thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


1
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 3
Chương I: Tổng quan về MEMS và lựa chọn trúc 4
1. Tổng quan về MEMS 4
2. Lịch sử phát triển của MEMS 6
3. Tổng quan về các loại micro motor 8
3.1. Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược 8
3.1.1 Nguyên lí hoạt động 8
3.1.2. Cấu tạo 9
3.1.3. Ứng dụng 9
3.1.4. Ưu điểm, nhược điểm 10
3.2. Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt 11
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm 11
3.2.2. Ưu điểm, nhược điểm 12
3.2.3. Ứng dụng 12
3.3. Motor quay 2 chiều nhiệt chữ V 13
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt chữ V 13
3.3.2 Ưu điểm, nhược điểm 14
3.3.3 Ứng dụng 14
4. Đề xuất mô hình 15
Chương II : Tính toán thiết kế 16
1. Nguyên lý hoạt động 16
2. Tính toán vi động cơ 16
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

2
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

ChươngIII: Quá trình chế tạo actuator nhiệt điện 22
1. Các Mask sử dụng trong quá trình gia công 22
2. Chế tạo bánh răng và dầm: 24
3.Chế tạo 3 trục tại bánh răng và dầm. 28

5.Chế tạo thanh truyền thứ hai. 37
Chương IV:Kết Luận. 43
Tài liệu tham khảo 44
















Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

3
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển của khoa học công nghệ trong nhưng thập niên gần đây, thế kỉ
XIX được coi là thế kỉ của kỉ nguyên số và công nghệ cao.Xu thế tập trung và những
ngành công nghiệp công nghệ cao, kĩ thuật tinh vi chuyên môn tự động trong sản xuất từ
khâu nghiên cứu chế tạo đến bước cuối cùng hành thành sản phẩm. Đáp ứng những nhu
cầu yêu cầu cao của con người, cũng như phù hợp với sự tất yêu phát triển của thời đại
nền kinh tế tri thức ngày càng hoàn thiện và tiên tiến hơn.
Trong ngành khoa học công nghệ cao thì lĩnh vực vi cơ điện tử tuy mới phát triển
nhưng có nhưng đóng góp to lớn cho sự phát triển khoa học công nghệ của toàn nhân
loại, đặc biệt ngành micromotor đã chú trọng rất nhiều cho những cải tiến phát minh ứng
dụng sâu rộng trong các nghành công nghiệp, kĩ thuật điều khiển tự động, tự động hóa
cao thay thế lao động trực tiếp của con người. Được sự giúp đỡ của giảng viên chúng em
đã chọn đề tài : “ Vi động cơ kiểu nhiệt điện ” làm đề tài nghiên cứu cho môn học thiết kế
hệ thống vi cơ điện tử của mình.
Trong quá trình học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giảng
dạy môn học thiết kế hệ thống vi cơ điện tử đã giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên
cứu này. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng không tránh khỏi những sai sót và hạn chế cần
khắc phục. Vì vậy chúng em rất mong được sự chỉ bảo đóng góp ý kiến từ thầy để chúng
em có thể khắc phục và hoàn thiện hơn đề tài mà chúng em đã nghiên cứu.
Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo tận tình của thầy
PGS.TS.Phạm Hồng Phúc đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này !


Trân trọng cảm ơn
Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2015

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


4
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Chương I: Tổng quan về MEMS và lựa chọn trúc
1. Tổng quan về MEMS
Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích
thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. Điều này đã mang lại sự
biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX,
một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất
cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems)
viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này.
Hệ thống vi cơ điện tử -MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là hệ thống
tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử được sản xuất
bằng công nghệ Micro. Hai dòng sản phẩm chính của MEMS là sensor ( cảm biến) và
actuator (bộ kích hoạt)
`

Hình 1.1: Sản phẩm chính của MEMS
MEMS
Sensor
Actuator
Lực
Gia
tốc
Vận
tốc
góc
Nhiêt
Nhiệt
Áp
điện
Tĩnh
điện
Hợp
kim
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


5
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công
nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện
tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các linh kiện MEMS thường được
cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một
chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học,
quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào:

hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với các ưu thế: có thể tạo ra những
cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, cho phép tích hợp các mạch điện tổ
hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau, chế tạo hàng loạt, độ lặp lại cao, có thể là một linh
kiện đơn lẻ hoặc là một thiết bị hoàn chỉnh, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra
những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong
cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ
kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và
cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn.
Bộ chấp hành ( dẫn động, truyền động – Actuator) là cấu trúc biến đổi các dạng
năng lượng cơ, quang, nhiệt, điện từ, hóa học, sinh học thành năng lượng cơ học, tạo ra
chuyển động tương đương với một quá trình điều kiển. Kết quả của một quá trình có thể
là một tác động dưới dạng: ngăn cản, kẹp chặt, kéo đẩy. Được ứng dụng trong lĩnh vực tự
động hóa trong các quy trình sản xuất: motor, robot…
Về Micro Motor, có 2 loại động cơ sử dụng 2 bộ kích hoạt điển hình là:
 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện (Kiểu răng lược)
 Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt (Bộ kích hoạt nhiệt chữ V hoặc bộ kích
hoạt nhiệt hot – cold arm)

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


6
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56


Cảm biến áp suất Cảm biến gia tốc Con quay vi cơ


Micromotor Vi gương ( Micromiror ) Vi vận chuyển
Hình 1.2: Một số ứng dụng của MEMS

2. Lịch sử phát triển của MEMS
- Thập kỷ 50
+ 1954: Charles Smith tìm ra hiệu ứng Áp điện trở ở vật liệu bán dẫn (Silicon - Si và
Germanium - Ge) .
+ 1958: Cảm biến đo biến dạng (strain gauge - SG) trở thành thương phẩm (hãng
Honeywell) .
+ 12/1959: Richard P. Feymann có bài thuyết trình nổi tiếng “Plenty of Room at the
Bottom” đề cập ý tưởng vi chế tạo các linh kiện và thiết bị…
- Thập kỷ 60
+ 1962: Công bố các nghiên cứu về ăn mòn ướt đẳng hướng vật liệu si-líc trong qui
trình chế tạo bóng bán dẫn (Transistor).
+1967: Công bố các kết quả nghiên cứu về ăn mòn ướt dị hướng (anisotropic etching) và
ăn mòn dừng (etch-stop) vật liệu si-líc.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


7
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

+1967: Ra đời công nghệ vi cơ bề mặt (surface micromachining).
+ 1969: Lần đầu tiên, transistor bán dẫn FET được chếtạo theo công nghệ MEMS.
- Thập kỷ 70
+ 1977: Cảm biến áp suất kiểu tụ được chế tạo lần đầu tiên.
+ 1979: Cảm biến gia tốc silicon đầu tiên được chế tạo.
- Thập kỷ 80
+ 1984: Linh kiện MEMS trên cơ sở vật liệu polysilicon được chế tạo lần đầu tiên.
+ 1987: Thuật ngữ MEMS chính thức được đưa ra và được thừa nhận để chỉ về một lĩnh
vực công nghệ mới, kèm theo là các biến thể tương đương, MICROSYSTEM sử dụng ở
châu Âu và MICROMACHINED ở Nhật.
+ 1989: Vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện cũng được chế tạo thành công.

- Thập kỷ 90
+ 1993: Cảm biến gia tốc vi cơ bề mặt chính thức trở thành thương phẩm.
+ 1995: Mở ra kỷ nguyên của các linh kiện MEMS y-sinh.
+ 1999: Một loạt các thiết bị công nghệ tiên tiến cho các qui trình chế tạo ăn mòn khô
sâu, cắt gọt bằng laser, quang khắc UV sâu (deep UV) được chế tạo giúp cải thiện cho
các quá trình chế tạo.
- Thế kỷ 21
+ 2000: Các bộ chuyển mạch quang dùng sợi quang dẫn trở thành thương phẩm và tạo
được doanh số lớn.
+ 2001: Phát triển MEMS năng lượng ứng dụng làm bộ nguồn điện trong các thiết bị di
động.
+ 2002: Đánh dấu giai đoạn các linh kiện MEMS được phát triển ứng dụng mạnh mẽ
trong lĩnh vực y-sinh làm các bộ phân tích hóa-sinh hoàn chỉnh siêu nhỏ như hệ phân
tích DNA.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


8
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

+ 2007: Hệ thống vi vận chuyển (Microtransportation) được chế tạo .

Hình 1.3: Micro motor răng lược
3. Tổng quan về các loại micro motor
3.1. Động cơ sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược
3.1.1 Nguyên lí hoạt động

Hình 1.4: Tĩnh điện kiểu răng lược
Bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược có nguyên lí hoạt động như sau: Khi ta đặt
vào 2 bản tụ được xếp song song như hình vẽ một hiệu điện thế thì giữa chúng sinh ra lực

tĩnh điện theo phương pháp tuyến, lực này làm cho hai bản tụ bị hút vào với nhau.
Lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến F
n
:


 







Trong đó:
A: Diện tích phần răng lược (bản tụ) trùng nhau, A = h.y
0

ε, ε
0
: Các hằng số điện môi, h: Bề rộng răng lược (bản tụ).
V: Điện áp đặt, y
0
: Phần răng lược trùng nhau.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


9
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

3.1.2. Cấu tạo
Cấu tạo bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược bao gồm các bản tụ điện được xếp
song song, đan xen lẫn nhau (hình vẽ). Trong đó, có một bản cực là bản cực cố định, bản
cực kia có thể di động được. Khi ta đặt vào 2 bản cực này một hiệu điện thế V, thì lực
tĩnh điện sinh ra giữa 2 bản cực sẽ hút bản cực di động về gần phía với bản cực cố định.
Ở trên bản cực di động có thể được gắn với các thanh nhằm truyền chuyển động ra ngoài.

Hình 1.5: Cấu tạo tĩnh điện kiểu răng lược
3.1.3. Ứng dụng
Bộ kích hoạt nhiệt kiểu răng lược được ứng dụng và chế tạo rất rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp, y –sinh, . Ở trên thế giới, thì cấu trúc truyền
động tĩnh điện kiểu răng lược được ứng dụng từ những năm 1989 đó là: Cho xác định vị
trí ổ đĩa các đầu lần đầu tiên chế tạo. Tiếp sau đó là vi động cơ hoạt động theo nguyên lí
tĩnh điện ( Rotary electrostatic micromotor) cũng được chế tạo thành công.

Hình 1.6: Vi cấu trúc của động cơ tĩnh điện
Năm 2007: Hệ thống vi vận chuyển (microtransportation) sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện
kiểu răng lược được chế tạo thành công.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


10
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56


Hình 1.7: Microtransportation
Hiện nay, việc chế tạo micro motor sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược
đã đạt được một số thành tựu nhất định. Trong tương lai ứng dụng của micro motor sẽ
ngày càng nhiều và quan trọng hơn do những ưu thế vượt trội của các chi tiết kích thước
micro mà các chi tiết kích thước thường không thể có. Vì vậy, nghiên cứu và chế tạo

micro motor sẽ là một lĩnh vực khoa học và công nghiệp phát triển mạnh mẽ trong tương
lai.


Hình 1.8: Động cơ quay một chiều sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện kiểu răng lược
3.1.4. Ưu điểm, nhược điểm
 Ưu điểm: Tiêu hao năng lượng thấp, thích hợp với mạch IC
 Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, các bản tụ có xu hướng bị hút lại với nhau gây mất
cấu trúc tụ dẫn đến dễ hỏng linh kiện.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


11
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

3.2. Động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt

a) Bộ kích hoạt dùng sự giãn nở b) Bộ kích hoạt cặp nhiệt của chất khí , chất lỏng

c) Bộ kích hoạt hot – cold arm d)Bộ kích hoạt dầm chữ V
Hình 1.9: Các bộ kích hoạt nhiệt( Electrothermal Actuator)
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm


Hình 1.10: Thermal actuator hot – cold arm (one hot arm)

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


12

Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Cấu tạo của bộ kích hoạt nhiệt dạng hot- cold arm được thể hiện như hình vẽ. đặt
vào hai đầu ngàm của bộ kích hoạt một hiệu điện thế V, vì trong các thanh hot arm và
cold arm đều có điện trở suất mà hot arm thường mỏng hơn so với cold arm, nên điện trở
của hot arm trở nên cao hơn so với cold arm. Khi một dòng điện đi qua hot và cold arm,
thì nhiệt tạo ra trong hot arm lớn hơn nhiệt tạo ra trong cold arm. Dẫn đến thanh hot arm
dãn nở vì nhiệt lớn hơn cold arm, thanh hot arm có cấu trúc đàn hồi giãn ra đẩy cong về
phía thanh cold arm, bộ kích hoạt chuyển động. Khi hiệu điện thế bằng 0, lúc này nhiệt
độ trang các thanh hot và cold arm trở về nhiệt độ môi trường, trở về vị trí ban đầu, bộ
kích hoạt không chuyển động.
3.2.2. Ưu điểm, nhược điểm
 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vào thấp
 Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu
làm dầm. Kém nhạy hơn kết cấu tĩnh điện.
3.2.3. Ứng dụng
Hiện nay các động cơ quay, tịnh tiến sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm
đang được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một
số mô hình động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm của Đại học Texas
Christian, Mỹ.

Hình 1.11: Micro motor tịnh tiến 2 chiều sử dụng bộ kích hoạt nhiệt hot – cold arm
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


13
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56


Hình 1.12: Micro motor quay sử dụng bộ kích hoạt hot – cold arm

3.3. Motor quay 2 chiều nhiệt chữ V
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của bộ kích hoạt nhiệt chữ V

Hình 1.13: Bộ kích hoạt nhiệt chữ V
Trong bộ kích hoạt nhiệt chữ V (hình vẽ), dầm V có kích thước b rất nhỏ hơn so
với chiều dài L ( L ≈ 100.b ). Đặt hiệu điện thế dạng xung (f) vào hai đầu của bộ kích
hoạt nhiệt chữ V. Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là V, dầm mảnh có điện trở suất
do đó sẽ nóng lên và có sự giãn nở vì nhiệt . Càng gần về phía ngàm thì dầm chữ V càng
giãn nở nhỏ và phía đầu ngàm nhiệt độ gần như bằng với môi trường nên sự giãn nở là
không đáng kể. Càng xa phía ngàm thì sự giãn nở càng lớn kéo theo dầm đẩy tịnh tiến về
phía trước. Lúc hiệu điện thế giữa hai đầu ngàm là 0, lúc này nhiệt độ trong dầm chữ V
bằng với nhiệt độ môi trường do đó dầm chữ V sẽ dịch chuyển về vị trí ban đầu kéo theo
dầm đẩy cũng trở về vị trí ban đầu.
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


14
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

3.3.2 Ưu điểm, nhược điểm
 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, khi hoạt động cần điện áp đầu vào thấp.
 Nhược điểm: Hoạt động dựa vào sự thay đổi nhiệt độ và độ dãn nở của vật liệu
làm dầm. Kém nhạy hơn kết cấu tĩnh điện.


3.3.3 Ứng dụng
Mô hình của một số động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V:

Hình 1.14: Cấu tạo vi động cơ (Hội nghị cơ học KT 9/4/2014)

JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 10, NO. 2, JUNE 2001

Hình 1.15:Vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


15
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Trong thực tế hiện nay các ngành khoa học và công nghiệp về MEMS đã phát
triển lên tầm cao, đạt được nhiều thành tựu đáng kể nhưng lĩnh vực về Micro motor đặc
biệt là micro motor sử dụng bộ kích hoạt nhiệt chữ V đang là vấn đề khá mới mẻ, chưa
phát triển xứng tầm với những ưu việt mà bộ kích hoạt này mang lại. Vì vậy, nhóm chúng
em đã mạnh dạn chọn đề tài “Tính toán, thiết kế và chế tạo Motor nhiệt điện 1 chiều
chữ V”. Nhằm mục đích chính là giới thiệu quy trình thiết kế một Motor theo quy trình
MEMS với bộ kích hoạt nhiệt chữ V.
4. Đề xuất mô hình
Dựa vào yêu cầu là chế tạo motor quay hai chiều nhiệt chữ V và sự tham khảo các
kết cấu trước đó. Nhóm chúng em đã thống nhất ý tưởng của mô hình như sau :

Hình 1.15: Mô hình cấu trúc
Mô hình gồm 2 dầm chữ V, 2 thanh dẫn truyền và 2 bánh răng ăn khớp với nhau



Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


16
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Chương II : Tính toán thiết kế
1. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống kích hoạt chữ V đặt vuông góc theo hai phương Ox và Oy , 1 thanh kéo và 1
thanh đẩy làm cho cơ cấu culit gắn trên bánh răng chuyển động, kéo theo hệ thống bánh
răng chuyển động.
 Ưu điểm:
 Nguyên lý hoạt động đơn giản.
 Nhược điểm:
 Kết cấu khá cồng kềnh.
 Chuyển động lắc của culít có hiện tượng giật khi chuyển động với tần số lớn.
2. Tính toán vi động cơ











Hình 2.1: Cấu trúc dầm chữ V

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


17
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Phương trình truyền nhiệt trong các dầm chữ V:
-
2
2
2
0
dT
kJ
dx



(1)
(Trích tài liệu 3)

Trong đó :
T là nhiệt độ tại vị trí x
k là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

là điện trở suất của dầm, J là mật độ dòng điện
Nghiệm của phương trình trên được biểu diễn như sau :
-
22
2 2 2 2 2 2 2
11
()
AL AL
Ax Ax

r
AL AL AL AL
B B e B e
T x T e e
A A e e A e e



  
   


(2)

Với các thông số ban đầu được lấy theo tiêu chuẩn

r
T
=20
0
C – Nhiệt độ phòng
2
2
(2 )
O
U
B
Lk



,
2
AB


, L=1000
m

, U=30V,

=4.10
-6
,
30
1,25.10 / C




1200
o
m


, k=1,5.10
-4
W/
m

K

Thay vào ta được :
2
9
6 2 4
30
5.10
(2.1000.10 ) .1200.1,5.10
B


=> A
2
=B

;

=1,25.

=> A=2500;
=>
2
800
B
A




2
22

2
22
1
0.07585818003
1
0.9241418201
AL
AL AL
AL
AL AL
e
ee
e
ee









Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


18
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

(3)

=>
0
ax
( 1000) 396
m
T T L C  


Hình 2.2: Phân bố nhiệt độ với độ dịch chuyển
Ta đi tính chuyển vị của dầm:

Hình 2.3: Sơ đồ tính chuyển vị dầm
Coi α - hệ số giãn dài là hằng số ta có độ giãn dài của dầm V là:
1 2 1 2
2
0
[T(x)-T ] [ . ]
L
AL AL
r
C C C C
B
L dr L e e
A A A A A

      


(4)

0.001250000000 -0.001250000000
( ): 820.0000000-60.68654402 -739.3134561
xx
T x e e
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


19
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

22
12
2 2 2 2 2 2
11
,
AL AL
AL AL AL AL
B e B e
CC
A e e A e e


  
   


Thay số ta được:

=1,03 mL



Chuyển vị của dầm đẩy : ( góc

chọn 2
0
)
(4)
2 2 2
( ) os sinD L L L c L

     

(5)



6 2 6 2 2 0 6 0
((1000 1,03).10 ) (1000.10 ) os (2 ) (1000.10 ).sin(2 )
22,33
c
m

  
   


-Độ dịch chuyển tổng hợp của thanh đẩy khi cơ cấu hoạt động :

Trong một chu kì quay của vi động cơ, điểm đặt của thanh đẩy trên bánh răng sẽ di
chuyển hết quãng đường bằng chu vi của vòng tròn chứa điểm đặt đó, đồng thời di
chuyển hết khoảng dịch chuyển của thanh dầm do tác động của dầm chữ V gây ra , tức là
:
22RD




7,11
D
Rm





Lực đẩy trên dầm chữ V


Hình 2.5: Sơ đồ lực dầm chữ V
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


20
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Lực sinh ra do biến dạng nhiệt trên dầm chữ V:
b
L

F EA EA
L




(6)

Với: E là mô đun đàn hồi của vật liệu silicon ( chọn E =169 GPa)
A là diện tích mặt cắt ngang của dầm V
Lực sinh ra trên dầm đẩy theo quy tắc tổng hợp lực :
9 6 6 0
er
1,03
2 sin . os 2.5.169.10 .(6.10 ).(30.10 ). .sin(2 )
1000
10,33( )
th mal
L
F nEA c
L
mN







(7)

n : số cặp dầm
Lực ma sát của bánh răng với nền :
6 2 5 10
2329 188 10 10 0 38 9 8 10
ms ms
F V N
  
     . . . .( . ) . . , , . ( )

(8)

Phương trình cân bằng lực:
er
0
th mal ms
F F F  


(9)

Suy ra:
erth mal ms
F F F


erth mal
F


>>
ms
F
nên ta bỏ qua lực ma sát.
-Tính toán các momen trên bánh răng
Momen mà dầm đẩy tác dụng tâm quay của bánh răng:
3 6 7
er er
15 10 7 11 10 1 07 10
th mal th mal
M F R N m
  
  

. . . , . , . ( . )

(10)

- Momen cản trên bánh răng.
Suy ra:
9 6 13
2 94 10 188 10 5 5 10
c
M Fms R
  
  . , . . . , . (Nm)

Trong đó:
Fms_ Lực ma sát của bánh răng với nền.
R_Bán kính của khớp tác động quay bánh răng.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


21
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Phương trình cân bằng moment:
er
0
th mal c
M M M  


(11)

Suy ra:
erth mal c
M M M


Ta thấy
erth mal
M

>> Mc nên bánh răng quay được với các thông số dầm đẩy và kích
thước như đã tính.
-Vận tốc quay của bánh răng
Ta có vận tốc dài của bánh răng
D
v

t



(12)

Với :

D
=22,33 m
t là thời gian từ lúc dầm đẩy chạm khớp trên bánh răng đến lúc nó đẩy hết hành trình
22,33 m. Ta có thể coi thời gian này gần bằng thời gian cấp điện vào dầm V. Nguồn cấp
50 hz nên lấy t=0,01s
Suy ra:
6
3
22 33 10
2 233 10
1
0 01
2
D
v m s
f



  
,.
, . ( / )

,
.
(13)

=>
v
w
R

;
Với R là khoảng cách từ tâm bánh răng đến tâm của trục
=>
3
6
2,233.10
314,1(rad/ s)
7,11.10
w







Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


22
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

ChươngIII: Quá trình chế tạo actuator nhiệt điện


Hình 3.1. Actuator nhiệt điện.
1. Các Mask sử dụng trong quá trình gia công
Để gia công vi động cơ như yêu cầu, ta sử dụng 4 mask như sau
+ Mask 1: Tạo cấu trúc bánh răng và các dầm kích hoạt nhiệt chữ V.


+ Mask 2: Tạo cấu trúc trục trên các dầm V và trên bánh răng
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


23
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56


+ Mask 3 : Tạo cấu trúc của tay quay 1 và gối đỡ.



+ Mask 4: Tạo cấu trúc của tay quay 2


Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


24
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

2. Chế tạo bánh răng và dầm:
 Bước 1: Chuẩn bị tấm wafer và phủ chất cảm quang photoresist:
Chuẩn bị tấm wafer. Tấm wafer dùng trong quá trình chế tạo là tấm silicon trên
lớp cách điện SOI ( Silicon OnInsulating layer). Tấm wafer gồm có 3 lớp chính:

Hình 3.2 Cấu trúc tấm wafer


Lớp Si có bề dày 30
m

.
Lớp SiO
2
có bề dày 4
m

.
Lớp Silicon nền có bề dày 450
m

.
Trước khi gia công cần đưa tấm wafer vào buồng sạch để rửa các tạp chất trên
bề mặt bằng cách dùng dung dịch axeton công nghiệp rửa trong vòng 5 phút. Sau
đó rửa lại bằng nước sạch. Tiếp theo rửa bằng hỗn hợp dung dịch
2 4 2 2
H SO H O

tỉ lệ 4:1 (nước Piraha). Sấy khô để loại bỏ độ ẩm trên bề mặt ở nhiệt độ 100-200.

Photoresist là một chất cản quang có tính nhạy sáng dương .Trước khi phủ
photoresist ta tiến hành phủ một lớp hóa chất OPA để tăng cường khả năng kết
dính giữa bề mặt tấm wafer và chất photoresist sau đó đưa tấm wafer lên máy
quay tốc độ cao giữ chặt và quay với tốc độ vài nghìn vòng/phút để photoresist
văng đều trên bề mặt tấm wafer .Thực hiện sấy khô sơ bộ để làm bay hơi có trong
photoresist
 Bước 2: Quá trình quang khắc chế tạo bánh răng và dầm:
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc


25
Nhóm 3 - KT Cơ điện tử - K56

Đưa mask chứa hình ảnh của bánh răng và dầm và tấm wafer vào máy quang
khắc thực hiện quá trình chụp chiếu.
Nguồn phát sáng tia tử ngoại được khuếch đại sau đó chiếu qua mask. Hệ sẽ
được chiếu sáng để chuyển hình ảnh lên nền, vùng chiếu sáng sẽ bị phân hủy ở
bước tiếp theo, vùng không bị chiếu sáng chính là lớp cấu trúc của bánh răng và
dầm.

Sau khi được quang khắc dùng chất rửa NMD3( dùng cho photoresist dương) để
rửa bỏ phần photoresist bị phân hủy. Sau đó thực hiện sấy khô để phophoresist cứng hoàn
toàn ta được hình ảnh như sau:


 Bước 3: Quá trình ăn mòn khô hoạt hóa sâu (DRIE)

Đầu tiên quá trình ăn mòn silicon bằng việc sử dụng khí SF6. Đặc điểm của
khí SF6 là tạo thành luồng plasma để bắn vào bề mặt silicon, nó sẽ tác dụng với