Header Page of 148 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Bảo Lâm NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội -2014 Footer Page of 148 Header Page of 148 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Hùng PGS.TS Phạm Hồng Phúc Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Chúc Phản biện 3: PGS.TS Đinh Văn Dũng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường, họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi…….giờ, ngày……, tháng…….,năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam Footer Page of 148 Header Page of 148 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Một xu hướng phát triển tất yếu kỷ 21 đưa thiết bị, hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro nano vào sản xuất ứng dụng sống Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính thành phần vi hệ thống vi động vi cấu có ảnh hưởng định đến hiệu suất, tuổi thọ độ xác Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu vi động kiểu tĩnh điện dựa công nghệ Vi Cơ Điện tử” để thực luận án Đối tượng nghiên cứu Các vi động quay kiểu tĩnh điện hoạt động chiều hai chiều, chế tạo công nghệ gia công vi khối Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu cách có hệ thống loại vi động có khả ứng dụng hệ microrobot, từ đề xuất cấu trúc vi động quay sử dụng vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện lược  Thiết kế chế tạo vi động quay kiểu tĩnh điện Đo đạc, đánh giá đặc tính số động từ thiết kế chọn Phạm vi nghiên cứu  Lý thuyết tĩnh điện nói chung hiệu ứng viền nói riêng, ứng dụng thiết kế vi động quay sử dụng vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện lược  Các vi động kiểu tĩnh điện ứng dụng vi robot hệ vận tải, lắp ghép kích thước micro Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp mô lý thuyết thực nghiệm công nghệ Để đạt mục tiêu đề ra, bước nghiên cứu, tính toán, thiết kế sau tiến hành:  Vận dụng kiến thức học, vật lý, lý thuyết cấu, thiết kế máy để tính toán, thiết kế vi động  Sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng AutoCad, L-Edit để thực thiết kế sơ Bản thiết kế hoàn thiện, kích thước kiểm nghiệm phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS  Các vi động chế tạo công nghệ MEMS tiêu chuẩn thông dụng công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học … Footer Page of 148 Header Page of 148  Đo đạc, đánh giá đặc tính sản phẩm chế tạo Phân tích, so sánh với kết tính toán mô Ý nghĩa luận án  Nghiên cứu cách có hệ thống vi động cơ, ảnh hưởng hiệu ứng viền vi động sử dụng vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện lược  Tính toán, thiết kế chế tạo thành công vi động quay sử dụng vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng lược  Thiết lập quy trình chế tạo cho vi động cơ, sử dụng công nghệ MEMS tiêu chuẩn Những kết luận án  Phân tích, đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng viền (fringe effect) vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược vi động có sử dụng vi kích hoạt/chấp hành  Thiết kế, chế tạo thử ba loại vi động quay kiểu tĩnh điện quay chiều, đề xuất vi động kiểu tĩnh điện quay hai chiều Các vi động chế tạo với quy trình, sử dụng công nghệ MEMS tiêu chuẩn Việc ứng dụng công nghệ gia công vi khối phiến silic kép (SOI wafer) với mặt nạ cho phép tăng tính xác, giảm giá thành chế tạo, đồng thời, vi động có công suất truyền lực lớn vi động chế tạo phương pháp vi bề mặt Luận án trình bày bốn chương, nội dung chương tóm tắt sau: Chương trình bày tổng quan vi động Tác giả đưa phương pháp phân loại cách có hệ thống vi động cơ, đồng thời, đưa nhận xét, đánh giá để từ lựa chọn đối tượng nghiên cứu phù hợp Chương trình bày vắn tắt lý thuyết tĩnh điện ứng dụng vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược Ảnh hưởng hiệu ứng viền lên hoạt động vi kích hoạt/chấp hành phân tích cụ thể thông minh chứng thu từ tính toán lý thuyết, mô đo đạc thực tế Chương giải toán cấu trúc, động học lực loại vi động quay sử dụng vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược, nhằm thỏa mãn tiêu chí sau: độ xác cao, kích thước nhỏ gọn, có tính mô đun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, sản xuất hàng loạt, tiêu hao lượng Chương Thiết lập quy trình chế tạo vi động phương pháp gia công vi khối Sau chế tạo thành công, tác giả tiến hành đo đạc, phân tích, đánh giá đặc tính vi động Footer Page of 148 Header Page of 148 NỘI DUNG TÓM TẮT Chương Vi động Để nghiên cứu tổng quan vi động cơ, tác giả kết hợp hai phương pháp phân loại dựa kiểu chuyển động mà vi động tạo phân loại dựa hiệu ứng dùng để dẫn động vi động Áp điện Điện từ Tĩnh điện Vi động Nhiệt điện SMA Hiệu ứng khác Hình 1.1 Phân loại vi động theo hiệu ứng dẫn động 1.1 Vi động kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) 1.1.1 Các vi động tịnh tiến kiểu tĩnh điện Vi động bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện:Sarajlic E [13] giới thiệu vi động bước pha kiểu tĩnh điện, với hành trình trượt 52 m Vi động tịnh tiến kiểu trượt (shuffle motor): Tas [14] Sarajlic [15]thiết kế vi động điều khiển giữ cố định thả chân phía trước phía sau cực di động Vi động tịnh tiến dạng sâu đo: Richard Yeh [16] sử dụng vi kích hoạt/chấp hành dạng lược ECA để tạo cấu kẹp đẩy trượt, trượt chuyển động với hành trình 80 m Vi động tịnh tiến dạng bóp kẹp: Trong [20] Phuc P.H giới thiệuvi động với vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược ECA qua cóc tác động lên cánh trượt để tạo chuyển động 1.1.2 Các vi động quay kiểu tĩnh điện Vi động bước kiểu tĩnh điện: Y C Tai [9, 21] giới thiệu vi động bước quay năm 1989 Một số thiết kế tiêu biểu H Vinhais [22], M Mehregany [23] Loại động chia thành dẫn động mặt (topdrive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa (harmonic side-drive) Vi động tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Tony Sarros [28] làm rotor quay cách kích hoạt điện áp rotor bốn cực stator Các vi động dạng có ưu điểm cường độ điện trường cao, ma sát nhỏ so với vi động bước tĩnh điện thông thường Vi động sử dụng vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược: Động Sammoura [43] chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm) Footer Page of 148 Header Page of 148 với vi kích hoạt/chấp hành kiểu GCA (gap closing actuator) bố trí bên đĩa rotor với đường kính 200 m, GCA đóng vai trò kẹp lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm Nhìn chung, vi động tĩnh điện có ưu điểm có tính tương thích cao, sinh lực mômen lớn Đây nhóm động nghiên cứu ứng dụng nhiều công nghệ MEMS 1.2 Vi động kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 1.2.1 Các vi động tịnh tiến kiểu điện từ Các vi động kiểu có stator đường dẫn trượt hay trượt chuyển động đường dẫn James J Allen [48] Haiwei Lu [51-52] giới thiệu động tịnh tiến đồng LSM (linear synchronous motor) với stator gồm cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ pha Khi kích từ cho stator, từ trường tương tác với nam châm vĩnh cửu trượt tạo chuyển động tịnh tiến trượt 1.2.2 Các vi động quay kiểu điện từ C H Ahn [53] thiết kế với cuộn cảm điện từ để tạo thành stator dẫn động rotor với đường kính 500 m vận tốc tối đa 500 vòng/phút, mômen xoắn 1,2 Nm Hiệu ứng điện từ S De Cristofaro [54] ứng dụng để thiết kế vi động có rotor lắc (wobble motor) Động có đường kính 10 mm, ứng với dòng 240 mA có mômen xoắn đầu 350 Nm 1.3 Vi động kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) 1.3.1 Các vi động tịnh tiến kiểu nhiệt điện Vi động có trượt chuyển động ma sát: Byron Shay [56] Ali Khiat [57] sử dụng ba vi kích hoạt/chấp hành chữ V, trượt với chiều dài 550 -750 m động di chuyển với vận tốc 250 m/s tạo lực đẩy lớn 14 N Vi động tịnh tiến dạng sâu đo: John Maloney [58] sử dụng hai cặp vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V để kẹp đẩy Làm việc mức điện áp dẫn 12 V, rotor có vận tốc lên đến mm/s, tạo lực 6,7 mN đạt hành trình 2000 m 1.3.2 Các vi động quay kiểu nhiệt điện A Geisberger [66] giới thiệu mô tơ có khả quay hai chiều, kích thước mm3, hai vi kích hoạt/chấp hành làm việc lệch pha để đẩy rotor quay Động chế tạo công nghệ vi khối silic kép, điện áp dẫn 24 V, đạt mômen xoắn 0,14 Nm công suất 76 mW Baker M [67] dùng vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V kết hợp với cấu cóc để đạt chuyển động quay chiều rotor Footer Page of 148 Header Page of 148 1.4 Vi động kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor) 1.4.1 Các vi động tịnh tiến kiểu áp điện Vi động dẫn động quán tính: Các vi động dẫn động xung IDM (Impact Drive Mechanism) gồm phần thân, phần tử áp điện khối quán tính (inertial weight) Chuyển động tịnh tiến tạo điều khiển điện áp dẫn tăng nhanh giảm chậm ngược lại Tiêu biểu thiết kế Jih-Lian Ha [71], Takuma Nishimura [73], Hunstig [74-75] Martin Špiller [76] 1.4.2 Các vi động quay kiểu áp điện Vi động quay dẫn động sóng âm: Cheng [82] Suzuki Y [83] giới thiệu động quay sử dụng sóng âm có phần tử bề mặt stator dao động theo quỹ đạo dạng elip tạo ma sát thông qua viên bi để đẩy rotor quay Vi động quay dạng sâu đo: Bexell M [84] dùng stator vi động gồm sáu chân, chân cấu trúc áp điện bimorph đa lớp kép Bằng việc đặt điện áp thích hợp, đĩa rotor phía quay với vận tốc lớn vòng/phút tạo mômen xoắn với trị số lớn 1,4 mNm 1.5 Vi động kiểu hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloy - SMA) Hoạt động với điện áp dẫn thấp, có tỷ lệ công suất với kích thước, khối lượng hệ thống vào loại cao nhất, nhược điểm dẫn động SMA chuyển vị nhỏ Có thể kể tiêu biểu vi động Young Pyo Lee[86], Peirs J [87] Qin Yao [88] Chương Bộ kích hoạt tĩnh điện lược ảnh hưởng hiệu ứng viền 2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 2.1.1 Tụ điện Xét tụ điện gồm hai điện cực đặt song song cách khoảng δ Điện dung tụ điện C tính: A.  (2.2)  Khi hai tụ sinh lực pháp tuyến Fn hút hai tụ lại với lực tiếp tuyến Ft đẩy hai tụ chuyển động tương theo phương song song C 2.1.2 Lực pháp tuyến Hai tụ đặt song song, cách khoảng δ phần diện tích chồng chiếu lên mặt phẳng OZY hình chữ nhật có kích thước b×a0 Đặt vào hai tụ điện áp V, giả thiết tụ di động dịch chuyển theo phương X đoạn x lực Fn gây Lực pháp tuyến tính: Footer Page of 148 Header Page of 148 b.a0   V x2 Lực pháp tuyến Fn hút tụ di động phía tụ cố định Fn   (2.11) 2.1.3 Lực tiếp tuyến Đặt điện áp V hai tụ Giả thiết lực tiếp tuyến Ft gây chuyển động đoạn ∆y tụ di động theo phương song song với tụ cố định (phương OY) Lực tiếp tuyến tính: Ft  b.  V  (2.18) Lực tiếp tuyến không phụ thuộc khoảng chồng lên a tỉ lệ nghịch với khoảng hở δ có xu hướng kéo tụ di động theo phương làm tăng diện tích chồng 2.2 Bộ kích hoạt/chấp hành lược Trong hình 2.5, ta thay dầm đàn hồi lò xo có độ cứng k Khi đặt điện áp V vào kích hoạt lực tiếp tuyến Ft tạo hút lược di động sang phía phải, nhờ lực đàn hồi giữ cần tụ di động Độ dịch chuyển phần di động theo phương y là: y  k Ft x Phần cố định z Phần di động y O Hình 2.5 Bộ kích hoạt/chấp hành lược n.b.  V k  (2.21) Trong : n số lượng lược di động, k độ cứng dầm đàn hồi theo phương chuyển động Oy 2.3 Hiệu ứng viền Phân bố điện trường hai tụ cho thấy gần trung tâm tụ điện đường điện trường tuyến tính, phần cạnh tụ điện (edge) đường điện từ dạng đường cong Hiện tượng gọi hiệu ứng viền (“fringe effect” hay “edge effect”) Với bề rộng tụ b, chiều dài a khoảng cách hai tụ δ, điện dung hai tụ không kể đến hiệu ứng viền: Ctb  a.b.   Điện dung tụ điện kể đến hiệu ứng viền là: Footer Page of 148 (2.27) Header Page of 148 ab   b   a   a    a  ln   1  ln 1                b   b    ln   1  ln 1    (2.30)         bỏ qua h/ứ viền Chuyển vị (μm) có h/ứ viền bỏ qua h/ứ viền có h/ứ viền Sai số (%) Ce  mô đo đạc Điện áp (V) a) Chuyển vị ECA Điện áp (V) b) Sai số lý thuyết đo đạc Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị kích hoạt/chấp hành lược Chuyển vị tính toán, mô đo đạc kích hoạt/chấp hành lược thể hình 2.17 Đường cong lý thuyết chuyển vị xét hiệu ứng viền gần đường chuyển vị đo đạc so với trường hợp không xét hiệu ứng viền thể hình 2.17a Hình 2.17b sai số chuyển vị lý thuyết đo đạc tương đối nhỏ (lớn 11%) kể đến hiệu ứng viền Sai số tăng lên nhiều bỏ qua hiệu ứng viền (lớn 27,5%) Vì chuyển vị kích hoạt/chấp hành lược chịu ảnh hưởng lớn hiệu ứng viền cần lưu ý đến hiệu ứng trình tính toán thiết kế kết cấu dẫn động hiệu ứng tĩnh điện Chương Thiết kế vi động quay 3.1 Vi động kiểu 3.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hình 3.1 cấu tạo vi động quay (MRM) gồm có bốn kích hoạt tĩnh điện lược liên kết với cấu truyền động, vành cóc bốn cấu chống đảo Khi đặt điện áp hai điện cực cố định  điện cực di động  kích hoạt tĩnh điện dạng lược, lực tĩnh điện tiếp tuyến, phần di động (gồm có dầm lược di động) quay phải quanh điểm đàn hồi  Thông qua cấu truyền , chuyển động quay kích hoạt truyền vành  quay theo chiều kim đồng hồ Khi điện áp giảm tới 0, dầm với lược cấu truyền động hồi vị vị trí ban đầu nhờ lực đàn hồi Nhờ cấu chống đảo , vành không xoay theo chiều ngược lại Vận tốc góc vành phụ thuộc vào tần số điện áp đặt vào điện cực Để đảm bảo vành quay được, chuyển vị bước di chuyển cóc dẫn  phải lớn bước cóc Footer Page of 148 Header Page 10 of 148 2 Điện cực cố định Điện cực di động Cơ cấu chống đảo chiều Cơ cấu truyền chuyển động Vành Hình 3.1 Cấu tạo mô tơ chiều Hình 3.2 thể ECA cấu truyền động Các lược quay quanh điểm đàn hồi  có bề rộng 4m Bề rộng lược 3m, khe hở hai lược 2m, tổng số lược phần di động 76 Phần di động kích hoạt dầm  cố định đầu đầu lại liên kết với dẫn  thông qua lò xo và hệ thống stoppers  θ  6 Cổ đàn hồi Thanh dẫn Lò xo Hệ thống stopper 4μm 4μm Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành lược cấu truyền chuyển động Footer Page 10 of 148 Header Page 14 of 148 12 3.2.2 Phân tích lực mô a Kỳ dẫn động (Khi cóc dẫn động vành ngoài) Fa Ff3/4 Răng cóc vành Ff4 Fel Fes Ff2 Hướng di chuyển Răng cóc dẫn Đỉnh chân hãm Hình 3.12 Phân tích lực kỳ dẫn động Điều kiện lực dẫn Fd: Fd  Fes  F f  Ff  F f  Fel  k p d (3.23) Khi không kể đến hiệu ứng viền Vmin  Ff   g  k p (ip   )  F f   Ff    n.b.. (3.25) Từ (3.25), i = Vmin = 52,50 (V) i = Vmin = 72,95 (V) Khi kể đến hiệu ứng viền k p (ip   )  F f  Vmin  n  j 1 Ff  Ff C e  y j  (3.27) y j Từ (3.27) tính tới ảnh hưởng hiệu ứng viền, i = Vmin = 48,90V i = Vmin = 68,26V b Kỳ hồi vị (Thanh dẫn trượt vành vị trí ban đầu) Footer Page 14 of 148 Header Page 15 of 148 13 Fs Ff1 α Fel - Ff2 F’ el – Ff2 Chiều hồi vị Q Fn1 α h=6m Ff2 p=10m Hình 3.13 Phân tích lực kỳ hồi vị Lực Q theo phương y nén lò xo làm cho hai cóc trượt nhau: Q  Fn1 cos   ( Fel'  F f ) sin  cos   ( Fel  F f ) sin  (3.31) Với α = 30° góc nghiêng cóc (hình 3.13) Để cóc dẫn hồi vị vị trí ban đầu: Q  Fs (3.32) Kết hợp phương trình (3.10) (3.11) ta thu được: k p (ip  )  Ff  sin 2  ks h 14,3 (μN) 2 (3.33) Chỉ có giá trị i = thỏa mãn điều kiện (3.33) Vậy, để đảm bảo vành quay được, giá trị điện áp dẫn nhỏ không kể đến hiệu ứng viền Vmin = 72,95 (V) kể tới hiệu ứng viền Vmin = 68,26 (V) Footer Page 15 of 148 Header Page 16 of 148 14 3.3 Vi động kiểu 3.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động V 1 1 Hình 3.15 Cấu tạo vi động kiểu Cấu tạo vi động quay kiểu thể hình 3.15 Điểm thiết kế thay đổi cấu truyền chuyển động Thanh cóc dẫn nối trực tiếp với kích hoạt/chấp hành lược thông qua dầm có cổ đàn hồi Điều làm giảm độ trễ trình truyền động từ kích hoạt/chấp hành đến vành Hình 3.18 mô tả trình hoạt động vi động V#0 V=0 Hình 3.18 Hoạt động ECA cấu truyền chuyển động Footer Page 16 of 148 Header Page 17 of 148 15 3.3.2 Phân tích lực mô Ff3/4 Răng cóc vành ră ng F el F es Hướng di chuyển Răng cóc dẫ n Ff2 Hình 3.19 Các lực trình dẫn a Kỳ dẫn động: Điều kiện để cóc dẫn làm quay vành là: Fd  Fes  Ff  Ff  Ff  Fel  k p d (3.34) Khi không kể đến hiệu ứng viền: Vmin  Ff     k p ip  F f   Ff    n.b.. (3.36) Với i = 1, 2, từ (3.36) điện áp dẫn tối thiểu Vmin 61,95 (V); 86,52 (V); 105,52(V) Khi kể đến hiệu ứng viền k p ip  F f  Vmin  n  j 1 Ff  Ff 4 Ce  y j  (3.38) y j Từ (3.38) tính tới ảnh hưởng hiệu ứng viền, điện áp dẫn tối thiểu Vmin 57,71 (V); 80,96 (V); 98,73(V) b Kỳ hồi vị : Trong chu kỳ hồi vị điện áp dẫn giảm 0, dẫn trượt cóc vành vị trí ban đầu Điều kiện để dẫn hồi vị lực Q (theo phương y) lớn tổng lực đàn hồi lò xo Fs1 lực đàn hồi cổ đàn hồi dẫn Fs2: Footer Page 17 of 148 Header Page 18 of 148 16 y FS1 –FS2 Ff1 α Fel – Ff2 x F’el - Ff2 O Chiều hồi vị Fn1 h =4 m Q α p =7 m Hình 3.20 Phân tích lực kỳ hồi vị Q  Fs1  Fs2 (3.39) Lần lượt tính lực Q từ phản lực đàn hồi dầm ECA, tính lực đàn hồi lò xo Fs1, lực đàn hồi Fs2 đề kiểm tra điều kiện (3.39) thu Fs1 = 21,2 µm, Fs2 = 9,52 µm và: Bảng 3.1 Liên hệ lực Q với số bước cóc lần dẫn động Số bước i Lực Q (µN) 15,94 31,88 47,83 Có thể thấy lực Q lớn tổng lực đàn hồi lò xo Fs1 lực đàn hồi lò xo dẫn Fs2 số bước di chuyển chu kỳ i = i = Từ kết luận điện áp dẫn tối thiểu Vmin= 86,52 (V) i=2 i = Vmin = 105,52 (V) Khi xét hiệu ứng viền điện áp 80,96 (V) 98,73(V) Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ Vmin (V) loại vi động Bỏ qua Hiệu ứng viền Kể đến Loại động i=1 i=2 i=1 i=2 Loại 57,26 76,45 53,26 71,48 Loại 52,50 72,95 48,90 68,26 Loại 61,95 86,52 57,71 80,96 Footer Page 18 of 148 Header Page 19 of 148 17 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 4.1 Giới thiệu Trong chương 4, tác giả trình bày qui trình thiết kế loại vi động phần mềm L-Edit trình chế tạo động sử dụng công nghệ quang khắc (photo lithography), ăn mòn ion hoạt hóa sâu (Deep Reactive Ion Etching – DRIE), ăn mòn axit HF (Hydrofluoric acid) Công nghệ sử dụng chế tạo vi động công nghệ gia công vi khối sử dụng mặt nạ (mask) Các kết chế tạo, đo đạc đánh giá trình bày 4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo vi mô tơ Chiều dày tối đa Trong trình chế tạo vi động cơ, để giảm thời gian ăn mòn axit HF giảm khối lượng hoạt động, phần di động (như kích hoạt/chấp hành lược, dầm, khung di động…) thiết kế dạng lưới với bề rộng nan không µm Khe hở tối thiểu Khi thiết kế mặt nạ phải đảm bảo nguyên tắc khe hở nhỏ bề mặt gần µm, khe hở tối thiểu để đảm bảo khí ăn mòn tạo khe hở phần khác trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu 4.3 Thiết lập quy trình gia công Trên hình 4.7 lưu đồ tóm tắt bước quy trình gia công vi động Có thể chia quy trình thành bước gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mòn DRIE, cắt chíp ăn mòn HF 4.4 Xử lý, đánh giá kết 4.4.1 Kết thu Các chip sau chế tạo chụp ảnh khảo sát kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope) Trong hình từ 4.17 đến 4.19 kết ảnh chụp chip vi động chiều kiểu 1, kiểu kiểu Kết khảo sát cho thấy cấu trúc linh kiện không bị dính (do chưa ăn mòn hết) bị gãy Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc lớp SiO2 đệm chi tiết chuyển động loại bỏ hoàn toàn Hình 4.21 hình ảnh chụp từ video hoạt động động (video-captured image) kiểu Footer Page 19 of 148 Header Page 20 of 148 18 Lớp Si dày 30µm Lớp SiO2 4µm Tia UV bị giữ lại Tấm kính pattern Đế Si ① Chuẩn bị Quang khắc Lớp SiO2 ② Lớp cảm quang Tia UV xuyên qua Mặt nạ cảm quang ③ Lớp Si Đế Si Đế Si Phiến SOI Ăn mòn khô D-RIE  ④ Chip cắt từ phiến Cắt chip V ⑤ Phần cố định Đế Si Ăn mòn HF Phần di động Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động Footer Page 20 of 148 Header Page 21 of 148 19 Hình 4.17 Vi động quay kiểu Hình 4.18 Vi động quay kiểu Hình 4.19 Vi động quay kiểu Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động vi động kiểu 4.5.3 Xử lý liệu đo đạc vi động a Tính vận tốc góc lý thuyết vi động Footer Page 21 of 148 Header Page 22 of 148 20 Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor vi động quay vòng là: t z 740 37   (phút) 60.i f 60.i f 3.i f (4.7) Với z = 740 số cóc vành răng, f tần số dòng điện dẫn số nguyên i = 1, 2,… phụ thuộc vào cóc dẫn (điện áp lớn chuyển vị bước lớn) Trong trường hợp xét có i=2, vận tốc góc động là: 3.i f f n   (v / ph) t 37 37 (4.8) b Đánh giá đặc tính Từ đồ thị 4.25 thấy nhờ thay đổi cấu truyền chuyển động với mục tiêu đảm bảo trạng thái tiếp xúc cóc dẫn vành rotor bên ngoài, vi động kiểu hoạt động tốt so với vi động kiểu Kết đo đạc bắt đầu lệch với kết tính toán tần số dòng điện dẫn vượt 40 Hz Cũng thấy, có cải thiện kết cấu, tồn khe hở µm bên cấu trúc liên kết với dầm ECA cấu trúc liên kết với cóc dẫn cấu truyền chuyển động động kiểu 2, chuyển động kích hoạt/chấp hành lược không truyền trực tiếp để dẫn động vành bên Điều góp phần gây nên tượng trượt tần số dẫn lớn Phương án vi động kiểu với cóc dẫn liên kết trực tiếp với dầm kích hoạt/chấp hành thiết kế nhằm khắc phục nhược điểm Vận tốc góc (v/ph) Vận tốc góc lý thuyết Vận tốc góc mô tơ kiểu Vận tốc góc mô tơ kiểu 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tần số (Hz) Hình 4.25 Vận tốc góc động kiểu với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80V) Footer Page 22 of 148 Header Page 23 of 148 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận án bao gồm bốn chương, tập trung vào nội dung vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện, tính toán thiết kế bốn loại vi động quay hoạt động dựa kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện lược thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá vi động Trong luận án, vi động được hệ thống hóa dựa dạng chuyển động đầu (động quay động tịnh tiến), hiệu ứng sử dụng để dẫn động (hiệu ứng tĩnh điện, điện từ, nhiệt điện, áp điện, hợp kim nhớ hình số loại đặc biệt khác) Qua phân tích cấu trúc, quy trình chế tạo ưu nhược điểm loại động cơ, tác giả lựa chọn đối tượng nghiên cứu vi động quay sử dụng hiệu ứng tĩnh điện , cụ thể kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược Công nghệ chế tạo kèm công nghệ vi khối, sử dụng mặt nạ để gia công phiến silic kép SOI Việc thiết kế kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược tiến hành dựa sở lý thuyết tĩnh điện Hiệu ứng viền (fringe effect) ảnh hưởng hiệu ứng viền kích hoạt/chấp hành tĩnh điện phân tích làm rõ Có thể thấy ảnh hưởng hiệu ứng viền, lực tĩnh điện sinh kích hoạt/chấp hành tăng lên đáng kể hướng Các kết tính toán, mô so sánh với kết đo đạc trường hợp điển hình kích hoạt/chấp hành tĩnh điện lược ECA Phân tích cho thấy kết tính toán xét đến hiệu ứng viền tiệm cận sát kết mô đo đạc thực tế so với kết không xét đến ảnh hưởng hiệu ứng viền Cùng với cấu cóc, kích hoạt/chấp hành tĩnh điện lược thành phần vi động quay – đối tượng nghiên cứu luận án Trong ba phương án đề xuất, vi động kiểu sử dụng lo xò cấu truyền chuyển động để đảm bảo tiếp xúc cóc dẫn vành bên ngoài, nên hoạt động với tần số dẫn lớn, lò xo không kịp đáp ứng Điều dẫn tới tượng trượt, vận tốc quay động không đạt giá trị tính toán lý thuyết Các phương án động kiểu động kiểu đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm phương án thứ Trong phương án hai, lò xo đảm bảo tiếp xúc, có thêm hai lò xò phụ bố trí để sau gài lẫy tạo thành lực ép đảm cóc dẫn tiếp xúc với vành rotor bên Phương án thứ ba nhiệm vụ cải thiện trạng thái tiếp xúc tiếp tục khắc phục khe hở thành phần liên kết với dầm ECA thành phần liên kết với cóc dẫn cấu truyền chuyển động (stoppers gap) vốn tồn lý thiết kế Để đánh giá, kiểm nghiệm kết tính toán lý thuyết, công việc tất yếu chế tạo thử nghiệm số vi động Quy trình chế tạo loại động Footer Page 23 of 148 Header Page 24 of 148 22 thiết lập Quy trình bao gồm bước tiến hành với công nghệ Vi điện tử tiêu chuẩn quang khắc, ăn mòn ion hoạt hóa sâu, ăn mòn khí HF … Ưu điểm quy trình chế tạo sử dụng mặt nạ Điều giúp tăng khả chế tạo thành công, giảm giá thành, nguyên công chế tạo Đây điểm quan trọng, phù hợp với hoàn cảnh nghiên cứu Vi điện tử Việt Nam Các loại vi động kiểm định qua kính SEM (scanning electron microscope) Kết chế tạo cho thấy động đạt kích thước, yêu cầu thiết kế đặt ban đầu Hai kiểu mô tơ đo đạc, kiểm nghiệm Kết kiểu cho thấy số liệu đo đạc khớp với số liệu tính toán lý thuyết mô Tuy nhiên tần số dẫn tăng lên đến 30 Hz vi động kiểu 1, 40 Hz vi động kiểu 2, bắt đầu có tượng trượt xảy ra, kết đo đạc thu thấp so với kết lý thuyết Nguyên nhân, trình bày, lò xo cấu truyền động không kịp đáp ứng với chuyển động tần số lớn, tồn khe hở cấu truyền chuyển động Đối với phương án cải tiến thứ hai, đồ thị thu giá trị đo đạc tiệm cận gần giá trị tính toán Một số kết luận án:  Phân tích, đánh giá ảnh hưởng hiệu ứng viền (fringe effect) vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng lược Khi xét đến ảnh hưởng hiệu ứng viền, lực tĩnh điện kích hoạt/chấp hành lược đạt giá trị lớn không xét đến hiệu ứng o Với khoảng chồng ban đầu cực µm, lực tĩnh điện tiếp tuyến xét đến ảnh hưởng hiệu ứng viền có giá trị lớn 20% so với không xét đến hiệu ứng o Với khoảng cách hai cực 11 µm, lực tĩnh điện pháp tuyến xét đến ảnh hưởng hiệu ứng viền có giá trị lớn 50% so với không xét đến hiệu ứng o Chuyển vị kích hoạt/chấp hành lược kể đến ảnh hưởng hiệu ứng viền có giá trị sát với kết mô đo đạc thực nghiệm so với giá trị tính toán không kể đến ảnh hưởng hiệu ứng  Nên xét đến ảnh hưởng hiệu ứng viền tính toán thiết kế vi hệ thống có sử dụng kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng lược  Thiết kế, chế tạo ba loại vi động quay kiểu tĩnh điện quay chiều với số ưu điểm sau: o Nguyên lý hoạt động đơn giản o Có kích hoạt/chấp hành cấu dẫn động bố trí phía vành rotor, dễ dàng truyền chuyển động quay đến vi cấu khác Footer Page 24 of 148 Header Page 25 of 148 23 o Được chế tạo với mặt nạ công nghệ MEMS tiêu chuẩn o Do có chiều dày lớp linh kiện lớn so với chiều dày lớp linh kiện chế tạo công nghệ vi bề mặt, nên vi động thiết kế có công suất truyền lực lớn  Xét ảnh hưởng hiệu ứng viền tính toán điện áp dẫn tối thiểu cho vi động Kết cho thấy điện áp dẫn ba kiểu động giảm xuống rõ rệt kể đến hiệu ứng viền (bảng 3.2)  Các vi động kiểu kiểu thiết kế để khắc phục tượng trượt xảy vi động kiểu Kết đo đạc thực nghiệm vi động kiểu cho thấy vận tốc góc động bám sát giá trị tính toán lý thuyết so với vận tóc góc vi động kiểu (đồ thị 4.25) Một số vấn đề tiếp tục nghiên cứu:  Tiếp tục đo đạc, đánh giá vi động kiểu  Nghiên cứu ứng dụng kích hoạt/chấp hành nhiệt điện hoạt động với điện áp dẫn thấp thay cho kích hoạt/chấp hành dạng tĩnh điện  Nghiên cứu, thiết kế vi động quay hai chiều KIẾN NGHỊ Với mục tiêu chế tạo vi động có khả quay hai chiều, tác giả đề xuất phương án vi động hoạt động dựa kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện kết hợp với kích hoạt/chấp hành kiểu nhiệt điện hình 5.1 11 10 Hình 5.1 Cấu tạo vi động hai chiều Footer Page 25 of 148 Điểm đàn hồi Header Page 26 of 148 24 Các cấu truyển chuyển động , ,   có khả tạo chuyển động theo hai chiều vành  Bốn cấu chống đảo hoạt động theo cặp ,  ,  có tác dụng giúp vành rotor quay theo chiều định Mỗi cụm dẫn động bao gồm kích hoạt/chấp hành lược bên phải , bên trái cấu truyền chuyển động (hình 5.1) Để đảm bảo vành  quay theo chiều kim đồng hồ, ta kích hoạtcáccơ cấu chống đảo  , đồng thời sử dụng kích hoạt/chấp hành lược bên phải  để dẫn động Các cấu chống đảo thực chất kích hoạt/chấp hành nhiệt điện dạng chữ V Sau kích hoạt vào trạng thái “BẬT”, dầm cấu ,  đẩy lên biến dạng nhiệt đỉnh chạm vào cóc vành Vị trí đảm bảo vành rotor  không quay theo chiều ngược lại (chiều ngược chiều kim đồng hồ) Điểm khác biệt với vi động kiểu 1, với vành cóc vành rotor  vi động hai chiều có dạng tam giác cân Để vành rotor quay theo chiều ngược lại (ngược chiều kim đồng hồ), trước hết dừng kích hoạt cặp cấu chống đảo  , kích hoạt cặp   sang trạng thái “BẬT”,đồng thời đặt điện áp lênbộ kích hoạt/chấp hành lược bên trái Footer Page 26 of 148 Header Page 27 of 148 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] Vũ Ngọc Hùng, Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc (2010) Thiết kế chế tạo hệ thống Mini-robot với Micro-container dựa công nghệ Vi Cơ Điện tử (MEMS), Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Tập 26, Số 2, trang 83-88 [2] Pham Hong Phuc, Dang Bao Lam, Nguyen Tuan Khoa (2010) Design and Fabrication of Micro Linear Motor (MLM) Based on MEMS Technology, Tạp chí Khoa học Công nghệ (Journal of Science and Technology),Tập 48, số 2A, trang 759-764 [3] Pham Hong Phuc, Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung (2010) A Micro Rotational Comb-Drive Actuator and its Applications in Microgearing”, Proceeding of the 5th Vietnam Conference on Mechatronics (VCM2010) – TPHCM 22, 23 rd Oct 2010, pp 115-118 [4] Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Tuấn Khoa ,Vũ Ngọc Hùng (2010) Ảnh hưởng sai số tiết diện đến chuyển vị cấu trúc dầm linh kiện MEMS, Proceeding of the National congress on Solid Mechanics – Thainguyen 12,13th November 2010, trang 391-397 [5] Phuc Hong Pham, Dang Bao Lam, Hung Ngoc Vu (2010) Micro robot system with moving micro-car driven by electrostatic comb-drive actuators, Microsystem technologies (SCI), Springer verlag, vol.16, no.4, pp 505-510 [6] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Nguyen Tuan Khoa, Pham Hong Phuc, Vu Ngoc Hung (2012) A NovelBi-directional Micro Rotational Motor driven by V-shaped Electrothermal Actuators, Tạp chí Khoa học & Công nghệ,Vol 88, trang 73-78 [7] Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao, Lam Bao Dang, S Sugiyama (2012) Single mask,simple structure micro rotational motor driven by electrostatic comb-drive actuators, Journal of Micromechanics and Microengineering (SCI), Vol 22, No 1, pp [8] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Nguyen Tuan Khoa, Pham Hong Phuc, Vu Ngoc Hung (2012) A novel bi-directional micro rotational motor based on a combination of the electrostatic and electrothermal actuators, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ – VCM2012, Hà Nội, pp 802-807 Footer Page 27 of 148 Header Page 28 of 148 [9] Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung, Pham Hong Phuc (2012) Micro mechanisms in the micro robot systems: Case studies of the electrostatic micro mechanisms, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, tập 4, pp 72-82 [10] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Pham Hong Phuc, Vu Ngoc Hung (2012) Assessment of Influence of the Fringe Effect on the Forces and Displacements in the Electrostatic Comb-drive Actuator, Proceeding of the International Conference on Advanced materials and Nanotechnology – ICAMN2012, Hanoi, Vietnam (Dec 2012), pp 220-225 [11] Phuc Hong Pham, Toan Khac Dinh, Lam Bao Dang*, Khoa Tuan Nguyen, Dzung Viet Dao (2014) Micro cam system driven by electrostatic comb-drive actuatorsbased on SOI-MEMS technology, Microsystem technologies (SCI), Springer verlag, DOI 10.1007/s00542-014-2086-y, pp [12] Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Vũ Ngọc Hùng, Trịnh Quang Thông (2014) Micro mô tơ dẫn động kích hoạt tĩnh điện quay, Tạp chí Khoa học Công nghệ, tập 52, số 1A, pp 127-135 Footer Page 28 of 148 ... dựa công nghệ Vi Cơ Điện tử để thực luận án Đối tượng nghiên cứu Các vi động quay kiểu tĩnh điện hoạt động chiều hai chiều, chế tạo công nghệ gia công vi khối Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu. .. Để nghiên cứu tổng quan vi động cơ, tác giả kết hợp hai phương pháp phân loại dựa kiểu chuyển động mà vi động tạo phân loại dựa hiệu ứng dùng để dẫn động vi động Áp điện Điện từ Tĩnh điện Vi động. .. hành tĩnh điện dạng lược vi động có sử dụng vi kích hoạt/chấp hành  Thiết kế, chế tạo thử ba loại vi động quay kiểu tĩnh điện quay chiều, đề xuất vi động kiểu tĩnh điện quay hai chiều Các vi động