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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2021


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Phạm Hồng Phúc
2. PGS.TS. Vũ Công Hàm

Hà Nội - 2021


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án
được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa
từng được các tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày

thán
g

năm
2021

TM. Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Phạm Hồng Phúc

Hoàng Trung Kiên

i

LỜI CẢM ƠN
Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn
thành bản luận án của mình. Trong suốt q trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự
giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia
đình và đồng nghiệp.
Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Phạm
Hồng Phúc, PGS.TS. Vũ Công Hàm, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn
chun mơn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành cám ơn các
giảng viên, các nhà khoa học bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, viện Cơ khí, trường
Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chun mơn q
báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này.

Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện
Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ
trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hồn thành một số
quy trình thực nghiệm của luận án.
Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Học
viện Kỹ thuật Quân sự đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp
xếp thời gian vừa hồn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án của mình.

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới tồn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng
hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu
này.
Tác giả luận án

Hoàng Trung Kiên

ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................ii
MỤC LỤC...............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................... xi
DANH MỤC HÌNH VẼ..........................................................................................xii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết................................................................................................. 1
2. Mục tiêu của luận án...................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án.............................................. 2
3.1 Đối tượng nghiên cứu............................................................................. 2
3.2 Phạm vi nghiên cứu................................................................................. 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.................................................... 3
4.1 Ý nghĩa khoa học.................................................................................... 3
4.2 Ý nghĩa thực tiễn..................................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án............................................................ 3
6. Những đóng góp của luận án......................................................................... 4
7. Bố cục của luận án......................................................................................... 4
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ
ĐIỆN NHIỆT CHỮ V...............................................................................................6
1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng........................................................ 6
1.2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược................................................................. 8
1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt..................................................................... 18
1.4 Thảo luận và đánh giá................................................................................ 23
1.5 Kết luận chương 1..................................................................................... 25
Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP
HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC........................................................................ 26

2.1 Lý thuyết tĩnh điện.................................................................................... 26

2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến................................................................... 26
2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến..................................................................... 28
iii

2.2

Các tham số động lực học tương đương ........................................


2.2.1

Phương trình vi phân chuyển

2.2.2

Độ cứng tương đương ...........

2.2.3

Khối lượng quy đổi ...............

2.2.4

Cản quy đổi của khơng khí ...

2.3

Xác định đáp ứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược ................

2.3.1

Trường hợp điện áp dẫn có dạ

2.3.2

Trường hợp điện áp dẫn có dạ

2.3.3

Ảnh hưởng của tần số dẫn đến

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

Ảnh hưởng của góc nghiêng b

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

2.4.3

Kết quả đo đạc thực nghiệm .

2.4.4

Điều kiện ổn định của vi chấp

2.5

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

2.6

Kết luận chương 2 ...........................................................................

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP
HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V .................................................................................

3.1Mơ hình truyền nhiệt và phương trình

3.1.1C

3.1.2M

3.1.3M

3.1.4L

3.1.5P
3.2Khảo sát chuyển vị của vi chấp hành

3.2.1K

3.2.2T

3.3Ảnh hưởng của kích thước dầm đến t

3.4Ảnh hưởng của kích thước dầm đến h
iv

3.5 Kết luận chương 3..................................................................................... 84
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 86
4.1 Điều kiện bền nhiệt của dầm và điện áp dẫn giới hạn................................ 86
4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm và điện áp giới hạn.................................. 90
4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ)..................................... 90
4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ”.................................... 93
4.3 Điều kiện đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V.................................. 95
4.4 Xác định kích thước tối ưu của dầm chữ V cho chuyển vị lớn nhất bằng thuật
toán bầy đàn (PSO)......................................................................................... 98

4.4.1 Ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến chuyển vị.............98
4.4.2 Bài tốn tối ưu, kết quả tối ưu bằng thuật toán PSO.........................100
4.5 Kết luận chương 4................................................................................... 106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN..................111
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................112
PHỤ LỤC..............................................................................................................119
Phụ lục 1 Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa trên công nghệ vi cơ khối MEMS . 119

Phụ lục 2 Hệ thống thiết bị đo...............................................................................125
Phụ lục 3 Chương trình thuật tốn tối ưu bầy đàn.................................................126

v


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Danh mục các từ viết tắt

Ý nghĩa tiếng Việt

STT
1
2
3
4

Công nghệ ăn mịn ion hoạt
hóa sâu
Bộ chấp hành răng lược tĩnh
điện
Bộ chấp hành điện nhiệt dạng
chữ V
Thuật toán di truyền
Hệ thống vi cơ điện tử

5
Thuật toán tối ưu bầy đàn
6

Bộ chấp hành tĩnh điện răng
lược hình chữ nhật

7

Kính hiển vi điện tử quét

8
9

10
11
2. Danh mục ký hiệu

Hợp kim nhớ hình
Phiến silic kép
Bộ chấp hành tĩnh điện răng
lược hình thang cân


TT
1

Ký hiệu
a

2

A

3

a0

4
5
6

Abt
AC

Ae

7
8
9

Amb
At
b

10

B c , bc

11
12

Bi
C
vi

TT
13
14

Ký hiệu
C1
C2

15

C3

16

C4

17

C5

18

C6

19
20
21
22
23
24

Cd
Ce
Cp
CV
d
d0

25

26

Da
de

27
28
29
30
31

Ds
E
EB
EC
F


32

f

33

F2n, F2t

34

F2x, F2y

35
36
37
38

Fb
fC
Fcb
Fd

39

Fdb

40
41
42
43
45

Fe
Fe1
Fe2
Fet
Fh
vii

TT
46
47

48
49
50

Ký hiệu
Fn
Fo
Ft
Fy
g0

51

g02, g2

52
53
54
55
56
57

ga
Gbest
G
gs
h
hr

58

59
60
61
62
63
64
65
66
67

I
Imax
K
k
ka
ks
L
lc
Lf
Ls


68
69
70
71
72
73
74
75

76
77
78
79
80
81
82
83

M
mb
ms
N
n
Nb
Nd
nvar
P
Pbest
Pcr
Pt
Q
q1
q2
QC
viii

TT
84

Ký hiệu
qcd

85

qe

86

qls

87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105

qst
r
S
T
T0
TC
tC
Tcr
Tmax
U
U0
UC
Um
Un
w
W
w0
ws
X1


106
107
108
109
110
111
112
113

114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124

X2
X
XL
XU
y
y1
y2
yt
α
γ
δ
ΔL
ε
ε0
ζ
θ
λ
µ

ρ
ix

TT
125
126
127
128
129
130
131

Ký hiệu
ρ0
φ
Φ1
Φ2
ω
Ω
ωn


x


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1]..............................7
Bảng 1.2 Tổng hợp các công bố liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận án......23
Bảng 2.1 Các thông số vật liệu và mơi trường
...................................................................................................................................................................

43
Bảng 2.2 Các thơng số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành ECA
...................................................................................................................................................................

43
Bảng 2.3 Các kích thước cơ bản của RECA và TECA
...................................................................................................................................................................

50
Bảng 3.1 Các tham số hình học và cấu trúc của bộ vi chấp hành kiểu chữ V
...................................................................................................................................................................

73
Bảng 3.2 Các hằng số vật liệu
...................................................................................................................................................................

73
Bảng 3.3 Các tham số vật liệu thay đổi theo nhiệt độ [73]
...................................................................................................................................................................

73
Bảng 4.1 So sánh với điều kiện an toàn của các vi chấp hành....................................... 105


xi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược.........................................9

Hình 1.2 Các mơ hình cấu trúc dầm [9].................................................................. 10
Hình 1.3 Biên dạng răng hình thang cân [14]......................................................... 11
Hình 1.4 Biên dạng răng biểu diễn bằng đa thức [16]............................................ 11
Hình 1.5 Biên dạng răng lược được đề xuất bởi Kalaiarasi [17]............................ 12
Hình 1.6 Răng lược dạng hỗn hợp [18].................................................................. 12
Hình 1.7 Răng lược có biên dạng được tối ưu [19]................................................. 12
Hình 1.8 Các biên dạng răng lược dẫn động bộ vi chuyển mạch:...........................13
Hình 1.9 Kết cấu răng lược được đề xuất bởi Imboden [24]................................... 13
Hình 1.10 Mơ hình bộ vi cộng hưởng dẫn động bằng ECA [25].............................14
Hình 1.11 Mơ hình mất ổn định của hệ dầm gấp..................................................... 16
Hình 1.12 Các cấu trúc tăng độ ổn định.................................................................. 16
Hình 1.13 Một số cấu trúc vi chấp hành kiểu điện nhiệt.......................................... 18
Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm.................................................... 21
Hình 2.1 Sơ đồ xác định lực pháp tuyến giữa hai bản tụ......................................... 26
Hình 2.2 Sơ đồ xác định lực tiếp tuyến.................................................................... 28
Hình 2.3 Mơ hình bộ vi chấp hành kiểu tĩnh diện răng lược...................................30
Hình 2.4 Mơ hình vật lý tương đương...................................................................... 30
Hình 2.5 Sơ đồ xác định các đại lượng quy đổi....................................................... 31
Hình 2.6 Mơ hình xác định lực cản nhớt khơng khí................................................. 36
Hình 2.7 Quy luật điện áp dẫn dạng xung vng.................................................... 41
Hình 2.8 Điện áp dẫn dạng xung hình sin............................................................... 42
Hình 2.9 Chuyển vị tĩnh của ECA tại điện áp 100V................................................. 44
Hình 2.10 Tần số cơ bản của ECA.......................................................................... 44
Hình 2.11 Cấu trúc vi chấp hành tĩnh điện răng lược sau khi chế tạo.....................45
Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị tĩnh của ECA................................................... 45
Hình 2.13 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung vng....................................46
Hình 2.14 Chuyển vị trong trường hợp điện áp xung hình sin.................................47
Hình 2.15 Mơ hình răng lược dạng hình thang cân................................................. 48
Hình 2.16 Cấu trúc răng lược hình thang cân......................................................... 49
Hình 2.17 Quan hệ lực tĩnh điện và góc nghiêng bề mặt răng................................51

Hình 2.18 Các kích thước của răng lược hình thang cân........................................ 51
Hình 2.19 Đồ thị quan hệ giữa tỷ số lực và dịch chuyển Δy...................................52
Hình 2.20 Đồ thị quan hệ chuyển vị và góc nghiêng bề mặt răng..........................53
Hình 2.21 Ảnh SEM khi đo đạc............................................................................... 54
Hình 2.22 Chuyển vị tính toán và đo đạc của RECA và TECA theo điện áp..........55
Hình 2.23 Hiện tượng hỏng của TECA khi đo đạc tại điện áp trên 50V.................56
Hình 2.24 Quan hệ giữa lực tĩnh điện Fet và lực đàn hồi Fel theo chuyển vị yt........57
Hình 2.25 Đồ thị quan hệ giữa độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng.....................59
xii


Hình 2.26 Ảnh hưởng của chiều dài và chiều rộng dầm đến hệ số phẩm chất........60
Hình 2.27 Quan hệ giữa chuyển vị tĩnh và hệ số phẩm chất.................................... 61
Hình 3.1 Cấu trúc bộ chấp hành điện nhiệt chữ V................................................... 63
Hình 3.2 Dầm mảnh tương đương (a) và phân tố dầm (b)......................................64
Hình 3.3 Mơ hình truyền nhiệt trong đoạn dầm thứ i.............................................. 68
Hình 3.4 Sơ đồ tính hợp lực của một cặp dầm chữ V.............................................. 71
Hình 3.5 Kết quả nhiệt độ và chuyển vị mơ phỏng tại điện áp 20V.........................74
Hình 3.6 Ảnh chụp chuyển vị bộ vi chấp hành chữ V tại các điện áp 10V, 20V, 30V
75
Hình 3.7 So sánh chuyển vị tính tốn, mơ phỏng và đo đạc.................................... 75
Hình 3.8 Quy luật điện áp dẫn................................................................................. 77
Hình 3.9 Chuyển vị của vi chấp hành trong miền thời gian tại các tần số khác nhau
77
Hình 3.10 Quan hệ giữa độ giảm chuyển vị tương đối và tần số dẫn......................78
Hình 3.11 Quan hệ giữa tần số tới hạn và điện áp dẫn............................................ 80
Hình 3.12 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều dài dầm........................................ 81
Hình 3.13 Quan hệ giữa tần số tới hạn và chiều rộng dầm..................................... 81
Hình 3.14 Quan hệ giữa hệ số phẩm chất và tỉ số kích thước dầm..........................82
Hình 3.15 Đồ thị quan hệ giữa hệ số phẩm chất Q và góc nghiêng dầm θ..............83

Hình 3.16 Đồ thị quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất và hệ số phẩm chất Q...............84
Hình 4.1 Quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và điện áp dẫn........................................ 87
Hình 4.2 Hiện tượng hỏng dầm của vi chấp hành................................................... 87
Hình 4.3 Mối quan hệ giữa điện áp Un và chiều rộng dầm w.................................. 88
Hình 4.4 Mối quan hệ giữa điện áp Un và chiều dài dầm L..................................... 88
Hình 4.5 Điện áp Un thay đổi theo tỉ lệ L/w và w.................................................... 89
Hình 4.6 Mơ hình chịu tải và xác định điều kiện ổn định dầm................................. 90
Hình 4.7 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến độ cứng của hệ dầm......................91
Hình 4.8 Ảnh hưởng của góc nghiêng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành..........92
Hình 4.9 Quan hệ giữa độ cứng nhỏ nhất Kmin và điện áp dẫn................................ 92
Hình 4.10 Quan hệ giữa điện áp Um và chiều dài dầm L......................................... 93
Hình 4.11 So sánh sự thay đổi của Nb với Pcr theo chiều dài dầm L........................94
Hình 4.12 Quan hệ giữa điện áp Um và chiều rộng dầm.........................................94
Hình 4.13 So sánh sự thay đổi của Nb với Pcr theo chiều rộng dầm w.....................95
Hình 4.14 Sự thay đổi của điện áp Um theo tỉ lệ L/w và w....................................... 95
Hình 4.15 So sánh các điện áp Um và Un theo tỉ số L/w........................................... 96
Hình 4.16 Vùng kích thước đảm bảo an tồn cho bộ chấp hành chữ V...................97
Hình 4.17 Ảnh hưởng của chiều dài dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V .. 98
Hình 4.18 Ảnh hưởng của chiều rộng dầm đến chuyển vị của bộ chấp hành chữ V 99
Hình 4.19 Ảnh hưởng của góc nghiêng đến chuyển vị............................................. 99
Hình 4.20 Sơ đồ thuật tốn PSO........................................................................... 102
xiii


Hình 4.21 Kết quả tối ưu các kích thước dầm tại các điện áp cho phép................103
Hình 4.22 So sánh chuyển vị của vi chấp hành đã tối ưu với chưa được tối ưu....104
Hình 4.23 Chênh lệch chuyển vị tương đối của các bộ kích thước tối ưu..............105
Hình 4.24 Nhiệt độ và chuyển vị của một cặp dầm chữ V tại 28V.........................106

xiv

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Ngày nay, nhờ sự phát triển của các công nghệ vi gia công mà các linh kiện cũng
như hệ thống có kích thước đo bằng đơn vị micro được chế tạo hàng loạt với giá
thành rẻ, chất lượng làm việc ổn định và độ chính xác cao. Việc nghiên cứu và ứng
dụng các thiết bị có kích thước nhỏ cỡ micro cũng đã trở thành một xu thế tất yếu
của thế giới từ khoảng hai thập niên trước. Cùng với đó cơng nghệ vi cơ điện tử
MEMS (Micro Electro Mechanical System) đã trở thành một trong những lĩnh vực
phát triển rất nhanh trong những năm gần đây. Về định nghĩa, MEMS là hệ thống
tích hợp bao gồm các vi cảm biến, các bộ vi chấp hành và các vi mạch điện tử có
kích thước micro và được chế tạo bằng các công nghệ vi gia công.
Công nghệ MEMS ngày nay đã có thể chế tạo hàng loạt các bộ vi cảm biến
(micro sensor) và các bộ vi chấp hành/vi kích hoạt (micro actuator) được ứng dụng
trong nhiều thiết bị và hệ thống khác nhau. Trong một hệ thống tích hợp cụ thể, các
vi mạch điện tử được coi như là “hệ thần kinh và bộ não”, các các thiết bị MEMS
được xem như là “tai mắt” và “tay chân”, điều này làm cho hệ thống nhận biết và
điều khiển theo môi trường một cách linh hoạt với độ chính xác cao. Các vi cảm
biến có nhiệm vụ thu thập các thông tin từ môi trường qua việc tiếp nhận các tín
hiệu như: cơ, quang, nhiệt, sinh, hóa… Sau đó các vi mạch điện tử xử lý thơng tin
để kịp thời đưa ra các tín hiệu điều khiển các bộ phận vi chấp hành để đáp ứng lại
bằng cách di chuyển, thay đổi trạng thái, dị tìm, lọc… theo ý muốn của con người.
Các thiết bị MEMS ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực của đời sống.
Trong đó các sản phẩm của MEMS được ứng dụng nhiều trong ơ tơ, hệ thống đo và
phân tích y sinh, các thiết bị viễn thơng, vũ khí, vệ tinh, thiết bị giải trí,…
Trong MEMS, bộ vi chấp hành là một loại thiết bị quan trọng đóng vai trị cung
cấp chuyển động và lực để dẫn động các bộ phận khác trong một hệ thống tích hợp.
Trên thế giới đã có nghiều cơng bố về các loại bộ vi chấp hành khác nhau, dựa trên
các hiệu ứng vật lý, bao gồm: vi chấp hành kiểu tĩnh điện, điện nhiệt, áp điện, điện

từ, vật liệu nhớ hình .v.v. Trong đó có thể kể đến hai loại vi chấp hành tương đối
phổ biến là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V. Chúng thường
được dùng để dẫn động các hệ thống và thiết bị như vi cộng hưởng, vi chuyển
mạch, vi tay gắp, vi motor, vi vận chuyển… Do đó, chất lượng và độ chính xác khi
làm việc 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. Chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành bao
gồm: độ lớn chuyển vị, tần số tới hạn, hệ số phẩm chất, tính ổn định và an tồn.
Việc nâng chất lượng làm việc khi tính toán thiết các bộ vi chấp hành là rất quan
trọng. Để tính tốn 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
1


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 độ chính xác của các
bộ vi chấp hành mang ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học và thực tiễn.
Trong các nghiên cứu về lĩnh vực MEMS, đã có rất nhiều cơng trình khoa học
được cơng bố trên thế giới liên quan đến các bộ vi chấp hành. Các công bố khoa học
này tập trung vào các chủ đề như: thiết kế mới và cải tiến cấu trúc, ứng dụng vật
liệu mới và cải tiến công nghệ chế tạo, tối ưu kích thước và kết cấu nhằm nâng cao
chất lượng làm việc. Ở trong nước, việc nghiên cứu về cơng nghệ MEMS nói chung
và về các bộ vi chấp hành nói riêng đã có những bước tiến quan trọng trong những
năm gần đây, trong đó có thể kể đến các trung tâm như: Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học Vật
liệu… Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu về ảnh hưởng của thông các số kích thước đến
chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện và điện nhiệt chữ V
chưa đầy đủ và có tính hệ thống.
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 tốn 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
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 thuyết tương
đối hoàn 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 các hệ vi hệ thống như: vi mô tơ quay
hoặc tịnh tiến, vi tay gắp, hệ vi vận chuyển. Cụ thể hơn là vi chấp hành tĩnh điện sử
dụng răng lược hình chữ nhật và răng lược hình thang cân, vi chấp hành điện nhiệt
dạng chữ V chuyển động tịnh tiến 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). Đối với đối tượng nghiên cứu của luận án, dải
tần số làm việc nhỏ hơn 100Hz được coi là thấp, từ 100Hz đến 1kHz là dải tần số làm
việc trung bình, trên 1kHz là dải tần số làm việc cao.

2


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, độ ổn định cơ
học, tính an tồn (tránh chập, cháy hoặc biến dạng dẻo). Các vấn đề phức tạp khác

khác như: tính phi tuyến của độ cứng khi biến dạng lớn, hiệu ứng viền (fringing
effect) trong tụ điện, sự thay đổi của mô đun đàn hồi theo nhiệt độ, hiện tượng đối
lưu và bức xạ nhiệt trong khơng khí, truyền nhiệt giữa các dầm trong hệ dầm, truyền
nhiệt qua thanh đẩy, độ bền và ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền .v.v. sẽ không
được kể đến trong nội dung của luận án.
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 thống các vấn
đề lý thuyết cho đối 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 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 luận án để hoàn thiện
hệ thống 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 thơng 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 bài toán để sử dụng thuật tốn tối ưu
xác định kích thước dầm của vi chấp hành điện nhiệt chữ V cho chuyển vị lớn đồng
thời đảm bảo các điều kiện về ổn định cơ và an tồn 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 thống 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 thuyết, mơ phỏng và
kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng. Việc áp dụng các phương pháp này được
3


tiến hành một cách cụ thể như sau:
- Dựa trên các nguyên lý và định luật vật lý cơ bản (cơ học, tĩnh điện, truyền

nhiệt và dãn nở nhiệt), cùng với việc vận dụng các phương pháp toán học để
xây dựng mơ hình tốn cho các bộ vi chấp hành, từ đó tính tốn ảnh hưởng của
tham số cấu tạo tới chất lượng hoạt động.
- Sử dụng phần mềm thông dụng để mô phỏng các bộ vi chấp hành kiểm chứng

tính chính xác của một số kết quả được tính theo mơ hình tốn đã xây dựng. Kết
hợp cả mơ phỏng từng phần và mơ phỏng tồn bộ hệ thống.
- Về thực nghiệm, luận án sẽ tiến hành đo đạc một số đặc tính của vi chấp hành để so

sánh kiểm chứng lại các kết quả tính tốn và mơ phỏng. Công việc này được thực hiện
dựa trên sự hợp tác chặt chẽ với các phịng thí nghiệm MEMS tiên tiến trong nước.
6.

Những đóng góp của luận án

Luận án được thực hiện thơng qua việc phân tích, đánh giá và kế thừa các cơng
trình khoa học đã cơng bố liên quan đến vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt dạng chữ V, kết hợp với các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mơ phỏng và
thực nghiệm. 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 thơng 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.
- 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 mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn. Đề
xuất điều kiện an toàn làm việc cho vi chấp hành, tránh hư hỏng thiết bị trong q
trình vận hành. Thuật tốn tối ưu được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm hợp
lý vừa cho chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định và an tồn.
7.

Bố cục của luận án

Để trình bày một cách cụ thể các vấn đề nghiên cứu, nội dung của luận án được
chia thành bốn chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 Tổng quan về vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện
nhiệt chữ V: Tìm hiểu tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến hai bộ vi chấp
hành cụ thể là tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V. Từ đó phân tích, đánh giá
các ưu nhược điểm, các nội dung còn chưa được giải quyết hoặc giải quyết

4


chưa triệt để của các nghiên cứu trong và ngoài nước. Thơng qua đó, luận án sẽ đề
xuất mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu cho phù hợp.

Chương 2 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của vi chấp
hành tĩnh điện răng lược: Giới thiệu khái quát về các cơng thức tính lực tĩnh điện
giữa hai bản tụ. Xây dựng cơng thức tính các thơng số động lực học tương đương trong
phương trình vi phân chuyển động. Giải phương trình vi phân để xác định chuyển vị
chung của vi chấp hành theo hai quy luật điện áp phổ biến là xung vng và xung hình
sin. Khảo sát ảnh hưởng của tần số dẫn đến sự ổn định của chuyển vị để xác định tần số
tới hạn và ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất. Xây dựng các các công
thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện, chuyển vị và điều kiện tránh hiện tượng chập
bản tụ của vi chấp hành tĩnh điện răng lược có dạng hình thang cân. Khảo sát ảnh
hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất của vi chấp hành tĩnh điện răng lược
truyền thống.

Chương 3 Nghiên cứu đánh giá chất lượng làm việc của của vi chấp
hành điện nhiệt chữ V: Xây dựng mơ hình truyền nhiệt cho một cặp dầm chữ V sử
dụng phương pháp sai phân hữu hạn. So sánh chuyển vị xác định theo tính tốn, mơ
phỏng và đo đạc thực nghiệm để kiểm chứng. Khảo sát ảnh hưởng của tần số dẫn đến
chuyển vị khi sử dụng điện áp dạng xung vuông, từ đó đề xuất phương pháp xác định
tần số dẫn tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị. Khảo sát ảnh hưởng của các thơng
số kích thước dầm đến tần số dẫn tới hạn và hệ số phẩm chất của vi chấp hành làm cơ
sở để lựa chọn kích thước dầm hợp lý phù hợp với yêu cầu của đầu bài khi thiết kế.

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: Tiến hành xác định

và xây dựng điều kiện làm việc giới hạn theo nhiệt độ lớn nhất trên dầm và ổn định dọc
trục dầm, từ đó xác định ảnh hưởng của các thơng số kích thước dầm đến giá trị các
điện áp giới hạn theo điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ. Xác định miền kích thước
dầm đảm bảo điều kiện an tồn khi làm việc thơng qua quan hệ giữa các điện áp giới
hạn. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước dầm đến chuyển vị tĩnh của vi chấp hành, áp
dụng thuật toán tối ưu để xác định bộ kích thước dầm thỏa mãn yêu cầu chuyển vị lớn
mà vẫn đảm bảo điều kiện ổn định cơ và nhiệt độ giới hạn.

Kết luận và kiến nghị: Trình bày tóm lược lại các nội dung mà luận án đã thực
hiện, chỉ ra những điểm mới và các đóng góp chính của luận án. Thảo luận thêm những
điểm cịn tồn tại để tiếp tục phát triển và hoàn thiện.

Bên cạnh đó, quy trình chế tạo các vi chấp hành theo công nghệ SOI-MEMS
được đưa vào luận án trong phần Phụ Lục 1 để nhằm giới thiệu và làm rõ thêm về
khả năng của công nghệ gia công, Phụ lục 2 mơ tả hệ thống đo đạc. Hàm thuật tốn
tối ưu trong MATLAB cũng sẽ được trình bày trong Phụ Lục 3.

5


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN
RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V
Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các bài báo khoa học được đăng trên các tạp
chí uy tín trong và ngồi nước, các luận án tiến sĩ và các cơng trình khoa học khác
đã được công bố liên quan đến nội dung của luận án. Trên cơ sở đó rút ra những
điểm mạnh có thể kế thừa và phát triển, những vấn đề còn tồn tại để luận án tập
trung nghiên cứu và giải quyết.

1.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng
Vi chấp hành là một loại linh kiện trong MEMS có nhiệm vụ chuyển đổi các

dạng tín hiệu hoặc năng lượng như điện, nhiệt, quang, hóa, sinh… thành các đại
lượng cơ học như chuyển vị, lực hoặc mơ men. Nhờ đó vi chấp hành được dùng để
dẫn động các thiết bị trong hệ thống vi cơ như vi động cơ, vi bơm, vi lắp ráp, vi vận
chuyển hay vi rô bốt.
Trong các hệ thống vi cơ cụ thể thì vi chấp hành chính là hạt nhân giúp các hệ
thống có thể chuyển động được thông qua cơ năng. Dạng năng lượng này có thể
truyền qua các cơ cấu trung gian để thực hiện các nhiệm vụ trong thế giới vi mô như
kẹp, đẩy, vận chuyển các vi mẫu vật hoặc cũng có thể tạo ra nguồn chuyển động để
dẫn động các thiết bị khác như vi cảm biến con quay (micro gyroscope), vi cộng
hưởng (micro resonator), vi chuyển mạch (micro switch).v.v. Như vậy, vi chấp hành
trong thế giới micro có thể được so sánh với động cơ đốt trong trên các phương tiện
giao thông vận tải (ô tô, tàu hỏa, tàu thủy) hay như động cơ điện trong các máy gia
công cơ khí (máy tiện, phay, khoan, bào), các hệ thống máy móc trong nhà xưởng
cơng nghiệp như lắp ráp ơ tơ, dệt may, hóa chất…
Trong các lĩnh vực của đời sống, các thiết bị MEMS nói chung và các vi chấp
hành nói riêng ngày càng chiếm một vị trí quan trọng. Đặc biệt là trong y học do sự
tương thích cao giữa các linh kiện này với các mẫu vật và các cơng việc cần độ
chính xác cao như bơm vi lượng thuốc, vi phẫu thuật, vi nội soi…
Theo hiệu ứng vật lý, vi chấp hành MEMS được chia thành các loại như sau:
- Bộ vi chấp hành kiểu tĩnh điện (micro electrostatic actuator) sử dụng lực tĩnh

điện sinh ra giữa hai bản tụ tích điện trái dấu ở kích thước micro mét.
- Bộ vi chấp hành kiểu điện nhiệt (micro electrothermal actuator) sử dụng sự

dãn nở nhiệt của các dầm mảnh làm bằng vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn, hoặc
sử dụng hiện tượng biến dạng nhiệt không đều của cặp vật liệu có hệ số dãn nở
nhiệt khác nhau khi có dịng điện chạy qua.
- Bộ vi chấp hành kiểu áp điện (micro piezoelectric actuator) sử dụng biến dạng

của vật liệu do xuất hiện nội ứng suất khi có điện áp đặt vào.

6


- Bộ vi chấp hành kiểu điện từ (micro electromagnetic actuator) sử dụng lực điện từ

(lực Lorentz) sinh ra trong một cuộn dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu đặt trong
một từ tường của nam châm vĩnh cửu hoặc của một cuộn dây dẫn khác tương ứng.
- Bộ vi chấp hành kiểu vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA - shape memory alloys) sử

dụng khả năng biến dạng lớn do nhiệt sinh ra trong các vật liệu có tinh thể đặc biệt.

Các loại vi chấp hành này có những ưu và nhược điểm được trình bày như trong
Bảng 1.1.
Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1]

Hiệu ứng

Tĩnh điện
(Electrostatic)

Điện nhiệt
(Electrothermal)

Điện từ
(Electromagnetic)

Áp điện
(Piezoelectric)

Vật liệu nhớ

hình (SMA)

Từ những ưu, nhược điểm như phân tích ở trên có thể thấy hai loại vi chấp hành
kiểu tĩnh điện và điện nhiệt đều có kết cấu đơn giản có thể chế tạo hàng loạt, dễ tích
7