Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hố - VCCA-2015 Cải tiến mơ vi động quay kiểu điện nhiệt Improvement and simulation of the electro–thermal micro motor Nguyễn Tiến Dũng1,2, Phạm Hồng Phúc2, Nguyễn Quang Địch2 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội e-Mail: dungnguyentien@tnut.edu.vn Tóm tắt , Bài báo trình bày thiết kế cải tiến, tính tốn, mô vi động quay kiểu điện nhiệt gồm bốn kích hoạt nhiệt dầm chữ V, cấu truyền động chiều kiểu cóc, xen kẽ bốn cấu chống đảo Hoạt động vi động dựa chuyển động lắc quanh điểm đàn hồi kích hoạt nguyên lý giãn nở nhiệt dầm mảnh hình chữ V Ưu điểm vi động cải tiến cấu dẫn động, tăng chiều dài dầm giúp giảm điện áp dẫn Các tính tốn lý thuyết mơ kiểm chứng cho thấy vi động cơ, với kích thước 2,5mm, điện áp dẫn tối thiểu 16V Trong tương lai vi động ứng dụng để dẫn động khớp vi robot máy kích thước micro/milimet Từ khóa: Vi động quay, kích hoạt nhiệt, cơng nghệ vi khối Abstract: This paper presents the improvement, calculation and simulation of micro electro-thermal motor, consists of four V-shaped actuators, onedirectional driving ratchet mechanism and four antireversed mechanisms Working principle of the motor is based on shaking movement around an elastic point of the V-shaped actuator and thermal expansion of Vshaped beams Improvement of driving mechanism and lower driving voltage are advantages of this motor Calculation and simulation shows that micro motor has only cover diameter of 2.5mm and minimum driving voltage of 16V Micro motor can be applied in joints of micro-robot or in micro/milimet-scale machines in the future Keywords: Micro motor, Electro – thermal actuator, Bulk – micoromachining technology Ký hiệu Ký hiệu i Đơn vị h p a,b µm µm µm n L r , r1 , r2 , r3 VCCA-2015 µm µm Ý nghĩa Số cóc dịch chuyển chu kỳ điện áp dẫn Chiều cao cóc Bước cóc Chiều cao chiều rộng dầm chữ V Số cặp dầm Chiều dài dầm đơn Các bán kính hình học f U E l Độ Góc nghiêng hệ dầm chữ V, góc nghiêng cóc Tần số điện áp dẫn Điện áp dẫn Mô đun đàn hồi Silic Hệ số giãn nở dài Hệ số nhiệt điện trở suất Điện trở suất nhiệt độ Ts Hz V MPa K-1 K-1 m kT W m.K Hệ số dẫn nhiệt k , k p , krc µN /µm fms m 2, m 3, m g g Ia m/s2 Hệ số Poisson Lần lượt độ cứng cặp dầm chữ v, dầm quay, cổ đàn hồi cóc Hệ số ma sát silic-silic Lần lượt khối lượng cóc, bánh dẫn bánh bị dẫn Gia tốc trọng trường Momen quán tính mặt cắt ngang cấu chống đảo Chữ viết tắt MEMS SOI SEM Micro Electro Mechanical Systems Silicon On Insulator Scanning Electron Microscope Giới thiệu Vi động loại động có kích thước cỡ micro mét chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành chuyển động học (thẳng quay) dùng vi dẫn động hệ thống Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ vi điện tử (MEMS), vi động nghiên cứu với nhiều tiềm ứng dụng vi vận chuyển, y sinh, robot sinh học, thiết bị y tế, máy quét chất lượng cao, thiết bị chuyển mạch quang học cho mạng cáp quang,… Có nhiều tiêu chí để phân loại vi động như: Theo hiệu ứng dẫn động (tĩnh điện, áp điện, điện từ, giãn nở nhiệt, sử dụng hợp kim nhớ hình…), theo tính chất chuyển động (quay, lắc, tịnh tiến) theo hình thức tiếp xúc phận dẫn động phận công tác (trực tiếp gián tiếp) Cách phân loại phổ biến dựa vào hiệu ứng dẫn động Trong [1-3], tác giả công bố vi động sử dụng hiệu ứng tĩnh điện Các loại động thường Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hố - VCCA-2015 có cơng nghệ chế tạo phức tạp, điện áp dẫn lớn, dễ gây chập điện hiệu suất thấp Một vài loại vi động sử dụng hiệu ứng điện từ trình bày [46], nhược điểm hiệu ứng hiệu suất thấp, kích thước lớn (do phải tuân thủ kết cấu động điện) Các vi động ứng dụng hiệu ứng điện nhiệt đạt tỷ trọng công suất cao nhiều so với hiệu ứng dẫn động khác có điện áp dẫn thấp hơn, momen lực sinh lớn Một số mẫu động quay sử dụng hiệu ứng công bố [7, 8] Tuy nhiên kết cấu công nghệ chế tạo tương đối phức tạp Trong [9], nhóm tác giả cơng bố mẫu vi động quay chiều chế tạo công nghệ vi khối với mặt nạ tương đối đơn giản Tuy nhiên mẫu vi động có cấu dẫn động phức tạp, lò xo đàn hồi làm tăng khe hở giảm vận tốc thực động Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất thiết kế cải tiến cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động truyền trực tiếp từ kích hoạt đến vành bên ngồi qua cóc giúp giảm độ trễ khe hở lò xo, tức giảm trượt vận tốc góc thực tế vi động Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo vi động H Vi động thiết kế gồm bốn hệ thống dẫn động đối xứng xen kẽ hệ thống chống đảo Nguyên lý làm việc tương tự mẫu vi động [9], điện áp cấp cho điện cực có dạng xung vuông nửa chu kỳ sin Ở kỳ dẫn động (nửa chu kỳ đầu) điện áp đặt vào điện cực cố định (1) hệ thống dầm chữ V (2), dòng điện chạy qua hệ dầm sinh nhiệt làm cho hệ dầm giãn nở đẩy dầm đàn hồi (3) quay góc quanh cổ đàn hồi O Thanh cóc (4) ăn khớp kéo vành (5) quay thuận chiều kim đồng hồ Ở nửa chu kỳ (kỳ hồi vị), điện áp dẫn 0, hệ thống dầm chữ V nguội Nhờ lực đàn hồi hệ dầm chữ V cổ đàn hồi dầm (3), hệ thống trở vị trí ban đầu, vành (5) khơng quay ngược lại hệ thống chống đảo (6) Để định vị vành (5) không bị lệch tâm, ta sử dụng vấu tỳ đối xứng (7) So với [9], thiết kế cóc (4) nối trực tiếp với khung dầm (3) làm cho kết cấu trở nên chắn hơn, giảm dao động trượt trình dẫn động, đồng thời cho phép ta tăng chiều dài dầm chữ V (từ 300 lên 450µm), giúp tăng chuyển vị đỉnh hệ dầm chữ V, tức giảm điện áp dẫn, tiết kiệm lượng cho vi động Do kết cấu đơn giản nên tỷ lệ chế tạo thành công cao Tương tự mẫu vi động [9], để vành (5) quay nửa chu kỳ dẫn, chuyển vị cóc (4) phải lớn bước cóc Sau chu kỳ, vành ngồi dịch chuyển đoạn i×p: với i số cóc dịch chuyển sau chu kỳ O O Cấu tạo vi động H Tính tốn động học động lực học 3.1 Tính tốn vận tốc trung bình Thời gian để vành quay vòng Z 720 12 (Phút) (1) t= = = 60.i f 60.i f i f Với: Z=720 (răng) số vành rotor Như vậy, tốc độ trung bình rotor i f (vòng/phút) (2) n = = tb 12 t Từ ta nhận thấy, tốc độ góc vi động phụ thuộc vào tần số f biên độ điện áp dẫn (chính số dịch chuyển i sau chu kỳ) 3.2 Tính tốn chuyển vị Mơ hình hệ dầm chữ V có dạng H L B b a α U Kết cấu hệ dầm chữ V H Từ kết tính tốn [9-10], độ giãn nở dầm đơn xác định theo công thức sau: L DL =ò a (T ) [T ( x) - TS ]dx éB C C = a l ê L + e AL - - e- AL - êë A A A ( Với: B = C1 = - ( ) ù ) úúû (3) ) (4) U2 , l = 2L , A2 = Ba r ; l r kT ( ) - AL +1 -e AL - AL ar e - e ( Trong ) , C =- (e ( ar e AL AL -1 - e - AL ) r = 1200 ( m), Ts=20 C, L=450(µm), a r = 1, 25.10- (K-1), l (K-1) kT (W/ m.K) tra theo thông số kỹ thuật vật liệu silic tinh thể đơn VCCA-2015 å Fn = 2nSE DL sin a L (5) Mômen dẫn động vi động xác định: Mf3 - M f - M f - M el Md = MF - M f (9) Trong ú: n=6, S=ab=30ì4,5(àm2) tiết diện mặt cắt ngang dầm đơn; E=169.103 (MPa) Chuyển vị DD đỉnh hệ dầm B xác định theo sơ đồ H B’ B A α ∆D ( L +DL) - ( Lcosa ) - L sin a d Fn F B r F B (b) H (c) Sơ đồ tính tốn chuyển vị đỉnh dầm chữ V (7a) Với: F nội lực xuất mặt cắt B-B, ΣFn, ΣFe, k tổng lực giãn nở nhiệt, tổng lực đàn hồi Để thuận tiện cho việc tính tốn, ta đơn giản hóa dầm quay đàn hồi H 4b H 4c Gọi ∆ chuyển vị thực tế đỉnh hệ dầm chữ V (∆≤∆D), đó: r F = å Fn - n.k.D= å Fn - n.k.d (7b) r Trong chuyển vị hệ thống dẫn động: r (8) d= D Với: r = 1040 (µm), r1 = 540 (µm), k=127,6(µN/µm), VCCA-2011 F Thanh cóc Sơ đồ phân tích lực q trình dẫn Trong đó: Md mơ men lực dẫn động F; Mfi (i=2,3,4) mô men lực ma sát kể (tính quanh điểm đàn hồi) Các mơ men tính theo biểu thức sau: M F = F.r1 , M f = f ms m2 g.r , M f = f ms m3 g.r2 , (6) M f = f ms m4 g.r3 , Fa = 3EI a h , M f = f ms Fa r.cosb la3 M el = k p d r = k p i p.r (10) Với fms=0,3; la=220 (µm) m2=0,18.10 (g), m3=15,5.10-6 (g), m4=4,27.10-6 (g), kp=2,88(µN/µm), r3=1220 (µm) Điều kiện dẫn động vi động Md ≥ 0, Dựa vào (9) (10) ta có điều kiện cho lực nhiệt, để đảm bảo vi động chuyển động là: -6 å Fn ³ ù M 1é êM f + f + M f + M f + k p i p.r ú ê úû r1 ë (11) r +n.k i p r Û SFn - F - SFe = Þ F = SFn - SFe r1 Fel Để vi động hoạt động ngồi điều kiện (11), cần phải đảm bảo chu kỳ điện áp dẫn vành phải dịch chuyển bước răng, tức chuyển vị d đỉnh dầm quay phải lớn bước răng: d ³ ip = 10i( mm) r1 (a) =300 H 3.3 Xác định điện áp dẫn tối thiểu Để xác định điện áp dẫn tối thiểu, mặt lý thuyết vi động cần thỏa mãn điều kiện: Thứ chuyển vị cóc dẫn lớn bước cóc p Thứ hai momen dẫn động sinh lực nhiệt phải lớn tổng momen cản Quá trình dẫn Vi động dẫn động bốn kích hoạt dầm chữ V đối xứng, hoàn toàn giống nhau, ta cần phân tích lực H Ở H 4b sơ đồ phân tích lực mặt cắt B-B, từ ta có: Fe Đỉnh cấu chống đảo H DD = B ' H - BH = AB '2 - AH - BH = Ff5 p=10µm Sơ đồ tính tốn chuyển vị đỉnh dầm chữ V H Fa Răng cóc vành (5) Ff4+Ff3/4 h=6µm Lực đẩy giãn nở nhiệt sinh đỉnh B dầm theo phương dịch chuyển là: r r DD ³ p Þ DD ³ ip r1 r (12) + Với i = Þ DD ³ ip r1 = 1.10 540 = 5,19 mm (13) r 1040 Từ công thức (6), (13) xác định giá trị điện áp tối thiểu Umin=15,97 ≈16 (V) Từ điều kiện (11), ta tính được: å Fn ³ 4033,6 mN Ứng với Umin=16 (V), từ công thức (5) ta xác định được: Fn = 4558,6 mN > 4033,6 mN Do ứng å với điện áp Umin thỏa mãn điều kiện chuyển vị ln thoả mãn điều kiện lực momen +Với i=2, ta tính tốn tương tự xác định được: Umin = 21,35V Quá trình hồi vị Sơ đồ phân tích lực q trình hồi vị hình vẽ Trong trình hồi vị (khi điện áp dẫn 0), Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 ảnh hưởng lực đàn hồi dầm, cóc hồi vị trí ban đầu tác dụng lực lên vành Fer Ff1 Fel+Fev-Ff2 F’el+F’ev-F’f2 y Q x O H Bước 1- Tiền xử lý, xác định vấn đề: Xác định điểm khóa, đường, khu vực khối, xác định kiểu yếu tố vật liệu, đặc tính hình học, chia lưới theo đường, khu vực hay khối theo yêu cầu Bước 2- Giải pháp: Ở đây, ta cần đặt điều kiện biên, ràng buộc, ngoại lực/điện áp cuối chạy chương trình Bước 3- Hậu xử lý: Tiếp tục xử lý, phân tích xem kết là: Chuyển vị, ứng suất, nhiệt độ biểu đồ, đồ thị Các kết mô H 7, Sơ đồ phân tích lực q trình hồi vị Trong đó: Fev=n.k lực đàn hồi hệ dầm chữ V: (F’ev: phản lực đàn hồi: Fev = - Fev' ); Fel lực đàn hồi cổ dầm O (F’el: phản lực đàn hồi: Fel = - Fel' ); Fn phản lực đàn hồi theo phương vuông góc với bề mặt cóc dẫn; Ff1 lực ma sát trượt cóc dẫn vành răng; Fer = krc Dyr lực đàn hồi cổ cóc dẫn; với Dyr = 2,5mm độ nén lớn cóc dẫn trượt hai dãy cóc, krc = 4,88mN / mm Khi điện áp dẫn không (U=0), thành phần Fev, Fel trở thành lực dẫn, để hệ thống hồi vị tổng thành phàn phải thắng lực ma sát Ff1, Ff2 Fel + Fev > Ff cos b + Ff (14) H Kết mô xác định chuyển vị hệ dầm chữ V, ứng với U=16V H Kết mô ứng suất cóc cổ cấu chống đảo Với Ff = f ms Fn = f ms Fel' + Fev' - Ff sin b ( ) Vì: fms sin b = 0,3´ 0,5 = 0,15 < từ (14) ta có: Ff + Ff < Fev' + Fel' = Fev + Fel Điều thỏa mãn Thành phần lực Q theo phương y làm nén cóc tạo trượt hai dãy cóc: ( ) Q = Fn cosb = Fel' + Fev' - Ff sin b cosb ( ) ( ) (16) Các điều kiện (15), (16) dễ dàng thỏa mãn thành phần lực ma sát nhỏ nhiều so với lực đàn hồi hệ dầm chữ V cổ đàn hồi O Mô chế tạo 4.1 Mơ Nhằm kiểm nghiệm kết tính toán, kiểm tra nhiệt độ lớn đỉnh dầm, chuyển vị hệ thống ứng suất vị trí nguy hiểm, nhóm tác giả tiến hành mô phần mềm chuyên dụng Ansys Việc giải toán phương pháp phần tử hữu hạn gồm ba bước sau: VCCA-2015 Đồ thị so sánh chuyển vị D (µm) với b= 4.5 µm 18 16 14 Chuyển vị D(μm) (15) = Fel' + Fev' - Ff sin b Điều kiện để rãnh cóc hồi vị trí ban đầu là: Q ³ Fer + Ff sin b = Fer + f ms Fel' + Fel' - Ff sin b 12 10 Mơ Tính tốn H 7.5 10 12.5 15 Điện áp U(V) 17.5 20 22.5 Đồ thị so sánh kết mơ tính tốn chuyển vị hệ dầm chữ V Dựa vào kết mơ phỏng, tác giả có số nhận xét sau: Chuyển vị lớn đỉnh dầm chữ V ( D=5,78µm ứng với U=16V D=13,02µm ứng với U=21,35V), kết phù hợp với kết tính tốn theo giải tích (Sai số mơ tính tốn khoảng 10% chấp nhận được) Ứng suất lớn xuất mặt cóc chuẩn bị “bật răng” 727,5 MPa, đảm bảo điều kiện bền với vật liệu silic Dựa vào ứng suất ta tính lực ma sát mặt theo công thức sau: (17) Fms' = f ms Fn' = f mss max Sth = 6,55 µN Với Fms' , Fn' Lực ma sát áp lực pháp tuyến tính tốn từ ứng suất lớn max, Sth = 30´ (µm2) diện tích tiếp xúc tới hạn hai cóc “bật răng” Theo cơng thức (10), ta có: Fms=1,71 µN Như lực ma sát xác định qua kết mơ có giá trị gấp khoảng 3,8 lần so với lực ma sát tính theo cơng thức giải tích (10) Điều cho phép ta xác định lực ma sát xác hơn, tức xác định giá trị mơ men cản xác Giữa kết mơ tính tốn lực ma sát chuyển vị có sai khác trình tính tốn ta coi hệ dẫn nhiệt, điện trở suất… số, thực tế hệ số phụ thuộc nhiệt độ Hơn khối lượng chi tiết hệ số ma sát phận chuyển động với silic xác định trung bình theo kích thước hình học chi tiết, mơ phỏng, phần mềm phân tích đưa thơng số xác từ sở liệu khai báo 4.2 Kết chế tạo bước đầu Vi động chế tạo từ phiến silic kép (SOI), phương pháp gia công vi khối (Bulk – micromachining), sử dụng mặt nạ (single mask) Các quy trình gia cơng như, chế tạo mặt nạ, quang khắc hình, ăn mịn ion hoạt hóa sâu… thực phịng thí nghiệm trường đại học Ritsumeikan – Nhật Bản Các chip sau chế tạo chụp ảnh khảo sát qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) H 10 ảnh chụp SEM vi động phận Thơng qua hình ảnh SEM vi động cơ, kết luận sơ bộ: Các kích thước hình học hình dáng vi động phù hợp với thiết kế Tỷ lệ vi động thành phẩm cao Việc đánh giá đo đạc hoạt động vi động tiếp tục thực thời gian tới Kết luận Bài báo trình bày thiết kế cải tiến phần dẫn động vi động điện nhiệt có đường kính ngồi 2,5 mm, mô kiểm chứng chế tạo bước đầu vi động Các kết mô chuyển vị hệ thống phần mềm ANSYS phù hợp với kết tính tốn, cho phép lựa chọn kích thước hình học hợp lý hệ thống, đồng thời khẳng định độ bền, độ tin cậy phần tử đàn hồi vi động Đối với lực ma sát mô gấp khoảng 3,8 lần so với tính tốn, qua khẳng định độ tin cậy kết mơ Các tính tốn lực, động học, giúp tìm điện áp dẫn tối thiểu vi động cải tiến (16V ứng với i=1 21,35 V ứng với i=2), đồng thời khẳng định ưu điểm so với vi động kiểu cũ [9] Vi động đo đạc, đánh giá hoạt động đặc tính kỹ thuật Các kết công bố công trình khoa học Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] H 10 Hình ảnh chụp SEM vi động cải tiến VCCA-2011 Sarajlic E et al (2010) Three-Phase Electrostatic Rotary Stepper Micromotor With a Flexural Pivot Bearing Journal of MicroElectroMechanical System Vol 19, No 2, pp 338-349 Stranczl M et al (2011) Modal Analysis and Modeling of a Frictionless Electrostatic Rotary Stepper Micromotor Proceedings of IEEE MEMS 2011, Cancun, MEXICO, pp 1257-60 Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao, Lam Bao Dang, Susumu Sugiyama, “Single mask, simple structure micro rotational motor driven by electrostatic comb-drive actuators”, J Micromech Microeng., 22 (2012) Ki Hoon Kim, Hyeun Joong Yoon, Ok Chan Jeong, Sang Sik Yang, “Fabrication and test of a micro electromagnetic actuator”, Sensors and Actuators A 117 (2005), pp 8–16 Mei Lin Chan et al (2011) Low friction liquid bearing mems micromotor IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems , pp 1237-40 Đặng Phước Vinh, Ngô Thanh Nghị, Võ Như Thành…, “Thiết kế chế tạo vi động từ trở tích hợp cảm biến dịng điện Eddy”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013 Ho Nam Kwon et al (2001); A micromachined thermoelastic inchworm actuator; Proc of American Society for Precision Engineering, 2001 Annual meeting, pp 127-130 Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2015 [8] Mathew Stevenson et al (2007); Development of a bidirectional ring thermal actuator; Journal of Micromech Microeng Vol 17, pp 2049– 2054 [9] Nguyễn Tiến Dũng, Trần Văn Quân, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2014); “Phát triển vi động quay dẫn động kích hoạt nhiệt dựa công nghệ MEMS”; Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội, 09/04/2014, trang 3-8 [10] Qing Ji and Karen L Scott, “First Order Modeling of Thermal Actuators in SUGAR”, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences,University of California Nguyễn Tiến Dũng sinh năm 1982 Anh nhận Kỹ sư Điện khí hóa xí nghiệp năm 2005 thạc sỹ Tự động hóa năm 2009 trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên (TNUT) Hiện giảng viên trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đồng thời nghiên cứu sinh Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, ĐH Bách khoa Hà Nội (HUST) Các lĩnh vực nghiên cứu: Máy điện, thiết bị điện, tự động hóa, vi điện tử VCCA-2015 Pham Hong Phuc received the B.S and M.S degrees in mechanical engineering from Hanoi University of Science and Technology (HUST), Hanoi, Vietnam, in 1991 and 2002, respectively, and the Ph.D degree in science and engineering from Ritsumeikan University, Japan, in 2007 He has been an author and Co-author of over 60 publications (both of international and domestic journals /papers) He is currently an Associate Professor at the School of Mechanical Engineering – Hanoi University of Science and Technology (HUST) His present research interests are development of micro robot systems, micro motors, and micro mechanisms in MEMS field using micro electrostatic/electro-thermal actuators Nguyễn Quang Địch sinh năm 1975 Bắc Ninh, nhận Kỹ sư Tự động hóa XNCN trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 1997, Thạc sỹ Kỹ thuật điện trường Đại học Bách khoa Dresden, CHLB Đức năm 2003 Tiến sỹ khoa học kỹ thuật trường Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản năm 2010 Từ năm 2000 đến giảng viên Bộ mơn Tự động hóa XNCN trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hướng nghiên cứu quan tâm triển khai hệ truyền động ứng dụng chúng