số vật liệu thay đổi phức tạp theo nhiệt độ

- Chuyển vị nhỏ nếu không dùng cơ cấu khuếch đại

- Hiệu suất thấp Chịu ảnh hưởng của

từ trường xung quanh

- Kích thước lớn do sử dụng nam châm, cuộn dây,…

hợp, độ ổn định khá cao Cụ thể là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V được luận án lựa chọn để tập trung nghiên cứu Đây cũng là hai loại vi chấp hành được ứng dụng khá phổ biến trong dẫn động các thiết bị MEMS Các vấn đề nghiên cứu liên quan đến hai loại vi chấp hành này sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần sau

1.2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược

a) Định nghĩa và phân loại

Vi chấp hành kiểu tĩnh điện hoạt động dựa trên lực tĩnh điện sinh ra tại bề mặt của hai bản tụ tích điện trái dấu Trong đó, lực tĩnh điện pháp tuyến có phương vuông góc với bề mặt của bản tụ, còn lực tĩnh điện tiếp tuyến có phương song song với bề mặt bản tụ Kiểu vi chấp hành này có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, trong đó có hai dạng phổ biến là: dẫn động bằng lực pháp tuyến [2] và dẫn động bằng lực tiếp tuyến [3] Đối với vi chấp hành dẫn động bằng lực pháp tuyến có các ưu điểm: lực dẫn lớn, điện

áp dẫn nhỏ, nhưng có nhược điểm: chuyển vị rất nhỏ (bị hạn chế bởi khe hở giữa hai bản tụ), lực dẫn phi tuyến (thay đổi theo chuyển vị), dễ mất ổn định dẫn đến ngắn mạch, hệ số phẩm chất thấp Các vi chấp hành dẫn động bằng lực tiếp tuyến có các

ưu điểm như dễ điều khiển, độ ổn định cao, nhưng cần điện áp dẫn lớn và lực dẫn tương đối nhỏ

Trong dẫn động các hệ thống như vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển, vi tay gắp thì vi chấp hành sử dụng lực tiếp tuyến phù hợp hơn về yêu cầu chuyển vị và điều khiển Loại vi chấp hành này thường được thiết kế và chế tạo với cấu trúc gồm nhiều bản tụ như răng lược đặt xen kẽ nhau nhằm tăng lực dẫn, do đó chúng được gọi

là vi chấp hành tĩnh điện răng lược Như vậy, vi chấp hành tĩnh điện răng lược là một loại vi chấp hành có cấu trúc gồm nhiều bản tụ (răng lược) đặt xen kẽ nhau sử dụng lực tĩnh điện để tạo ra lực dẫn động và chuyển vị

Theo dạng chuyển động thì vi chấp hành tĩnh điện răng lược lại được chia thành hai loại: chuyển động tịnh tiến (răng thẳng) [4] và chuyển động lắc (răng cong) [5] Theo mặt phẳng chuyển động, chúng được chia thành: chuyển động trong mặt phẳng

(In-plane) [6] và chuyển động ngoài mặt phẳng cấu trúc (Out-of-plane) [7] Đối tượng

mà luận án lựa chọn nghiên cứu là vi chấp hành tĩnh điện răng lược chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng cấu trúc Do đây là loại vi chấp hành có cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, ứng dụng đa dạng và dễ chế tạo hàng loạt

Vi chấp hành tĩnh điện răng lược (ECA – electrostatic comb actuator) được

W C Tang ứng dụng trong dẫn động bộ vi cộng hưởng và được giới thiệu lần đầu tiên năm 1990 [8] Cấu trúc điển hình của bộ vi chấp hành được biểu diễn như trên Hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược

Cấu tạo của ECA bao gồm hai phần chính: phần cố định và phần di động Trong

đó, phần cố định gồm các răng lược và điện cực cố định, phần di động gồm khung ngang mang răng lược di động, khung dọc (thanh đẩy) và được treo bởi hệ dầm, đầu còn lại của dầm gắn liền với các điện cực cố định Các bản tụ di động và cố định được đặt xen kẽ nhau và đối xứng

Khi đặt điện áp vào các điện cực của vi chấp hành, các bề mặt của răng lược cố định và di động tích điện trái dấu và tạo thành các cặp tụ điện Trên các răng lược di

động xuất hiện lực tĩnh điện kéo phần di động dịch chuyển theo phương y cho đến khi cân bằng với lực đàn hồi của hệ dầm Lực tĩnh điện trên phương x của các răng

lược di động bị triệt tiêu do tính đối xứng của cấu trúc Khi ngắt điện áp, phần di động dưới tác dụng của lực đàn hồi sẽ di chuyển về vị trí ban đầu

b) Tình hình nghiên cứu ngoài nước về ECA

Một trong những nhược điểm lớn nhất của ECA là lực tĩnh điện khá nhỏ nên cần điện áp dẫn lớn để có thể đạt được chuyển vị như mong muốn Điều này làm giảm khả năng ứng dụng của loại vi chấp hành này trong một số hệ thống Cải thiện chuyển

vị và giảm điện áp dẫn cho ECA là một bài toán đặt ra cho các nhà nghiên cứu Các công bố liên quan đến bộ ECA cũng đều hướng đến mục tiêu này Những kết quả đã công bố có thể được phân chia thành các hướng chủ yếu: cải tiến cấu trúc dầm, cải tiến hình dạng răng lược, tính toán động lực học, nâng cao độ ổn định làm việc

Cải tiến cấu trúc dầm

Vấn đề cải tiến cấu trúc dầm có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chuyển vị

và giảm điện áp thông qua giảm độ cứng của hệ dầm Các dạng cấu trúc dầm như:

dầm thẳng hai đầu ngàm (fixed-fixed beam), dầm càng cua (crab-leg beam) và dầm gấp khúc (folded beam) như trên Hình 1.2 đã được nêu lên trong các công bố [9] và

[10] Các nghiên cứu này đã xây dựng công thức tính độ cứng cho ba cấu trúc dầm

để so sánh chuyển vị theo tính toán và mô phỏng Kết quả so sánh cho thấy dầm càng

O y

x

cua và dầm gấp khúc cho chuyển vị theo phương y lớn hơn so với dầm thẳng hai đầu ngàm do có độ cứng theo phương y nhỏ hơn Các kết quả tính toán đã được kiểm chứng bằng cả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm

Hình 1.2 Các mô hình cấu trúc dầm [9]

(a) Dầm thẳng hai đầu ngàm; (b) Dầm càng cua; (c) Dầm gấp khúc

Tuy nhiên, hai loại dầm trên lại có độ cứng theo phương x (Hình 1.2) khá nhỏ nên

dễ xảy ra hiện tượng mất ổn định lắc ngang trong mặt phẳng Oxy Mặt khác, độ cứng nhỏ cũng dễ xảy ra hiện tượng chập bản tụ (pull-in) do lực tĩnh điện lớn hơn lực đàn

hồi, khâu chấp hành không về được vị trí ban đầu do lực hồi phục đáp ứng chậm Thông qua các đánh giá như trên, luận án lựa chọn nghiên cứu vi chấp hành tĩnh điện răng lược có cấu trúc dầm thẳng hai đầu ngàm Do ưu điểm của dầm này là đơn giản, không tốn diện tích bố trí, có lực đàn hồi phù hợp với các ứng dụng trong các thiết bị cần sự hồi vị nhanh như vi mô tơ quay [11], vi rô bốt [12], vi vận tải [13]

Cải tiến biên dạng răng lược

Cải tiến biên dạng răng lược là việc làm rất có hiệu quả để tăng lực tĩnh điện Đây cũng là hướng nghiên cứu thu hút nhiều nhà khoa học và cho ra nhiều công bố khoa học trên các tạp chí có uy tín Các vi chấp hành tĩnh điện răng lược truyền thống chủ yếu dùng răng có biên dạng thẳng (hình chữ nhật như Hình 1.1) Với dạng răng này, lực tĩnh điện của vi chấp hành có phương tiếp tuyến (song song với bề mặt răng) rất nhỏ so với lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến (vuông góc với bề mặt răng)

Để tận dụng được một phần lực tĩnh điện trên phương pháp tuyến, tác giả M S Rosa đã được đề xuất răng lược có dạng hình thang cân (Hình 1.3) [14] Các kết quả tính toán và thí nghiệm kiểm chứng đã chứng minh ưu điểm nổi bật của dạng răng này là cho lực tĩnh điện lớn Trong cùng một điều kiện làm việc thì vi chấp hành răng lược hình thang cân sinh ra lực dẫn gần gấp đôi so với vi chấp hành sử dụng răng lược truyền thống Đề xuất của tác giả đã mở đường cho một hướng nghiên cứu mới

là cải tiến biên dạng răng lược để tạo ra các hàm lực có quy luật thay đổi khác nhau,

phù hợp với các hướng ứng dụng

Hình 1.3 Biên dạng răng hình thang cân [14]

Biên dạng răng lược được mô tả bằng một hàm đa thức (Hình 1.4) đã được B D Jensen đề xuất trong các công bố [15] và [16]

Hình 1.4 Biên dạng răng biểu diễn bằng đa thức [16]

Trong các công bố trên, tác giả đã khảo sát 7 thiết kế với các hàm biên dạng của

răng lược cố định (stationary finger) và di động (moving finger) khác nhau Các cặp

biên dạng răng này có thể tạo ra lực tĩnh điện thay đổi theo chuyển vị với những quy luật khác nhau Đề xuất này có ưu điểm là đơn giản hóa việc xây dựng mô hình toán cho biên dạng răng trong thiết kế, tạo điều kiện để xác định hoặc tối ưu biên dạng răng lược theo các yêu cầu nào đó về chuyển vị và lực dẫn Tuy nhiên, khá khó để đạt được độ chính xác khi chế tạo các biên dạng phức tạp này

Với mục đích giảm điện áp dẫn cho vi tay gắp, Kalaiarasi [17] đã đề xuất ba mẫu khác nhau cho các biên dạng răng lược cố định Theo các kết quả mô phỏng chuyển

vị của tay gắp, biên dạng răng như Hình 1.5 cho chuyển vị là lớn nhất, điều này giúp giảm điện áp dẫn đáng kể so với răng lược truyền thống Tại cùng chuyển vị của má tay gắp là 6.6µm biên dạng mới cần điện áp dẫn 14V trong khi biên dạng hình chữ nhật cần 25V Như vậy, biên dạng được đề xuất có ưu điểm tăng lực dẫn và chuyển

vị đồng thời vẫn giảm đáng kể điện áp dẫn

θ

Răng lược cố định

Răng lược di động

Khoảng chồng nhau Chiều dài răng lược

Hàm biên dạng

Vi phân điện dung Hàm biên dạng

Hình 1.5 Biên dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [17]

Cũng với mục đích tăng lực dẫn cho vi chấp hành, Engelen đã đề xuất biên dạng răng kết hợp gồm ba đoạn khác nhau trong công bố [18] như Hình 1.6 Các kết quả tính toán và thí nghiệm cho thấy chuyển vị và lực dẫn tại 120V lớn hơn 26% so với răng lược hình thang cân mặc dù độ cứng lớn hệ dầm hơn 20% Như vậy, ưu điểm của biên dạng răng hỗn hợp này là sinh ra lực tĩnh điện và chuyển vị lớn hơn so với răng thang và răng truyền thống

Hình 1.6 Răng lược dạng hỗn hợp [18]

Một dạng biên dạng răng lược tối ưu cho vi chấp hành tĩnh điện cũng đã được Enlegen giới thiệu trong tài liệu [19] như trên Hình 1.7 Các kết quả tính toán và thí nghiệm cho thấy biên dạng răng tối ưu có ưu điểm là cho chuyển vị cũng như lực tĩnh điện lớn, đặc biệt là lực dẫn (bằng hiệu của lực tĩnh điện và lực đàn hồi) gần như là hằng số theo chuyển vị (dễ điều khiển) Theo tác giả, biên dạng này phù hợp với các thiết bị cần chính xác về vị trí như bàn điều khiển đầu dò trong máy quét biên dạng

bề mặt Tuy nhiên, cấu tạo của biên dạng răng là mặt cong và không đối xứng dẫn đến khó chế tạo chính xác theo thiết kế, điều này có thể gây ra hiện tượng mất ổn định lắc trong mặt phẳng nằm ngang

Hình 1.7 Răng lược có biên dạng được tối ưu [19]

Để có thể thiết kế các biên dạng răng lược theo các hàm lực cho trước, Kotani đã

đề xuất sử dụng phương pháp tối ưu hình dạng hình học [20] Các kết quả tính toán

số cho bốn ví dụ đã chứng minh độ ổn định và chính xác của phương pháp Bài báo

đã cung cấp một phương pháp tính toán thiết kế và tối ưu hóa hình dạng các răng lược cho bộ vi kích hoạt có thể sinh ra các hàm lực có quy luật thay đổi theo chuyển vị nhằm đáp ứng các yêu cầu khác nhau mà bài toán thiết kế đặt ra

Răng tối ưu

Để tăng lực tiếp xúc tại tiếp điểm của bộ vi chuyển mạch, Kang đã đề xuất sử dụng răng lược có dạng bậc (Hình 1.8a) [21] và Gao đề xuất răng lược dạng hai đoạn nghiêng (Hình 1.8b) [22] Các kết quả tính toán đã chứng minh ưu điểm của các biên dạng mới này là cho lực tiếp xúc lớn và giảm điện áp đến 25% so với răng lược truyền thống

Hình 1.8 Các biên dạng răng lược dẫn động bộ vi chuyển mạch:

(a) Răng lược dạng bậc [21]; (b) Răng lược hai đoạn nghiêng [22]

Một số biên dạng răng lược đặc biệt khác cũng đã được đề xuất như răng lược dạng nhiều bậc trong dẫn động tay gắp của tác giả Harouche [23], răng lược hình răng cưa của tác giả Jensen [15] Các dạng răng đặc biệt này có tính ứng dụng khá hạn chế, do lực thay đổi có dạng xung nên rất dễ gây mất ổn định và chỉ ứng dụng trong một số thiết bị không cần độ chính xác quá cao về lực dẫn và chuyển vị

Một biện pháp để tăng chuyển vị cho vi chấp hành là thêm một bản tụ cố định gắn trên nền đã được Imboden đề xuất trong tài liệu [24] như Hình 1.9 Với phương pháp này, biên dạng răng lược truyền thống vẫn được giữ nguyên, chuyển vị được cải thiện lên đến 35% Tuy nhiên giải pháp này có kết cấu phức tạp, khó chế tạo và điều khiển

Hình 1.9 Kết cấu răng lược được đề xuất bởi Imboden [24]

Như vậy, đã có nhiều biên dạng răng lược cũng như kết cấu khác nhau đã được đề xuất Các kết quả tính toán và thực nghiệm cho thấy các ưu điểm vượt trội của các dạng răng lược mới so với dạng răng lược truyền thống là cho lực dẫn và chuyển vị lớn hơn Có một số biên dạng răng phức tạp được thiết kế để tạo ra hàm lực thay đổi theo một quy luật cho trước đáp ứng các yêu cầu đa dạng của ứng dụng Tuy nhiên, nhược điểm của các răng lược có biên dạng phức tạp yêu cầu phải có độ chính xác cao khi chế tạo Đối với kích thước micro, các công nghệ vi gia công tiêu chuẩn thường có sai số đặc biệt với các biên dạng phức tạp Điều này dẫn đến sự mất cân bằng của hợp lực pháp tuyến trên các răng lược di động làm cho hệ thống có thể mất

ổn định (xoay ngang) và dẫn tới xảy ra hiện tượng ngắn mạch gây cháy dầm

Qua việc đánh giá và phân tích các ưu nhược điểm của các biên dạng răng lược trong vi chấp hành tĩnh điện răng lược, luận án lựa chọn biên dạng răng lược hình thang cân để tập trung nghiên cứu Đây là hình dạng răng lược tương đối đơn giản,

dễ chế tạo nhưng lại cho lực tĩnh điện lớn hơn đáng kể so với răng lược truyền thống

Cụ thể, luận án sẽ xây dựng một cách chi tiết công thức tính lực tĩnh điện cho một cặp răng lược hình thang cân, thiết lập phương trình chuyển vị, xác định điều kiện ổn định tránh hiện tượng chập bản tụ

Động lực học

Nghiên cứu đáp ứng động lực học của vi chấp hành tĩnh điện răng lược đã được thực hiện bởi W.C Tang khi ông đề xuất sử dụng bộ vi chấp hành này trong dẫn động bộ vi cộng hưởng (Hình 1.10) Trong luận án tiến sĩ [25], tác giả đã xây dựng phương trình

vi phân chuyển động cho hệ thống vi cộng hưởng dựa trên các tham số động lực học quy đổi tương đương như: độ cứng, khối lượng và cản không khí Từ đó tác giả đã xác

định tần số riêng, đáp ứng tần số biên độ và hệ số phẩm chất Q của vi chấp hành khi

chịu điện áp kích thích là hàm điều hòa sin Đây là các thông số động lực học quan trọng đối với vi chấp hành dùng để dẫn động các bộ vi cộng hưởng

Hình 1.10 Mô hình bộ vi cộng hưởng dẫn động bằng ECA [25]

Để xác định tần số riêng của hai loại dầm phổ biến trong vi chấp hành tĩnh điện răng lược là dầm thẳng và dầm gấp, Fabrim [26] đã xây dựng các công thức tính độ cứng tương đương, khối lượng tương đương Các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng mô phỏng trong phần mềm ANSYS Trong tài liệu [27], tác giả đã nghiên cứu

để xác định mối quan hệ giữa gia tốc ngưỡng và tần số kích thích dao động điều hòa, quan hệ giữa tần số tới hạn và thời gian kích thích của xung nửa hình sin trong ba trường hợp: cản yếu, cản tới hạn và cản lớn Các kết quả tính toán được kiểm chứng bằng thực nghiệm và có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định ngưỡng chịu sốc của thiết bị khi làm việc trong điều kiện rung lắc lớn như cảm biến gia tốc và vận tốc góc Tính phi tuyến về độ cứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược với hệ dầm gấp đã được nghiên cứu trong tài liệu [28] Tác giả đã xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho hệ thống, trong đó có kể đến sự phi tuyến của độ cứng khi biên độ dao động lớn Tác giả cũng đã khảo sát bốn trường hợp biên độ dao động: rất nhỏ (bỏ qua phi tuyến), nhỏ, vừa và lớn, từ đó xác định được vùng tần số đảm bảo biên độ dao động

ổn định ứng với một số biên độ điện áp dẫn Tác giả J Han [29] cũng đã phát triển lý thuyết về hiện tượng phi tuyến của vi chấp hành khi làm việc, trong đó có kể thêm ảnh hưởng của hiệu ứng viền trong hàm lực tĩnh điện Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng đối với việc tính toán thiết kế bộ vi cộng hưởng răng lược trong các hế thống cảm biến, chấp hành và thu nạp năng lượng

Các công bố kể trên đã tập trung giải quyết chi tiết và tương đối đầy đủ về động lực học của ECA Các công thức tính độ cứng, khối lượng và cản không khí quy đổi

đã được xây dựng cho hệ dầm thẳng và dầm gấp Phương trình vi phân chuyển động

từ tuyến tính đến phi tuyến theo độ cứng và lực tĩnh điện cũng đã được thiết lập và giải bằng các phương pháp số Các kết quả nghiên cứu đã góp phần hoàn thiện hệ thống lý thuyết động lực học cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược Vấn đề xác định các đại lượng động lực học quy đổi như độ cứng, khối lượng và cản không khí sẽ tiếp tục được kế thừa và phát triển trong luận án dưới dạng các công thức mang tính tổng quát hơn Cụ thể là các công thức được xây dựng có thể áp dụng cho cả hệ dầm thẳng

và dầm nghiêng (dạng chữ V của vi chấp hành điện nhiệt) Một vấn đề còn chưa được làm rõ là tần số tới hạn đảm bảo ổn định biên độ chuyển vị khi hàm điện áp có dạng xung vuông và dạng xung hình sin cho vi chấp hành ứng dụng trong dẫn động vi mô

tơ, vi vận chuyển, vi tay gắp

Nâng cao độ ổn định

Như đã phân tích ở trên, các vi chấp hành sử dụng hệ dầm gấp có độ cứng nhỏ nên

có thể tăng chuyển vị và giảm điện áp dẫn, nhưng lại làm giảm độ nhạy và đặc biệt là

dễ gây mất ổn định (lực tĩnh điện luôn lớn hơn lực đàn hồi và không tồn tại điểm cân bằng lực) Để khắc phục nhược điểm này, tác giả Borovic [30] đã đề xuất sử dụng thêm một bộ cảm biến và một vi chấp hành phụ dạng răng lược để điều khiển chống lại hiện tượng lắc ngang của thanh đẩy trung tâm (Hình 1.11a) Vấn đề mất ổn định

của vi chấp hành tĩnh điện răng lược được nghiên cứu chi tiết trong tài liệu [31], ở đây tác giả đã xây dựng công thức để xác định điện áp ngưỡng cho hiện tượng mất

ổn định theo phương chuyển động tịnh tiến và lắc trong mặt phẳng cấu trúc (Hình 1.11b) Từ đó tác giả cũng đã khảo sát ảnh hưởng của sai số về góc và khe hở

đến điện áp ngưỡng để tìm ra mối quan hệ giữa các đại lượng này

Hình 1.11 Mô hình mất ổn định của hệ dầm gấp a) Cấu trúc chống mất ổn định [30]; b) Mô hình mất ổn định [31]

Với mục đích tăng ổn định và chuyển vị cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược, Zhou [32] đã thay đổi cấu trúc hệ dầm gấp thẳng thành hệ dầm gấp nghiêng (Hình 1.12a) Việc cải tiến hệ dầm gấp nhằm tăng độ cứng theo phương ngang và độ cứng xoắn trong mặt phẳng chuyển động đã được đề xuất bởi Olfatnia [33] Theo đó, các dầm đơn trong hệ được tăng thêm chiều dày ở đoạn giữa và giảm chiều dày ở hai đầu (Hình 1.12b) Các đề xuất này có ưu điểm là tăng độ ổn định của hệ thống thông qua việc tăng độ cứng của hệ dầm, từ đó hạn chế chuyển động trên các phương không cần thiết mà vẫn giữ được chuyển vị theo phương mong muốn

Hình 1.12 Các cấu trúc tăng độ ổn định a) Cấu trúc dầm gấp nghiêng [32]; b) Cấu trúc dầm được tăng độ dày [33]

Bộ chấp hành Y

dày

Như vậy, các công bố về ổn định của vi chấp hành tĩnh điện răng lược tập trung chủ yếu vào loại răng lược truyền thống và hệ dầm gấp Các nghiên cứu này đã xây dựng mô hình toán mô tả hiện tượng mất ổn định, đề xuất cải tiến kết cấu dầm, thêm

mô đun phụ để tăng độ ổn định cho vi chấp hành Tuy nhiên, vấn đề ổn định của vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân có hệ dầm thẳng chưa được nghiên cứu một cách chi tiết Vì vậy, luận án sẽ đi sâu nghiên cứu xây dựng mô hình toán mô tả điều kiện ổn định cho loại vi chấp hành này, từ đó xác định quan hệ giữa điện áp và

độ cứng nhỏ nhất để tránh hiện tượng chập bản tụ

c) Tình hình nghiên cứu trong nước về ECA

Cho đến nay đã có một số công trình nghiên cứu liên quan đến bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong số

đó thì luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Bảo Lâm [1] là một công trình nghiên cứu về

vi động cơ quay dẫn động bằng ECA Ở đây, tác giả đã đề xuất các mẫu vi động cơ quay dẫn động bằng các vi chấp hành tĩnh điện răng lược cong để tạo ra chuyển động lắc, thông qua cơ cấu răng cóc để dẫn động vành răng chuyển động quay Trong các tính toán về lực, tác giả xem xét vi mô tơ như một cơ hệ tĩnh (nhằm đơn giản hóa việc tính toán) để dự đoán về khả năng hoạt động của các mẫu vi động cơ được đề xuất Các kết quả tính toán và đo đạc về vận tốc khá sát nhau tại tần số làm việc nhỏ nhưng lại khác nhau đáng kể tại các tần số lớn Lý do của dự sai khác này một phần có thể

là khi tính toán tác giả đã bỏ qua ảnh hưởng của khối lượng và cản không khí trên phần di động của vi chấp hành cũng như của hệ thống

Một công bố khác đã trình bày ảnh hưởng của sai số chế tạo đến lực và chuyển vị của vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật [34] Cụ thể là ảnh hưởng của hiệu

ứng ăn mòn cạnh (side etching) trong công nghệ gia công DRIE Các công bố [11]và

[35] đề cập đến hệ vi cam quay và vi động cơ tịnh tiến dẫn động bằng vi chấp hành

ECA truyền thống thông qua các cánh đàn hồi (elastic wings) Trong các công trình

này tác giả cũng tính toán thiết kế cho trường hợp hệ thống hoạt động ở tần số thấp (nhỏ hơn 100Hz) và có thể coi như trạng thái tĩnh Như vậy, các công bố trong nước chưa đề cập đến trạng thái làm việc ở tần số cao cũng như ảnh hưởng của quán tính

và cản không khí đến tần số làm việc tới hạn của thiết bị

Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Văn Hiếu [36] đã nghiên cứu thiết kế, chế thử các

bộ vi chấp hành và mũi dò quét ứng dụng trong chế tạo các cấu trúc nano Luận án

đã phân tích các thiết kế dựa trên sai lệch tần số riêng giữa hai dạng riêng đầu tiên để chọn ra kết cấu cho sai lệch tần số lớn nhất, làm cơ sở để thiết kế bộ vi chấp hành tĩnh

điện răng lược chuyển động theo ba chiều x, y, z Ở đây, tác giả cũng đã xác định độ

cứng hệ dầm, khối lượng chuyển động và hệ số cản không khí sử dụng cho việc tính tần số riêng, hệ số phẩm chất cho vi chấp hành Tuy nhiên, các công công thức tính khối lượng và cản không khí quy đổi còn tương đối đơn giản, luận án chưa đi sâu vào việc xây dựng các công thức tính đầy đủ cho hai đại lượng động lực học này

1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt

a) Định nghĩa và phân loại

Vi chấp hành điện nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt Joule (dòng điện đi qua một vật có điện trở và sinh nhiệt) để tạo ra lực và chuyển vị thông qua biến dạng nhiệt của vật liệu Loại vi chấp hành này có nhược điểm là phụ thuộc vào môi trường làm việc, tổn hao năng lượng và nhiệt độ làm việc khá cao, tần số đáp ứng thấp, nhưng có ưu điểm

là tạo ra lực lớn, điện áp dẫn thấp, làm việc ổn định, dễ điều khiển

Theo phương chuyển động, chúng được chia thành hai loại: chuyển động trong

mặt phẳng cấu trúc (In-plane) [37], chuyển động ra ngoài mặt phẳng cấu trúc of-plane) [38] Các vi chấp hành chuyển động ra ngoài mặt phẳng thường có cấu trúc

(Out-nhiều lớp vật liệu hoặc dạng không gian nên khó chế tạo bằng các công nghệ thông thường với giá thành thấp Vi chấp hành chuyển động trong mặt phẳng phổ biến hơn

do dễ chế tạo và tích hợp trong các hệ thống vi cơ khác nhau

Hình 1.13 Một số cấu trúc vi chấp hành kiểu điện nhiệt a) Dạng chữ U [39]; b) Dạng chữ V [40]; c) Dạng chữ Z [41]

Theo hình dạng, các vi chấp hành điện nhiệt được chia thành ba loại chính: dạng

chữ U (U-shaped, hot-and-cold-arm) [39], dạng chữ V (V-shaped, chevron) [40], dạng chữ Z (Z-shaped) [41] Vi chấp hành dạng chữ U tạo ra chuyển động lắc dựa

trên sự giãn nở nhiệt không đối xứng của hai nhánh dầm có nhiệt độ khác nhau, còn

vi chấp hành chữ V và Z tạo ra chuyển động tịnh tiến dựa trên sự dãn nở nhiệt đồng đều của các dầm Khi so sánh với dạng chữ U cùng kích thước và vật liệu thì dạng chữ V cho chuyển vị lớn hơn tại cùng một nhiệt độ cho trước [42], so với dạng chữ

Z thì dạng chữ V cũng cho chuyển vị và lực lớn hơn tại cùng kích thước, vật liệu và điều kiện làm việc [43]

a)

c)

Điện cực cố định Dầm mỏng

Dầm dày Dầm nối Dầm đàn hồi

b)

Điện cực

cố định

Phương chuyển động

Thanh đẩy

θ

Y

X O

Như vậy, vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V chuyển động trong mặt phẳng có nhiều ưu điểm hơn so với các loại khác Do đó, loại vi chấp hành này được ứng dụng trong nhiều thiết bị MEMS như: vi tay gắp [44], vi gương [45], thiết bị an toàn nhiệt [46], vi mô tơ tịnh tiến [47], thiết bị kiểm tra vật liệu nano [48] v.v Đây cũng chính

là đối tượng mà luận án lựa chọn để tập trung nghiên cứu

b) Tình hình nghiên cứu ngoài nước về vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V Các nghiên cứu gần đây liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V (EVA

- Electrothermal V-shaped Actuator) tập trung vào các chủ đề chính như: mô hình

toán điện-nhiệt-cơ, cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm, an toàn nhiệt và ổn định cơ

Mô hình toán điện-nhiệt-cơ

Theo nguyên lý làm việc thì vi chấp hành điện nhiệt chữ V chuyển đổi điện năng thành cơ năng thông qua nhiệt năng Như vậy, cần có hai mô hình toán để mô tả các quá trình chuyển đổi năng lượng là quá trình điện-nhiệt và nhiệt-cơ Trong đó, quá trình chuyển đổi năng lượng điện-nhiệt là rất phức tạp do sự ảnh hưởng của nhiều yếu

tố phi tuyến như tính chất dẫn nhiệt của vật liệu, môi trường, không gian làm việc, kích thước của dầm nhiệt Đây cũng là chủ đề nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có nhiều công bố liên quan Các phương pháp toán học thường được sử dụng để xây dựng mô hình truyền nhiệt bao gồm: giải tích trực tiếp, sai phân hữu hạn, điểm nút, phần tử hữu hạn, mạch điện tương đương

Mô hình toán sử dụng phương pháp giải tích trực tiếp được nhiều tác giả áp dụng trong việc xác định nhiệt độ phân bố trên dầm Trong tài liệu [49], mô hình truyền nhiệt trạng thái ổn định dưới dạng phương trình vi phân bậc hai đã được xây dựng một cách chi tiết Trong mô hình, tác giả có kể đến ảnh hưởng của truyền nhiệt qua khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và lớp nền Mô hình truyền nhiệt này đã được nhiều tác giả áp dụng trong công bố sau này như trong các công bố [46] và [50] Trong tài liệu [51], các tác giả đã kể thêm hiện tượng mất nhiệt qua thanh đẩy ở trung

tâm (shuttle) Cùng với việc sử dụng mô hình truyền nhiệt trạng thái ổn định, trong

công bố [52] đã bỏ qua hiện tượng mất nhiệt qua khe hở mà thay vào đó là hiện tượng đối lưu trong không khí Tuy nhiên, mô hình toán giải tích mô tả trạng thái nhiệt ổn định đã bỏ qua quá trình thay đổi nhiệt độ theo thời gian, do đó không xác định được đáp ứng nhiệt cũng như tần số khi vi chấp hành làm việc

Mô hình toán đầy đủ hơn có kể đến quá trình tăng giảm nhiệt độ trên dầm đã được

đề xuất trong tài liệu [47] Trong đó tác giả đã xây dựng mô hình truyền nhiệt dưới dạng phương trình đạo hàm riêng dựa trên các giả thiết như: bỏ qua hiện tượng đối lưu, bức xạ nhiệt và mất nhiệt qua thanh đẩy Mô hình được sử dụng để xác định tần

số làm việc của vi chấp hành cũng như vận tốc lớn nhất của vi mô tơ tịnh tiến Một

mô hình truyền nhiệt tương tự đã được trình bày chi tiết trong tài liệu [53], thêm vào

đó hiện tượng mất nhiệt qua thanh đẩy đã được các tả giả kể đến Mô hình đã được

sử dụng để khảo sát ảnh hưởng của các tham số kích thước đến đáp ứng nhiệt của vi chấp hành Tuy nhiên dạng mô hình này chỉ phù hợp khi các tính chất vật liệu như hệ

số truyền nhiệt, điện trở suất, nhiệt dung riêng là hằng số hoặc thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ Vì vậy, phương pháp giải tích trực tiếp chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp như: khoảng nhiệt độ tính toán thay đổi nhỏ khi đó coi các hệ số nhiệt của vật liệu là hằng số, dự đoán và đánh giá một cách gần đúng quy luật ảnh hưởng của các kích thước và hệ số nhiệt của vật liệu đến quy luật phân bố nhiệt độ và thời gian đáp ứng nhiệt

Để có thể xác định quy luật phân bố nhiệt độ trên dầm chính xác hơn, phương pháp sai phân hữu hạn đã được sử dụng trong một số công bố liên quan đến vi chấp hành dạng chữ V trong các công bố [54] và [55] Đây là phương pháp tính toán rời rạc nhưng lại rất hiệu quả đối với mô hình truyền nhiệt một chiều cho hệ dầm chữ V Phương pháp này khắc phục các tồn tại của phương pháp giải tích trực tiếp như: giảm

độ phức tạp của các phép tính, có thể kể đến sự thay đổi của tính chất vật liệu theo nhiệt độ, phù hợp với tính toán số và cho độ chính xác khá cao đối với bài toán truyền nhiệt một chiều trong dầm mảnh như hệ dầm chữ V Phương pháp sai phân hữu hạn cũng có thể mô tả hai trạng thái truyền nhiệt trong một dầm mảnh là trạng thái ổn định và không ổn định Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào việc phân chia số phần tử, nếu số phần tử nhỏ có thể giảm số phương trình và thời gian tính toán nhưng lại cho kết quả có độ chính xác thấp, nhưng nếu số phần tử quá lớn lại tăng số phương trình và thời gian tính toán

Đây là hai phương pháp chính được dùng để xây dựng mô hình truyền nhiệt cho

vi chấp hành điện nhiệt chữ V Bên cạnh đó còn một số phương pháp khác cũng được

sử dụng như: phương pháp điểm nút [56], phương pháp mạch điện tương đương [57] Hai phương pháp này đều xuất phát từ phương pháp giải tích trực tiếp và mang ưu điểm và nhược điểm của phương pháp giải tích

Qua việc phân tích và đánh giá các phương pháp toán học được sử dụng để mô tả quá trình truyền nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V, phương pháp sai phân hữu hạn có ưu điểm nổi trội ở chỗ: phù hợp với tính toán số, có thể kể đến sự thay đổi phi tuyến của các tính chất vật liệu theo nhiệt độ, có độ chính xác khá cao Do đó, phương pháp sai phân hữu hạn được lựa chọn để xác định phân bố nhiệt, sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian trên dầm chữ V, lực dãn nở nhiệt và chuyển vị của thanh đẩy trong chương 3 và chương 4 của luận án

Vấn đề an toàn nhiệt và mất ổn định dọc dầm

Để vi chấp hành điện nhiệt chữ V cho lực dẫn và chuyển vị lớn cần tăng điện áp dẫn, điều này dẫn đến nhiệt độ trên dầm sẽ tăng theo Đối với các vật liệu dùng để chế tạo vi chấp hành thường tồn tại một giới hạn nhiệt độ nhất định, nếu vượt qua nhiệt độ ngưỡng thì độ bền của vật liệu giảm hoặc bị nóng chảy Do đó, điều kiện an

toàn nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng nhằm tránh làm hỏng thiết bị trong quá trình vận hành và tăng tuổi thọ phục vụ của thiết bị Trong tài liệu [58] các tác giả đã xây dựng quan hệ phi tuyến biến dạng-chuyển vị và công thức tính ứng suất lớn nhất trên dầm,

từ đó xác định nhiệt độ và điện áp giới hạn để tránh hiện tượng phát sinh biến dạng dẻo Trong công bố [47] tác giả cũng đã đưa ra giới hạn nhiệt độ để tính toán trong thiết kế vi mô tơ tịnh tiến dẫn động vi chấp hành điện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng quá nhiệt Vấn đề an toàn nhiệt cho tay gắp khi thao tác với các mẫu vật đã được xác định trong công bố [59], để giảm nhiệt độ cho tay gắp tác giả đã đề xuất giải pháp tích hợp các cánh tản nhiệt trên thanh đẩy

Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm

Vấn đề mất ổn định dọc trục dầm (Hình 1.14) sẽ làm giảm khả năng dẫn động và giảm chuyển vị trong quá trình làm việc của vi chấp hành điện nhiệt kiểu chữ V Trong quá trình thiết kế và đo đạc thực nghiệm vi mô tơ quay dẫn động bằng vi chấp hành V-shaped [60], vấn đề mất ổn định dầm đã được đưa ra để đánh giá khả năng làm việc của thiết bị Khi thiết kế và đo đạc hệ định vị micro sử dụng vi chấp hành chữ V [61], vấn đề ổn định đã được đề cập khi đánh giá chất lượng chuyển vị của hệ thống Trong thiết kế thiết bị kiểm thử vật liệu nano [62], ổn định dọc dầm là một trong những tiêu chuẩn được dùng trong quá trình tính thiết kế nhằm tăng khả năng gia tải cho mẫu vật Tuy nhiên, các công bố này chủ yếu tập trung vào hiện tượng mất

ổn định theo phương vuông góc với mặt phẳng cấu trúc (out-of-plane) cho loại vi

chấp hành chế tạo bằng phương pháp phủ bề mặt có chiều dày nhỏ hơn chiều rộng dầm Thêm vào đó, mối quan hệ giữa các điện áp giới hạn theo điều kiện mất ổn định

cơ và an toàn nhiệt chưa có công bố nào đề cập đến một cách rõ ràng

Từ việc tổng hợp và đánh giá như trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu trên các vấn đề như: Xây dựng mối quan hệ giữa điện áp giới hạn với kích thước dầm theo điều kiện an toàn nhiệt và theo điều kiện mất ổn định dọc dầm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng cấu trúc) đối với vi chấp hành chữ V được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS; Xây dựng quan hệ giữa các kích thước dầm theo điều kiện an toàn cho vi chấp hành khi làm việc trong điều kiện tải lớn hoặc quá tải (điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ nhỏ hơn điện áp giới hạn theo điều kiện an toàn nhiệt)

Cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm

Vấn đề tối ưu kích thước dầm cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một ý tưởng nghiên cứu đã được nhiều tác giả nhắc đến trong các công bố của mình Mục đích của tối ưu chính là tìm một hoặc một số bộ kích thước nhằm thỏa mãn một hoặc một số mục tiêu như chuyển vị lớn nhất, lực dẫn lớn nhất, kích thước nhỏ nhất Trong đó mục tiêu cải thiện chuyển vị có ý nghĩa rất lớn đối với việc giảm điện áp dẫn cũng như giảm công suất tiêu thụ của vi chấp hành

Chính vì vậy, vấn đề cải thiện chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một trong những chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS Để tăng chuyển vị của “cánh tay” trong thiết bị an toàn nhiệt (safety-and-arming device), các cánh tay đòn đã được sử dụng nhằm khuếch đại chuyển vị của các

vi chấp hành [46] Một loại vi chấp hành kết hợp từ hệ gồm bốn cặp dầm chữ V và một

bộ dầm chữ U với mục đích tăng chuyển vị và giảm công suất đã được đề xuất trong công bố [63] Ý tưởng sử dụng vật liệu SU-8 để chế tạo vi chấp hành điện nhiệt chữ V dẫn động vi tay gắp nhằm giảm điện áp và cho chuyển vị lớn đã được giới thiệu trong các tài liệu [64], [65] Hoặc có thể áp dụng một phương pháp chế tạo hoàn toàn mới là

in 3D để có thể tạo ra các vi chấp hành từ vật liệu là kim loại có điện trở suất thấp và dãn nở nhiệt lớn như trong công bố [66] Nhược điểm của đề xuất thêm cánh tay đòn

và kết hợp với dầm chữ U sẽ làm tăng kích thước chung của hệ thống, còn việc sử dụng vật liệu mới đi cùng với cải tiến quy trình hoặc áp dụng quy trình mới sẽ làm tăng giá thành sản phầm do giá thành vật liệu và độ phức tạp của kỹ thuật chế tạo

Chính vì những lý do như trên, một phương pháp tiếp cận khả dĩ hơn là sử dụng các thuật toán để xác định bộ kích thước tối ưu Phương pháp này đã được áp dụng vào một số nghiên cứu trong thời gian gần đây Với mục đích tăng độ bền cho vi chấp hành tại chuyển vị lớn thông qua giảm ứng suất tập trung, một bộ vi chấp hành chữ

V đã được tối ưu kích thước bằng thuật toán gien di truyền (GA - Genetic Algorithm) được trình bày trong công bố [67] Thuật toán bầy đàn (PSO - Particle Swarming Optimation) cũng đã được áp dụng để tối ưu kích thước dầm theo mục tiêu giảm thiểu

sự phát tán nhiệt ra bên ngoài như trong công bố [68] Tuy nhiên, các công bố này chỉ sử dụng các mô hình truyền nhiệt tương đối đơn giản, chưa kể đến tính phi tuyến của vật liệu cũng như chưa có các ràng buộc theo điều kiện bền nhiệt và ổn định cơ Điều này sẽ giới hạn khả năng ứng dụng của các vi chấp hành đã được tối ưu trong những thiết bị có yêu cầu cao về điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ

Để có thể khắc phục các tồn tại của các giải pháp nâng cao chuyển vị trong những công bố đã kể trên, luận án sẽ sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn xác định bộ kích thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị lớn nhất đồng thời vừa thỏa mãn điều kiện an toàn làm việc chung của vi chấp hành điện nhiệt chữ V Thuật toán này có một số ưu điểm là tương đối đơn giản, ít tham số, hội tụ nhanh và phù hợp với mô hình toán và yêu cầu của bài toán tối ưu mà luận án đề ra

Bên cạnh đó, còn một số chủ để được quan tâm nghiên cứu hiện nay và có thể trở thành xu hướng nghiên cứu trong tương lai liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt bao gồm: độ ổn định của hệ vi cơ [69], phân tích động lực học [70], áp dụng phương pháp chế tạp mới [71]

c) Tình hình nghiên cứu trong nước

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tiến Dũng [72] là một công trình tiêu biểu liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt chữ V Trong đó, tác giả đã đề xuất thiết kế cấu trúc

và hệ điều khiển vi động cơ quay dẫn động bằng vi chấp hành chữ V Để xác định sự phân bố cũng như đáp ứng nhiệt độ trên dầm tác giả đã sử dụng mô hình giải tích, sử dụng hệ phương trình trạng thái và kết hợp mô phỏng bằng mô đun SIMSCAPE trong MATLAB Vi động cơ đã được chế tạo thành công và qua thí nghiệm đo đạc đã chứng minh vi mô tơ có thể hoạt động tốt khi đặt điện áp và tần số thích hợp

Như vậy, các nghiên cứu trong nước về vi chấp hành loại EVA còn khá hạn chế, đặc biệt là các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc cũng như cải thiện một số chỉ tiêu chất lượng làm việc

1.4 Thảo luận và đánh giá

Như vậy, đã có khá nhiều công bố trên các hướng khác nhau liên quan đến hai bộ

vi chấp hành mà luận án tập trung nghiên cứu Việc tổng hợp, khái quát và so sánh các công trình đã công bố được trình bày tóm tắt như trong bảng sau:

Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án

Vấn đề

nghiên cứu Nội dụng

Công bố liên quan Ưu, nhược điểm

Vi chấp hành tĩnh điện răng lược

Cải tiến cấu

trúc dầm

của ECA

Đề xuất dầm càng cua và dầm gấp

R Legtenberg [9],

S Gupta [10]

Giảm độ cứng để tăng chuyển vị và giảm điện áp Tuy nhiên, giảm lực hồi phục, độ nhạy và tính ổn định

Cải tiến biên

Biên dạng răng theo hàm lực cho trước

Jensen [15], [16],

Kotani [20]

Cho hàm lực như mong muốn, nhưng biên dạng răng phức tạp khó đạt độ chính xác khi chế tạo Biên dạng răng

nhiều đoạn khác nhau

Kalaiarasi [17], Engelen [18], Kang [21] , Gao [22]

Tăng lực dẫn và chuyển vị, nhưng lực thay đổi đột ngột tại các đoạn tiếp giáp dễ xảy ra mất ổn định Biên dạng răng

lược đặc biệt như:

nhiều bậc, răng cưa

Harouche [23], Jensen [15]

Cho chuyển vị dạng bước và tự khóa Tuy nhiên ứng dụng hạn chế, lực dạng xung dễ mất ổn định Thêm một bản tụ

song song với lớp cấu trúc

Imboden [24]

Tăng lực tĩnh điện và chuyển vị Tuy nhiên kết cấu nhiều tầng lớp, khó chế tạo

Động lực

ECA

Xây dựng phương trinh vi phân dựa trên các đại lượng tương đương

W C Tang [25], Fabrim [26]

Tính toán chính xác hơn ứng xử động lực học của hệ thống có sử dụng ECA như: bộ vi cộng hưởng,

vi con quay hồi chuyển,…

Ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến độ cứng, lực tĩnh điện

Elshurafa [28],

J Han [29]

Hoàn thiện lý thuyết về ứng xử động lưc học của ECA có kể đến tính phi tuyến

Vấn đề

nghiên cứu Nội dụng

Công bố liên quan Ưu, nhược điểm

Gia tốc ngưỡng và tần số tới hạn của ECA

S Sundaram [27]

Cho phép xác định ngưỡng làm việc cho ECA

Nâng cao độ

ổn định của

ECA

Đề xuất sử dụng cảm biến và chấp hành phụ để điều khiển

Borovic [30]

Khắc phục hiện tượng mất ổn định lắc ngang nhưng làm tăng kích thước và độ phức tạp chung của hệ thống

Cải tiến hệ dầm gấp

Zhou [32], Olfatnia [33]

Tăng đáng kể độ ổn định lắc ngang của ECA

Y Zhao [46], Maloney [47], [49],

Chen [50],

Z Zhang [51], [53]

Torres [52]

Tecpoyotl-Cho phép xác định quy luật ảnh hưởng của các tham số kích thước cũng như vật liệu, dự đoán nhiệt

độ, lực và chuyển vị

Tuy nhiên chỉ phù hợp khi các hệ

số vật liệu là hằng số, tuyến tính và khoảng nhiệt độ không quá lớn

Mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn

C D Lott [54],

T Shan [55]

Có thể kể đến sự phi tuyến của các tính chất vật liệu, cho quy luật phân bố nhiệt chính xác hơn Tuy nhiên độ chính xác phụ thuộc số phần tử và cũng như số phương trình

Mộ hình điểm nút, mạch điện tương đương

R G Li [56],

B López-Walle [57]

Giảm độ phức tạp của phương pháp giải tích trực tiếp Nhưng khó tính toán khi kể đến tính phi tuyến của vật liệu

Maloney [47], Enikov [58], Shivhare [59]

Cho phép xác định ngưỡng làm việc cho EVA nhằm tránh cháy dầm do quá nhiệt

Ổn định dọc trục dầm

J S Park [60],

S Oak [61],

Y Zhu [62]

Tránh hiện tượng mất ổn định dầm khi tải lớn, từ đó tăng khả năng tải cho vi chấp hành

Y Zhao [46], Khazaai [63]

Tăng đáng kể chuyển vị nhưng tăng độ phức tạp và kích thước hệ thống

Ứng dụng công nghệ chế tạo tiên tiến và vật liệu mới

R Voicu [64], [65]

O Fogel [66]

Tăng chuyển vị, giảm điện áp dẫn nhưng tăng giá thành do sử dụng vật liệu quý hiếm và máy móc hiện đại

Áp dụng thuật toán tối ưu

M S Suen [67],

S E [68]

Tăng đáng kể chuyển vị nhưng còn đơn giản, chưa kể đến yếu tố phi tuyến của vật liệu

Các công bố trên đã trực tiếp và gián tiếp đề cập đến vấn đề ảnh hưởng của các thông số kích thước hình học đến chất lượng làm việc của các bộ vi chấp hành tĩnh