Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc nano plasmonic.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Đường NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÒ XO VI TREO KIỂU DẦM CONG KẾT CẶP CƠ VÀ CHẾ TẠO MŨI DÒ QUÉT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC CÁC CẤU TRÚC NANO PLASMONIC Ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Năm - 2023 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Chu Mạnh Hoàng Phản biện 1: PGS.TS Bùi Thanh Tùng Phản biện 2: PGS.TS Trần Đức Tân Phản biện 3: PGS.TS Ngô Quang Minh Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 30, ngày 31 tháng 08 năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong vài thập kỷ qua, công nghệ nano phát triển mở cho nghiên cứu ứng dụng phục vụ sống Ngày có nhiều ứng dụng dành cho cảm biến quang học với độ chọn lọc cao sử dụng Từ đó, đặt tốn sản xuất hàng loạt tạo sản phẩm thương mại có giá thành cạnh tranh hiệu suất chế tạo cao Hiện có nhiều phương pháp chế tạo cấu trúc nano: Kỹ thuật quang khắc, khắc chùm điện tử, chùm ion Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm ứng dụng hàng loạt sản xuất công nghiệp Để đáp ứng mặt kích thước cấu trúc, hiệu suất chế tạo cao kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét thể cho thấy điều Tạo cấu trúc nano mũi dị qt khắc trực tiếp khơng sử dụng mặt nạ khắc trực tiếp bề mặt mẫu cách học với đầu dị định hình cấu trúc Độ phân giải của cấu trúc nano phụ thuộc vào kích thước của mũi dị độ sâu của mẫu khắc Để tối ưu cho kỹ thuật khắc sử dụng mũi dị qt cần quan tâm tới kích thước, hình dạng mũi dị qt hệ vi điều khiển lực khắc của mũi dị lên mẫu Vì nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết cặp chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc cấu trúc nano plasmonic” Mục đích nghiên cứu + Phát triển hệ lò xo vi ưu tiên dao động theo phương vng góc với mặt phẳng đế chế tạo (trục z) + Thiết lập quy trình chế tạo mũi dị khắc có kích thước nano sử dụng kỹ thuật quang khắc vi khối ướt truyền thống + Thiết lập quy trình chế tạo đế có cấu trúc nano plasmonic kỹ thuật dập khuôn 3D Đối tượng phạm vi nghiên cứu + Bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn tần số hoạt động phạm vi rộng + Công nghệ vi khối ướt đơn giản + Công nghệ in dập khuôn 3D chế tạo cấu trúc nano plasmonic Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài a Ý nghĩa khoa học của đề tài: + Luận án đề xuất hệ vi hoạt động theo phương vng góc với mặt phẳng (trục z) giảm ảnh hưởng của dao động nhiễu + Đề tài đề xuất quy trình chế tạo thành cơng mũi dị khắc có kích thước nano dựa kỹ thuật quang khắc truyền thống vi khối ướt + Luận án thiết lập quy trình chế tạo cấu trúc nano plasmonic dựa công nghệ in dập khuôn 3D sử dụng mảng mũi dò chế tạo + Kết nghiên cứu của đề tài khơng những có ứng dụng chấp hành mũi dò quét khắc cấu trúc nano, mà cịn ứng dụng linh kiện vi điện tử khác cảm biến vi dịch chuyển có độ xác cao b Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Đề tài thực nhằm xây dựng, phát triển cơng cụ chế tạo cấu trúc nano có độ xác hiệu suất cao dựa khắc học Quy trình chế tạo mũi dị có kích thước nano sử dụng kỹ thuật khắc quang học truyền thống cơng nghệ vi khối ướt với chi phí thấp, hoàn toàn thực nước Đây sẽ làm sở cho việc ứng dụng phát triển hệ thống khắc cho chế tạo cấu trúc nano với hiệu suất khắc cao Tính mới của đề tài: Tính của đề tài nghiên cứu thể điểm sau đây: - Nghiên cứu thiết kế cấu trúc vi treo lò xo vi kết cặp khắc phục độ lệch biên của lò xo vi treo truyền thống, hạn chế dao động nhiễu lân cận có độ dịch chuyển lớn - Đề tài nghiên cứu chế tạo thành cơng mũi dị qt có kích thước thang nano dựa công nghệ quang khắc truyền thống vi khối ướt - Đề tài thiết lập quy trình chế tạo mảng cấu trúc nano plasmonic dựa kỹ in dập khuôn 3D cho hiệu suất khắc cao lặp lại tốt Nội dung luận án Chương 1: Công nghệ khắc học sử dụng mũi dò quét Chương 2: Cơ sở lý thuyết thực nghiệm Chương 3: Thiết kế vi dịch chuyển mũi dò quét Chương 4: Chế tạo mũi dò quét dựa kỹ thuật khắc quang học vi khối ướt Kết luận chung Chương CÔNG NGHỆ KHẮC CƠ HỌC SỬ DỤNG MŨI DÒ QUÉT 1.1 Tổng quan cơng nghệ khắc sử dụng mũi dị qt 1.1.1 Lịch sử của khắc đầu dị qt Năm 1988 kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) thăm dò bề mặt của mẫu mũi dị nhọn AFM có hai chế độ hoạt động, chế độ tiếp xúc chế độ khơng tiếp xúc AFM tiếp xúc có nguy làm biến dạng bề mặt mẫu lực tiếp xúc giữa lò xo vi treo đẩy mũi dò vào bề mặt mẫu Và nhược điểm tiền đề cho ứng dụng khác của mũi dò quét Kỹ thuật gọi nanolithography 1.1.2 Thành phần cơ của đầu dò khắc Gồm thành phần: Lò xo vi cơ, mũi dò, chấp hành Hình 1.4 Hình 1.4 Các thành phần cấu tạo đâu dò khắc 1.1.3 Các phương pháp chấp hành mũi dò quét khắc cơ học 1.1.3.1 Phương pháp chấp hành nhiệt 1.1.3.2 Phương pháp chấp hành áp điện 1.1.3.3 Phương pháp chấp hành tĩnh điện Dạng cấu trúc cực của chấp hành tụ điện phổ biến Hình 1.11 Cấu trúc dầu dò chấp hành tĩnh điện song song 1.1.4 Kỹ thuật khắc sử dụng mũ dò chế tạo cấu trúc nano Khắc sử dụng mũi dò nhúng Quang khắc trường gần Oxi hóa vùng (Local Oxidation) Khắc học (Mechanical Scratching) Kỹ thuật khắc học sử dụng mũi dò quét lực học làm thay đổi bề mặt mẫu tạo cấu trúc cần thiết ấn cào xước bề mặt 1.2 Tình hình nghiên cứu trên giới 1.2.1 Mũi dò quét phương pháp chế tạo 1.2.1.1 Sử dụng quang khắc kết hợp ăn mịn hóa học 1.2.1.2 Kỹ thuật khắc chùm điện tử 1.2.1.3 Kỹ thuật khắc trực tiếp chùm tia laser (laser direct writing) 1.2.2 Cấu trúc lò xo vi cơ vấn đề tồn tại 1.2.2.1 Cấu trúc lò xo vi thẳng Hiện hầu hết lò xo vi hệ vi của nghiên cứu kỹ thuật khắc đầu dò quét thiết kế chế tạo dựa lò xo vi thẳng với đầu cố định, đầu cịn lại tự có gắn mũi dò 1.2.2.2 Vấn đề tồn của lò xo vi thẳng Do cấu trúc lò xo vi thẳng cố định dầu dẫn đến đầu lại hoạt động bất đối xứng nên dầm uốn cong sẽ tạo lệch bi Độ lệch biên dọc trục của lò xo vi thẳng Mũi dị lệch so với vị trí cân khoảng ∆l Hình 1.18 Hình 1.18 Sự lệch biên của dần cố định đầu Sự xoắn ngang lị xo vi thẳng Hình 1.19 Mơmen xoắn ngang lò xo vi thẳng Lò xo vi chữ V Hình 1.20 Lị xo vi hình chữ Lị xo vi hình chữ V sử dụng chó thấy cải thiện giảm ảnh hưởng xoắn ngang 1.2.3 Hiệu suất khắc đầu dò Đầu dị có đơn mũi dị có hiệu xuất chế tạo thấp, để nâng cao hiệu xuất giải pháp phổ biến tăng số lượng mũi dị khắc Có hai xu hướng thiết kế mảng mũi dò: mảng mũi dị tích cực mảng mũi dị thụ động 1.2.4 Một số nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dị qt Đã có nhiều cơng bố giới việc tạo đầu dò khắc sử dụng mũi dò quét chế tạo cấu trúc nano có độ phân giải cỡ 10 nm 1.3 Tình hình nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét nước Hiện có nhóm nghiên cứu phát triển vi hệ thống Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS), Đại học Bách Khoa Hà Nội nghiên cứu lĩnh vực Bên cạnh hướng nghiên cứu đầu dị qt định hướng ứng dụng chế tạo cấu trúc nano phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam Nhằm mở rộng phạm vi dịch chuyển mặt phẳng giảm kích thước của hệ vi luận án của tiến sĩ Đặng Văn Hiếu đề xuất lò xo vi gấp khúc Hình 1.32 Hệ có tần số dao động khoảng 25 kHz Khả hạn chế dao động nhiễu mode khác ảnh hưởng tới mode-z của hệ lò xo vi đạt khoảng 50 % kết tốt khảo sát thay đổi thông số của dầm lò xo vi 73.6 % Hình 1.32 Hệ lị xo vi gấp khúc cua 1.4 Kết luận chương Chương trình bày q trình phát triển của đầu dị qt, ứng dụng của đầu dị qt thiết bị kính hiển vi đầu dò để chế tạo cấu trúc nano Một số ứng dụng chế tạo cấu trúc nano sử dụng mũi dò quét kỹ thuật chế tạo cấu trúc nano sử dụng đầu dò quét tổng quan Từ đó, kỹ thuật khắc học sử dụng mũi dò quét lựa chọn làm định hướng nghiên cứu của luận án Bên cạnh đó, phương pháp chấp hành ứng dụng để điều khiển mũi dò khắc nghiên cứu đánh giá Nghiên cứu cấu trúc vi hoạt động theo phương z vng góc với mặt phẳng của nhóm nghiên cứu giới cơng bố Các hệ vi ứng dụng cảm biến gia tốc, vi gương, công tắc điện tử đặc biệt hệ vi ứng dụng công nghệ khắc sử dụng mũi dị qt Các cơng bố ứng dụng cho thấy tần số làm việc khoảng vài kHz cho đế vài trăm kHz, biên độ dịch chuyển từ mài μmm đến vài chục μmm theo ứng dụng của cấu trúc vi Xác định vấn đề tồn của cấu trúc chấp hành cơng bố, từ đề xuất cấu trúc riêng của luận án: Đề xuất cấu trúc vi dịch chuyển theo phương vng góc với mặt phẳng có kích thước hệ thống thu nhỏ, khắc phục độ lệch biên, tăng độ dịch chuyển, chống nhiễu kết cặp mode, tăng hiệu suất khắc cấu trúc nano Ngoài ra, luận án hướng tới đề xuất quy trình chế tạo mũi dò quét hệ thống đầu dò khắc dựa sở thiết bị thực nghiệm truyền thống kỹ thuật quang khắc ăn mòn ướt Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Tính toán độ cứng của lò xo 2.1.1.1 Lò xo vi lò xo vi thẳng (Mơ hình lý thuyết 1) Lị xo vi thẳng dạng dầm cơng xơn có cơng thức tính độ cứng: K z= EI l3 1.1.1.1 Lò xo vi Saggitta (Mơ hình lý thuyết 2) Lị xo vi Saggitta sử dụng cặp lò xo vi đối xứng (2.1) (a) (b) Hình 2.2 Lị xo vi Saggitta; a)Cấu trúc 3D lò xo vi Saggitta; b) Sơ đồ phân tích tính độ cứng Độ cứng trục z tính tốn theo biểu thức: ( K z=l / 12 ( l 3−2 c ) sin2 α +2(l +2 l sin α ) [ l cos α + ( 2l cos α +l 3−2 c ) sin α ] c [ G It (2.2) 1.1.1.2 Lò xo vi Serpentine dầm tuyến tính (Mơ hình lý thuyết 3) Lị xo vi Serpentine dầm tuyến tính theo góc quay β Độ cứng lò xo vi Serpentine dầm tuyến tính K z: i w c √ l IB l 2i G.h K z=1/ ∑ 60 n l +3 l IB li t G h EI i i=1 [ √ [( ) ]] (2.4) Hình 2.3 Lị xo vi Serpentine dầm tuyến tính tương đương 1.1.1.3 Lị xo vi cua (Mơ hình lý thuyết 4) Hình 2.4 Cấu trúc lị xo vi cua Độ cứng Kz tính theo công thức: K z= F = z 2 |∆ z| (l¿¿ 1−k 2) l l 1+l32 +3 k 2z l1 (k 2z−l1 ) + ¿ G It EI 1.1.1.4 Lị xo vi cung trịn (Mơ hình lý thuyết 5) Cấu trúc lị xo vi cung trịn góc quay α bán kính R (2.15) Hình 2.5 Mơ hình 3D lị xo vi cung tròn Độ cứng của lò xo vi cung trịn xác định cơng thức (2.16): K z= α−sin2 α α −8 sinα +sin α R3 ( + ) G It EIy (2.16) 2.1.2 Tính toán tần số riêng 2.1.2.1 Tần số dao động riêng của cấu trúc vi treo sử dụng hai lò xo vi gấp khúc Cấu trúc bao gồm lò xo vi treo kết nối với trung tâm độ dày t Tần số riêng dao động theo trục z: f= 2π √ K m (2.17) m khối lượng quy đổi của cấu trúc tính theo cơng thức: m=m plate + 13 13 m beam ⇔ m=ρVV p+ ρVV s 35 35 (2.18) 2.1.3 Điện dung của cấu trúc Khi chịu lực tĩnh điện F, cực tự dịch chuyển khoảng z, lúc điện dung lực tĩnh điện xác định: ε ε0 A V F= 2(g−z )2 (2.23) 2.1.4 Điện áp làm việc ổn định của chấp hành tĩnh điện Cấu trúc lị xo vi treo có độ cứng K gắn vào cực tự của tụ điện Trạng thái cân giữa lực đàn đồi của lò xo vi treo phương z (Kz) lực tĩnh điện của tụ điện F phương trình cân sau: K z= ε ε0 A V 2 2( g−z ) K z ( g−z)2 K z (g−z)2 hay V = V = ε ε0 A ε ε0 A √ (2.24) (2.25) Xác định điện áp ngưỡng (hút chập) ổn định là: K z g3 V hút chập= 27 ε ε A √ (2.27) Số lò xo vi lò xo vi n = n = Với n = n = thể Hình 3.7a-c, Hình 3.7d-f Nhìn chung, kết tính tốn lị xo vi cua phù hợp với dữ liệu mơ Hình 3.7 Tần số hoạt động của hai hệ lò xo vi khảo sát tính tốn lý thuyết mơ dạng hàm của w, t α với n = (a)-(c) n = (d)(f) Sự khác tần số tính tốn mơ khảo sát theo tham số chiều w (g), t (h), α(i).α(i).i).) Sự sai khác so sánh tần số (fc) thể Hình 3.8a-c cho n = 1, Khi n tăng chênh lệch tính tốn của hai mơ hình giảm Hình 3.8 fc tính hai mơ hình dạng hàm của w (a), t (b) (c) với n = 1, f cho hai hệ lò xo vi khảo sát dạng hàm của w (d), t (e) (f) với n = Để so sánh hiệu suất của hai hệ lò xo vi cần đánh giá khớp nối mode cách khảo sát khác biệt ( f tính %) giữa tần số mode hoạt 12 fff(kHz) (kHz) (kHz) ff (kHz) (kHz) fff(kHz) (kHz) (kHz) fff(kHz) (kHz) (kHz) fff (kHz) (kHz) (kHz) (kHz) fff(kHz) (kHz) động (fssb_i, fccsm_i) tần số mode gần không mong muốn (fssb_2i, fccsm_2i) cho hai hệ lò xo vi cơ, Hệ Hệ (deg) ⍺⍺ (deg) ⍺⍺ (deg) (deg) Hình 3.9 Sự phụ thuộc tần số của mode-z, mode-x mode-tor khảo sát hàm của n = 1, 3: (a)-(c) hệ (d)- (f) hệ Đối với ứng dụng, mode-z mode hoạt động có tần số thấp ln ưu tiên Để đảm bảo mode hoạt động mode đầu tiên, n cần thay đổi theo xu hướng tăng lên 1.5 Hệ lò xo vi cơ chuyển động theo phương z dạng lò xo vi cơ cong 1.5.1 Hệ lò xo vi cơ kết cặp với các lò xo vi cơ cong Hệ lò xo vi kết cặp thiết kế gồm lò xo gấp khúc cong xếp đối xứng đôi tạo thành hệ lò xo vi dạng tròn, Hình 3.10 gọi hệ lị xo vi kết cặp A (Hệ A) (a) (b) Hình 3.10 Hệ lị xo vi kết cặp với lò xo vi cong (cung tròn) số thiết kế: (a) mơ hình ba chiều (b) hình chiếu đứng w chiều rộng, t chiều dày của cung lò xo vi cơ, lIB chiều dài nối giữa cung gấp khúc, lIS chiều dài nối giữa lò xo vi gấp khúc cong r0 = 50(µm) bán kính trung tâm gắn mũi nhọn 13 1.5.2 Hệ lị xo vi cơ khơng kết cặp với các lò xo vi cơ cong Để khảo sát ảnh hưởng của kết cặp tới hoạt động của hệ lò xo vi cơ, hai hệ lò xo vi tương tự khơng có kết cặp để so sánh Hình 3.11 hệ lị xo vi B (Hệ B) hệ lò xo vi C (Hệ C) (a) (b) Hình 3.11 Hệ lị xo vi dạng B đối xứng trục (a) dạng C đối xứng quay (b) sử dụng lò xo vi lò xo vi gấp khúc gồm lò xo vi cong dạng cung tròn 1.5.3 Xây dựng mơ hình tính toán độ cứng hệ lị xo vi cơ kết cặp 1.5.3.1 Hệ lò xo vi thẳng tương đương Độ cứng của hệ lò xo vi xác định bởi: K t =6 K b ( 3.0) Kb độ cứng của lò xo vi gấp khúc tô màu màu cam n 1 =∑ K b i=1 K i (a) ( 3.0) (b) Hình 3.12 Mơ hình hệ lị xo vi tương đương gồm lò xo vi thành phần ghép nối tiếp nhau: (a) mơ hình kết cấu tương đương để đánh giá độ cứng (b) mơ hình lị xo vi tương đương gồm thành phần lò xo vi mắc nối tiếp 1.5.3.2 Hệ lò xo vi Saggitta tương đương K sss độ cứng tổng của hệ lò xo vi Hình 3.13b: 1 1 = + + K sss K s K s K s K i Độ cứng của lò xo vi Siggitta thứ i theo công thức (2.2): 14 ( 3.0) Hình 3.13 Hệ lị xo vi Saggitta tương đương 1.5.3.3 Hệ lò xo vi Serpentine dầm tuyến tính tương đương Độ cứng của hệ lị xo vi mơ hình tính bởi: Kts = 6x K zs ( 3.0) Độ cứng của lị xo vi Serpentine dầm tuyến tính thành phần K zs xác định theo công thức (2.4) 1.5.4 Kết mô so sánh hoạt động của các dạng lò xo vi cơ Mode-z mode dao động ưu tiên, xét sai khác tần số δf giữa mode hoạt động: mode-z ( f Mode z) mode-2 ( f Mode 2) δf = f mode−2−f mode− z 100 % f mode−z Để ngăn cản ảnh hưởng của dao động khác tới mode dịch chuyển theo phương z δf > 60% Hình 3.15 (a)-(c) Mode dao động mặt phẳng mode-z, (d)-(f) mode-2 Trong trường hợp này, số của chấp hành sau: r0 = 50 µm, w = 20 µm, t = 10 µm, lIB = 20 µm lIS = 10 µm 1.5.4.1 Khảo sát tần số f phụ thuộc vào kích thước của hệ lị xo vi a Thay đổi w từ 2µm tới 20µm, thơng số khác giữ khơng đổi (a) (b) (c) (d) Hình 3.16 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z (d) δf của ba dạng lò xo vi khảo sát theo chiều rộng của lò xo vi lò xo vi Tần số của ba hệ lị xo vi thay đổi từ 70 kHz tới 260 kHz hệ A từ 55 kHz tơi 220 kHz hệ B C 15 b Thay đổi t từ µm đến 20 µm giữ nguyên thơng số khác (a) (b) (c) (d) Hình 3.17 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z (d) δf của ba dạng lò xo vi khảo sát theo chiều dày của lò xo vi lò xo vi δf của hệ A tăng tuyến tính từ 75% tới 90% t tăng dần từ µm tới 20µm δf của hệ B C xu hướng giảm từ khoảng 65% tới 5% c Thay đổi lIB từ µm đến 20 µm giữ ngun thơng số khác (a) (b) (c) (d) Hình 3.18 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z (d) δf của ba dạng lò xo vi khảo sát theo chiều dài của lò xo vi kết nối Tần số dao động riêng của hệ lị xo vi có xu hướng giảm Hệ A có δf >60% Khoảng kết cặp δf của hệ B, C thấp 60% d Thay đổi lIS từ µm đến 20 µm giữ nguyên thơng số khác (a) (b) 16 (c) (d) Hình 3.19 (a) tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z (d) δf của ba dạng lò xo vi khảo sát theo chiều dài của kết nối lò xo vi Tần số dao động riêng của hệ lị xo vi có xu hướng tăng Hệ A có δf >75% Khoảng kết cặp δf của hệ B, hệ C có xu hướng giảm 1.5.5 Đánh giá kết mô tính toán Trong nghiên cứu sử dụng mơ hình tính tốn: Cách 1: Mơ hình lý thuyết lị xo vi thẳng tương đương; Cách 2: Mơ hình lý thuyết hệ lị xo vi Saggitta; Cách 3: Mơ hình lý thuyết hệ lò xo vi Serpentine dầm tuyến tính a Khảo sát tần số phụ thuộc vào t (a) (b) Hình 3.20 Tần số dao động mode-z thay đổi t Phương pháp mô hệ A (mode-zA) gần với phương pháp tính tốn cho hệ A Phương pháp mô hệ B (mode-z B) hệ C (mode-zC) gần với phương pháp tính cho hệ B hệ C b Khảo sát tần số phụ thuộc vào w (a) (b) Hình 3.21 Tần số dao động mode-z thay đổi w Phương pháp mô hệ A (mode-zA) gần với phương pháp tính tốn cho hệ A Phương pháp mô mô hệ B hệ C gần với phương pháp tính tốn cho hệ B hệ C c Khảo sát tần số phụ thuộc vào lIB (a) (b) 17