(Luận án tiến sĩ) 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

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

HỒNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG 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

luan an


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

HỒNG TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG 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

luan an


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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
TM. Tập thể hướng dẫn

PGS.TS. Phạm Hồng Phúc

tháng

năm 2021

Nghiên cứu sinh

Hoàng Trung Kiên

i

luan an

LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành
bản luận án của mình. Trong suốt q trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ
hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và
đồng nghiệp.
Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Phạm
Hồng Phúc, PGS.TS. Vũ Công Hàm, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn
chun mơn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành cám ơn
các giảng viên, các nhà khoa học bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, viện Cơ khí,
trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chun
mơn q báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên
tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về
thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hồn thành một số quy trình
thực nghiệm của luận án.
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 hồn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án của mình.
Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới tồn 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

ii

luan an

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
iii

luan an


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 khơng 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 vng .................................... 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 Mơ 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 Mơ hình truyền nhiệt dạng giải tích .................................................... 64

3.1.3 Mơ 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 tốn 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
iv

luan an


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 thơng 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 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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 tốn tối ưu bầy đàn.................................................. 126

v

luan an


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Danh mục các từ viết tắt
STT

Ý nghĩa tiếng Anh

Từ viết
tắt

1

DRIE

2

ECA

3

EVA

4

GA

5

MEMS

6

PSO

7

RECA

8

SEM

9
10

SMA
SOI

11

TECA

Deep Reactive Ion Etching
Electrostatic Comb-drive
Actuator
Electrothermal V-shape
Actuator
Gen Algorithm
Micro-electro-mechanical
System
Particle Swarming
Optimation
Rectangular Electrostatic
Comb Actuator
Scanning Electron
Microscope
Shape Memory Alloy
Silicon-on-Insulator
Trapezoidal Electrostatic
Comb Actuator

Ý nghĩa tiếng Việt
Cơng nghệ ăn mịn ion hoạt hóa
sâu
Bộ chấp hành răng lược tĩnh
điện
Bộ chấp hành điện nhiệt dạng
chữ V
Thuật toán di truyền
Hệ thống vi cơ điện tử
Thuật toán tối ưu bầy đàn
Bộ chấp hành tĩnh điện răng

lược hình chữ nhật
Kính hiển vi điện tử qt
Hợp kim nhớ hình
Phiến silic kép
Bộ chấp hành tĩnh điện răng
lược hình thang cân

2. Danh mục ký hiệu
TT Ký hiệu Đơn vị
1
a
µm
2
A
µm2
3

a0

µm

4
5
6
7
8
9

Abt
AC

Ae
Amb
At
b

µm2
µm2
µm
µm2
µm2
µm

10

Bc, bc

µm

11
12

Bi
C

µN.s/µm

Ý nghĩa
Khoảng chồng giữa hai bản tụ
Diện tích mặt cắt dầm
Khoảng chồng ban đẩu của răng lược di động và răng lược

cố định
Diện tích mặt đáy của thanh đẩy
Diện tích bề mặt chịu cản nhớt
Diện tích chồng nhau của hai bản tụ
Diện tích mặt bên của thanh đẩy
Diện tích mặt trên của thanh đẩy
Chiều rộng của bản tụ
Lần lượt là chiều dài đáy lớn, đáy nhỏ của răng lược hình
thang cân
Hệ số Biot
Hệ số cản khơng khí quy đổi
vi

luan an


TT Ký hiệu Đơn vị
13 C1
µN.s/µm
14 C2
µN.s/µm
15

C3

µN.s/µm

16

C4

µN.s/µm

17

C5

µN.s/µm

18

C6

µN.s/µm

19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32

Cd
Ce
Cp
CV
d
d0
Da
de
Ds
E
EB
EC
F
f

µN.s/µm
pF
pJ/kg.K
µN.s/µm
µm
µm
kg/µm3
µm
kg/µm3
MPa
pJ
pJ
µN
Hz

33

F2n, F2t

µN

34

F2x, F2y

µN

35
36
37
38

Fb
fC
Fcb
Fd

µN
Hz
µN
µN

39

Fdb

µN

40
41
42
43
45

Fe
Fe1
Fe2
Fet
Fh

µN
µN
µN
µN
µN

Ý nghĩa
Hệ số cản nhớt khơng khí tại mặt đáy của thanh đẩy
Hệ số cản nhớt khơng khí tại bề mặt răng lược
Hệ số cản nhớt khơng khí tại mặt bên và mặt trên của thanh
đẩy
Hệ số cản trên diện tích của thanh đẩy vng góc với
phương vận tốc
Hệ số cản nhớt khơng khí tương đương tại mặt đáy của
một dầm đơn

Hệ số cản trên diện tích của dầm đơn vng góc với
phương Y
Hệ số cản nhớt khơng khí
Điện dung của tụ điện
Nhiệt dung riêng
Hệ số cản khơng khí quy đổi về vị trí thanh đẩy của EVA
Khoảng cách giữa bề mặt bị cản và nền
Khe hở giữa hai bản tụ
Khối lượng riêng của khơng khí
Khoảng cách giữa hai điện tích điểm
Khối lượng riêng của silic
Mô đun đàn hồi của vật liệu
Nội năng của nguồn
Năng lượng điện trường giữa hai bản tụ
Lực dãn nở nhiệt của EVA
Tần số của điện áp dẫn
Lần lượt là lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp
tuyến của bề mặt răng lược hình thang cân
Lần lượt là lực tĩnh điện trên phương x, y của răng lược
hình thang cân
Lực dãn nở nhiệt dọc theo trục của một dầm đơn
Tần số ngưỡng/tần số tới hạn
Tổng lực cản nhớt khơng khí tại mặt đáy của một dầm đơn
Lực cản nhớt khơng khí
Tổng lực cản khơng khí trên diện tích của dầm đơn vng
góc với phương chuyển động Y
Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến
Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung vuông
Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung hình Sin
Tổng lực tĩnh điện của TECA

Lực tĩnh điện giữa hai chất điểm
vii

luan an


TT
46
47
48
49
50

Ký hiệu
Fn
Fo
Ft
Fy
g0

Đơn vị
µN
µN
µN
µm

51

g02, g2

µm

52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79

80
81
82
83

ga
Gbest
G
gs
h
hr
I
Imax
K
k
ka
ks
L
lc
Lf
Ls
M
mb
ms
N
n
Nb
Nd
nvar
P

Pbest
Pcr
Pt
Q
q1
q2
QC

µm
µm
kg.µm4
µN/µm
µN/µm
W/m.K
W/m.K
µm
µm
µm
µm
kg
kg
kg
răng
cặp
µN
đoạn
µN
µN
C
C

C

Ý nghĩa
Lực tĩnh điện pháp tuyến
Hệ số Fourier
Lực tĩnh điện tiếp tuyến
Tổng lực tĩnh đện trên phương y của ECA
Khe hở giữa bề mặt răng lược cố định và di động
Lần lượt là khe hở ban đầu, khe hở khi làm việc của răng
lược hình thang cân
Khe hở giữa lớp cấu trúc và nền
Vị trí tối ưu toàn cục
Giá trị "phạt"
Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức
Chiều dày dầm
Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức
Mô men qn tính diện tích
Số vịng lặp lớn nhất
Độ cứng quy đổi của hệ dầm
Độ cứng quy đổi của một dầm đơn
Hệ số truyền nhiệt của khơng khí
Hệ số truyền nhiệt của silic
Chiều dài dầm
Chiều dài răng lược
Chiều dài khung ngang
Chiều dài thanh đẩy của EVA
Khối lượng quy đổi
Khối lượng của một dầm đơn
Khối lượng của thanh đẩy
Số răng lược di động

Số cặp dầm đơn
Phản lực dọc trục dầm
Số phân đoạn dầm
Số biến thiết kế
Số điểm tìm kiếm của thuật tốn PSO
Vị trí tối ưu cục bộ
Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm
Lực tác dụng lên đầu dầm tại vị trí nối với thanh đẩy
Hệ số phẩm chất
Điện tích của vật mang điện 1
Điện tích của vật mang điện 2
Điện tích trong một tụ điện
viii

luan an


TT Ký hiệu Đơn vị
84 qcd
pJ
85

qe

pJ

86

qls

pJ

87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114

115
116
117
118
119
120
121
122
123
124

qst
r
S
T
T0
TC
tC
Tcr
Tmax
U
U0
UC
Um
Un
w
W
w0
ws
X1

X2
X
XL
XU
y
y1
y2
yt
α
γ
δ
ΔL
ε
ε0
ζ
θ
λ
µ
ρ

pJ
ºC
ºC
s
s
ºC
ºC
V
V
V

V
V
µm
µm
µm
µN
µN.µm
µm
µm
µm
µm
º
µm2/s
µm
µm
pF/µm
º
1/K
µN.s/µm2
TΩ.µm

Ý nghĩa
Nhiệt lượng truyền qua phân tố dầm
Nhiệt lượng sinh ra trong một phân tố dầm khi có dịng
điện
Nhiệt lượng truyền từ phân tố dầm đến nền qua khe hở
khơng khí.
Nhiệt lượng tích trữ trong một phân tố dầm
Tỉ số lực của răng lược hình thang cân và hình chữ nhật.
Hệ số hình dạng truyền nhiệt của dầm

Vec tơ phân bố nhiệt độ trên dầm chữ V
Nhiệt độ môi trường
Chu kỳ tới hạn
Thời gian cấp điện tới hạn
Nhiệt độ ngưỡng an toàn
Nhiệt độ lớn nhất trên dầm
Điện áp giữa hai bản tụ
Giá trị trung bình của biên độ điện áp dẫn xung hình sin
Điện áp ngưỡng theo điều kiện chập của TECA
Điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ
Điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt
Chiều rộng dầm
Hệ số quán tính của thuật toán PSO
Chiều dày răng lược
Chiều rộng thanh đẩy của EVA
Phản lực liên kết
Mô men phản lực liên kết
Vec tơ biến thiết kế
Cận dưới của biến thiết kế
Cận trên của biến thiết kế
Chuyển vị tĩnh của ECA
Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung vuông
Chuyển vị của ECA khi điện áp dạng xung hình sin
Chuyển vị tĩnh của TECA
Góc nghiên của bề mặt răng lược
Hệ số khuếch tán nhiệt
Khoảng cách hiệu dụng
Dãn nở do nhiệt của dầm đơn
Hệ số điện môi giữa hai bản tụ
Hằng số điện môi chân khơng

Tỉ số cản tương đối
Góc nghiêng dầm
Hệ số nhiệt của điện trở suất
Hệ số cản nhớt động lực học của khơng khí
Điện trở suất
ix

luan an


TT
125
126
127
128
129
130
131

Ký hiệu
ρ0
φ
Φ1
Φ2
ω
Ω
ωn

Đơn vị
TΩ.µm

rad
rad
rad
rad

Ý nghĩa
Điện trở suất tại nhiệt độ mơi trường
Góc xoay của mặt cắt dầm
Hệ số ảnh hưởng cục bộ
Hệ số ảnh hưởng tồn cục
Tần số góc
Tần số góc của điện áp dẫn xung hình Sin
Tần số góc tự nhiên

x

luan an


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 thơng 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

xi

luan an


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược.......................................... 9
Hình 1.2 Các mơ 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 Mơ hình bộ vi cộng hưởng dẫn động bằng ECA [25] ............................. 14
Hình 1.11 Mơ 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 Mơ hình bộ vi chấp hành kiểu tĩnh diện răng lược ................................... 30
Hình 2.4 Mơ hình vật lý tương đương ...................................................................... 30
Hình 2.5 Sơ đồ xác định các đại lượng quy đổi ....................................................... 31
Hình 2.6 Mơ hình xác định lực cản nhớt khơng khí ................................................. 36
Hình 2.7 Quy luật điện áp dẫn dạng xung vng ..................................................... 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 vng .................................... 46
Hình 2.14 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung hình sin ................................. 47
Hình 2.15 Mơ 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 tốn 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 Fet và lực đàn hồi Fel theo chuyển vị yt........ 57
Hình 2.25 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng ..................... 59
xii

luan an


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 Mơ 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 mơ 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 tốn, mơ 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 Un và chiều rộng dầm w .................................. 88
Hình 4.4 Mối quan hệ giữa điện áp Un và chiều dài dầm L ..................................... 88
Hình 4.5 Điện áp Un thay đổi theo tỉ lệ L/w và w ..................................................... 89
Hình 4.6 Mơ 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 Kmin và điện áp dẫn ................................ 92
Hình 4.10 Quan hệ giữa điện áp Um và chiều dài dầm L ......................................... 93
Hình 4.11 So sánh sự thay đổi của Nb với Pcr theo chiều dài dầm L ....................... 94
Hình 4.12 Quan hệ giữa điện áp Um và chiều rộng dầm ......................................... 94
Hình 4.13 So sánh sự thay đổi của Nb với Pcr theo chiều rộng dầm w..................... 95
Hình 4.14 Sự thay đổi của điện áp Um theo tỉ lệ L/w và w ....................................... 95
Hình 4.15 So sánh các điện áp Um và Un 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

xiii

luan an


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

xiv

luan an


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Ngày nay, nhờ sự phát triển của các công nghệ vi gia công mà các linh kiện cũng
như hệ thống có kích thước đo bằng đơn vị micro được chế tạo hàng loạt với giá thành
rẻ, chất lượng làm việc ổn định và độ chính xác cao. Việc nghiên cứu và ứng dụng
các thiết bị có kích thước nhỏ cỡ micro cũng đã trở thành một xu thế tất yếu của thế
giới từ khoảng hai thập niên trước. Cùng với đó cơng nghệ vi cơ điện tử MEMS
(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 thơng 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, dị 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 thơng, vũ khí, vệ tinh, thiết bị giải trí,…
Trong MEMS, bộ vi chấp hành là một loại thiết bị quan trọng đóng vai trị 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 cơng 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
vị, tần số tới hạn, hệ số phẩm chất, tính ổn định và an tồn.
Việc nâng chất lượng làm việc khi tính toán thiết các bộ vi chấp hành là rất quan
trọng. Để tính tốn thiết kế được các bộ vi chấp hành đáp ứng các yêu cầu đó cần phải
kể đến sự ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau, trong đó các kích thước hình
1

luan an


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 cơng trình khoa học
được cơng 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 cơng 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 tốn 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 tốn 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 mịn khơ
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.

2

luan an


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 tồn (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 khơng 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 thơng 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 tồn cho thiết bị. Luận án cũng xây dựng bài toán để sử dụng thuật tốn 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 tồn 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 tốn lý thuyết, mơ phỏng và
kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng. Việc áp dụng các phương pháp này được
3

luan an


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 mơ hình tốn
cho các bộ vi chấp hành, từ đó tính tốn 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 mơ hình tốn đã xây dựng. Kết hợp cả mơ
phỏng từng phần và mơ phỏng tồn 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 tốn và mơ phỏng. Công việc này được thực hiện
dựa trên sự hợp tác chặt chẽ với các phịng thí nghiệm MEMS tiên tiến trong nước.

6. Những đóng góp của luận án
Luận án được thực hiện thơng qua việc phân tích, đánh giá và kế thừa các cơng
trình khoa học đã cơng 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 thơng 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 mơ 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 tồn.

7. Bố cục của luận án
Để trình bày một cách cụ thể các vấn đề nghiên cứu, nội dung của luận án được
chia thành bốn chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 Tổng quan về vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt chữ V: Tìm hiểu tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến hai bộ vi
chấp hành cụ thể là tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V. Từ đó phân tích,
đánh giá các ưu nhược điểm, các nội dung còn chưa được giải quyết hoặc giải quyết

4

luan an


chưa triệt để của các nghiên cứu trong và ngoài nước. Thơng 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 cơng thức tính lực tĩnh điện giữa
hai bản tụ. Xây dựng cơng thức tính các thơng 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 vng 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 mơ 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 tốn, mơ
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 thơng
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 thơng 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 tồn khi làm việc thơng 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 cịn 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 mơ tả hệ thống đo đạc. Hàm thuật tốn tối ưu trong
MATLAB cũng sẽ được trình bày trong Phụ Lục 3.

5

luan an


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 ngồi nước, các luận án tiến sĩ và các cơng 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 mơ 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
cơng nghiệp như lắp ráp ơ tơ, 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 cơng 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 dịng 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.
6

luan an


- 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]

Hiệu ứng

Tĩnh điện
(Electrostatic)

Điện nhiệt
(Electrothermal)

Điện từ
(Electromagnetic)

Áp điện

(Piezoelectric)

Vật liệu nhớ
hình (SMA)

Ưu điểm

Nhược điểm

- Tốc độ đáp ứng nhanh, dải tần
số làm việc rộng.
- Dễ chế tạo và tích hợp với các
cấu trúc silic khác.
- Luật điều khiển đơn giản.
- Hiệu suất cao hơn kiểu điện từ
và kiểu điện nhiệt.
- Làm việc ổn định.
- Cho lực và mômen lớn cả khi
điện áp thấp.
- Cấu trúc đơn giản.
- Dễ chế tạo và tích hợp với các
cấu trúc silic khác.
- Độ ổn định làm việc tốt.

- 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.
- Công suất dẫn động nhỏ.

- Dễ xảy ra hiện tượng trượt ở tốc độ
cao.
- Hiệu suất thấp, tiêu thụ nhiều năng
lượng.
- Dải tần số làm việc hẹp do hiện
tượng trễ nhiệt.
- Điều khiển phức tạp do tính phức
tạp của quá trình trao đổi nhiệt.
- 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,…
- Lực sinh ra nhỏ.
- Khó tích hợp trong hệ MEMS.
- Điện áp dẫn cao hơn so với vi chấp
hành nhiệt, điện từ hoặc SMA.
- Khó chế tạo do cấu trúc phức tạp.
- Độ ổn định phụ thuộc hướng của
tinh thể vật liệu.
- Khó chế tạo và tích hợp.
- Cần giải pháp tản nhiệt.
- Phản hồi chậm.
- Độ ổn định không cao. Bị rão theo
thời gian.

- Điện áp dẫn thấp.
- Mạch điều khiển đơn giản, dễ
tiêu chuẩn hóa.
- Cho hành trình lớn đối với các
vi động cơ tịnh tiến.
- Hiệu suất cao ứng với mức điện
áp trung bình.
- Cho lực và chuyển vị lớn.
- Dải tần số làm việc lớn.
- Điện áp dẫn thấp.
- Hiệu suất cao.

Từ những ưu, nhược điểm như phân tích ở trên có thể thấy hai loại vi chấp hành
kiểu tĩnh điện và điện nhiệt đều có kết cấu đơn giản có thể chế tạo hàng loạt, dễ tích
7

luan an


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 vng 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.

8

luan an

Khung dọc
(thanh đẩy)

Răng lược

y

Điện cực
cố định

O

x

Khung ngang

Dầm

Phần cố định

Phần di động

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 ngồi 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
cơng bố có thể được phân chia thành các hướng chủ yếu: cải tiến cấu trúc dầm, cải
tiến hình dạng răng lược, tính tốn 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 cơng thức tính độ cứng cho ba cấu trúc dầm
để so sánh chuyển vị theo tính tốn và mô phỏng. Kết quả so sánh cho thấy dầm càng
9

luan an