(Luận án tiến sĩ) 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

(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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(Luận án tiến sĩ) 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 HOÀNG TRUNG KIÊN 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG KIÊN 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 Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Hồng Phúc PGS.TS Vũ Công Hàm Hà Nội - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày TM Tập thể hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Phúc tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Hoàng Trung Kiên i LỜI CẢM ƠN Trải qua thời gian dài, khó khăn nhiều thử thách tác giả hoàn thành luận án Trong suốt q trình đó, tác giả nhận giúp đỡ hỗ trợ đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, nhà khoa học, gia đình đồng nghiệp Qua tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS Phạm Hồng Phúc, PGS.TS Vũ Cơng Hàm, người định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn bổ sung kịp thời kiến thức liên quan Xin chân thành cám ơn giảng viên, nhà khoa học môn Cơ sở thiết kế máy Robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, có đóng góp chun mơn q báu cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội hỗ trợ thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả hồn thành số quy trình thực nghiệm luận án Tác giả xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu đồng nghiệp Học viện Kỹ thuật Quân đồng ý chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả xếp thời gian vừa hồn thành nhiệm vụ chun mơn vừa hồn thành luận án Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè hết lịng ủng hộ, chia sẻ tinh thần vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu 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 Tính cấp thiết Mục tiêu luận án Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Phương pháp nghiên cứu luận án Những đóng góp luận án Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện lược 1.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt 18 1.4 Thảo luận đánh giá 23 1.5 Kết luận chương 25 Chương 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 29 2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát 29 2.2.2 Độ cứng tương đương 31 2.2.3 Khối lượng quy đổi 34 2.2.4 Cản quy đổi khơng khí 35 2.3 Xác định đáp ứng vi chấp hành tĩnh điện lược 40 2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông 41 2.3.2 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung hình sin 42 2.3.3 Ảnh hưởng tần số dẫn đến chuyển vị 43 2.4 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt lược hình thang cân đến lực dẫn chuyển vị điều kiện ổn định 48 2.4.1 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến lực tĩnh điện 48 2.4.2 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến chuyển vị vi chấp hành 53 2.4.3 Kết đo đạc thực nghiệm 54 2.4.4 Điều kiện ổn định vi chấp hành lược hình thang cân 56 2.5 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 60 2.6 Kết luận chương 61 Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 63 3.1 Mơ hình truyền nhiệt phương trình vi phân chuyển động 63 3.1.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc 63 3.1.2 Mơ hình truyền nhiệt dạng giải tích 64 3.1.3 Mơ hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn 67 3.1.4 Lực dãn nở nhiệt vi chấp hành điện nhiệt chữ V 71 3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động 72 3.2 Khảo sát chuyển vị vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V 73 3.2.1 Kiểm chứng kết tính toán chuyển vị tĩnh 73 3.2.2 Tần số tới hạn vi chấp hành điện nhiệt chữ V 76 3.3 Ảnh hưởng kích thước dầm đến tần số tới hạn 80 3.4 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 82 iv 3.5 Kết luận chương 84 Chương 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 dầm điện áp dẫn giới hạn 86 4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm 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 dầm chữ V cho chuyển vị lớn thuật toán bầy đàn (PSO) 98 4.4.1 Ảnh hưởng thơng số kích thước dầm đến chuyển vị 98 4.4.2 Bài toán tối ưu, kết tối ưu thuật toán PSO 100 4.5 Kết luận chương 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 Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa công nghệ vi khối MEMS 119 Phụ lục Hệ thống thiết bị đo 125 Phụ lục Chương trình thuật tốn tối ưu bầy đàn 126 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Danh mục từ viết tắt STT Ý nghĩa tiếng Anh Từ viết tắt DRIE ECA EVA GA MEMS PSO RECA SEM 10 SMA SOI 11 TECA Deep Reactive Ion Etching Electrostatic Comb-drive Actuator Electrothermal V-shape Actuator Gen Algorithm Micro-electro-mechanical System Particle Swarming Optimation Rectangular Electrostatic Comb Actuator Scanning Electron Microscope Shape Memory Alloy Silicon-on-Insulator Trapezoidal Electrostatic Comb Actuator Ý nghĩa tiếng Việt Cơng nghệ ăn mịn ion hoạt hóa sâu Bộ chấp hành lược tĩnh điện Bộ chấp hành điện nhiệt dạng chữ V Thuật toán di truyền Hệ thống vi điện tử Thuật toán tối ưu bầy đàn Bộ chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật Kính hiển vi điện tử quét Hợp kim nhớ hình Phiến silic kép Bộ chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân Danh mục ký hiệu TT Ký hiệu Đơn vị a µm A µm2 a0 µm Abt AC Ae Amb At b µm2 µm2 µm µm2 µm2 µm 10 Bc, bc µm 11 12 Bi C µN.s/µm Ý nghĩa Khoảng chồng hai tụ Diện tích mặt cắt dầm Khoảng chồng ban đẩu lược di động lược cố định Diện tích mặt đáy đẩy Diện tích bề mặt chịu cản nhớt Diện tích chồng hai tụ Diện tích mặt bên đẩy Diện tích mặt đẩy Chiều rộng tụ Lần lượt chiều dài đáy lớn, đáy nhỏ lược hình thang cân Hệ số Biot Hệ số cản khơng khí quy đổi vi TT Ký hiệu Đơn vị 13 C1 µN.s/µm 14 C2 µN.s/µm 15 C3 µN.s/µm 16 C4 µN.s/µm 17 C5 µN.s/µm 18 C6 µN.s/µm 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Cd Ce Cp CV d d0 Da de Ds E EB EC F f µN.s/µm pF pJ/kg.K µN.s/µm µm µm kg/µm3 µm kg/µm3 MPa pJ pJ µN Hz 33 F2n, F2t µN 34 F2x, F2y µN 35 36 37 38 Fb fC Fcb Fd µN Hz µN µN 39 Fdb µN 40 41 42 43 45 Fe Fe1 Fe2 Fet Fh µN µN µN µN µN Ý nghĩa Hệ số cản nhớt khơng khí mặt đáy đẩy Hệ số cản nhớt khơng khí bề mặt lược Hệ số cản nhớt khơng khí mặt bên mặt đẩy Hệ số cản diện tích đẩy vng góc với phương vận tốc Hệ số cản nhớt khơng khí tương đương mặt đáy dầm đơn Hệ số cản diện tích dầm đơn vng góc với phương Y Hệ số cản nhớt khơng khí Điện dung tụ điện Nhiệt dung riêng Hệ số cản không khí quy đổi vị trí đẩy EVA Khoảng cách bề mặt bị cản Khe hở hai tụ Khối lượng riêng không khí Khoảng cách hai điện tích điểm Khối lượng riêng silic Mô đun đàn hồi vật liệu Nội nguồn Năng lượng điện trường hai tụ Lực dãn nở nhiệt EVA Tần số điện áp dẫn Lần lượt lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp tuyến bề mặt lược hình thang cân Lần lượt lực tĩnh điện phương x, y lược hình thang cân Lực dãn nở nhiệt dọc theo trục dầm đơn Tần số ngưỡng/tần số tới hạn Tổng lực cản nhớt khơng khí mặt đáy dầm đơn Lực cản nhớt khơng khí Tổng lực cản khơng khí diện tích dầm đơn vng góc với phương chuyển động Y Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến Hàm lực tĩnh điện điện áp dạng xung vuông Hàm lực tĩnh điện điện áp dạng xung hình Sin Tổng lực tĩnh điện TECA Lực tĩnh điện hai chất điểm vii TT 46 47 48 49 50 Ký hiệu Fn Fo Ft Fy g0 Đơn vị µN µN µN µm 51 g02, g2 µm 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 ga Gbest G gs h hr I Imax K k ka ks L lc Lf Ls M mb ms N n Nb Nd nvar P Pbest Pcr Pt Q q1 q2 QC µm µm kg.µm4 µN/µm µN/µm W/m.K W/m.K µm µm µm µm kg kg kg cặp µN đoạn µN µN C C C Ý nghĩa Lực tĩnh điện pháp tuyến Hệ số Fourier Lực tĩnh điện tiếp tuyến Tổng lực tĩnh đện phương y ECA Khe hở bề mặt lược cố định di động Lần lượt khe hở ban đầu, khe hở làm việc lược hình thang cân Khe hở lớp cấu trúc Vị trí tối ưu toàn cục Giá trị "phạt" Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức Chiều dày dầm Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức Mơ men qn tính diện tích Số vòng lặp lớn Độ cứng quy đổi hệ dầm Độ cứng quy đổi dầm đơn Hệ số truyền nhiệt khơng khí Hệ số truyền nhiệt silic Chiều dài dầm Chiều dài lược Chiều dài khung ngang Chiều dài đẩy EVA Khối lượng quy đổi Khối lượng dầm đơn Khối lượng đẩy Số lược di động Số cặp dầm đơn Phản lực dọc trục dầm Số phân đoạn dầm Số biến thiết kế Số điểm tìm kiếm thuật tốn PSO Vị trí tối ưu cục Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm Lực tác dụng lên đầu dầm vị trí nối với đẩy Hệ số phẩm chất Điện tích vật mang điện Điện tích vật mang điện Điện tích tụ điện viii ... án Chương TỔNG QUAN V? ?? VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC V? ? ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện lược 1.3 Vi chấp hành. .. nghĩa tiếng Vi? ??t Cơng nghệ ăn mịn ion hoạt hóa sâu Bộ chấp hành lược tĩnh điện Bộ chấp hành điện nhiệt dạng chữ V Thuật toán di truyền Hệ thống vi điện tử Thuật toán tối ưu bầy đàn Bộ chấp hành tĩnh. .. định vi chấp hành lược hình thang cân 56 2.5 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 60 2.6 Kết luận chương 61 Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VI? ??C CỦA VI CHẤP HÀNH