THIẾT kế và PHÂN TÍCH cơ cấu BIẾN đổi CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN THÀNH CHUYỂN ĐỘNG XOAY dưới tác DỤNG của bộ THANH TRUYỀN ĐỘNG NHIỆT BIÊN DẠNG CHỮ v

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 57, 2022 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU BIẾN ĐỔI CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN THÀNH CHUYỂN ĐỘNG XOAY DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BỘ THANH TRUYỀN ĐỘNG NHIỆT BIÊN DẠNG CHỮ V NGƠ TIẾN HỒNG Khoa Cơng nghệ Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngotienhoang@iuh.edu.vn DOIs: https://doi.org/10.46242/jstiuh.v57i03.4385 Tóm tắt Một kết cấu mềm dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động xoay phát triển Để đạt biến đổi truyền chuyển động này, truyền chuyển động tịnh tiến dạng chữ V xếp đối xứng Chuyển động tịnh tiến thực hai truyền động nhiệt kiểu chữ V Với đột phá ngành cơng nghệ kỹ thuật cao, cấu mềm sử dụng số ứng dụng vi quang học chuyển mạch quang học, đo đạc nhiễu xạ, giảm cường độ quang học, v.v…Các phân tích phần tử hữu hạn thực để dự đoán hành vi chế biến đổi truyền động Kết cấu đạt tỷ số truyền xấp xỉ 1.1 độ/µm Các kết mơ cho thấy phân bố nhiệt độ đồng dọc theo câu truyền động nhiệt cho phép giãn nở nhiệt tổng thể lớn chuyển động tuyến tính lớn hơn, điều giúp củng cố đầu chuyển động quay thuận lợi hơn, từ thu góc xoay lớn Từ khóa: biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay, tỷ số truyển, câu truyền động nhiệt kiểu chữ V GIỚI THIỆU Bộ vi định vị quay nhìn thấy từ ứng dụng ổ đĩa cứng [1], bàn trượt xoay độ [2] điều chỉnh vi mô [3] Lau cộng [1] phát triển xoay vi mô điều khiển giãn nở nhiệt vật liệu tổng hợp silicon/polyme Yi cộng [2] trình bày chế định vị ba bậc tự (DOF) vi mô với lề uốn Nó yêu cầu 12 cấu truyền động áp điện để đạt vị trí hai bậc tự bậc tự xoay Chao cộng [3] báo cáo bàn xoay bao gồm có ba chuyển động tịnh tiến chín lề uốn Để đạt độ xác cao, họ sử dụng phần tử gốm áp điện làm thiết bị truyền động Arefin cộng [4] trình bày bàn xoay kích hoạt giãn nở nhiệt trở nhiệt Lin, chao cộng sư [5] thành lập hệ số dẫn nhiệt biên dạng để giải toán nhiệt dẫn từ cấu truyền động môi trường xung quanh Bằng cách sử dụng quy trình chế tạo wafer chi phí thấp, Janak cộng [6] phát triển thiết bị micro gương silicon đơn tinh thể tự truyền động nhiệt Thiết bị với bốn cấu truyền động nhiệt đặt mặt đối diện gương trung tâm thơng qua lị xo uốn Micro gương nghiên cứu để thu độ lệch góc lặp lại lên đến 10o, thời gian đáp ứng nhiệt 8-13ms Tuy nhiên, độ lệch góc tăng 10o, hành vi chuyển mạch khơng thể lặp lại Tất thành phần cấu trúc thiết bị chế tạo silicon đơn tinh thể sử dụng công nghệ gia công micro-technilogy ăn mòn sâu thân vật liệu chi tiết đột ngột thay đổi biên dạng ban đầu Thiết bị hữu ích cho mạng truyền thông quang học ứng dụng quét quang học Butler cộng [7] sử dụng mảng thiết bị truyền động tương thích CMOS để định vị bề mặt quét micro gương micro xoay Một hệ thống điều khiển xung kỹ thuật số dựa máy tính phát triển để định vị xác vị trí gương Enikov cộng [8] giải pháp phân tích tốn nhiệt điện nhiệt cấu truyền động kiêu V cách sử dụng lý thuyết dầm Kết tính tốn lý thuyết, phân tích phần tử hữu hạn (FEA) quan sát thực nghiệm đạt tỷ lệ sai số nhỏ Tuy nhiên, mức độ nhiệt độ cao hơn, bị biến dạng vênh bên dẫn tới giảm độ dịch chuyển cấu turyền động Hussein cộng [9] phát triển mơ hình phân tích động học cấu truyền động nhiệt-điện hình chữ U Trong nghiên cứu này, phân bố nhiệt cấu truyền động dịch chuyển nhiệt tác động tác giả tính tốn Các dạng trạng thái điên-nhiệt cánh tay robot truyền động minh họa cách cung cấp giải pháp xác PDEs (partial differential equations) Theo © 2022 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Tác giả: Ngơ Tiến Hồng kết họ, phương pháp phần tử hữu hạn FEA thí nghiệm nói chung phù hợp chặt chẽ với phương pháp giai tích (analytical models) phân bố nhiệt dịch chuyển Guan cộng [10] giới thiệu cấu truyền động hình chữ Z cung cấp độ cứng nhỏ mà không bị xoắn cung cấp dịch chuyển lớn Tất thông số thiết kế, chiều rộng chiều dài dầm trung tâm ảnh hưởng lớn đến chuyển vị, độ cứng, lực đầu độ ổn định thiết bị Do đó, phân tích phần tử hữu hạn FEA thực để đánh giá hiệu suất thiết kế Thí nghiệm ba dãy thiết bị cấu truyền động nhiệt hình chữ Z cho kết gần với kết phân tích phần tử hữu hạn Các đặc tính thiết bị độ cứng, độ dịch chuyển, nội lực suy dạng hàm kích thước thiết bị Yang cộng [11] cho thấy thiết kế cấu truyền động nhiệt dạng đĩa vòng làm vật liệu micro polysilicon chế tạo phương pháp MUMPs Công việc tập trung thiết kế cấu truyền động dạng đĩa vòng, trực tiếp tạo chuyển động quay tròn Kết phân tích phần tử hữu hạn, thử nghiệm phương pháp giải tích tần số cộng hưởng cho thấy tỷ lệ khác biệt nhỏ Tuy nhiên, phân tích đầy đủ (phương pháp giải tích thử nghiệm) đặc tính lực cơng trình khơng nghiên cứu Ngồi ra, kích thước cấu truyền động ảnh hưởng đến thiết kế Bài báo nghiên cứu kết cấu biến đổi chuyển động tịnh tiến sang chuyển động xoay, câu truyền động điện nhiệt kiểu chữ V bố trí cách đối xứng xung quanh đĩa quay Các phân tích cơ-nhiệt-điện thực để xác nhận hoạt động cấu biến đổi chuyển động Tỷ số truyền chuyển động tịnh tiến chuyển động xoay tính tốn Lott cộng [12] tạo chùm truyền động nhiệt dạng chữ V kích thước micro cách bố trí cụm truyền động nhiệt đối xứng qua dẫn hướng với góc nghiêng nhỏ so với phương ngang Khi chênh lệch điện áp đưa vào cực, dòng điện chạy vào truyền động nhiệt truyền qua dẫn hướng Mật độ dịng điện cao gây tượng nóng, giãn nở nhiệt Kết trình thu dịch chuyển theo phương thẳng đứng dẫn hướng mặt phẳng Thiết bị chế tạo phương pháp Multi-User MEMS Processes (MUMPs) Trong nghiên cứu này, phần mềm mô phân tích kỹ thuật ANSYS sử dụng để dự đốn dịch chuyển dẫn hướng trạng thái cân Để so sánh kết mô ANSYS, họ thí nghiệm cấu mơi trường chân khơng môi trường tự nhiên với điều kiện ANSYS Kết so sánh cho thấy rằng, thí nghiệm mơi trường chân khơng đem lại độ tin cậy cao sai số không vượt 5% so với kết mô ANSYS Yan cộng [13] trình bày cấu truyền động nhiệt bao gồm hai có bề rộng nhỏ, dài đóng vai trò dẫn điện trực tiếp lại có bề rộng lớn nhiều khơng có điện cực đưa vào Do ba chế tạo vật liệu (tức hệ số dãn nở nhiệt) thiết kế hình học khơng giống dẫn đến hai có bề rộng nhỏ cung cấp dịch chuyển lơn so tác dụng điện áp Cơ cấu truyền động nhiệt chế tạo phương pháp Multi-User MEMS Processes (MUMPs) Mơ phân tích kỹ thuật (FEA) sử dụng để dự đoán nhiệt độ tối đa dịch chuyển cấu theo phương thẳng đứng mặt phẳng tác dụng dãy điện áp đưa vào Để kiểm chứng kết FEA, mơ hình lý thuyết (Analytical) thí nghiệm thực với điều kiện biên cho kết đáng tin cậy với sai khác ba phương pháp nhỏ Tuy nhiên, điện áp cao cụ thể lớn 7V hai bề rộng nhỏ va chạm lẫn biến dạng lớn tác dụng điện áp cao Trong hệ thống MEMS, Kim cộng [14] giới thiệu thiết bị có khả di chuyển đồng thời theo hai phương X Y với hỡ trợ cấu địn bẩy hệ thống chùm truyền động dạng chữ V tác dụng lên hệ thống địn bẩy Đề dịch chuyển theo phương X hệ thống truyền động nhiệt cấu đòn bẩy bố trí theo phương vng góc với phương X tương tự với phương Y Để dự đoán nhiệt độ, biến dạng lượng dịch chuyển theo phương X Y, phần mềm mô kỹ thuật ANSYS sử dụng Ngồi ra, mơ hình lý thuyết (Analytical) phát triển để kiểm chứng kết ANSYS Trong báo cáo này, sai khác kết thu hoạch dịch chuyển theo phương X, Y tác dụng dãy điện áp đặt vào hai phương pháp vào khoảng 1% Điều chứng tỏ rằng, thơng số tính tốn thiết kế phương pháp gia công đáng tin cậy Tuy nhiên, thí nghiệm dải tần số từ 10Hz-10kHz để tìm tần số cộng hưởng hai bàn di trượt theo phương X Y không cho kết cộng hưởng môt tần số Lý giải thích kết di khối lượng hai bàn di trượt X Y khác Lin cộng [15] trình bày cấu trúc điện-nhiệt hai dạng treo (suspended structure) dạng liền khối 19 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU… (attached structure) Trong cấu trúc dạng treo, khoảng cách từ chi tiết đến lớp µm Để giải tốn đặc tính truyền nhiệt vị trí cân bằng, phần mềm mơ phịng kỹ thuật ANSYS sử dụng với 2000 phần tử lưới cho nửa mơ hình cấu trúc đối xứng Kết ANSYS sử dụng tính tốn hệ số biên dạng (shape factor) Hệ số biên dạng ảnh hưởng lên tồn q trình truyền tải nhiệt Hệ số khơng có đơn vị liên quan đến tỷ lệ độ dày bề rộng chi tiết Ngoài ra, để đánh giả khả tiêu thụ lượng hai cấu trúc, kết ANSYS thí nghiệm so sánh với cho thấy cấu trúc dạng treo tiêu thụ lượng Điều chứng tỏ rằng, cấu trúc treo có hiệu ứng cách ly nhiệt hay tránh thất thoát nhiệt hiệu Tuy nhiên, nhiệt độ cao, mô hình khơng cịn đáng tin cậy kể bỏ qua điều kiện đối lưu nhiệt (heat convection), xạ nhiệt (heat radiation) đặc tính vật liệu giả định không thay đổi Để khai thác ưu điểm truyền động áp điện khuếch đại dịch chuyển truyền động, Na cộng [16] thiết kế cấu kết cấu sử dụng mơ hình động học liên kết bảy khâu lề bất đối xứng để biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay Trong kết cấu này, liên kết bảy khâu lề hột hệ thống bất đối xứng với hai bậc tự do, hai vòng lặp với khớp lề xoay lề uốn giúp khuất đại chuyển động hiệu Trong trình phát triển thiết kế, để tìm vị trí thích hợp hai chốt tâm xoay đặt cùng, phân tích phần tử hữu hạn thực cách sử dụng mô-đun học kết cấu COMSOL Theo kết phân tích mơ COMSOL, độ dịch chuyển dọc trục theo phương X tăng lên góc quay cấu kết cấu tăng lên tỷ lệ thuận Để kiểm tra kết mô phỏng, thí nghiệm thực cho kết dịch chuyển 70 µm thu 1.52o so với mơ 1.2o Tuy nhiên, kết cấu yêu cầu dịch chuyển lớn để đạt góc xoay thiện NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Hình (a) sơ đồ biến đổi chuyển động tịnh tiến thành qchuyển động xoay Nó bao gồm đĩa quay, hai cong hình học hai truyền động điện nhiệt kiểu chữ V Sự bố trí đối xứng hai truyền động điện nhiệt tạo điều kiện thuận lợi cho trình xoay đĩa quay Khi dòng điện, I, chạy qua cấu truyền động điện nhiệt dạng chữ V cố định hai đầu (xem Hình (b)), giãn nở nhiệt định luật Joule đẩy chóp hướng ngồi để tạo chuyển động tịnh tiến làm cho đĩa quay xoay theo chiều kim đồng hồ với góc xoay θ Sau ngắt dòng điện, câu truyền động điện nhiệt chữ V rút lại đĩa xoay quay trở vị trí ban đầu (xem Hình (c)) Các kích thước thiết bị minh họa Hình Các thông số vật liệu sử dụng mô liệt kê Bảng Bảng 1: Thơng số vật liệu dùng phân tích Thơng số Mô đun đàn hồi Silicon Hệ số Poisson ratio Silicon Hệ số dẫn nhiệt 20oC Hệ số cản trở nhiệt 20oC Hệ số dãn nở nhiệt Silicon Độ dày lớp khơng khí 20 Giá trị 130 × 103 𝑀𝑃𝑎 0.28 108 𝑝𝑊 1.5494 × 𝜇𝑚 𝐶 2.5604 × 10−9 Ω 𝑚 3.0600 × 10−6 𝐾 −1 1𝜇𝑚 Tác giả: Ngơ Tiến Hồng Hình Nguyên lý hoạt động thiết bị 21 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU… Hình Kích thước thiết bị MƠ PHỎNG Để thu thập hành vi nhiệt học thiết bị, phân tích phần tử hữu hạn ba chiều thực Các phân tích kết hợp chia thành hai bước Đầu tiên, phân tích nhiệt-điện thực để tìm phân bố nhiệt độ thiết bị tác dụng dịng điện Sau đó, phân tích cơ-nhiệt sử dụng để tính tốn góc xoay đĩa quay dựa phân bố nhiệt độ Do quy mơ kích thước thiết bị, tổn thất nhiệt đối lưu tự không đáng kể khơng đưa vào phân tích Ảnh hưởng tán xạ cho nhỏ bỏ qua cách hợp lý Sự dẫn nhiệt từ thiết bị qua khơng khí xung quanh đến bề mặt khơng đáng kể phải tính đến Hình minh họa đường truyền nhiệt liên quan đến phần tử vô nhỏ câu truyền động điện nhiệt Trong hình, Qgen nhiệt sinh dòng điện đưa vào Nhiệt dẫn vào nhiệt dẫn khỏi câu truyền động điện nhiệt đánh dấu Q1 Q2 Qcond thất thoát nhiệt dẫn truyền qua khe hở khơng khí thiết bị Dịng điện đặt vào đầu cố định (miếng đệm neo) câu truyền động điện nhiệt Phần mềm thương mại, ABAQUS, sử dụng để phân tích phần tử hữu hạn Vật liệu thiết bị Silicon, đặc tính liệt kê Bảng Hình thể chia lưới cho thiết bị Một lưới phân tích độ nhạy thực để đảm bảo hội tụ kết 22 Tác giả: Ngơ Tiến Hồng Hình Phân tích truyền nhiệt phần tử vô nhỏ câu truyền động nhiệt dạng chữ V Hình Mơ hình chia lưới để phân tích phần tử hữu hạn Trong mô kỹ thuật ABAQUS, điều kiện biên thiết lập hình với hai bước Bước hình (a) mơ điện nhiệt, bốn vị trí ngồi hai cụm truyền động dạng chữ V cố định xuống Hai vị trí theo phương y dương nhận điện áp dương hai vị trí dươi theo phương y âm nhận điện áp 0A, từ tạo thành vịng điện áp kín Nhiệt độ mơi trường ban đầu thiết lập 20oC Kết bước tập hợp dải nhiệt độ phân bố dọc theo truyền động dạng chữ V Nhiệt độ cao tập trung vị trí hay vị trí cao theo phương x Sau đó, mơ nhiệt-cơ hình (b) tiến hành cách nạp liệu nhiệt phân bố bước Do giản nỡ nhiệt hệ thống truyền động, kết thu bước dịch chuyển d truyền động tỷ lệ với góc xoay θ Trong mơ điện-nhiệt sử dụng phần tử DC3D8E với số lượng 53792 phần tử Ở chiều ngược lại, mô nhiệt-cơ sử dụng phần tử C3D8R với số lượng 53792 phần tử Cả hai bước mô thực trạng thái cân (steady state) với thời gian tối đa giây, bước nhảy 0.1 giây Bởi kích thước chi tiết dạng micro nên thất nhiệt đối lưu tự khơng đáng kể ảnh hưởng xạ nhiệt cho nhỏ nên khơng đưa vào mơ hình mơ phân tích kỹ thuật 23 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU… Hình Điều kiện biên dùng mơ phân tích ABAQUS: (a) Trong mơ điện-nhiệt; (b) Trong mô nhiệt-cơ Trong mô điện-nhiệt, dẫn nhiệt Qcond từ chi tiết xuống lớp xem xét hình với khoảng cách µm hệ số dẫn nhiệt 0.026e6 (pW/mC) Điều dẫn đến nhiệt độ chi tiết bị giảm bị thất xuống Hình Nhiệt dẫn truyền từ chi tiết xuống Qcond với khoảng cách µm PHÂN TÍCH Để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, nhiệt độ sinh bên chi tiết áp dòng điện vào yếu tố quan trọng Chính vậy, nhiệt độ tối đa để khảo sát mô cần nhỏ 900oC nhiệt độ nóng chảy vật liệu Silicon 1400oC Trong mơ kỹ thuật điện-nhiệt, phương pháp thử lặp lại phép thử tiến hành miền điện áp tăng dần 0A, bước nhảy 0.01A đạt đến nhiệt độ tối đa cho phép khoảng 900oC Kết hình cho thấy điện áp đặt vào khoảng từ đến 0.1A thu nhiệt độ cấu từ 0oC đến 900oC Tại mỡi vị trí đặt giá trị điện áp thực mô điện-nhiệt độc lập với điều kiện Từ có tất 10 bước mô độc lập (không bao gồm giá trị 0A-0oC) cho giá trị điện áp đưa vào Trong hình rõ xu hướng nhiệt độ sinh chi tiết tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng dãy điện áp từ 0A đến 0.1A đặt vào vị trí cực 24 Tác giả: Ngơ Tiến Hồng Hình Nhiệt độ tối đa mỡi vị trí dịng điện đưa vào Trên hình 8, phân bố nhiệt độ cấu mức điện áp 0.1A trình bày Vì tính chất đối xứng hệ thống truyền động nhiệt chữ V nên trị số nhiệt độ biểu thị ½ chi tiết Hệ tọa độ Oxy biểu diễn hình Kết hình cho thấy xu hướng rõ ràng nhiệt độ cao (biểu thị gam màu đỏ) phân bố tập trung vị trí đỉnh chóp truyền động nhiệt V hay vị trị giao mềm truyền động V nhiệt độ giảm dần đến vị trí đĩa xoay nối với mềm thề gam màu xanh Nguyên nhân lý giải cho kết kết cấu truyền động V nghiêng góc 0.2 rad dẫn truyền nhiệt bên kết cấu hội tụ xung quanh khu vực đỉnh chóp Càng xa đỉnh chóp nhiệt độ giảm dần thất nhiệt q trình truyền dẫn đơn vị chiều dài chi tiết Hình Sự phân bố nhiệt độ vị trí thiết bị Hình trình bày lượng dịch chuyển d cấu truyền động nhiệt V biểu diễn dấu tròn màu đen góc θ thu đĩa xoay biểu diễn hình tam giác màu đỏ so với dãy điện áp từ 0A đến 0.1A xác định hình Xu hướng rõ ràng độ lớn d θ tăng dần tỷ lệ thuận với chiều tăng điện áp Điểm quan trọng nghiên cứu tỷ lệ góc xoay θ lượng dịch chuyển d biểu diễn biểu thức θ/d cần phải đảm bảo lớn tốt có nghĩa giá trị góc xoay θ phải ln lớn lượng dịch chuyển d Từ vị trí điện áp 0A đến 0.03A, tỷ lệ θ/d gần 25 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU… tức cấu truyền động V dịch chuyển µm đĩa xoay quay 1o Nhưng điểm đặt điện áp từ 0.04 đến 0.1A tỷ lệ θ/d tăng dần cách rõ ràng hình Tỷ lệ truyền tải θ/d =1.1 đạt giá trị lớn 0.1A với θ = 3.1o d = 2.8 µm Hình Góc xoay độ dịch chuyển lớn thu tác dụng dòng điện thời điểm Hình 10 biểu diễn ứng suất sinh chi tiết nhiệt độ cao tương ứng với mức điện áp đặt vào 0.1A Dựa hình 10 cho thấy ứng suất tập trung lớn vị trí đỉnh chóp cấu truyền động V với giá trị 193.5 MPa Nguyên nhân cách rõ ràng khu vực đỉnh chóp vị trí tập trung nhiệt độ cao biểu diễn hình dẫn đến biến dạng lớn chi tiết xảy Ngoài ra, ứng xuất cịn tập trung bốn vị trí cố định hai cụm truyền động nhiệt V có phản lực liên kết gây mềm ví trí kết nối với đĩa xoay biên dạng cong mềm Hình 10: Ứng suất sinh chi tiết cường độ dòng điện 0.1A Sự biến dạng chi tiết trước sau đặt điện áp 0.1A thể hình 11 Trong hình 11, biên dạng màu đen biểu thị cho trạng thái ban đầu chi tiết chưa đặt điện áp biên dạng màu đỏ thể biến dạng chi tiết sau đưa điện áp 0.1A Sự biến dạng lớn tập trung xung quanh vị trí mềm với truyền động V mềm với đĩa xoay Kết mô cho thấy mức độ cân hay khơng có tượng biến dạng lệch, xoắn xảy tác động điện áp lớn biến dạng lớn 26 Tác giả: Ngơ Tiến Hồng Hình 11: Sự biến dạng chi tiết trước sau đặt điện áp 0.1A CÔNG VIỆC TIẾP THEO Phần đề tài trình bày nội dung tập trung vào việc đưa ý tưởng, thiết kế sau sử dụng mơ hình mơ để phân tích ý tưởng Cơng việc cho đề tài chế tạo thử nghiệm thiết bị thực tế để kiểm tra đáp ứng hệ thống có điện áp đặt vào Thiết bị chế tạo phương pháp ăn mòn (Etching) hệ vi điện tử (MEMS) nên cần có thiết bị, máy móc chuyên dụng, chế tạo phịng phải có nhiều kinh nghiệm chế tạo tốn nhiều thời gian chi phí lớn THẢO LUẬN Trong nghiên cứu này, nhiệt độ nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả đáp ứng hệ thống Như trình bày mục 4, dải điện áp từ 0A-0.1A thành lập từ phương pháp thử lặp để chi tiết đạt đến mức nhiệt độ gần 900oC – mức nhiệt độ an toàn giới hạn chảy Silicon 1400oC Như vậy, thiết bị sử dụng lượng nhiệt độ để khiến cho truyền động biến dạng thu dịch chuyển Trong hệ thống vi điện tử (MEMS), giải nhiệt có số tác động sau:  Thứ nhất, hệ thống MEMS, thông số tán xạ nhiệt, xạ nhiệt không đáng kể [4,8,9,10,15] kích thước chi tiết nhỏ (chỉ micro mét), điều dẫn tới giải nhiệt, gia tăng nhiệt diễn nhanh không cần thiết phải thêm thiết kế giải nhiệt  Thứ hai, thêm thiết kế giải nhiệt hệ thống MEMS tạo hệ thống cồng kềnh, khó thiết kế khó khăn chế tạo  Thứ ba, thiết bị mô với nhiệt độ thích hợp (nhỏ nhiều so với giới hạn chảy vật liệu) nên giải nhiệt giảm dịch chuyển truyền động V dẫn tới góc xoay nhỏ  Thứ tư, giải nhiệt trình bày giải thích thơng qua thơng số Qcond mục nghiên cứu KẾT LUẬN Do lợi ích đáng kể, thiết bị truyền động nhiệt điện micro tiếp tục phát triển sử dụng cho thiết kế Nghiên cứu trình bày cấu biến đổi chuyển động tịnh tiến sang chuyển động xoay Các cấu trúc liên kết thiết kế khác cho câu truyền động xem xét để đạt tỷ số truyển tối đa Nghiên cứu trình bày thiết kế mơ hình hố q trình truyền chuyển động với kết so sánh Một điều rõ ràng rằng, việc giảm kích thước đĩa xoay thu góc xoay lớn Người ta nhận thấy rằng, góc nghiêng câu truyền động nhiệt giảm làm tăng góc xoay đĩa quay Dựa phân tích phần tử hữu hạn điện-nhiệt-cơ, thiết bị đạt tỷ số truyền chuyển động tịnh tiến chuyển động xoay 1.1 độ/µm dịng điện đưa vào 0,1 A Nhiệt độ cực đại ứng suất cực đại thấp nhiều so với điểm nhiệt độ nóng chảy điển hình giới hạn chảy vật liệu silicon 27 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CƠ CẤU… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G K Lau, J Yang, C P Tan and N B Chong, An electro-thermally activated rotary micro-positioner for sliderlevel dual-stage positioning in hard disk drives, J Micromech Microeng., vol 26, 2016 [2] B.-J Yi, G B Chung, H Y Na, W K Kim and I H Suh, Design and experiment of a 3-DOF parallel micromechanism utilizing flexure hinges, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol 19, pp 604-611, 2003 [3] D Chao, G., Zong and R Liu, Design of a 6-DOF compliant manipulator based on serial-parallel architecture, 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, vols and 2, IEEE (2005), pp 765–770 [4] M Arefin, M Packirisamy and A K W Ahmed, Disc type thermal actuator with straight beams for angular motion, Applied Thermal Engineering, vol 51, pp 988-999, 2013 [5] L Lin and M Chiao, Electrothermal responses of lineshape microstructures, Sensor and Actuators A, vol 55, pp 35-41, 1996 [6] J Singh, T Gan, A Agarwal, Mohanraj, S Liw, 3D free space thermally actuated micromirror device, Sensor and Actuators A, vol 123-124, pp 468-475, 2005 [7] J.T Butler, V.M Bright, J.R Reid, Scanning and rotating micromirrors using thermal actuators, Optical Scanning Systems: Design and Applications, vol 3131, 1997 [8] E.T Enikov, S.S Kedar, K.V Lazarov, Analytical Model for Analysis and Design of V-Shaped Thermal Microactuators, Journal of Microelectromechanical Systems, vol 14, no 4, 2016 [9] H Hussein, A Tahhan, P L Moal, G Bourbon, Y Haddab and P Lutz, Dynamic electro-thermo-mechanical modelling of a U-shaped electro-thermal actuator, J Micromech Microeng, vol 26, 025010, 2016 [10] C Guan and Y Zhu, An electrothermal microactuator with Z-shaped beams, J Micromech Microeng, vol 20, 2010 [11] P Yang, M Stevenson, Y Lai, C Mechefske, M Kujath, T Hubbard, Design, modeling and testing of a unidirectional MEMS ring thermal actuator, Sensors and Actuators A, vol 143, pp 352-359, 2008 [12] C.D Lott, T.W McLain, J.N Harb, L.L Howell, Modeling the thermal behavior of a surface-micromachined linear-displacement thermal mechanical microactuator, Sensors and Actuators A, vol 101, pp 239-250, 2002 [13] D Yan, A Khajepour and R Mansour, Modeling of two-hot-arm horizontal thermal actuator, J Micromech Microeng, vol 13, pp 312-322, 2003 [14] Kim Y-S, Yoo J-M, Yang S H, Choi Y M, Dagalaks N G and Gupta S K, Design, fabrication and testing of a serial kinematic MEMS XY stage for multifinger manipulation, J Micromech Microeng, vol 22, 2012 [15] L Lin, M Chiao, Electrothermal responses of lineshape microstructures, Sensors and Actuators A, vol 55, pp 35-41, 1996 [16] Na T-W, Kang D-H, JungJ-Y, Han J-H and Oh I-K, Linear-to-rotary motion converter using asymmetric compliant mechanics and single-crystal PMN-PT stack actuator, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol 25, pp 2221-2227, 2014 DESIGN AND ANALYSIS OF A COMPLIANT LINEAR-TO-ROTARY MOTION TRANSDUCTION MECHANISM BY AN ELECTROTHERMAL ACTUATOR TIEN HOANG NGO Faculty of Mechanical Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City ngotienhoang@iuh.edu.vn Abstract A mechanism to convert linear motion to rotary motion is developed The means to achieve the linear-to-rotary motion transduction is attributed to an asymmetric arrangement of two linear motion inputs The linear motion is provided by chevron-type thermal actuators With a break-through in the high tech technology, this rotary motion can be applied for various optical applications like, attenuation, switching and diffraction, etc Finite element analyses were carried out to predict behaviors of the transduction mechanism A transduction ratio of nearly 1.1 degree/µm is achieved The simulation results also reveal that a more uniform temperature distribution along the thermal actuator allowing for a larger overall thermal expansion and therefore also a larger linear motion, which adds to the rotary motion output Keywords: linear-to-rotary, motion transduction, thermal actuator Ngày gửi bài: 24/08/2021 Ngày chấp nhận đăng: 03/12/2021 28 ... kể, thiết bị truyền động nhiệt điện micro tiếp tục phát triển sử dụng cho thiết kế Nghiên cứu trình bày cấu biến đổi chuyển động tịnh tiến sang chuyển động xoay Các cấu trúc liên kết thiết kế. .. chuyển động tịnh tiến sang chuyển động xoay, câu truyền động điện nhiệt kiểu chữ V bố trí cách đối xứng xung quanh đĩa quay Các phân tích cơ- nhiệt-điện thực để xác nhận hoạt động cấu biến đổi chuyển. .. biến dạng lớn tập trung xung quanh v? ?? trí mềm v? ??i truyền động V mềm v? ??i đĩa xoay Kết mô cho thấy mức độ cân hay khơng có tượng biến dạng lệch, xoắn xảy tác động điện áp lớn biến dạng lớn 26 Tác