Thiết kế vi cơ điện tử (vi động cơ quya kiểu tĩnh điện)

Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
--- &

---

BÁO CÁO
THIẾT KẾ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VI ĐỘNG CƠ QUAY KIỂU TĨNH ĐIỆN
Nhóm 4:

Nguyễn Văn Hoàng (NT)
Hồ Thanh Nhân

MSSV:

20131625
20132844

Dương Xuân Thủy
Nguyễn Quốc Cường

20130523

Nguyễn Văn Thành

20133543

Phạm Văn Hải

20115109

Nguyễn Văn Hoàng

20131624

Nguyễn Tiến Lộc

20132431

Giảng viên hướng dẫn :

PGS.TS Phạm Hồng Phúc
Hà Nội 11-2016

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 1


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

LỜI NÓI ĐẦU
Thế kỉ XXI được coi là kỷ nguyên của Công nghệ số với sự phát triển như
vũ bão của Khoa học – Công nghệ. Thành tựu của nó chính là đã tạo ra được

những sản phẩm công nghệ nhỏ gọn, tích hợp nhiều ứng dụng, an toàn với con
người và thân thiện với môi trường. Cùng với sự phát triển chung này, sự phát
triển của ngành Vi cơ điện tử ( Micro ElectroMechanical Sytems – MEMS )
cũng đã đạt được những thành tựu ấn tượng. Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn,
mạch tích hợp, hoạt động thông minh, độ chính xác cao, các thiết bị MEMS trở
thành bộ phận không thể thiếu trong điện thoại thông minh, các thiết bị số, các
thiết bị y tế, y sinh, công nghệ ô tô, công nghệ hàng kh ông - vũ trụ, các dây
chuyền sản suất linh hoạt CIM & FMS…Mặc dù còn nhiều thiếu thốn về kinh tế
và cơ sở vật chất nhưng ngành công nghệ MEMS tại Việt Nam cũng đã có được
nhiều thành tựu cơ bản, có nhiều công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về
MEMS đặc biệt như tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Bách Khoa T.p Hồ
Chí Minh, Đại học Quốc Gia Hà Nội…Công nghệ MEMS đã trở thành một
trong những ngành khoa học – công nghệ chiến lược quốc gia tới năm 2020.
Với tầm quan trọng đó, nhiều năm gần đây Viện Cơ khí, trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã đưa môn học Thiết kế hệ thống Vi cơ điện tử vào chương
trình học bắt buộc của kĩ sư ngành Cơ điện tử. Để hiểu sâu hơn về ngành công
nghệ MEMS cũng như sản phẩm ứng dụng của nó trong thực tế chúng em lựa
chọn đề tài: “ Thiết kế và tính toán vi động cơ quay kiểu tĩnh điện ’’
Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy
Phạm Hồng Phúc đã giúp nhóm em hoàn thành báo cáo này !
Hà Nội, tháng 11/2016
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhóm 4

MỤC LỤC
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 2

Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Chương 1: Tổng quan về MEMS
1.1.

Tổng quan về MEMS

Công nghệ vi chế tạo, cũng được biết đến là công nghệ MEMS
(Micro Electro Mechanical Systems) là một trong các công nghệ tiến tiến cho
phép chế tạo các linh kiện vi hệ thống cơ điện tử.

MEMS bao gồm các dạng vi cấu trúc cơ, các bộ cảm nhận tín hiệu (sensor),
các bộ chấp hành (actuator).

MEMS là một ngành công nghệ mới (khi so sánh với nhiều công nghệ khác
trên thê giới) nhưng cho đến nay những ứng dụng của MEMS trong khoa học kỹ
thuật ,trong sản xuất, trong đời sống là vô cùng phong phú và đa dạng. MEMS
có trong những chiếc máy ảnh kĩ thuật số, điện thoại thông minh, cho đến cac
phương tiện giao thông vận tải như ô tô, máy bay,…
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 3


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

MEMS hứa hẹn sẽ tạo ra một cuộc cách mạng cho các lọai sản phẩm, cho
phép phát triển các sản phẩm thông minh, tăng khả năng kết hợp giữa các yếu tố
vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ kích hoạt, tạo khả năng nhận biết và
điều khiển. Ngoài ra, MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế và ứng dụng.
Tổng quan về vi động cơ trong MEMS

1.2.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển với nghành công nghệ
Micro và Nano, việc nghiên cứu và chế tạo động cơ kích thước micro- hay còn
gọi là vi động cơ đã trở thành yêu cầu cấp thiết. Vi động cơ cùng với các vi kích
hoạt/chấp hành là nguồn dẫn động cho các thiết bị MEMS.
Vi động cơ được định nghĩa là loại động cơ kích thước micro có chức năng
chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…), hóa học, sinh học… thành chuyển
động cơ học (thằng hoặc quay) dung trong dẫn động các vi hệ thống.
1.2.1.

Phân loại

Phương pháp phân loại đầu tiên dựa trên dạng chuyển động mà vi động cơ
tạo ra. Theo phương pháp này vi động cơ sẽ được chia thành các vi động cơ
quay (rotary/rotational micro motor) và các vi động cơ tịnh tiến (linear micro
motor) (hình 1.3).

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 4


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Hình 1.3: Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động
Phương pháp phân loại thứ hai sẽ dựa trên hiệu ứng dùng để dẫn động vi
động cơ. Có thể liệt kê các hiệu ứng thường được sử dụng là hiệu ứng điện từ
(electromagnetic), tĩnhđiện(electrostatic), nhiệt điện (electrothermal), áp điện
(piezoelectric) và hiệu ứng hợp kim nhớ hình SMA (shape memory alloy).

1.2.2.

Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

Lực tĩnh điện cũng được dùng để vận hành vi động cơ có khả năng quay
tròn. Cấu trúc cơ bản của động cơ bao gồm 1 roto quay , được dùng như 1 điện
cực, stator là những điện cực đối diện. điện cực stator được dùng điều biến pha
khiến rotor có thể quay được liên tục. nếu xử lý bề mặt trục quay bằng phương
pháp kết tủa, động cơ sẽ được bôi trơn và làm việc lâu dài ổn định. Động cơ đã
được xử lý bôi trơn có thể hoạt động liên tục hàng ngàn giờ.
Phần lớn động cơ quay tĩnh điện được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề
mặt với nhiều lớp oxide hy sinh và silic đa tinh thể.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 5


Nhóm 4
1.3.
•

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Các nghiên cứu về vi động cơ quay tĩnh điện.
Bài báo: “ Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting Actuator”(Danelle M. 2001)

-

•

Bài báo: “Micro system Technologies, Micro and Nanosystem
information storage and processing system” -Phuc Hong Pham • Dzung
Viet Dao (2013)

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 6


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Tác giả đưa ra mô hình vi động cơ quay kiểu tĩnh điện, nhờ lực tĩnh điện
của các răng lược giúp cho vi động cơ quay. Nhờ cơ cấu chống đảo chiều vi
động cơ chỉ quay theo 1 chiều.


Ưu, nhược điểm của các bài báo khoa học.
Ưu điểm:

- Kết cấu và nguyên lý làm việc đơn giản
- Điều khiển dễ dàng
- Truyền chuyển động tốt, hiệu suất cao.
- Tiêu tốn ít năng lượng
• Nhược điểm:
- Cơ cấu chống đảo khó chế tao.
- Tạo lực ma sát giữa cơ cấu với nền
- Điện áp dẫn cao.
- Công suất dẫn động nhỏ, dễ trượt ở tốc độ cao.
Lý do chọn đề tài.
- Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện rất phổ biến và sử dụng hiệu quả
cho việc truyền chuyển động.
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của vi động cơ quay kiểu tĩnh điện
đơn giản.
- Có nhiều tài liệu, bài báo, luận văn viết về vi động cơ quay tĩnh
điện.
•

1.4.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 7


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Chương 2: Lý thuyết về tĩnh điện

2.1. Hiệu ứng tĩnh điện
2.1.1.
Lực pháp tuyến trên bản cực
Giả sử cung cấp điện áp một chiều V vào tụ điện gồm một cặp điện cực song
song như hình vẽ 2.1. Điện cực bên trái được cố định tại tọa độ x=0, điện cực
bên phải có thể di chuyển theo phương x,điện dung của tụ điện song song được

C=
tính:

A.ε .ε 0
x

(2.1)

Hình 2.1. Lực điện từ pháp tuyến trên điện cực
Trong đó: A là điện tích của điện cực

ε 0 = 8,854.10−12.

F
m

là hằng số.

là hằng số điện môi của chất điện môi giữa hai bản tụ điện (với không khí ).
Điện tích của tụ điện là:

Qc = C ( x ).V

Và năng lượng điện trường trữ trong tụ là:

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 8

(2.2)


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Ec =

1
.C ( x ).V 2
2

(2.3)

Có lực điện xuất hiện giữa hai điện cực. Lực F n này tác dụng vào điện cực
bên phải làm nó dịch chuyển một khoảng vô cùng nhỏ x, năng lượng của hệ
được bảo toàn gồm năng lượng nguồn cung cấp DC và của tụ điện:

Fn .∆x +

dEc
dE
.∆x + s .∆x = 0

dx
dx

(2.4)

Trong đó ES là năng lượng của nguồn cung cấp DC. Vì vậy ta có:

Fn = −

Từ biểu thức (2.3), ta có:

dEc dEs
−
dx
dx

dy 1 ∂C ( x) 2
= .
.V
dx 2 ∂x

(2.5)

(2.6)

V: là điện áp nguồn cung cấp, V không đổi và sự thay đổi của nó phụ
thuộc dòng điện tích vào ra hoạt động của nguồn cung cấp. Vì vậy ta có:

dEs
dQ

= −V . c
dx
dx

Từ biểu thức (2.1) và (2.2) ta được:

dEs ∂C ( x) 2
=
.V
dx
∂x

Từ biểu thức(2.5) ta tìm ra:

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 9

(2.7)

(2.8)


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

A.ε .ε 0 2
1 ∂C ( x ) 2
Fn = .

.V = −
.V
2 ∂ ( x)
2.x 2

(2.9)

Dấu “ -” trong biểu thức trên chỉ ra rằng lực tác dụng hướng điện cực di chuyển
về phía điện cực cố định.

2.1.2.

Lực tiếp tuyến trên bản cực

Ta tiếp tục khảo sát tụ điện gồm hai bản cực song song cách nhau một khoảng
không đổi . Tấm bên dưới được cố định, tấm bên trên có thể di động theo
phương y như hình vẽ (2.2). Giả sử rằng khoảng cách trùng nhau y lớn hơn
nhiều khe hở giữa hai tấm.

Hình 2.2. Lực điện từ tiếp tuyến trên điện cực

C=
Điện dung giữa hai tụ điện là:

A.ε .ε 0 h. y.ε .ε 0
=
g0
g0

(2.10)

Trong đó h là chiều rộng của bản tụ. Điện tích của tụ điện là:

Qc = C ( y ).V
Và năng lượng của điện trường là:

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 10

(2.11)


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

h. y.ε .ε 0 2
1
Ec = .C ( y ).V 2 =
.V
2
2.g 0

(2.12)

Lực Ft tác dụng làm bản cực bên trên di chuyển một khoảng vô cùng nhỏ , theo
quan hệ của sự bảo toàn năng lượng:

Ft .∆y +

dEc
dE
.∆y + s .∆y = 0
dy
dy

(2.13)

Với Es là năng lượng của nguồn cung cấp DC. Sử dụng quan hệ:

dEc h.ε .ε 0 2
=
.V
dy
2.g 0
dEs
dQ
h.ε .ε 0 2
= − c .V = −
.V
dy
dy
g0

Và:

Ft =
Ta tìm được:
2.2.

h.ε .ε 0 2
.V
2.g 0

(2.14)

Chuyển vị pháp tuyến

Độ dịch chuyển song song
Bộ kích hoạt răng lược làm việc dựa vào lực tĩnh điện tiếp tuyến. Để loại bỏ tác
dụng của lực pháp tuyến, bản tụ đứng yên được sắp xếp đối xứng và xen kẽ về
hai phía của mỗi bản tụ có thể di chuyển, bởi đó lực pháp tuyến từ hai bên sẽ bị
triệt tiêu từng cặp. Chỉ còn lực tiếp tuyến Ft, nó không phụ thuộc vào sự dịch
chuyển., biểu thức tính độ dich chuyển của bộ kích hoạt răng lược là:

n.h.ε .ε 0 .V 2
− k. y = 0
g0
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 11

(2.22)


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Trong đó :
- h là chiều cao trùng lên nhau giữa các bản điện cực theo phương z.
- g0 là khe hở giữa bản điện cực có thể di chuyển và bàn điện cực đứng yên.
-

n là số răng có thể di chuyển

-

k là độ cứng của kết cấu lược theo phương tiếp tuyến y.

2.3.


Đề xuất thiết kế mới.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.4 chỉ ra cấu tạo của vi động cơ quay (MRM) gồm có bốn bộ kích
hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược liên kết với các cơ cấu truyền động, vành
răng cóc và bốn cơ cấu chống đảo.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 12


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

- Nguyên lý hoạt động:
Khi đặt một điện áp giữa hai điện cực cố định và điện cực di động của
dầm của bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, do lực tĩnh điện tiếp
tuyến, phần di động (gồm có dầm và vành răng lược di động) quay trái quanh
điểm đàn hồi. Thông qua cơ cấu truyền 4, chuyển động quay của bộ kích
hoạt/chấp hành được truyền ra vành răng ngoài 5 và quay ngược chiều kim đồng
hồ. Khi điện áp giảm về 0, các dầm cùng với răng lược và cơ cấu truyền động
hồi vị về vị trí ban đầu nhờ lực đàn hồi. Nhờ cơ cấu chống đảo 3, vành răng
không xoay theo chiều ngược lại. Vận tốc góc của vành răng phụ thuộc vào tần
số của điện áp đặt vào các điện cực.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 13


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Chương 3: Tính toán và thiết kế
3.1.

Kích thước hệ thống
 Kích thước vành răng cóc.



Kích thước dầm dẫn động.

Trong đó:
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 14


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc
Số răng lược di động là n=55
Số răng lược cố định là n’=57
Khe hở giữa 2 răng lược: g = 2()
Độ dài răng lược:

Cố định: h1 = 80 ()
Di động: h2 =80 ()

Độ dài trượt ngang tối đa l=22 ()
Bề rộng 1 răng b= 3 ()
Khe hở chế tạo
Bề rộng cổ đàn hồi: 4


3.2.

Cơ cấu chống đảo và răng lược cố định.

Phân tích lực và mô phỏng

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 15


Nhóm 4
3.2.1.

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc
Lực trong kì dẫn động

Là quá trình dẫn động cho bánh răng quay, dưới tác động của lực tĩnh
điện dầm dẫn động sẽ kéo bánh răng đi. Các lực trên răng cóc dẫn và răng cóc
của vành răng ngoài được phân tích trong nửa đầu của chu kỳ (hình 3.5).

Hình 3.5. Lực trong kì dẫn động
Trong đó:
Fes là lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lược.
Fel là lực đàn hồi từ cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi).
Fms1 là lực ma sát của vành răng ngoài và lớp nền.
Fdh2 là lực đàn hồi của lẫy chống đảo.
Fms2 là lực ma sát giữa chân hãm và các răng cóc.

Khi các răng cóc của vành răng ngoài được dẫn động bởi vành răng cóc dẫn,
chuyển vị của vành răng cóc dẫn phải thỏa mã điều khiện sau:
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 16


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

d = ip + θ
Với d là chuyển vị vủa thanh răng cóc dẫn, các số nguyên i = 1, 2,… thể
hiện số bước răng dịch chuyển, p = 10 µm là bước răng cóc và θ = 2 µm là khe
hở chế tạo trong cơ cấu truyền chuyển động.
-

Lực dẫn :
(3.1)

-

Các lực được xác định như sau:

(3.2)
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
Với: n = 55 là số răng lược trên 1 dầm đàn dồi dẫn động.
b=30 m là độ dày của răng lược.
g=2 m là khe hở giữa 2 răng lược.
fm = 0.3 là hệ số ma sát giữa lớp silic dẫn với nền.
m1,m2,m3 là khối lượng của cơ cấu tương ứng.
i = 1, 2,… số bước răng dịch chuyển
p = 10 µm là bước răng cóc
=2 m Là khe hở chế tạo
-

kp được tính qua mô phỏng

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 17


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc
kp =

1
= 3.85µ N / µ m
0.26

Hình 3.6 Mô phỏng độ cứng cổ dầm mang các răng lược tĩnh điện

kp =

1
= 3.85µ N / µ m
0.26

Với kp = 3.85 µN.µm-1 là độ cứng của cổ

dầm khi quay quanh điểm đàn hồi. Giá trị của kp được xác định qua mô phỏng
như trên hình 3.6. Với lực Fsim1 = 1 µN, ta tính được độ cứng của dầm mang
các răng lược tĩnh điện:

-

kp2 được tính qua mô phỏng.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 18


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

-

Giá trị của các lực được tính toán.

-

Xác định điện áp tối thiểu.

Điều kiện để lực dẫn làm vành răng cóc chuyển động là:

Suy ra:

Hay
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 19

Nhóm 4

Vậy:

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

với i=1 thì điện áp nhỏ nhất Vmin =82.06 (V)
với i=2 thì điện áp nhỏ nhất Vmin =109.56 (V).

3.2.2.

Tính toán lực trong kì hồi vị

Hình 3.8. Sơ đồ phân tích lực trong kì hồi vị
Trong kỳ hồi vị, dưới tác dụng của lực đàn hồi của dầm, thanh răng cóc
dẫn hồi vị về vị trí ban đầu và trượt trên vành răng ngoài, lực tác dụng giữa
chúng được chỉ ra trên (hình 3.8)
Ở đầu kỳ hồi vị, lực đàn hồi thắng lực ma sát và.
Và các công thức tính toán lực:
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 20


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Mô phỏng tính toán

Hình 3.9 Mô phỏng độ cứng của cổ dầm và lò xo cơ cấu chống đảo
Từ đó ta tính được:

-

Từ đó ta có các thông số về lực như sau:

với i=1
Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 21


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

với i=2
với i=1
với i=2
với i=1
với i=2

3.2.3.

Điều kiện hồi vị

- Điều kiện 1:

Hay:

Vậy nên điều kiện dẫn động là :
nếu

i = 1 -> = 46.2 > 14.32
i = 2 -> = 84.7 > 26.68

-

Thỏa mãn điều kiện 1

Điều kiện 2

Nếu i = 1 -> Q = 20 < 27.16 (không thỏa mãn)

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 22


Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

i = 2 -> Q = 36.68 > 27.16 (thỏa mãn)
i = 2 thì thỏa mãn điều kiện 2
Vậy để vành răng quay được 2 bước răng trong 1 bước dẫn cần điện áp
V = 109.56 (V)

3.2.4.

Tính vận tốc quay của động cơ

1 60.i. f 60.2. f
n= =
=
(rpm)
t
z
345

Trong đó:

Công thức:

n: số vòng quay trong 1 phút
t: thời gian quay được 1 vòng
z=345: số răng cóc của vành răng.
i=2 : số răng cóc dịch chuyển sau 1 lần dẫn.
f: tần số dòng điện cấp.

Vậy tùy thuộc vào tần số đặt vào mà ta tính được số vòng quay của bánh
răng trong một phút, hoặc từ số vòng quay ta có thể suy ra tần số đặt vào.
Điện áp cấp (Vpp = 115V), dải tần số cấp từ 1Hz đến 500Hz ta có kết quả
vận tốc góc tương ứng theo lý thuyết :

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 23

Nhóm 4

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

-

Mô phỏng ứng suất.
Ứng suất của dầm.

-

Ứng suất của cơ cấu chống đảo.

3.2.5.

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 24


Nhóm 4

-

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Ứng suất của cơ cấu dẫn.

Các giá trị ứng suất đều <600 N/m2 thỏa mãn ứng suất cho phép

Thiết kế hệ thống vi cơ điện tử

Page 25