Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG 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 cơ khí
Mã số: 62520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng
2. PGS.TS. Phạm Hồng Phúc





Hà Nội - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.

Nghiên cứu sinh




Đặng Bảo Lâm
ii

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của các thầy PGS.TS. Vũ
Ngọc Hùng và PGS.TS. Phạm Hồng Phúc. Ngoài những chỉ dẫn, định hƣớng về mặt khoa
học, sự động viên và lòng tin tƣởng của các thầy luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và
say mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối
với các thầy giáo hƣớng dẫn.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ môn Cơ sở thiết kế Máy và Robot, viện Cơ
khí, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thầy, các đồng nghiệp trong bộ môn đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về
Khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo môi trƣờng thuận lợi, tích cực
cho nghiên cứu, thực hành, cũng nhƣ đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng trong thời gian
tác giả thực hiện luận án.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Đào Việt Dũng, phòng thí nghiệm các thiết
bị tích hợp micro nano MiNIDeL, trƣờng đại học Ritsumeikan, Nhật Bản vì sự hỗ trợ nhiệt

tình và những đóng góp chuyên môn quý báu.
Cuối cùng, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, mẹ, vợ và con trai,
những ngƣời luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án.
iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. VI ĐỘNG CƠ 5
1.1 Đặt vấn đề 5
1.2 Vi động cơ và các phƣơng pháp phân loại 7
1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) 9
1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10
1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 13
1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 18
1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 18
1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ 20
1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) 21
1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện 21
1.5.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện 23
1.6 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor) 25
1.6.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện 26
1.6.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện 28
1.7 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình SMA 30
1.8 Phân tích và kết luận chƣơng 1 31
CHƢƠNG 2. BỘ KÍCH HOẠT TĨNH ĐIỆN RĂNG LƢỢC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA
HIỆU ỨNG VIỀN 37

2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 37
2.1.1 Tụ điện 37
iv

2.1.2 Lực pháp tuyến 38
2.1.3 Lực tiếp tuyến 40
2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc 41
2.3 Hiệu ứng viền 42
2.3.1 Hiệu ứng viền 42
2.3.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ điện có xét hiệu ứng viền 44
2.3.3 Đánh giá ảnh hƣởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện
kiểu răng lƣợc 45
2.3.4 Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 48
2.4 Kết luận chƣơng 2 52
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CÁC VI ĐỘNG CƠ QUAY 53
3.1 Vi động cơ quay kiểu 1 53
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 53
3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng 55
3.1.3 Đánh giá phƣơng án 60
3.2 Vi động cơ quay kiểu 2 62
3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 62
3.2.2 Phân tích lực và mô phỏng 64
3.2.3 Đánh giá phƣơng án 68
3.3 Vi động cơ quay kiểu 3 69
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 69
3.3.2 Phân tích lực và mô phỏng 72
3.3.3 Đánh giá phƣơng án 75
3.4 Kết luận chƣơng 3 77
CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 78
4.1 Giới thiệu 78

4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi động cơ 79
v

4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit 79
4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế: 81
4.3 Thiết lập quy trình gia công 82
4.3.1 Bƣớc chuẩn bị 83
4.3.2 Quá trình quang khắc 84
4.3.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE 85
4.3.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching) 87
4.4. Tóm tắt quy trình chế tạo 89
4.5 Xử lý, đánh giá kết quả 95
4.5.1 Kết quả thu đƣợc 95
4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả 97
4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1 97
4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2 99
4.6 Kết luận chƣơng 4 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103
KẾT LUẬN 103
KIẾN NGHỊ 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117
vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa
MEMS Micro Electro Mechanical System – Hệ vi cơ điện tử
MST Microsystems Technology – Công nghệ vi hệ thống
µ-TAS Micro Total Analysis System – Hệ phân tích tổng hợp kích cỡ micro

LOC Lab-on-a-chip – Phòng thí nghiệm trên chip
IC Integrated Circuit – Mạch tích hợp
ECA Electrostatic Comb-drive Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh
điện răng lƣợc
GCA Gap Closing Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành khe hở đóng
TRA Torsional Ratcheting Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành răng cóc
dạng xoắn
SDA Scratch Drive Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng cào
VTA V-shape electroThermal Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt
dạng chữ V
DRIE Deep Reactive Ion Etching – Ăn mòn Ion hoạt hóa sâu
LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Abformung – Công nghệ LIGA
FE Fringe Effect – Hiệu ứng viền
SOI Silicon on Insulator – Phiến silic kép (lớp silic linh kiện trên lớp điện
môi)
EDM Electro Discharge Machining – Gia công tia lửa điện
LSM Linear Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ tịnh tiến
LRM Reluctance Stepping Motor – Động cơ bƣớc kiểu từ trở
IDM Impact Drive Mechanism – Cơ cấu dẫn động bằng xung
SIDM Smooth Impact Drive Mechanism - Cơ cấu dẫn động bằng xung nhỏ
SAW Surface Acoustic Wave – Sóng âm bề mặt
RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến
SMA Shape Memory Alloy – Hợp kim nhớ hình
MRM Micro Rotational Motor – Vi động cơ quay
SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét

Ký hiệu Giải thích ý nghĩa

0
độ điện thẩm chân không:


0
= 8,854.10
-12
(Fm
-1
)

hằng số điện môi của không khí:

= 1

khoảng cách giữa hai bản tụ
vii


0
khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ
C điện dung tụ điện lý tƣởng
A diện tích trùng nhau của hai bản cực
Q điện tích trong tụ
V hiệu điện thế giữa hai bản tụ
E
c
năng lƣợng điện trƣờng sinh ra giữa hai bản tụ
E
B
năng lƣợng của nguồn
F
n

, F
t
lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa hai bản tụ
C
tb
điện dung thực của tụ điện
C
e
điện dung thực của tụ điện xét đến hiệu ứng viền
F
ne
lực tĩnh điện pháp tuyến xét đến hiệu ứng viền
F
te
lực tĩnh điện tiếp tuyến xét đến hiệu ứng viền
k
dn
độ cứng của dầm hai đầu ngàm
F
es
lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lƣợc.
F
el
lực đàn hồi cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi)
F
f1
, F
f2
, F
f3

, F
f4
các lực ma sát
F
a
lực đàn hồi của lẫy chống đảo
F
s
lực đàn hồi lớn nhất của lò xo cơ cấu dẫn động
Q hợp lực theo phƣơng y trên cơ cấu dẫn động
F
ar
lực tác dụng của cơ cấu chống đảo chiều lên vành răng
F
sp
lực đàn hồi lớn nhất của lò xo khi răng cóc của thanh dẫn trƣợt qua đỉnh
răng của vành răng ngoài
F
N
áp lực trên bề mặt răng cóc
M mô men với tâm quay của vành răng cóc
n số răng lƣợc di động của mỗi bộ vi kích hoạt/chấp hành
b chiều dày của các răng lƣợc
V và V
min
điện áp dẫn và điện áp dẫn cực tiểu
f
m
hệ số ma sát tĩnh giữa bề mặt silicon–silicon
E mô đun đàn hồi Young của silicon

I mô men quán tính của tiết diện mặt cắt ngang của tay đòn chống đảo
l chiều dài của chân hãm
L chiều dài dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V
h chiều cao răng cóc
α góc nghiêng của răng cóc
α
0
hệ số dãn nở nhiệt
viii

m
2
khối lƣợng của thanh răng cóc dẫn
m
3
khối lƣợng của vành răng ngoài
G gia tốc trọng trƣờng
p bƣớc răng cóc

khe hở do công nghệ chế tạo DRIE
d chuyển vị của răng cóc dẫn
i số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động
k
p
độ cứng của cổ dầm đàn hồi cơ cấu dẫn động
k
ar
độ cứng của dầm cơ cấu chống đảo chiều
z số răng cóc trên vành răng
f tần số điện áp dẫn

n
lt
tốc độ lý thuyết của vi động cơ
b chiều rộng của dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V
k hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/µmK)
T nhiệt độ tại vị trí x
ρ điện trở suất của dầm,
J mật độ dòng điện (A/µm
2
)
I cƣờng độ dòng điện
ρ
0
điện trở suất của silicon ở nhiệt độ phòng


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một số loại vi động cơ tịnh tiến 31
Bảng 1.2 Một số loại vi động cơ quay 33
Bảng 1.3 Các hiệu ứng dẫn động 34

Bảng 2.1 Chuyển vị lý thuyết bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 50
Bảng 2.2 Chuyển vị do mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 50
Bảng 2.3 Chuyển vị đo đạc bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 51

Bảng 3.1. Liên hệ giữa lực Q với số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động 74
Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất yêu cầu V

min
(V) giữa các loại mô tơ 77

Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 98
Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 100
x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian 6
Hình 1.2 Vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện 8
Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động 9
Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động 9
Hình 1.5 Vi động cơ bƣớc tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10
Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trƣợt (shuffle) 11
Hình 1.7 Vi động cơ dạng sâu đo kiểu tĩnh điện 12
Hình 1.8 Vi động cơ dạng sâu đo hoạt động nhờ thanh dẫn 12
Hình 1.9 Vi động cơ MLM 13
Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện 14
Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc 14
Hình 1.12 Các phƣơng án bố trí rotor và stator 15
Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator 16
Hình 1.14 Vi động cơ TRA 16
Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép 17
Hình 1.16 Vi động cơ SDA 18
Hình 1.17 Vi động cơ LSM 19
Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 19
Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ 20
Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc 20
Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V 22

Hình 1.22 Vi động cơ dạng sâu đo với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V 22
Hình 1.23 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm”
23
Hình 1.24 Vi động cơ quay với các cơ cấu compliant dẫn động 24
Hình 1.25 Vi động cơ quay kích thƣớc 1mm
3
24
Hình 1.26 Vi động cơ bƣớc kiểu nhiệt điện 25
Hình 1.27 Vi động cơ tịnh tiến áp điện IDM 26
Hình 1.28 Vi động cơ tịnh tiến áp điện SIDM 27
Hình 1.29 Vi động cơ tịnh tiến dạng sóng âm SAW 28
Hình 1.30 Vi động cơ quay dạng sóng âm SAW 28
Hình 1.31 Các phƣơng án vi động cơ quay dạng sóng âm SAW 29
xi

Hình 1.32 Vi động cơ quay dạng sâu đo 29
Hình 1.33 Vi động cơ tịnh tiến SMA 30
Hình 1.34 Vi động cơ quay dẫn động bằng vi khuẩn M.mobile 31

Hình 2.1 Tụ điện 37
Hình 2.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ 38
Hình 2.3 Sơ đồ tính lực pháp tuyến và tiếp tuyến hai bản tụ song song 39
Hình 2.4 Bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc ECA 41
Hình 2.5 Mô hình tính toán bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 42
Hình 2.6 Phân bố đƣờng sức điện trƣờng trong tụ phẳng song song 43
Hình 2.7 Tiết diện cắt ngang của một số loại cấu trúc tụ điện 43
Hình 2.8 Lực pháp tuyến khi xét hiệu ứng viền 45
Hình 2.9 Lực tiếp tuyến khi xét hiệu ứng viền 45
Hình 2.10 Sai số tƣơng đối điện dung tụ điện khi thay đổi tỉ số a/δ 46
Hình 2.11 So sánh lực tiếp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền 47

Hình 2.12 So sánh lực pháp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền 47
Hình 2.13 Kết cấu dầm tính toán 48
Hình 2.14 Tìm nghiệm đầu bằng phƣơng pháp hình học 49
Hình 2.15 Mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 50
Hình 2.16 Ảnh SEM bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 51
Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 51

Hình 3.1 Cấu tạo vi động cơ kiểu 1 53
Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc và cơ cấu truyền chuyển động 54
Hình 3.3 Cơ cấu truyền chuyển động 54
Hình 3.4 Cơ cấu chống đảo chiều 55
Hình 3.5 Phân tích lực trong kỳ dẫn động 56
Hình 3.6 Mô phỏng độ cứng cổ dầm mang các răng lƣợc tĩnh điện 56
Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị 59
Hình 3.8 Cấu tạo vi động cơ kiểu 2 62
Hình 3.9 Cơ cấu truyền chuyển động (vị trí ban đầu) 63
Hình 3.10 Cơ cấu truyền động (vị trí làm việc) 63
Hình 3.11 Quá trình làm việc của cơ cấu truyền động 64
Hình 3.12 Phân tích lực chu kỳ dẫn động 65
xii

Hình 3.13 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 66
Hình 3.14 Mô phỏng độ cứng lò xo 67
Hình 3.15 Cấu tạo vi động cơ kiểu 3 69
Hình 3.16 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động kiểu 3 70
Hình 3.17 Cơ cấu truyền động sau khi chân lẫy đƣợc “khóa” 70
Hình 3.18 Hoạt động của ECA và cơ cấu truyền chuyển động 71
Hình 3.19 Các lực trong quá trình dẫn 72
Hình 3.20 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 73
Hình 3.21 Mô phỏng độ cứng của lò xo và cổ dầm dẫn động 74

Hình 4.1 Thiết kế vi động cơ kiểu 1 79
Hình 4.2 Cơ cấu chống đảo 80
Hình 4.3 Thiết kế vi động cơ kiểu 2 80
Hình 4.4 Thiết kế vi động cơ kiểu 3 81
Hình 4.5 Vành răng cóc dạng lƣới các nan có chiều dày tối đa w
max
=8µm 81
Hình 4.6 Khe hở tối thiểu 82
Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các mô tơ 83
Hình 4.9 Quá trình quang khắc 84
Hình 4.8 Phiến silic kép SOI 84
Hình 4.10 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI 85
Hình 4.11 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 87
Hình 4.12 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 88
Hình 4.13 Linh kiện thu đƣợc sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 88
Hình 4.14 Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan 91
Hình 4.15 Hệ thống máy quang khắc tại ITIMS 91
Hình 4.16 Sơ đồ bố trí hệ ăn mòn hơi HF 94
Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1 95
Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2 96
Hình 4.19 Vi động cơ quay kiểu 3 96
Hình 4.20 Chip đƣợc kích điện, đo đạc và quay phim thông qua kính hiển vi 97
Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 1 98
Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V)
99
Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 2 100
xiii

Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V)

100
Hình 4.25 So sánh vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80V)
101

Hình 5.1 Cấu tạo vi động cơ quay hai chiều 106
Hình 5.2 Cơ cấu truyền chuyển động 106
1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, Vi Cơ Điện tử - MEMS là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát
triển mạnh mẽ. Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ
(micro motor) cùng với các micro robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu
đƣợc dùng để vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ
vi phân tích tổng hợp (-TAS), hệ phân tích sinh hóa… Để tạo ra chuyển động, có thể sử
dụng nhiều hiệu ứng nhƣ hiệu ứng từ, nhiệt, áp điện và tĩnh điện Trong đó, hiệu ứng tĩnh
điện có thể tạo ra chuyển động đẳng hƣớng một cách đơn giản và hiệu quả nhất. Đã có khá
nhiều công trình khoa học đƣợc công bố trên thế giới về các vi động cơ kiểu tĩnh điện và
ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở nƣớc ta, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói
chung và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài năm gần đây.
Một trong những xu hƣớng phát triển tất yếu trong thế kỷ 21 là đƣa các thiết bị, máy móc,
hệ thống kỹ thuật với kích thƣớc nhỏ tính theo đơn vị micro hoặc nano vào nghiên cứu, sản
xuất cũng nhƣ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính của
các thành phần chính của các vi hệ thống nhƣ vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan
trọng, ảnh hƣởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng nhƣ độ chính xác của toàn bộ hệ
thống. Tuy nhiên cho đến nay, đa phần các công trình nghiên cứu về các vi cơ cấu cũng
nhƣ các vi động cơ đều đƣợc tiến hành rải rác, chƣa có hệ thống, chủ yếu chỉ trong các
trƣờng hợp cụ thể nhằm phục vụ cho các đối tƣợng cụ thể. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử” để thực hiện
luận án.

Đối tượng nghiên cứu
Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện (rotational electrostatic micro motors) đƣợc chế tạo
bằng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micro machining technology).
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu một cách có hệ thống về các loại vi động cơ có khả năng ứng dụng trong các
hệ micro robot, hệ vi vận tải và vi lắp ghép… từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử
dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc (electrostatic comb-drive
actuators).
2

Thiết kế và chế tạo các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện. Đo đạc, đánh giá đặc tính một số
động cơ từ các thiết kế đƣợc chọn.
Phạm vi nghiên cứu
- Lý thuyết tĩnh điện nói chung và hiệu ứng viền nói riêng, ứng dụng trong thiết kế
các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc.
- Các vi động cơ kiểu tĩnh điện có khả năng ứng dụng trong các vi robot hoặc các hệ
vận tải, lắp ghép kích thƣớc micro.
Phương pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng là kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm
công nghệ. Để đạt đƣợc các mục tiêu đề ra, các bƣớc nghiên cứu, tính toán, thiết kế sau sẽ
đƣợc tiến hành:
- Vận dụng các kiến thức về cơ học, vật lý, lý thuyết cơ cấu, thiết kế máy … để tính
toán, thiết kế các vi động cơ.
- Sử dụng các phần mềm thiết kế chuyên dụng nhƣ AutoCad, L-Edit để thực hiện
thiết kế sơ bộ. Bản thiết kế đƣợc hoàn thiện, các kích thƣớc đƣợc kiểm nghiệm
bằng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS.
- Các vi động cơ đƣợc chế tạo bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn và thông dụng
nhƣ công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu
(DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học …
- Đo đạc, đánh giá đặc tính của các sản phẩm đƣợc chế tạo. Phân tích, so sánh với

các kết quả tính toán và mô phỏng.
Ý nghĩa của luận án
Nghiên cứu một cách có hệ thống về các vi động cơ, qua đó lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu
phù hợp với tình hình nghiên cứu, phát triển của ngành Công nghệ Vi cơ điện tử tại Việt
Nam.
Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích
hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lƣợc.
Thiết lập quy trình chế tạo cho các vi động cơ, trong đó chỉ sử dụng các công nghệ MEMS
tiêu chuẩn.

3

Những kết quả mới của luận án
Phân tích, đánh giá ảnh hƣởng của hiệu ứng viền (fringe effect) trong các bộ vi kích
hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc cũng nhƣ trong các vi động cơ có sử dụng các bộ
vi kích hoạt/chấp hành đó.
Thiết kế, chế tạo thử ba loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều, cũng nhƣ đề
xuất vi động cơ kiểu tĩnh điện - nhiệt điện có thể quay hai chiều. Các vi động cơ đều đƣợc
chế tạo với cùng một quy trình, sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn. Việc ứng dụng
công nghệ gia công vi cơ khối trên phiến silic kép (SOI wafer) cho phép tăng tính chính
xác, giảm giá thành khi chế tạo, đồng thời tăng công suất truyền lực của các vi động cơ so
với các vi động cơ đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt.
Luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng, tập trung lần lƣợt vào các nội dung về nghiên
cứu tổng quan về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện và hiệu ứng viền, tính toán, thiết kế ba
loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng
răng lƣợc và thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các sản phẩm. Nội dung cụ thể
của các chƣơng nhƣ sau:
Chương 1 trình bày tổng quan về vi động cơ. Tác giả đƣa ra các phƣơng pháp phân loại
một cách có hệ thống các vi động cơ, đồng thời, cũng đƣa ra các nhận xét, đánh giá để từ
đó lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu phù hợp.

Chương 2 trình bày vắn tắt về lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trong các bộ vi kích
hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc. Ảnh hƣởng của hiệu ứng viền lên hoạt động của
các bộ vi kích hoạt/chấp hành đƣợc phân tích cụ thể thông qua các minh chứng thu đƣợc từ
tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế.
Chương 3 giải quyết các bài toán về cấu trúc, động học và lực của các loại vi mô tơ quay
sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc có khả năng ứng dụng trong các
hệ vi robot, hệ vi vận tải và lắp ghép…, nhằm thỏa mãn các tiêu chí sau: độ chính xác cao,
kích thƣớc nhỏ gọn, có tính mođun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, có thể sản
xuất hàng loạt, tiêu hao ít năng lƣợng. Trong các vi động cơ đƣợc thiết kế, có thể coi các vi
động cơ kiểu hai và kiểu ba là phiên bản hoàn thiện của vi động cơ quay một chiều kiểu
thứ nhất.
Chương 4 có phần đầu trình bày việc xây dựng bản vẽ chế tạo bộ mặt nạ (MASK) bằng
phần mềm L-Edit. Các bản vẽ hệ thống động cơ đƣợc xây dựng dƣới dạng mô đun và lớp,
có tính kế thừa, giúp cho việc sửa chữa và cải tiến đƣợc thuận tiện. Việc xây dựng bản vẽ
4

tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của công nghệ MEMS. Qui trình chế tạo vi động cơ
bằng phƣơng pháp gia công vi cơ khối là một qui trình chuẩn, dễ làm và độ ổn định cao,
đồng thời đảm bảo độ chính xác. Sau khi chế tạo thành công, tác giả cũng tiến hành phân
tích, đánh giá đặc tính của một số vi động cơ.
Phần cuối cùng là kết luận và kiến nghị của luận án. Trong đó, ngoài việc trình bày các kết
quả thu đƣợc, tác giả đƣa ra đề xuất thiết kế vi động cơ với rotor có thể quay hai chiều hoạt
động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc và các bộ kích hoạt/chấp
hành nhiệt điện chữ V (V-shaped electrothermal actuator).

5

CHƢƠNG 1. VI ĐỘNG CƠ
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay trong nghiên cứu, sản xuất cũng nhƣ đời sống, một trong những xu hƣớng tất

yếu là chế tạo, ứng dụng các máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thƣớc nhỏ tính theo đơn
vị mili, micro hoặc nano mét. Các hệ thống với kích thƣớc nhỏ có thể thực hiện những
công việc mà hệ thống thông thƣờng không thực hiện đƣợc (nhƣ phẫu thuật vi xâm lấn
trong y tế…), đồng thời kích thƣớc nhỏ gọn giúp tăng tính linh hoạt và tiện dụng của các
sản phẩm (nhƣ các máy tính bảng, điện thoại di động thông minh…). Nhờ sự phát triển
của khoa học, những công nghệ mới cho phép chúng ta có thể chế tạo hàng loạt các linh
kiện, hệ thống kích thƣớc micro hoặc nano với giá thành rẻ, độ chính xác cao. Do đó, Vi cơ
điện tử (MEMS – Micro Electro-mechanical System) - tên gọi đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc
trên thế giới trong đó có Việt Nam, Mỹ, hoặc Công nghệ vi hệ thống (MST - Microsystems
Technology) – tên gọi đƣợc sử dụng ở Đức và một số nƣớc châu Âu khác [1-3], đang là
một trong những lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh nhất hiện nay trên thế giới. Hệ thống
vi cơ điện tử đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
“Hệ thống vi cơ điện tử - MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp các vi cảm biến
(sensors), bộ vi kích hoạt/chấp hành (actuators) và các vi mạch điện tử (micro electronic
circuits)” [4]
Hoặc theo Lyshevski [5]:
“Hệ thống vi cơ điện tử là hệ thống tích hợp có kích cỡ micro được sản xuất hàng loạt
(batch-fabricated) với các phần tử là các bộ vi kích hoạt/chấp hành, các bộ vi cảm biến,
các bộ vi mạch điều khiển và xử lý tín hiệu (controlling/processing IC), các thiết bị truyền
năng lượng kích cỡ micro (radiating energy microdevices) để:
1. chuyển đổi các tín hiệu điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu vào thành các tín hiệu
điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu ra và ngược lại;
2. thực hiện các chức năng như cảm biến, kích hoạt …
3. đảm nhận nhiệm vụ điều khiển, phân tích dự báo, xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu thông
qua các phần tử điện cơ, điện tử, quang học và sinh học kích cỡ micro.
Chúng ta có thể gặp những ứng dụng của công nghệ Vi cơ điện tử - MEMS ngày càng
nhiều trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong công nghiệp, các sản phẩm Vi cơ điện tử
6

đƣợc ứng dụng trong robot, các hệ thống sản xuất linh hoạt, các thiết bị đo lƣờng, kiểm

tra… Trên hình 1.1 là đồ thị về độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian [6]:

Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian
Trên đồ thị 1.1 có thể thấy cùng với độ chính xác đo đạc, độ chính xác trong gia công cũng
ngày một tăng cao, từ khoảng milimét trong những năm đầu thế kỷ 20, đến đầu thế kỷ 21,
các sản phẩm đƣợc gia công đôi khi có độ chính xác đến hàng thập phân của micromét.
Đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, số lƣợng các cảm biến MEMS nhƣ các cảm biến
gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến đo áp suất… đƣợc trang bị trong một chiếc ô tô
hiện đại ngày càng tăng [7]. Trong lĩnh vực viễn thông, có thể gặp các sản phẩm MEMS
trong các thiết bị di động, hệ thống ra đa … Các sản phẩm MEMS cũng có ảnh hƣởng lớn
đến ngành công nghiệp chế tạo vũ khí cũng nhƣ thám hiểm vũ trụ. Một trong các địa chỉ
ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự hoặc dân sự. Công nghệ vi cơ điện tử cũng đƣợc
sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày nhƣ trong các thiết
bị nghe nhìn, máy tính, máy in …
Công nghệ y sinh cũng là lĩnh vực không thể thiếu khi nhắc đến ứng dụng của công nghệ
vi cơ điện tử. Lý do chính là vì sự tƣơng thích về kích cỡ của các linh kiện MEMS với các
mẫu hay vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng, nghiên cứu trong y học cũng nhƣ sinh học. Công
nghệ MEMS thƣờng đƣợc sử dụng trong các thiết bị đo huyết áp, thiết bị nội soi, cũng nhƣ
trong các hệ phân tích máu và các mẫu sinh học kích cỡ micro khác… Sản phẩm tiêu biểu
Gia công
Đo đạc
Thời gian (năm)
Độ chính xác (µm)
Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc vàgia công theomốc thời gian
(Micromechatronics – Uchino K., Giniewicz J.)
7

có thể nhắc tới ở đây là các “hệ phân tích tổng hợp kích thước micro” (Micro total analysis
system - µTAS) hay “phòng thí nghiệm trên chip” (Lab-on-a-chip – LOC).
Đi cùng các hệ µTAS nói riêng cũng nhƣ các hệ vi cơ điện tử nói chung là các hệ vi vận

tải, vi lắp ráp và các micro robot với chức năng vận chuyển và lắp đặt các vi mẫu đến
những vị trí yêu cầu. Để thực hiện những công việc đó, cụ thể là để tạo ra các chuyển động
nhƣ mong muốn, chúng ta phải thiết kế những động cơ và các bộ kích hoạt/chấp hành có
kích thƣớc tƣơng ứng. Đây là lý do tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, thiết kế các vi động
cơ quay có khả năng ứng dụng trong các hệ micro robot để thực hiện trong luận án của
mình.
1.2 Vi động cơ và các phƣơng pháp phân loại
Trong thế giới vĩ mô (macro world) chúng ta đang sống, các động cơ đã trở thành một
phần không thể thiếu của cuộc sống hàng ngày. Chúng ta gặp các động cơ từ các thiết bị
gia dụng trong nhà, trên các phƣơng tiện vận tải trên đƣờng đến công sở, đến các máy móc,
thiết bị trong các nhà máy, cơ sở nghiên cứu. Theo Polka [8] động cơ là “thiết bị dùng để
chuyển đổi các dạng năng lượng như điện, nhiệt, từ, hóa … sang năng lượng cơ học để tạo
ra chuyển động - quay hoặc tịnh tiến”
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của ngành công nghệ Micro và Nano,
việc nghiên cứu, chế tạo các động cơ kích thƣớc micro – còn gọi là các vi động cơ đã trở
thành yêu cầu cấp thiết. Cùng với các bộ vi kích hoạt/chấp hành, các vi động cơ là nguồn
dẫn động cho các thiết bị MEMS, các micro robot, cũng nhƣ các hệ vi vận tải và lắp ráp…
Vi động cơ đƣợc định nghĩa là loại động cơ kích thƣớc cỡ micromét có chức năng chuyển
đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…), hóa học, sinh học … thành chuyển động cơ học
(thẳng hoặc quay) dùng trong dẫn động các vi hệ thống.
Điểm khác biệt lớn trong việc thiết kế các vi động cơ so với các động cơ thông thƣờng nằm
ở kích thƣớc hệ thống và hình thức liên kết giữa động cơ và hệ thống mà nó dẫn động. Đối
với các động cơ trong thế giới vĩ mô, trong nhiều trƣờng hợp, thành phần không thể thiếu
dùng để liên kết động cơ cùng hệ thống đƣợc thiết kế là hộp giảm tốc. Các hộp giảm tốc có
nhiệm vụ thay đổi vận tốc về mức vận tốc làm việc cũng nhƣ tăng mômen xoắn. Trong thế
giới vi mô, khi các kích thƣớc đƣợc tính theo micro hay nanomét, việc chế tạo các hộp
giảm tốc bao gồm các bánh răng lắp trên trục trở nên vô cùng khó khăn và tốn kém. Vấn đề
nan giải khác là làm thế nào để kết nối giữa các vi động cơ với các vi hệ. Các biện pháp sử
dụng khớp nối trục, vốn thông dụng trong các loại máy móc, sẽ không thể sử dụng đƣợc
8

trong những hệ thống với kích thƣớc tính theo micromét. Từ các nguyên nhân đó, có thể
thấy các vi động cơ cần đƣợc thiết kế với cách tiếp cận khác, để có thể dễ dàng tích hợp
với các thiết bị kích cỡ micro.
Minhang Bao trong [4] có đề cập đến vi động cơ đầu tiên là vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện
đƣợc thiết kế bởi Tai và Muller [9]. Trong vi động cơ này, rotor sẽ quay theo bƣớc tùy theo
điện áp dẫn đƣợc đặt lên cực nào của stator (hình 1.2).

Hình 1.2 Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện
Tuy nhiên, khi xét đến các vi động cơ tịnh tiến, từ năm 1969 Joyce và Wilson đã giới thiệu
động cơ bƣớc kiểu áp điện có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến hai chiều với các bƣớc
chuyển động dao động trong khoảng 0,15 m và sai số vị trí ở mức 0,01 m [10]. Trong
[11], vào năm 1987, Trimmer và Gabriel đã đƣa ra các đề xuất thiết kế và thực hiện mô
phỏng hoạt động của các vi động cơ kiểu tĩnh điện quay hoặc tịnh tiến ở điện áp dẫn 100
V. Từ những công trình đầu tiên nghiên cứu về vi động cơ cho đến nay, đã có thêm rất
nhiều vi động cơ đƣợc thiết kế, chế tạo và ứng dụng. Để có một cái nhìn tổng quát, có hệ
thống về các vi động cơ, điều tất yếu là phải tiến hành phân loại chúng.
Phƣơng pháp phân loại đầu tiên dựa trên dạng chuyển động mà vi động cơ tạo ra. Theo
phƣơng pháp này đối tƣợng nghiên cứu sẽ đƣợc chia thành các vi động cơ quay
(rotary/rotational micro motor) và các vi động cơ tịnh tiến (linear micro motor) (hình 1.3).
Có thể tiếp tục phân loại các vi động cơ quay thành các vi động cơ quay một chiều, quay
hai chiều hoặc chỉ lắc qua lại một góc nhất định.
9


Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động
Phƣơng pháp phân loại thứ hai sẽ dựa trên hiệu ứng dùng để dẫn động vi động cơ. Trong
luận án, tác giả chỉ tập trung vào những hiệu ứng quan trọng mà đa số vi động cơ sử dụng.
Các hiệu ứng đặc biệt, ví dụ nhƣ các vi động cơ hoạt động dựa trên chuyển động của các vi
khuẩn hay tế bào… sẽ đƣợc xếp chung vào một nhóm. Có thể liệt kê các hiệu ứng thƣờng

đƣợc sử dụng là hiệu ứng điện từ (electromagnetic), tĩnh điện (electrostatic), nhiệt điện
(electrothermal), áp điện (piezoelectric) và hiệu ứng hợp kim nhớ hình SMA (shape
memory alloy). Hình 1.4 miêu tả phƣơng pháp phân loại vi động cơ thứ hai:

Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động
Để đƣa ra cái nhìn tổng quan về các vi động cơ, tác giả kết hợp hai phƣơng pháp phân loại
đã trình bày ở trên.
1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor)
Ngày nay, phần lớn các động cơ đƣợc sử dụng trong đời sống là các động cơ điện hoạt
động theo nguyên lý điện từ. Tuy nhiên trong thế giới vi mô, các vi động cơ kiểu tĩnh điện
mới là loại động cơ đƣợc ứng dụng nhiều nhất. Có thể liệt kê một số ƣu điểm của các vi
động cơ tĩnh điện nhƣ khả năng tạo thành điện trƣờng với cƣờng độ lớn do khoảng cách rất
nhỏ giữa các bản cực (submicron air gap), dễ đạt đƣợc vận tốc làm việc lớn, dễ dàng chế
tạo trên các tấm silic cũng nhƣ khả năng tích hợp mạch điều khiển ngay trên chip [12]. Các
vi động cơ kiểu tĩnh điện đều sử dụng lực Coulomb tƣơng tác giữa các bản cực để tạo ra
chuyển động.
V1
V2
V2
V1
Vi độngcơ
Quay
Tịnh tiến
Vi độngcơ
Điện từ
Tĩnh điện
Áp điện
Nhiệt điện
SMA
Hiệu ứng khác

10

1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện
Có thể liệt kê một số phƣơng án thiết kế các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện, đó là các vi
động cơ bƣớc kiểu truyền thống (step motor), các vi động cơ sử dụng trực tiếp các lực tĩnh
điện tạo ra biến dạng cơ học, qua đó thu đƣợc chuyển vị (shuffle motor). Cũng có thể sử
dụng lực tĩnh điện một cách gián tiếp, ví dụ nhƣ trong các vi động cơ dạng sâu đo
(inchworm motor) hoặc các động cơ dùng lực tĩnh điện bóp kẹp để tạo ra chuyển động tịnh
tiến qua lại của thanh trƣợt.
Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện: Các vi động cơ tịnh tiến dạng này không phổ
biến bằng các vi động cơ quay. Nguyên nhân do để thu đƣợc hành trình lớn của thanh trƣợt
(shuttle), phải bố trí nhiều cực cố định của stator theo phƣơng trƣợt. Điều đó làm tăng kích
thƣớc của hệ thống. Trong [13], các tác giả giới thiệu vi động cơ bƣớc 3 pha kiểu tĩnh điện,
với hành trình của thanh trƣợt là 52 m ( 26 m). Hệ thống bao gồm hai thành phần
chính là thanh trƣợt đƣợc liên kết với khung cố định bằng các cấu trúc đàn hồi và stator với
các cực bố trí đối xứng hai bên thanh trƣợt (hình 1.5). Stator đƣợc nối với nguồn điện 3
pha, trong đó từng pha có thể đƣợc kích hoạt độc lập.

Hình 1.5 Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện
Nhìn chung quy trình chế tạo phần khung và thanh trƣợt của vi động cơ tƣơng đối đơn giản
do chỉ phải sự dụng công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu (DRIE) để tạo ra cấu trúc 3D, tuy
(1.5b)
(1.5a)
11

nhiên việc chế tạo stator khá phức tạp vì phải tạo các lớp cách điện cũng nhƣ các cầu nối
(interconnect). Vi động cơ hoạt động với bƣớc chuyển động là 1,4 m và điện áp dẫn cỡ
30 V.
Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle motor): Để tạo ra chuyển động tịnh tiến, trong
[14], Tas và nhóm nghiên cứu bằng cách điều khiển giữ cố định hoặc thả chân phía trƣớc

và phía sau bản cực di động, sau đó sử dụng trực tiếp lực tĩnh điện tác động để làm biến
dạng bản cực di động và tạo ra chuyển vị của bản cực di động trên bề mặt của bản cực cố
định (hình 1.6). Vẫn trên nguyên lý làm việc đó, Sarajlic vào năm 2005 tiếp tục phát triển
để thiết kế vi động cơ kiểu tĩnh điện có thể chuyển động tịnh tiến theo hai hƣớng [15].

Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle)
Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Thay vì dùng các lực tĩnh điện tác động trực tiếp lên
thanh trƣợt, các vi động cơ dạng này sử dụng phƣơng pháp gián tiếp. Richard Yeh và các
đồng nghiệp sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng răng lƣợc ECA để tạo ra các cơ
cấu kẹp và đẩy thanh trƣợt [16]. Dƣới tác dụng kẹp và đẩy của các lực tĩnh điện pháp
tuyến, thanh trƣợt có thể chuyển động với hành trình 80 m. Ở mức điện áp dẫn 33 V, lực
sinh ra tƣơng ứng là 260 N. Trên hình 1.7 là sơ đồ hoạt động cũng nhƣ ảnh chụp qua kính
hiển vi điện tử của vi động cơ sau khi đƣợc chế tạo.