Nghiên cứu, chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.87 MB, 68 trang )
NGUYỄN HOÀNG VIỆT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Nguyễn Hoàng Việt
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ TĨNH ĐIỆN
DẪN ĐỘNG BẰNG CÁNH MỀM
DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
KHOÁ 2017A
Hà Nội – Năm 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Hoàng Việt
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ TĨNH ĐIỆN
DẪN ĐỘNG BẰNG CÁNH MỀM
DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Phạm Hồng Phúc
Hà Nội – Năm 2019
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hoàng Việt
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh
mềm dựa trên công nghệ MEMS
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số SV: CA170368
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
29/09/2019 với các nội dung sau:
Chỉnh sửa định dạng đánh số hình vẽ theo chương luận văn, sửa lỗi bị
nhảy trang.
Chỉnh sửa định dạng đánh số bảng theo chương luận văn, chỉnh sửa
định dạng chữ trong bảng.
Chỉnh sửa định dạng đánh số công thức theo chương luận văn.
Sửa các lỗi hành văn: thay đổi “đồ án” thành “luận văn”, giải thích
cơng thức.
Thay đổi tên một số hình ảnh cho phù hợp.
Bổ sung tóm tắn luận văn trong phần mở đầu.
Bổ sung kết luận cuối các chương.
Chỉnh sửa một số công thức và hình vẽ cho đúng.
Ngày tháng 09 năm 2019
Giáo viên hướng dẫn
Tác giả luận văn
PGS. TS. Phạm Hồng Phúc
Nguyễn Hoàng Việt
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Phạm Minh Hải
SĐH.QT9.BM11
Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của tơi được hồn
thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phạm Hồng Phúc. Các số
liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã cơng bố theo đúng
quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tơi tự tìm hiểu, phân tích một
cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn và chưa được công bố trong bất
kỳ nghiên cứu nào khác.
Học viên
Nguyễn Hoàng Việt
Trang 1
LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự
nỗ lực cố gắng của bản thân và sự nhiệt tình hướng dẫn của Thầy PGS.TS Phạm Hồng
Phúc, tơi cịn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của q Thầy Cơ, cũng như sự động
viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực
hiện luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS. Phạm Hồng Phúc,
người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành luận văn
này. Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cô đã giảng dạy và
giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ tại trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội. Các Thầy Cơ đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo
mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho
đến khi hồn thiện đề tài luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn cùng
học và các đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Học viên
Nguyễn Hoàng Việt
Trang 2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. 6
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. 7
DANH MỤC BẢNG....................................................................................... 9
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................. 10
Lý do chọn đề tài ...................................................................................... 10
Lịch sử nghiên cứu .................................................................................... 10
Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 10
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 11
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................ 11
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ......................................................................... 12
1.1. Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) .................................... 12
1.1.1. Công nghệ MEMS là gì? ............................................................. 12
1.1.2. Tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ MEMS ................... 12
1.1.3. Tiềm năng ứng dụng của MEMS ................................................. 14
1.2. Tổng quan về vi động cơ .................................................................... 15
1.2.1. Vi động cơ cảm ứng điện ............................................................. 15
1.2.2. Vi động cơ áp điện ...................................................................... 17
1.2.3. Vi động cơ nhiệt điện .................................................................. 19
1.2.4. Vi động cơ tĩnh điện .................................................................... 20
Trang 3
1.3. Kết luận chương ................................................................................. 26
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ MÔ PHỎNG ............................................... 28
2.1. Nguyên lý hoạt động của lực tĩnh điện ............................................... 28
2.1.1. Lực tĩnh điện giữa hai bản cực song song .................................... 28
2.1.2. Lực tĩnh điện song song với bản cực tụ điện ................................ 30
2.1.3. Cấu trúc đàn hồi sử dụng lực tĩnh điện......................................... 32
2.2. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo.......................................................... 35
2.3. Phân tích động học ............................................................................. 39
2.3.1. Vận tốc góc của vành bánh cam................................................... 39
2.3.2. Tính tốn điều kiện chuyển vị ...................................................... 39
2.4. Phân tích lực ...................................................................................... 42
2.4.1. Lực dẫn động............................................................................... 42
2.4.2. Lực ma sát ................................................................................... 44
2.4.3. Điều kiện động lực học ................................................................ 47
2.5. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của ELCA ..................... 49
2.6. Mô phỏng động cơ ............................................................................. 54
2.6.1. Mô phỏng biến dạng .................................................................... 54
2.6.2. Mô phỏng chuyển vị và tần số dao động riêng ............................. 55
2.7. Kết luận chương ................................................................................. 56
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ .................................... 57
3.1. Quy trình chế tạo ................................................................................ 57
3.2. Đo đạc và đánh giá ............................................................................. 58
3.2.1. Hệ thống vi cam .......................................................................... 58
Trang 4
3.2.2. Đo đạc mô phỏng tần số dao động riêng ...................................... 61
3.3. Kết luận chương ................................................................................. 62
KẾT LUẬN .................................................................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 64
Trang 5
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Ý nghĩa
MEMS
Micro Electro-Mechanical System
IC
Intergrated Circuit
CMOS
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
BICMOS
Bipolar Junction Transistor - CMOS
ECA / ELCA
Electro-static Comb-drive Actuator
SOI
Silicon On Insulator
D-RIE
Deep Reactive-Ion Etching
Trang 6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Phân loại thiết bị MEMS. .............................................................. 13
Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng điện tử ....................... 16
Hình 1-3: Vi động cơ 3 pha cảm ứng điện từ[1]. ............................................. 16
Hình 1-4: Vi động cơ cảm ứng điện từ với vòng bi đỡ [3]................................ 17
Hình 1-5: Quy trình hoạt động của động cơ sâu đo........................................ 18
Hình 1-6: Vi động cơ sâu đo quay[5]. ............................................................. 18
Hình 1-7: Vi động cơ quay nhiệt điện[7]. ....................................................... 19
Hình 1-8: Cấu trúc vi động cơ sử dụng dầm nhiệt chữ V[1]. ........................... 20
Hình 1-9: Lực tĩnh điện giữa 2 bản cực. ........................................................ 21
Hình 1-10: Vi động cơ tĩnh điện sử dụng 2 bộ ECA[8]. .................................. 21
Hình 1-11: Vi động cơ đầu tiên sử dụng cơ chế răng cóc[9]............................ 22
Hình 1-12: Thiết kế hệ thống vi vận chuyển được ghép từ nhiều module[10]. . 23
Hình 1-13: Hệ thống vi vận chuyển đầy đủ module[11]. ................................. 23
Hình 1-14: Vi động cơ quay với quy trình chế tạo đơn giản[13]. ..................... 24
Hình 1-15: Hệ thống vi động cơ và bánh răng dẫn động bằng ECA[14]. ......... 25
Hình 1-16: Hệ thống vi cam dẫn động bằng ECA[15]. .................................... 25
Hình 2-1: Lực tĩnh điện vng góc với bản cực. ........................................... 29
Hình 2-2: Lực song song với bản cực tụ điện. ............................................... 31
Hình 2-3: Chuyển vị của kết cấu đàn hồi bởi lực tĩnh điện. ........................... 32
Hình 2-4: Mối quan hệ giữa 𝑭𝒆 và 𝑭𝒌. ......................................................... 33
Hình 2-5: Cấu tạo bộ dẫn động răng lược. ..................................................... 34
Hình 2-6: Đề xuất thiết kế vi động cơ............................................................ 35
Trang 7
Hình 2-7: Cấu tạo của cánh mềm và răng cóc ............................................... 36
Hình 2-8: Nguyên lý hoạt động của hệ thống chống đảo. .............................. 38
Hình 2-9: Chuyển động của cánh mềm ......................................................... 40
Hình 2-10: Mơ phỏng tính độ cứng của cánh mềm ........................................ 41
Hình 2-11: Lực tác dụng lên cánh mềm và răng cóc ...................................... 43
Hình 2-12: Lực ma sát giữa cần chống đảo và răng cóc của vành cam .......... 45
Hình 2-13: Lực ma sát giữa vành cam và cần đẩy ......................................... 46
Hình 2-14: Mơ hình động học của bộ ELCA ................................................. 49
Hình 2-15: Điện áp điều khiển dạng sóng vng ........................................... 52
Hình 2-16: Điện áp điều khiển dạng hình sin ................................................ 53
Hình 2-17: Ứng suất chuyển vị của cánh mềm .............................................. 54
Hình 2-18: Ứng suất chuyển vị của dầm ELCA ............................................ 55
Hình 2-19: Mơ phỏng chuyển vị của bộ ELCA ............................................. 56
Hình 2-20: Mơ phỏng tần số dao động riêng của ELCA ................................ 56
Hình 3-1: Quy trình chế tạo vi động cơ ......................................................... 57
Hình 3-2: Ảnh chụp hệ thống vi cam sau khi chế tạo .................................... 58
Hình 3-3: Hình ảnh chụp hệ thống vi cam hoạt động ..................................... 59
Hình 3-4: Hình ảnh chụp chuyển vị cực đại của thanh trượt .......................... 59
Hình 3-5: Mối quan hệ giữa vận tốc góc của vành cam với tần số hoạt động . 60
Hình 3-6: Mối quan hệ giữa điện áp và chuyển vị của ELCA ....................... 61
Hình 3-7: Mối quan hệ giữa chuyển vị với tần số điều khiển ......................... 61
Trang 8
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Bảng so sánh các loại vi động cơ .................................................. 26
Bảng 2-1: Các thông số của vi động cơ. ........................................................ 36
Bảng 2-2: Các giá trị đặc trưng của silicon và khơng khí............................... 54
Bảng 3-1: Tỉ lệ giữa giá trị vận tốc góc thực tế so với tính toán lý thuyết ...... 60
Trang 9
LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
MEMS (micro electro-mechanical system), tạm dịch là hệ thống vi cơ điện tử,
là công nghệ đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trên thế giới từ những năm
70. Công nghệ vi cơ điện tử là công nghệ được phát triển từ công nghệ chế tạo chip
điện tử IC, sử dụng chất bán dẫn làm nguyên liệu chế tạo. Các sản phẩm đặc trưng
của cơng nghệ vi cơ gồm có: vi cảm biến, cơ cấu vi chấp hành và các vi cơ cấu khác.
Các thiết bị vi cơ điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong các ngành:
viễn thông, tự động hóa, hàng khơng – vũ trụ, qn sự, v.v… Các vi cơ cấu và vi
động cơ với chức năng chuyển hóa năng lượng và dẫn động đóng vai trò quan trọng
trong các thiết bị MEMS, cũng như tạo nên sự khác biệt lớn giữa cơ học truyền thống
và vi cơ/vi cơ điện tử.
Trong MEMS, vi động cơ dùng để dẫn động các vi cơ cấu (micro-mechanism),
vi robot (micro-robot), vi vận chuyển (micro-transportation) … Do đó nhu cầu nghiên
cứu, chế tạo vi động cơ là rất cần thiết.
Lịch sử nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu của luận văn được kế thừa từ các kết quả đồ án tốt nghiệp
đại học của tác giả và các công bố khoa học của thầy giáo hướng dẫn PGS. TS. Phạm
Hồng Phúc. Các tài liệu này đều đã được liệt kê tại mục “Tài liệu tham khảo” của
luận văn.
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một loại vi động
cơ với đường kính sản phẩm trong khoảng từ 2 mm đến 3 mm; được dẫn động bằng
các vi kích hoạt tĩnh điện thơng qua bộ truyền động là các cánh mềm. Quy trình chế
tạo động cơ sẽ được xây dựng dựa trên công nghệ MEMS.
Trang 10
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong các loại vi động cơ, vi động cơ kiểu tĩnh điện là phát triển nhất nhờ các
ưu điểm nổi trội như: Thiết kế và chế tạo đơn giản, dải tốc độ làm việc lớn, không
phụ thuộc vào nhiệt độ và môi trường. Do vậy, trong phạm vi luận văn này, tác giả
chỉ tập trung vào phân tích, thiết kế vi động cơ kiểu tĩnh điện.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Luận văn này đề xuất cải tiến một loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện. Điểm cải
tiến ở đây là thay thế cơ cấu đàn hồi lò xo trong động cơ cũ bằng cơ cấu cánh mềm
nhằm tăng tần số riêng và giảm bớt va đập phần răng cóc dẫn. Kết quả đo đạc cho
thấy vận tốc góc của vi động cơ mới là tốt hơn kiểu cũ trong dải tần số nhỏ hơn 30Hz.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn này sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết từ các tài liệu chuyên
ngành, sách, báo, đồng thời kế thừa từ các cơng trình nghiên cứu trước đây của tác
giả và thầy giáo hướng dẫn. Luận văn được chia làm 4 phần chính:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống MEMS và vi động cơ
Chương 2: Tính tốn và mô phỏng vi động cơ
Chương 3: Chế tạo, đo đạc và đánh giá
Kết luận
Quá trình thực hiện mơ phỏng và tính tốn có sử dụng các phần mềm và công
cụ hỗ trợ như Solidworks, ANSYS,...
Trang 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về hệ thống vi cơ điện tử (MEMS)
1.1.1. Cơng nghệ MEMS là gì?
Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) có thể được định nghĩa đơn giản nhất là hệ
thống gồm các thành phần cơ khí và cơ điện tử được thu nhỏ tối đa nhờ vào kỹ thuật
chế tạo siêu nhỏ (cỡ micro). Các thiết bị MEMS kích thước đa dạng, giao động từ
kích thước cỡ 1 micron cho tới kích thước vài milimet. Tương tự với kích thước, cấu
trúc của các thiết bị MEMS cũng rất đa dạng. Những cấu trúc đơn giản chỉ bao gồm
các thành phần tĩnh – khơng có thành phần di chuyển, trong khi các cấu trúc phức tạp
và cực kì phức tạp có thể tích hợp cả các cơ cấu cơ khí (ví dụ như cơ cấu bánh răng,
CAM,…) và mạch điện tử điều khiển.
1.1.2. Tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ MEMS
Tuy rằng công nghệ MEMS mới ra đời chưa lâu (vào cuối những năm 50 của
thế kỉ XX) nhưng những ứng dụng của công nghệ này đã đóng góp phần khơng nhỏ
vào sự phát triển đời sống xã hội. Trong các đóng góp đó không thể không nhắc đến
công nghệ vi cảm biến (micro sensor) và vi chấp hành (micro actuator).
Vi cảm biến và vi chấp hành được phân loại là các “transducer”, hay còn gọi là
các bộ chuyển đổi. Chức năng hoạt động của chúng là chuyển hóa năng lượng từ dạng
này sang dạng khác. Với vi cảm biến, các thay đổi vật lý đầu vào sẽ được chuyển hóa
thành tín hiệu điện tử và ngược lại với vi chấp hành, tín hiệu điện sẽ được chuyển hóa
thành các chuyển động cơ học.
Trang 12
Hình 1-1: Phân loại thiết bị MEMS.
Trong vịng vài thập niên gần đây, các nhà khoa học thuộc lĩnh vực MEMS đã
công bố một số lượng vô cùng lớn các vi cảm biến có thể đo gần như tất cả các thông
số như: nhiệt độ, áp suất, lực, cảm biết hóa chất, từ, phóng xa,... Trong đó, nhiều vi
cảm biến đã chứng minh được hiệu suất vượt trội so với các bộ cảm biến truyền thống.
Ví dụ như một bộ chuyển cảm biến áp lực được gia công bằng kỹ thuật gia cơng vi
mơ thường có hiệu suất cao hơn một cảm biến áp suất được gia công bằng phương
pháp truyền thống. Không chỉ cho hiệu suất cao hơn, công nghệ sản xuất các thiết bị
MEMS sử dụng các kỹ thuật chế tạo hàng loạt giống nhau được sử dụng trong ngành
sản xuất mạch tích hợp – nhờ vậy chi phí sản xuất hàng loạt cho mỗi thiết bị rất thấp,
cũng như nhiều lợi ích khác. Với các ưu điểm trên, khơng có gì đáng ngạc nhiên khi
các bộ vi cảm biến trên nền silic được nhanh chóng khai thác thương mại và thị trường
cho các thiết bị này tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh. Đáng chú ý gần đây, đã xuất
hiện một số cơ cấu vi chấp hành như: van siêu nhỏ để điều khiển lưu lượng khí và
chất lỏng; thiết bị chuyển mạch quang học và gương để chuyển hướng hoặc điều
chỉnh tia sáng; hệ thống vi gương điều khiển độc lập cho việc hiển thị, bộ vi cộng
hưởng cho một số ứng dụng khác nhau, máy bơm siêu nhỏ tạo áp suất chất lỏng cũng
như nhiều bộ phận khác. Mặc dù các thiết bị vi chấp hành này rất nhỏ, chúng vẫn có
thể gây ra các hiệu ứng ở cấp độ vĩ mơ; có nghĩa là những thiết bị truyền động nhỏ
này có thể thực hiện những chuyển động lớn hơn kích thước của chúng rất nhiều. Ví
dụ, các nhà nghiên cứu đã đặt các thiết bị truyền động siêu nhỏ trên cạnh trước của
cánh máy bay và đã có thể điều khiển máy bay bằng cách sử dụng các thiết bị siêu
nhỏ này.
Trang 13
1.1.3. Tiềm năng ứng dụng của MEMS
Các hệ thống vi cơ điện tử trở nên có tiềm năng sử dụng rất lớn nhờ các kết cấu
siêu nhỏ gồm cảm biến, bộ dẫn động, kết cấu hệ thống và cả mạch điện tử có thể được
gộp vào chế tạo trên cùng một tấm nền silicon (điển hình trong lĩnh vực vi điện tử).
Khá giống với các thiết bị điện tử được chế tạo bằng phương pháp gia cơng mạch tích
hợp (Intergrated Circuir – IC) như CMOS hay BICMOS, các thành phần vi cơ khí
được chế tạo sử dụng quy trình vi gia công với nguyên lý gia công tương tự. Các
thành phần vi cơ được chế tạo sử dụng quy trình vi gia cơng, ăn mịn tấm silicon hoặc
thêm các lớp cấu trúc mới, tạo nên các thiết bị cơ khí hoặc cơ điện. Hơn thế nữa, công
nghệ MEMS không chỉ có thể tích hợp với cơng nghệ điện tử, mà cịn có thể tích hợp
với các cơng nghệ khác như quang học, cơng nghệ nano,… Với tính chất tích hợp
khơng đồng nhất này, chắc chắn cơng nghệ MEMS sẽ có cơ hội rất lớn khi đưa ra thị
trường.
Trong khi các hệ thống tích hợp phức tạp đang là xu hướng phát triển của công
nghệ MEMS, các hệ thống MEMS hiện đại được sử dụng rộng rãi chỉ thường là một
cấu trúc đơn lẻ. Ví dụ như: một thiết bị vi cảm / vi chấp hành biến rời rạc, một vi cảm
biến / vi chấp hành tích hợp với mạch điện tử hoặc một loạt các vi cảm biến / vi chấp
hành cùng loại tích hợp với mạch điện tử, … Hơn nữa, khi công nghệ chế tạo các hệ
thống MEMS phát triển, các thiết kế mới với việc tích hợp bất kì loại vi cảm biến / vi
chấp hành với mạch điện tử cũng như với các công nghệ quang học, công nghệ nano.
Tất cả các thiết kế này đều chỉ nằm gọn trong một tấm nền.
Xu hướng phát triển này của công nghệ MEMS được mong đợi là một trong
những đột phá công nghệ quan trọng nhất trong tương lai. Điều này sẽ cho phép phát
triển các sản phẩm thơng minh bằng cách tăng cường khả năng tính tốn của vi điện
tử với khả năng nhận thức và điểu khiển của các vi cảm biến và các bộ vi truyền động.
Mạch vi điện tử tích hợp có thể được coi là "bộ não - bộ vi xử lý” của một hệ thống
và MEMS tăng cường khả năng ra quyết định của hệ thống bằng "mắt - vi cảm biến”
và "cánh tay - vi chấp hành”, để cho phép các hệ thống vi mô cảm nhận và điều khiển
Trang 14
môi trường xung quanh. Các cảm biến thu thập thông tin mơi trường bằng việc đo
các thơng số cơ khí, nhiệt độ, hóa học, quang học và từ trường. Sau đó phần điện tử
xử lý thơng tin từ cảm biến và đưa ra các phản hồi tương ứng như di chuyển, định vị,
điều chỉnh, bơm và lọc. Nhờ đó điểu khiển mơi trường bên ngồi theo mục đích mong
muốn. Hơn nữa, nhờ sử dụng quy trình chế tạo ăn mịn tương tự như chế tạo IC, các
thiết bị với tính năng, tính ổn định và sự tinh tế rất cao có thể đặt trên một con chip
silicon rất nhỏ với chi phí khác thấp. Cơng nghệ MEMS cực kỳ đa dạng và có tiền
năng, cả trong các lĩnh vực ứng dụng dự kiến của nó, cũng như cách thiết bị được
thiết kế và sản xuất. Hiện tại, công nghệ MEMS đang cách mạng hóa nhiều loại sản
phẩm nhờ khả năng cho phép thực hiện các hệ thống hoàn chỉnh trên một con chip.
1.2. Tổng quan về vi động cơ
Nhờ vào các tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực micro, các hệ thống vi cơ điện tử
MEMS cũng có những phát triển đáng kể bao gồm một loạt các thiết bị kết hợp giữa
hệ thống vi điện tử với hệ thống cơ khí. Những thiết bị này có khả năng thực hiện các
cơng việc tưởng chừng như khơng thể với kích thước chỉ cỡ micron. Trong số đó, vi
động cơ là một loại thiết bị với tiềm năng và tính ứng dụng rất lớn. Vi động cơ là các
thiết bị truyền động quay thực, đặc trưng bởi kích thước siêu nhỏ từ milimet đến
micromet. Vi động cơ đóng vai trị làm cơ cấu chấp hành (actuator) trong các hệ thống
MEMS và có thể được phân loại dựa vào nguyên lý hoạt động bao gồm: vi động cơ
cảm ứng điện, vi động cơ áp điện, vi động cơ nhiệt điện và vi động cơ tĩnh điện. Nội
dung trong phần này sẽ làm rõ nguyên lý hoạt động cũng như các ưu, nhược điểm
của từng loại động cơ.
1.2.1. Vi động cơ cảm ứng điện
Với tư tưởng thiết kế động cơ truyền thống sử dụng từ trường để quay động cơ,
vi động cơ loại này đặc trưng bởi việc sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ giữa 2 tấm
nền silicon. Cấu tạo động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính: phần quay (roto) là một nam
châm vĩnh cửu đa cực và phần cố định (stato) là các vòng dây. Trong đa số trường
hợp, các vịng dây được hình thành bởi nhiều lớp đồng được cố định trên mặt tấm
Trang 15
nền silicon.
Tín hiệu điện điều khiển được cấp vào vịng dây (stator) tạo ra từ trường. Rotor
là các nam châm di động được đặt trong từ trường. Khi stator được cấp điện sẽ xảy
ra hiện tượng cảm ứng điện từ, làm chuyển động rotor tạo ra lực quay động cơ.
Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng điện tử
Dưới đây là một số thiết kế nổi bật của vi động cơ điện từ.
Hình 1-3: Vi động cơ 3 pha cảm ứng điện từ [1].
Trang 16
Hình 1-4: Vi động cơ cảm ứng điện từ với vòng bi đỡ[3].
Các vi động cơ sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ nhìn chung có cấu tạo khá
phức tạp, cấu trúc vịng dây nhiều lớp. Chính vì vậy quy trình chế tạo của các vi động
cơ loại này rất phức tạp, địi hỏi độ chính xác cao.
1.2.2. Vi động cơ áp điện
Vi động cơ áp điện hoạt động nhờ sử dụng hiệu ứng áp ngược, tức vật liệu áp
điện sẽ bị biến dạng khi được đặt điện áp. Cũng như các động cơ khác, vi động cơ áp
điện về cơ bản có hai phần - stato và roto. Stator chuyển đổi năng lượng điện đặt phần
tử áp điện thành dao động. Động cơ sâu đo sử dụng ba bộ truyền động piezo. Quá
trình hoạt động thực tế động cơ là một q trình tuần hồn sáu bước[4]:
Trang 17
Hình 1-5: Quy trình hoạt động của động cơ sâu đo.
Bước 1: Kẹp A kẹp trong khi kẹp B nhả
Bước 2: Thanh dầm nở ra
Bước 3: Kẹp B kẹp. Lúc này cả 2 kẹp đều giữ.
Bước 4: Kẹp A nhả
Bước 5: Thanh dầm trở về trạng thái ban đầu
Bước 6: Kẹp A kẹp
Áp dụng nguyên lý của động cơ sâu đo, năm 1999, Kim S-C và Kim S H đã
công bố một thiết kế vi động cơ quay với độ chính xác cao.
Hình 1-6: Vi động cơ sâu đo quay[5].
Trang 18
1.2.3. Vi động cơ nhiệt điện
Các thiết bị MEMS sử dụng hiệu ứng nhiệt điện thường tạo ra chuyển động
bằng cách khuếch đại giãn nở nhiệt. Một lượng nhỏ giãn nở nhiệt của một phần của
thiết bị sẽ được khuếch đại thành một lượng lớn độ dịch chuyển của thiết bị tổng thể.
Sự gia tăng nhiệt độ thường đạt được bằng cách đốt nóng điện trở bằng điện[6].
Nguyên lý hoạt động của vi động cơ sử dụng dụng hiệu ứng nhiệt điện được thể hiện
trong hình dưới đây.
Hình 1-7: Vi động cơ quay nhiệt điện[7].
Một thiết kế vi động cơ nhiệt điện khác với nguyên lý hoạt động đơn giản sử
dụng mơ hình dầm nhiệt chữ V hơn cũng được giới thiệu trong hình sau.
Trang 19
Hình 1-8: Cấu trúc vi động cơ sử dụng dầm nhiệt chữ V[1].
Các vi động cơ nhiệt điện có cấu tạo khá đơn giản, thậm chí có thể thể chế tạo
hoàn chỉnh chỉ với một mặt nạ quang khắc. Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng giãn
nở nhiệt có thể đạt được tỷ trọng công suất cao hơn nhiều so với các hiệu ứng dẫn
động khác và có điện áp dẫn thấp hơn. Thế nhưng nhược điểm của loại động cơ này
là sinh nhiệt trong quá trình hoạt động và tốc độ đáp ứng (tần số hoạt động) không
được cao, thấp nhất trong tất cả các loại vi động cơ.
1.2.4. Vi động cơ tĩnh điện
Vi động cơ tĩnh điện hoạt động nhờ vào lực tĩnh điện xuất hiện giữa 2 bản tụ
điện song song. Khi đặt điện áp V vào giữa 2 bản cực, lực tĩnh điện FT sẽ xuất hiện
và hướng của lực sẽ theo hướng tăng diện tích chồng lấn giữa 2 bản cực.
Trang 20
Hình 1-9: Lực tĩnh điện giữa 2 bản cực.
Ứng dụng hiệu ứng lực tĩnh điện này vào thiết kế và chế tạo vi động cơ, năm
1996, Sniegowski và Garcia đã giới thiệu một thiết kế vi động cơ dẫn động bằng 02
bộ dẫn động răng lược tĩnh điện (ECA – electrostatic comb-drive actuator)[8]. Hai bộ
ECA này được bố trí vng góc với nhau, tạo thành cơ cấu truyền động hình chữ V
và được dùng để dẫn động cho vòng bánh răng.
Hình 1-10: Vi động cơ tĩnh điện sử dụng 2 bộ ECA[8].
Trang 21
Vi động cơ đã được chế tạo và vận hành thử nghiệm thành cơng, với tốc độ góc
tối đa lên tới 200.000 vòng/phút tại điện áp hoạt động 90V. Nhược điểm lớn nhất của
thiết kế này là ma sát rất lớn tại các khớp nối và giữa các bánh răng.
Nhằm cải tiến thiết kế để giảm lực ma sát giữa các khớp, cơ cấu răng cóc lần
đầu tiên được sử dụng dụng trong lĩnh vực MEMS vào năm 2000 bới Barnes [9].
Hình 1-11: Vi động cơ đầu tiên sử dụng cơ chế răng cóc[9].
Roto của động cơ được chế tạo bởi công nghệ vi cơ bề mặt với rất nhiều lớp
mặt nạ và nhiều q trình ăn mịn phức tạp. Hơn nữa, độ dày của kết cấu là rất mỏng
Trang 22
