Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ v TT

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

Hồng Trung Kiên

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ CẤU TẠO
ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS
KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội1– 2021


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Phạm Hồng Phúc
2. PGS.TS Vũ Công Hàm

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

2


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Ngày nay, khoa học kỹ thuật và công nghệ mới đã và đang có
những bước phát triển vượt bậc, trong đó có công nghệ vi gia
công. Nhờ sự tiến bộ này, chúng ta có thể chế tạo ra hàng loạt các
linh kiện cũng như hệ thống có kích thước đo bằng đơn vị micro
hoặc nano với giá thành rẻ, chất lượng làm việc ổn định và độ
chính xác cao. Về định nghĩa, MEMS là hệ thống tích hợp có
kích thước micro bao gồm các vi cảm biến, các bộ vi chấp hành
và các vi mạch điện tử được chế tạo bằng các công nghệ vi gia
công.
Trong MEMS, bộ vi chấp hành là một loại thiết bị quan trọng
đóng vai trị cung cấp chủn đợng và lực để dẫn động các bộ
phận khác trong một hệ thống tích hợp. Do đó, chất lượng hay độ
chính xác khi làm việc (chuyển vị, lực, tần số…) của các bộ vi
chấp hành ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và độ chính xác
chung của các thiết bị và hệ thống. Vì vậy, việc nâng cao đợ chính
xác và tính ổn định làm việc khi tính toán thiết các bộ vi chấp
hành là rất quan trọng. Để tính toán thiết kế được các bộ vi chấp
hành đáp ứng các yêu cầu đó cần phải kể đến sự ảnh hưởng của
rất nhiều yếu tố khác nhau, trong đó các kích thước hình học cũng
như các tham sớ đợng lực học có ảnh hưởng trực tiếp và chủ yếu.
Vấn đề nghiên cứu để tối ưu và đưa ra các giải pháp cụ thể nhằm

nâng cao chất lượng làm việc cũng như đợ chính xác của các bộ
vi chấp hành mang ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học và ứng dụng
của các linh kiện này.
Chính vì vậy, luận án này sẽ tập trung nghiên cứu một cách có hệ
thống về ảnh hưởng của các tham số cấu tạo đến chất lượng làm
việc của vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ
V, từ đó xác định tần số tới hạn, các điều kiện ổn định và an toàn
khi làm việc, đề xuất phương pháp tính toán cải thiện một hoặc
một số chỉ tiêu chất lượng làm việc cho hai kiểu vi chấp hành này.
2. Mục tiêu của luận án
1


Luận án nghiên cứu làm rõ và sâu sắc thêm các vấn đề lý thuyết
liên quan đến một số chỉ tiêu chất lượng làm việc của hai bộ vi
chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V. Kết quả
của luận án sẽ cung cấp một hệ thống lý thút tương đới hồn
chỉnh cho người thiết kế tham khảo và xây dựng quy trình tính
tốn cho vi chấp hành đảm bảo làm việc ổn định và an toàn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bộ vi chấp hành tĩnh điện
răng lược và vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V dùng để dẫn
động vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi tay gắp, hệ vi vận chuyển.
Trong đó cụ thể là loại vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ
nhật trùn thớng và răng lược hình thang cân, vi chấp hành điện
nhiệt dạng chữ V chuyển động một bậc tự do trong mặt phẳng
nằm ngang. Các vi chấp hành này được chế tạo bằng công nghệ
SOI-MEMS sử dụng phương pháp gia công ăn mịn khơ sâu
(Deep Reactive Ion Etching - DRIE).

3.2 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận án là các chỉ tiêu chất lượng làm
việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt chữ V như: tần số tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị,
độ lớn chuyển vị, hệ số phẩm chất, đợ ổn định cơ học, tính an
tồn (tránh chập, cháy hoặc biến dạng dẻo).
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
4.1 Ý nghĩa khoa học
Các kết quả nghiên cứu của luận án làm sâu sắc thêm một cách
có hệ thớng các vấn đề lý thút cho đới tượng là vi chấp hành
tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V như: phương pháp
tính các đại lượng động lực học quy đổi trong phương trình vi
phân chuyển động; tần số và điện áp giới hạn theo điều kiện bền
nhiệt và ổn định cơ khi làm việc; tối ưu kích thước dầm trong vi
chấp hành chữ V nhằm cải thiện chuyển vị đồng thời thỏa mãn
điều kiện an toàn khi vận hành. Các vấn đề này có ý nghĩa quan
2


trọng trong việc đưa ra các điều kiện làm việc tới hạn làm cơ sở
để thiết kế các bộ vi chấp hành đảm bảo tốt yêu cầu về chất lượng
làm việc như chuyển vị lớn, ổn định và an toàn (tránh hiện tượng
cháy dầm hoặc chập điện) trong dải điện áp dẫn xác định. Đây
chính là mục tiêu và đóng góp chính của ḷn án để hồn thiện
hệ thớng lý thuyết về vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt dạng chữ V.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số kích thước đến
chất lượng làm việc của vi chấp hành có ý nghĩa quan trọng trong
quá trình thiết kế và chế tạo. Kết quả của luận án sẽ cung cấp cơ

sở khoa học cho việc thiết kế mới hoặc kiểm nghiệm theo các
điều kiện làm việc giới hạn (tần số và điện áp dẫn) để đảm bảo
tính ổn định và an tồn cho thiết bị. Luận án cũng xây dựng thuật
toán để xác định kích thước dầm tối ưu cho vi chấp hành điện
nhiệt chữ V đạt chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo các điều kiện
về ổn định cơ và an toàn nhiệt. Các kết quả này đặc biệt có ý
nghĩa trong việc rút ngắn thời gian thiết kế và giảm giá thành cho
quá trình chế thử các thiết bị hoặc hệ thớng có sử dụng vi chấp
hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V như vi mô tơ,
vi tay kẹp, vi vận chuyển...
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của luận án là tính tốn lý
thút, mơ phỏng và kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng.
6. Những đóng góp của luận án
Các đóng góp cụ thể của luận án được tóm tắt như sau:
- Cung cấp hệ thống các công thức tổng quát hơn để xác định
các đại lượng động lực học trong phương trình vi phân chuyển
động của các vi chấp hành. Đây là cơ sở để khảo sát ảnh hưởng
của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc của các vi
chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật như chuyển vị, tần
số làm việc nhằm tránh mất ổn định và mất an toàn khi làm việc.

3


- Xây dựng các công thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện,
chuyển vị và điều kiện an toàn tránh hiện tượng chập bản tụ cho
vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân.
- Đề xuất phương pháp xác định tần số làm việc theo điều kiện
ổn định chuyển vị cho điện áp dạng xung vuông dựa trên mơ hình

trùn nhiệt dạng sai phân hữu hạn. Đề x́t điều kiện an toàn
làm việc cho vi chấp hành, tránh hư hỏng thiết bị trong q trình
vận hành. Tḥt tốn tới ưu được áp dụng để xác định bợ kích
thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo yêu
cầu làm việc ổn định và an toàn.
7. Bố cục của luận án
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN
RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V
1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng
1.2 Vi chấp hành tĩnh điện kiểu răng lược
a) Định nghĩa và phân loại
Vi chấp hành kiểu tĩnh điện hoạt động dựa trên lực tĩnh điện sinh
ra tại bề mặt của hai bản tụ tích điện trái dấu. Lực tĩnh điện pháp
tuyến có phương vng góc với bề mặt của bản tụ, cịn lực tĩnh
điện tiếp tuyến có phương song song với bề mặt bản tụ. Kiểu vi
chấp hành này có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, trong đó có hai
dạng phổ biến là: dẫn động bằng lực pháp tuyến [2] và dẫn động
bằng lực tiếp tuyến [3]. Đối với vi chấp hành dẫn động bằng lực
pháp tuyến có các ưu điểm: lực dẫn lớn, điện áp dẫn nhỏ, nhưng
có nhược điểm: chuyển vị rất nhỏ (bị hạn chế bởi khe hở giữa hai
bản tụ), lực dẫn phi tuyến (thay đổi theo chuyển vị), dễ mất ổn
định dẫn đến ngắn mạch, hệ số phẩm chất thấp. Các vi chấp hành
dẫn động bằng lực tiếp tuyến có các ưu điểm: chuyển vị lớn, lực
dẫn tún tính dễ điều khiển, đợ ổn định cao, hệ số phẩm chất
khá lớn. Nhược điểm của chúng là: điện áp dẫn lớn, lực dẫn tương
đối nhỏ.
Trong dẫn động các hệ thống như vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến,
vi vận chuyển, vi tay gắp thì vi chấp hành sử dụng lực tiếp tuyến
4

phù hợp hơn về yêu cầu chuyển vị và điều khiển. Loại vi chấp
hành này thường được thiết kế và chế tạo với cấu trúc gồm nhiều
bản tụ như răng lược đặt xen kẽ nhau nhằm tăng lực dẫn và được
gọi là vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược. Như vậy, vi chấp
hành tĩnh điện răng lược là một vi cấu trúc gồm nhiều răng lược
xen kẽ nhau sử dụng nguyên lý tĩnh điện để tạo ra lực và chủn
đợng.
Theo dạng chủn đợng thì vi chấp hành tĩnh điện răng lược lại
được chia thành hai loại: chuyển động tịnh tiến (răng thẳng) [4]
và chuyển động lắc (răng cong) [5]. Theo mặt phẳng chuyển
động, chúng được chia thành: chuyển động trong mặt phẳng (Inplane) [6] và chủn đợng ngồi mặt phẳng cấu trúc (Out-ofplane) [7]. Đối tượng mà luận án lựa chọn nghiên cứu là vi chấp
hành tĩnh điện răng lược chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng
cấu trúc. Do đây là loại vi chấp hành có cấu trúc đơn giản, dễ
điều khiển, ứng dụng đa dạng và dế dàng chế tạo hàng loạt.
Vi chấp hành tĩnh điện răng lược (ECA – electrostatic comb
actuator) được W. C. Tang ứng dụng trong dẫn động bộ vi cộng
hưởng lần đầu tiên năm 1990 [8]. Cấu trúc điển hình của bợ vi
chấp hành được biểu diễn như trên Hình 1.1.
Khung dọc
(thanh đẩy)
Răng lược

y

Điện
cực

O

x

Khung ngang

Dầm

Phần cố định

Phần phần di động

Hình 1.1. Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược

b) Tình hình nghiên cứu ngồi nước về ECA
Mợt nhược điểm quan trọng của ECA là lực tĩnh điện khá nhỏ
nên cần điện áp dẫn lớn để có thể đạt được chuyển vị như mong
muốn. Điều này làm giảm khả năng ứng dụng của loại vi chấp
hành này trong một số hệ thống. Cải thiện chuyển vị và giảm điện
5


áp dẫn cho ECA là một bài toán đặt ra cho các nhà nghiên cứu.
Các công bố liên quan đến bộ ECA cũng đều hướng đến mục tiêu
này. Những kết quả đã cơng bớ có thể được phân chia thành các
hướng chủ yếu: cải tiến cấu trúc dầm, cải tiến hình dạng răng
lược, tính toán đợng lực học, nâng cao độ ổn định làm việc.
Cải tiến cấu trúc dầm
Các dạng cấu trúc dầm như: dầm thẳng hai đầu ngàm (fixed-fixed
beam), dầm càng cua (crab-leg beam) và dầm gấp khúc (folded
beam) đã được nêu lên trong các công bố [9] và [10].
Cải tiến biên dạng răng lược

Để tận dụng được một phần lực tĩnh điện trên phương pháp tuyến,
tác giả M. S. Rosa đã được đề xuất răng lược có dạng hình thang
cân [14]. Biên dạng răng lược được mơ tả bằng một hàm đa thức
(đã được B. D. Jensen đề xuất trong các công bố [15] và [16].
Động lực học
Nghiên cứu đáp ứng động lực học của vi chấp hành tĩnh điện răng
lược đã được thực hiện bởi W.C. Tang khi ông đề xuất sử dụng bộ
vi chấp hành này trong dẫn động bộ vi cộng hưởng [25].
Vấn đề xác định các đại lượng động lực học quy đổi như đợ cứng,
khới lượng và cản khơng khí sẽ tiếp tục được kế thừa và phát
triển trong luận án dưới dạng các cơng thức mang tính tổng qt
hơn. Cụ thể là các cơng thức được xây dựng có thể áp dụng cho
cả hệ dầm thẳng và dầm nghiêng (dạng chữ V của vi chấp hành
điện nhiệt). Mợt vấn đề cịn chưa được làm rõ là tần số ngưỡng
đảm bảo ổn định biên đợ chủn vị khi hàm điện áp có dạng xung
vng và dạng hình sin cho vi chấp hành ứng dụng trong dẫn
động vi mô tơ, vi vận chuyển, vi tay gắp.
Nâng cao độ ổn định
Như đã phân tích ở trên, các vi chấp hành sử dụng hệ dầm gấp có
đợ cứng nhỏ nên có thể tăng chủn vị và giảm điện áp dẫn,
nhưng lại làm giảm độ nhạy và đặc biệt là dễ gây mất ổn định
(lực tĩnh điện luôn lớn hơn lực đàn hồi và không tồn tại điểm cân
bằng lực). Để khắc phục nhược điểm này, tác giả Borovic [30]
6


đã đề xuất sử dụng thêm một bộ cảm biến và một vi chấp hành
phụ dạng răng lược để điều khiển chống lại hiện tượng lắc ngang
của thanh đẩy trung tâm.Vấn đề mất ổn định của vi chấp hành
tĩnh điện răng lược được nghiên cứu chi tiết trong tài liệu [31].

Với mục đích tăng ổn định và chuyển vị cho vi chấp hành tĩnh
điện răng lược, Zhou [32] đã thay đổi cấu trúc hệ dầm gấp thẳng
thành hệ dầm gấp nghiêng.
c) Tình hình nghiên cứu trong nước về ECA
Cho đến nay đã có mợt sớ cơng trình nghiên cứu liên quan đến
bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược được thực hiện tại Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội. Trong số đó thì luận án tiến sĩ của
tác giả Đặng Bảo Lâm [1] là mợt cơng trình nghiên cứu về vi
động cơ quay dẫn động bằng ECA. Một công bố khác đã trình
bày ảnh hưởng của sai số chế tạo đến lực và chuyển vị của vi
chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhật [34]. Cụ thể là ảnh
hưởng của hiệu ứng ăn mịn cạnh (side etching) trong cơng nghệ
gia công DRIE. Các công bố [11]và [35] đề cập đến hệ vi cam
quay và vi động cơ tịnh tiến dẫn động bằng vi chấp hành ECA
truyền thống thông qua các cánh đàn hồi (elastic wings). Luận án
tiến sĩ của tác giả Đặng Văn Hiếu [36] đã nghiên cứu thiết kế,
chế thử các bợ vi chấp hành và mũi dị quét ứng dụng trong chế
tạo các cấu trúc nano.
1.3 Vi chấp hành điện nhiệt kiểu chữ V
a) Định nghĩa và phân loại
Vi chấp hành điện nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt Jun (dịng điện
đi qua mợt vật có điện trở và sinh nhiệt) để tạo ra lực và chuyển
vị thông qua biến dạng nhiệt của vật liệu. Trong thực tế, vi chấp
hành điện nhiệt lại được ứng dụng khá nhiều trong dẫn động một
số hệ thống vi cơ như: vi tay gắp, thiết bị kiểm thử vật liệu, thiết
bị an tồn nhiệt, hệ vi gương, vi mơ tơ…
Theo phương chủn động, chúng được chia thành hai loại:
chuyển động trong mặt phẳng cấu trúc (In-plane) [37], chủn
đợng ra ngồi mặt phẳng cấu trúc (Out-of-plane) [38].
7

Bản cực cố định

Phương
chuyển
động

Thanh
đẩy

Điện cực
cố định

Dầm mỏng

Dầm

Dầm
θ

Dầm đàn hồi

Dầm dày

Dầm nối

a)

b)

Phương
chuyển
động

Y

X

O

c)

Hình 1.13 Vi chấp hành điện nhiệt: a) Dạng chữ U [39]; b) Dạng chữ
V [40]; c) dạng chữ Z [41]

Theo hình dạng, các vi chấp hành điện nhiệt được chia thành ba
loại chính: dạng chữ U (U-shaped, hot-and-cold-arm) [39], dạng
chữ V (V-shaped, chevron) [40], dạng chữ Z (Z-shaped) [41].
Như vậy, vi chấp hành điện-nhiệt dạng chữ V chuyển động trong
mặt phẳng có nhiều ưu điểm hơn so với các loại khác.
b) Tình hình nghiên cứu ngồi nước
Các nghiên cứu gần đây liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt
dạng chữ V (EVA - Electrothermal V-shaped Actuator) tập trung
vào các chủ đề chính như: mô hình toán điện-nhiệt-cơ, cải thiện
chuyển vị và tới ưu kích thước dầm, an tồn nhiệt và ổn định cơ.
Mơ hình tốn điện-nhiệt-cơ
Mơ hình tốn sử dụng phương pháp giải tích trực tiếp được nhiều
tác giả áp dụng trong việc xác định nhiệt độ phân bố trên dầm
[46-52]. Để có thể xác định quy luật phân bố nhiệt độ trên dầm
chính xác hơn, phương pháp sai phân hữu hạn đã được sử dụng

trong một số công bố liên quan đến vi chấp hành dạng chữ V
trong các cơng bớ [54] và [55].
Vấn đề an tồn nhiệt và mất ổn định dọc dầm
Trong công bố [47] tác giả cũng đã đưa ra giới hạn nhiệt đợ để
tính tốn trong thiết kế vi mơ tơ tịnh tiến dẫn động vi chấp hành
điện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng quá nhiệt. Vấn đề an
8


toàn nhiệt cho tay gắp khi thao tác với các mẫu vật đã được xác
định trong công bố [59]. Khi thiết kế và đo đạc hệ định vị micro
sử dụng vi chấp hành chữ V [61], vấn đề ổn định đã được đề cập
khi đánh giá chất lượng chuyển vị của hệ thống. Trong thiết kế
thiết bị kiểm thử vật liệu nano [62], ổn định dọc dầm là một trong
những tiêu chuẩn được dùng trong q trình tính thiết kế nhằm
tăng khả năng gia tải cho mẫu vật.
Cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm
Để tăng chuyển vị các cánh tay đòn đã được sử dụng nhằm
khuếch đại chuyển vị của các vi chấp hành [46]. Một loại vi chấp
hành kết hợp từ hệ gồm bốn cặp dầm chữ V và một bộ dầm chữ
U với mục đích tăng chuyển vị và giảm công suất đã được đề
xuất trong công bố [63]. Ý tưởng sử dụng vật liệu SU-8 để chế
tạo vi chấp hành điện nhiệt chữ V dẫn động vi tay gắp nhằm giảm
điện áp và cho chuyển vị lớn đã được giới thiệu trong các tài liệu
[64], [65]. Một bộ vi chấp hành chữ V đã được tới ưu kích thước
bằng tḥt tốn gien di trùn (GA - Gen Algorithm) được trình
bày trong cơng bớ [67]. Thuật toán bầy đàn (PSO - Particle
Swarming Optimation) cũng đã được áp dụng để tối ưu kích
thước dầm theo mục tiêu giảm thiểu sự phát tán nhiệt ra bên ngoài
như trong cơng bớ [68].

c) Tình hình nghiên cứu trong nước
Ḷn án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tiến Dũng [72] là mợt cơng
trình tiêu biểu liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt chữ V. Trong
đó, tác giả đã đề xuất thiết kế cấu trúc và hệ điều khiển vi động
cơ quay dẫn động bằng vi chấp hành chữ V.
1.4 Thảo luận và đánh giá
Như vậy, đã có khá nhiều công bố trên các hướng khác nhau liên
quan đến hai bộ vi chấp hành mà đề tài tập trung nghiên cứu. Các
công bố trên đã trực tiếp và gián tiếp đề cập đến vấn đề ảnh hưởng
của các thông số hình học cũng như động lực học đến chất lượng
làm việc của các vi chấp hành tĩnh điện và nhiệt điện. Tuy nhiên,
các nghiên cứu còn mang tính đơn lẻ, chưa có tính hệ thống và
tính tổng quát, chưa thể áp dụng các kết quả nghiên cứu đó cho
9


một họ vi chấp hành cụ thể dùng để dẫn động vi mô tơ, vi tay
gắp, vi cam, vi vận tải. Đặc biệt chưa có công bố nào đề cập một
cách cụ thể đến các vấn đề như hiện tượng chập gây cháy, mất
ổn định dọc trục dầm.
1.5 Kết luận chương 1
Chương này đã trình bày tổng quan những vẫn đề liên quan đến
hai bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ
V. Thông qua việc tổng hợp, phân tích và đánh giá các ưu và
nhược điểm của các công trình đã công bố, luận án đã xác định
được các vấn đề cịn tờn tại để tập trung nghiên cứu làm rõ. Các
vấn đề đó là:
- Xây dựng hệ thống công thức tính các đại lượng động lực học
quy đổi như độ cứng, khối lượng và cản của khơng khí tổng qt
có thể dùng chung cho hai bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược và

điện nhiệt chữ V. Xác định tần số tới hạn theo điều kiện ổn định
chuyển vị và khảo sát ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số
phẩm chất cho từng bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt chữ V.
- Xác định mối quan hệ giữa điện áp và độ cứng nhỏ nhất để tránh
hiện tượng chập cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang
cân.
- Xác định các điện áp giới hạn đảm bảo điều kiện an toàn nhiệt
và ổn định dọc dầm cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V.
- Tối ưu kích thước dầm để vi chấp hành điện nhiệt chữ V đạt
chuyển vị tĩnh lớn nhất đồng thời đảm bảo điều kiện an toàn nhiệt
và ổn định cơ.
Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM
VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC
2.1 Lý thuyết tĩnh điện
2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến
Lực pháp tuyến giữa hai bản tụ [73]:

10


1 Ae 0 2
U
2 x2
2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến
Lực tĩnh điện tiếp tuyến [73]:
1 b 0 2
Ft 
U
2 d0

2.2 Các tham số động lực học tương đương
2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát
My  Cy  Ky  Fe (t )
2.2.2 Độ cứng quy đổi
Fn  

K  2nk 



2nE 12 I cos 2   AL2 sin 2 



3

L

(2.10)

(2.17)

(2.18)

(2.38)

2.2.3 Khối lượng quy đổi
 1 4cos 2 
M  ms  2n  
105

3
2.2.4 Cản quy đổi của khơng khí


 mb


(2.44)

A
A A  At 16h
13  wL 16h  
C    bt  2 N c  mb

 2n 


g0

3
35  g a
3  
 g a
(2.62)
2.3 Xác định đáp ứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược
2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông
Fe1  




1   cos(t )  sin(t )  e t 

K  



2.3.2 Chuyển vị khi điện áp dẫn có dạng hàm sin
2.3.3 Ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị
y1 

(2.67)

11


Hình 2.13 Biên độ (a) và sai số (b) chuyển vị lớn nhất trường hợp
xung vng

2.4 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng lược hình thang
cân tới lực dẫn và chuyển vị. Điều kiện ổn định
2.4.1 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến lực tĩnh
điện

Hình 2.16 Cấu trúc răng lược hình thang cân

Tổng lực tĩnh điện trên phương y của mợt bợ vi chấp hành TECA
có N răng lược di động sẽ là:
a tg   g 02 cos   y  tg   sin  cos  
Fet  2 NF2 y  0
Nh 0U 2

2
 g02  y sin  
(2.77)
12


0,7

Lực tĩnh điện F2y (µN)

0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Góc nghiêng bề mặt răng α (0)

Hình 2.17 Quan hệ lực tĩnh điện và góc nghiêng bề mặt răng

2.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến chuyển vị
của vi chấp hành

Chuyển vị Yt (µm)

13
12

30V

11

35V

10

40V

9
8
7
6

5
4

3
1

1,25

1,5

1,75

2

2,25

2,5

Góc nghiêng bề mặt răng α (º)

Hình 2.20 Đồ thị quan hệ chuyển vị và góc nghiêng bề mặt răng

2.4.3 Kết quả đo đạc thực nghiệm

13


25
TECA. lý thuyết
TECA. đo đạc

Chuyển vị y (µm)

20

RECA. lý thuyết

RECA. đo đạc

15
10
5
0
0

10

20
30
Điện áp U (V)

40

50

Hình 2.22 Chuyển vị tính toán và đo đạc của RECA và TECA theo
điện áp

2.4.4 Điều kiện ổn định của vi chấp hành răng lược hình
thang cân

Hình 2.25 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng

2.5 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q
2.6 Kết luận chương 2
Nợi dung chính của chương này tập trung xây dựng các công thức
tính đại lượng động lực học tương đương, khảo sát chuyển vị của
vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình chữ nhât theo tần sớ của
điện áp, xây dựng cơng thức tính lực và xác định điều kiện ổn
14


định cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân. Mợt sớ
kết quả chính của chương bao gờm:
- Các công thức tính độ cứng (2.38), khối lượng (2.44) và cản
không khí quy đổi (2.62) trong mô hình động lực học tương
đương (2.18) đã được thiết lập Mơ hình này có thể áp dụng cho
hệ dầm thẳng hai đầu ngàm (vi chấp hành tĩnh điện răng lược) và
dầm nghiêng dạng chữ V (vi chấp hành điện nhiệt chữ V) nhằm
nâng cao đợ chính xác khi tính tốn chủn vị.
- Dựa trên mô hình động lực học tương đương, tần số tới hạn theo
điều kiện ổn định chuyển vị của mợt bợ vi chấp hành tĩnh điện
răng lược hình chữ nhật đã được xác định trong trường hợp điện
áp dẫn dạng xung vng (23,8Hz) và xung hình sin (1kHz). Kết
quả này là một gợi ý cho việc lựa chọn dạng điện áp dẫn và tính
toán để tăng dải tần sớ làm việc của vi chấp hành cũng như hệ
thống.
- Công thức tính lực tĩnh điện, điều kiện lựa chọn góc nghiêng bề
mặt răng hợp lý và điều kiện tránh hiện tượng chập bản tụ cho vi
chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân đã được xây dựng
mợt cách có hệ thống. Kết quả này cung cấp các công thức lý
thút cho người thiết kế có thể dễ dàng tính tốn và nâng cao
mợt sớ chỉ tiêu chất lượng cho vi chấp hành như lực, chủn vị,

đợ an tồn khi làm việc.
Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM
VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V
3.1 Mơ hình truyền nhiệt trên dầm thẳng và phương trình vi
phân chuyển động
3.1.1 Cấu trúc và ngun lý làm việc
3.1.2 Mơ hình truyền nhiệt dạng giải tích
3.1.2.1 Bài tốn truyền nhiệt ổn định
3.1.2.2 Bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định
3.1.3 Mơ hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn

15


 T j 1  Ti j
C p Ds  i

t


 Ti j 1  Ti j 1  2Ti j

  ks 
x 2



 ka S j
U2
Ti  T0 


 hg a
4  L2






(3.6)
3.1.3.1 Bài toán truyền nhiệt ổn định
3.1.3.2 Bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định
3.1.4 Lực dãn nở nhiệt của vi chấp hành chữ V
F  2nEA

L
sin 
L

(3.34)

3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động
3.2 Khảo sát chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ
V
3.2.1 So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc chuyển vị với mơ
hình lý thuyết

Hình 3.7 So sánh chuyển vị tính tốn, mơ phỏng và đo đạc

3.2.2 Tần số làm việc tới hạn của vi chấp hành chữ V

3.2.2.1 Ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị của vi chấp
hành chữ V
3.2.2.2 Phương pháp xác định tần số tới hạn

16


102

Tần sớ tới hạn fC(Hz)

101.0
100
98
96.9
96

94.9
94
92

91.9

90.7

91.2

90
5

10

15

20

25

30

35

Điện áp dẫn U(V)

Hình 3.11 Quan hệ giữa tần số tới hạn và điện áp dẫn

3.3 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến tần số tới hạn

Hình 3.12 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều dài dầm

3.4 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q

17


Hình 3.14 Đồ thị quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và góc nghiêng
dầm θ

3.5 Kết luận chương 3
Chương 3 đã xây dựng mô hình toán điện-nhiệt-cơ bằng phương

pháp sai phân hữu hạn cho vi chấp hành nhiệt điện chữ V. Đây là
cơ sở để tính tốn, khảo sát một số chỉ tiêu chất lượng làm việc
của vi chấp hành. Các đóng góp của chương này có thể được tổng
hợp lại như sau:
- Mơ hình tốn sai phân hữu hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ
V đã được xây dựng mợt cách chi tiết. Mơ hình này có thể kể đến
sự thay đổi của các tính chất vật liệu theo nhiệt độ nên cho kết
quả tính toán có đợ chính xác khá cao so với mơ phỏng.
- Phương pháp tính tần số tới hạn trong trường hợp điện áp dẫn
dạng xung vuông đảm bảo chuyển vị của bộ vi chấp hành luôn
đạt giá trị lớn nhất khi làm việc đã được đề xuất. Ảnh hưởng của
kích thước dầm đến giá trị của tần số tới hạn cũng đã được khảo
sát và đánh giá. Các kết quả này có thể được dùng trong tính tốn
dự báo khoảng tần sớ làm việc hiệu quả và tối ưu thiết kế nhằm
tăng tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V.
- Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất vào các kích thước dầm đã
được khảo sát thông qua tỉ số chiều dài trên chiều rộng và chiều
18


rộng dầm. Dựa trên kết quả khảo sát, khoảng giá trị của tỉ sớ kích
thước dầm L/w hợp lý (từ 55 đến 70 ứng với chiều rợng dầm
trong khoảng 4µm đến 6µm) đảm bảo đờng thời chủn vị lớn
và cho giá trị chấp nhận được của hệ số phẩm chất Q (lớn hơn
107) đã được xác định.
Các kết quả này có giá trị như là mợt trường hợp tính tốn và có
thể được dùng để tham khảo trong q trình thiết kế hệ thống vi
cơ có sử dụng vi chấp hành điện nhiệt chữ V.
Chương 4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI
CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU

KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN
4.1 Điện áp dẫn giới hạn theo điều kiện bền nhiệt của dầm

Hình 4.4 Điện áp Un thay đổi theo tỉ lệ L/w và w
4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm và điện áp giới hạn
4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ)
 ( AL2  12 I )sin 2  cos 2   4 2 EI min
Fb 1 

AL2 sin 2   12 I cos 2  
L2

4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ”

(4.5)

19


Hình 4.13 Sự thay đổi của điện áp Um theo tỉ lệ L/w và w

4.3 Điều kiện điện áp đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V
Khi so sánh tại cùng một bộ kích thước L/w và w có thể xảy ra ba
trường hợp như sau:
- Um > Un, mất ổn định nhiệt xảy ra trước mất ổn định cơ;
- Um = Un, mất ổn định cơ và nhiệt xảy ra đồng thời;
- Um < Un, mất ổn định cơ xảy ra trước mất ổn định nhiệt.

Hình 4.15 Vùng kích thước đảm bảo an tồn cho bộ chấp hành chữ V

4.4 Xác định kích thước tối ưu của dầm chữ V cho chuyển vị
lớn nhất bằng thuật toán bầy đàn (PSO)
4.4.1 Ảnh hưởng của các thơng số kích thước dầm đến chuyển vị
20


Y

w

2

L2
cos2   L2 sin 2 



L sin 

(4.9)

4.4.2 Bài toán tối ưu, kết quả tối ưu bằng phương pháp PSO
4.4.2.1 Giới thiệu thuật toán tối ưu bầy đàn PSO
4.4.2.2 Áp dụng thuật tốn PSO xác định kích thước dầm tối
ưu cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V
4.5 Kết luận chương 4
Chương 4 đã nghiên cứu thiết lập các điều kiện ổn định dọc trục
dầm, điều kiện an toàn nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V.
Trên cơ sở đó, áp dụng tḥt tốn tới ưu để xác định bợ kích
thước dầm hợp lý. Mợt sớ kết quả đạt được như sau:

- Các điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định dọc trục dầm, điều
kiện an toàn nhiệt đã được xác định và sự phụ thuộc của các điện
áp này theo kích thước dầm đã được khảo sát và đánh giá. Từ đó
đã đề xuất và xác định được miền kích thước dầm đảm bảo điều
kiện an toàn làm việc chung cho vi chấp hành. Các kết quả này
cung cấp cho người thiết kế vi chấp hành điện nhiệt chữ V các
công thức lý thuyết để đánh giá và lựa chọn kích thước dầm đảm
bảo điều kiện làm việc ổn định và an toàn.
- Ảnh hưởng của các kích thước dầm (L, w và θ) đến chuyển vị
Y của vi chấp hành là rất đáng kể và trong đó tồn tại các cực trị
cho chuyển vị lớn nhất. Theo đó, tḥt tốn tới ưu bầy đàn đã
được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm hợp lý. Với bợ kích
thước dầm tới ưu, vi chấp hành cho chuyển vị lớn (tăng 22% so
với bộ kích thước không tối ưu tại cùng điện áp) đồng thời đảm
bảo điều kiện làm việc an toàn. Phương pháp và kết quả tới ưu
này có thể được áp dụng trong q trình tính tốn thiết kế vi chấp
hành điện nhiệt chữ V với mục đích tiết kiệm thời gian mà vẫn
đảm bảo các yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng làm việc.
Bên cạnh đó, thuật tối tối ưu bầy đàn còn có thể áp dụng với các
hàm mục tiêu khác như tần số tới hạn, điện áp dẫn, hệ số phẩm
chất… để có thể xác định chi tiết kết cấu của vi chấp hành điện
nhiệt chữ V.
21


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Chất lượng làm việc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt dạng chữ V ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính kỹ thuật
của vi hệ thống mà trong đó chúng đảm nhiệm vai trị là bợ phận

cung cấp cơ năng (lực hay mô men). Việc nghiên cứu ảnh hưởng
của các thông số kích thước đến chất lượng làm việc của hai loại
vi chấp hành phổ biến này có ý nghĩa quan trọng trong q trình
thiết kế các hệ thớng vi cơ như vi mô tơ, vi tay gắp hay vi vận
chuyển... Đó là cơ sở để có thể đưa ra các giải pháp nâng cao
chuyển vị, đảm bảo tính ổn định và an tồn khi làm việc.
Các nợi dung mà ḷn án đã thực hiện được tổng hợp lại như sau:
- Hệ thớng cơng thức lý thút tính các thơng sớ như độ cứng,
khối lượng và cản không khí trong mô hình động lực học tương
đương đã được thiết lập (mục 2.2). Trên cơ sở đó, giá trị tần số
tới hạn đới với điện áp dạng xung vng (23,8Hz) và hình sin
(1kHz) đã được xác định thông qua khảo sát mối quan hệ giữa
chuyển vị và tần số của một bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược
làm ví dụ.
- Hệ thống công thức lý thuyết xác định lực tĩnh điện, góc
nghiêng bề mặt răng hợp lý, điều kiện tránh hiện tượng chập bản
tụ của vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân đã được
thiết lập. Các kết quả tính tốn lý thút về chủn vị tĩnh, ưu
điểm của vi chấp hành (cho lực và chuyển vị lớn hơn dạng răng
lược hình chữ nhật) đã được thực nghiệm kiểm chứng.
- Dựa trên mô hình toán điện-nhiệt-cơ dạng sai phân hữu hạn
của vi chấp hành điện nhiệt chữ V, tần số tới hạn fC theo điều kiện
ổn định chuyển vị cho trường hợp xung vuông đã được đề xuất
và xác định. Ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến tần
số tới hạn và hệ số phẩm chất đã được khảo sát và đánh giá. Kết
quả này là cơ sở để người thiết kế lựa chọn kích thước dầm phù
hợp với yêu cầu về tần số làm việc.
- Các điều kiện và điện áp giới hạn đảm bảo an toàn nhiệt, ổn
định dọc trục dầm của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được xây
22

dựng và xác định. Thông qua khảo sát và đánh giá, miền kích
thước đảm bảo điều kiện an tồn khi làm việc đã được đề xuất và
xác định. Ảnh hưởng của kích thước dầm đến độ lớn chuyển vị
của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được khỏa sát và đánh giá.
Trên cơ sở đó, thuật toán bầy đàn đã được áp dụng để xác định
bộ kích thước dầm tối ưu của vi chấp hành. Dựa trên kết quả tối
ưu, các tính toán và so sánh bộ kích thước dầm hợp lý của vi chấp
hành điện nhiệt chữ V đã được xác định vừa cho chuyển vị lớn
(tăng 22%) đờng thời đảm bảo điều kiện an tồn khi làm việc.
Từ những nợi dung nghiên cứu đã trình bày ở trên, có thể rút ra
mợt sớ đóng góp chính của luận án như sau:
- Cung cấp hệ thống công thức xác định các tham số động lực
học quy đổi như độ cứng (2.38), khối lượng (2.44) và cản không
khí (2.62) trong mô hình dao động một bậc tự do tương đương.
Mơ hình này cho phép nâng cao đợ chính xác các kết quả tính
tốn chủn vị của vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt
chữ V.
- Đưa ra mợt quy trình tính tốn dựa trên hệ thớng các công thức
lý thuyết đã được xây dựng nhằm giúp người thiết kế vi chấp
hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V có thể
đạt được các yêu cầu về thiết kế và chất lượng làm việc (như tần
sớ tới hạn, tính ổn định và an tồn, hệ sớ phẩm chất) mợt cách
nhanh chóng, bài bản và có độ tin cậy cao.
- Đặc biệt đối với vi chấp hành điện nhiệt chữ V, luận án đã đưa
ra và xây dựng các điều kiện quan trọng như: ổn định cơ, ổn định
nhiệt và an toàn khi làm việc. Đã sử dụng tḥt tốn bầy đàn tới
ưu kích thước dầm để vi chấp hành cho chuyển vị lớn đồng thời
thỏa mãn các điều kiện về ổn định và an toàn. Kết quả này có ý

nghĩa trong việc cung cấp phương pháp tính toán và tiêu chuẩn
lý thuyết về độ ổn định và an toàn cho người thiết cấu trúc vi
chấp hành điện nhiệt chữ V đảm bảo điều kiện an toàn khi làm
việc (điện áp ổn định cơ Um nhỏ hơn điện áp ổn định nhiệt Un)
nhằm nâng cao tuổi thọ cho hệ thống vi cơ.

23