Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Bảo Lâm NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng 2. PGS.TS. Phạm Hồng Phúc Hà Nội - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Đặng Bảo Lâm ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của các thầy PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng và PGS.TS. Phạm Hồng Phúc. Ngoài những chỉ dẫn, định hƣớng về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tƣởng của các thầy luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với các thầy giáo hƣớng dẫn. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ môn Cơ sở thiết kế Máy và Robot, viện Cơ khí, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thầy, các đồng nghiệp trong bộ môn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo môi trƣờng thuận lợi, tích cực cho nghiên cứu, thực hành, cũng nhƣ đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Đào Việt Dũng, phòng thí nghiệm các thiết bị tích hợp micro nano MiNIDeL, trƣờng đại học Ritsumeikan, Nhật Bản vì sự hỗ trợ nhiệt tình và những đóng góp chuyên môn quý báu. Cuối cùng, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, mẹ, vợ và con trai, những ngƣời luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án. iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. VI ĐỘNG CƠ 5 1.1 Đặt vấn đề 5 1.2 Vi động cơ và các phƣơng pháp phân loại 7 1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) 9 1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10 1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 13 1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 18 1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 18 1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ 20 1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) 21 1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện 21 1.5.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện 23 1.6 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor) 25 1.6.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện 26 1.6.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện 28 1.7 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình SMA 30 1.8 Phân tích và kết luận chƣơng 1 31 CHƢƠNG 2. BỘ KÍCH HOẠT TĨNH ĐIỆN RĂNG LƢỢC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆU ỨNG VIỀN 37 2.1 Hiệu ứng tĩnh điện 37 2.1.1 Tụ điện 37 iv 2.1.2 Lực pháp tuyến 38 2.1.3 Lực tiếp tuyến 40 2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc 41 2.3 Hiệu ứng viền 42 2.3.1 Hiệu ứng viền 42 2.3.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ điện có xét hiệu ứng viền 44 2.3.3 Đánh giá ảnh hƣởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện kiểu răng lƣợc 45 2.3.4 Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 48 2.4 Kết luận chƣơng 2 52 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CÁC VI ĐỘNG CƠ QUAY 53 3.1 Vi động cơ quay kiểu 1 53 3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 53 3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng 55 3.1.3 Đánh giá phƣơng án 60 3.2 Vi động cơ quay kiểu 2 62 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 62 3.2.2 Phân tích lực và mô phỏng 64 3.2.3 Đánh giá phƣơng án 68 3.3 Vi động cơ quay kiểu 3 69 3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 69 3.3.2 Phân tích lực và mô phỏng 72 3.3.3 Đánh giá phƣơng án 75 3.4 Kết luận chƣơng 3 77 CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 78 4.1 Giới thiệu 78 4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi động cơ 79 v 4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit 79 4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế: 81 4.3 Thiết lập quy trình gia công 82 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị 83 4.3.2 Quá trình quang khắc 84 4.3.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE 85 4.3.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching) 87 4.4. Tóm tắt quy trình chế tạo 89 4.5 Xử lý, đánh giá kết quả 95 4.5.1 Kết quả thu đƣợc 95 4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả 97 4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1 97 4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2 99 4.6 Kết luận chƣơng 4 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 KẾT LUẬN 103 KIẾN NGHỊ 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa MEMS Micro Electro Mechanical System – Hệ vi cơ điện tử MST Microsystems Technology – Công nghệ vi hệ thống µ-TAS Micro Total Analysis System – Hệ phân tích tổng hợp kích cỡ micro LOC Lab-on-a-chip – Phòng thí nghiệm trên chip IC Integrated Circuit – Mạch tích hợp ECA Electrostatic Comb-drive Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc GCA Gap Closing Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành khe hở đóng TRA Torsional Ratcheting Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành răng cóc dạng xoắn SDA Scratch Drive Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng cào VTA V-shape electroThermal Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V DRIE Deep Reactive Ion Etching – Ăn mòn Ion hoạt hóa sâu LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Abformung – Công nghệ LIGA FE Fringe Effect – Hiệu ứng viền SOI Silicon on Insulator – Phiến silic kép (lớp silic linh kiện trên lớp điện môi) EDM Electro Discharge Machining – Gia công tia lửa điện LSM Linear Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ tịnh tiến LRM Reluctance Stepping Motor – Động cơ bƣớc kiểu từ trở IDM Impact Drive Mechanism – Cơ cấu dẫn động bằng xung SIDM Smooth Impact Drive Mechanism - Cơ cấu dẫn động bằng xung nhỏ SAW Surface Acoustic Wave – Sóng âm bề mặt RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến SMA Shape Memory Alloy – Hợp kim nhớ hình MRM Micro Rotational Motor – Vi động cơ quay SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét Ký hiệu Giải thích ý nghĩa  0 độ điện thẩm chân không:  0 = 8,854.10 -12 (Fm -1 )  hằng số điện môi của không khí:  = 1  khoảng cách giữa hai bản tụ vii  0 khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ C điện dung tụ điện lý tƣởng A diện tích trùng nhau của hai bản cực Q điện tích trong tụ V hiệu điện thế giữa hai bản tụ E c năng lƣợng điện trƣờng sinh ra giữa hai bản tụ E B năng lƣợng của nguồn F n , F t lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa hai bản tụ C tb điện dung thực của tụ điện C e điện dung thực của tụ điện xét đến hiệu ứng viền F ne lực tĩnh điện pháp tuyến xét đến hiệu ứng viền F te lực tĩnh điện tiếp tuyến xét đến hiệu ứng viền k dn độ cứng của dầm hai đầu ngàm F es lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lƣợc. F el lực đàn hồi cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi) F f1 , F f2 , F f3 , F f4 các lực ma sát F a lực đàn hồi của lẫy chống đảo F s lực đàn hồi lớn nhất của lò xo cơ cấu dẫn động Q hợp lực theo phƣơng y trên cơ cấu dẫn động F ar lực tác dụng của cơ cấu chống đảo chiều lên vành răng F sp lực đàn hồi lớn nhất của lò xo khi răng cóc của thanh dẫn trƣợt qua đỉnh răng của vành răng ngoài F N áp lực trên bề mặt răng cóc M mô men với tâm quay của vành răng cóc n số răng lƣợc di động của mỗi bộ vi kích hoạt/chấp hành b chiều dày của các răng lƣợc V và V min điện áp dẫn và điện áp dẫn cực tiểu f m hệ số ma sát tĩnh giữa bề mặt silicon–silicon E mô đun đàn hồi Young của silicon I mô men quán tính của tiết diện mặt cắt ngang của tay đòn chống đảo l chiều dài của chân hãm L chiều dài dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V h chiều cao răng cóc α góc nghiêng của răng cóc α 0 hệ số dãn nở nhiệt viii m 2 khối lƣợng của thanh răng cóc dẫn m 3 khối lƣợng của vành răng ngoài G gia tốc trọng trƣờng p bƣớc răng cóc  khe hở do công nghệ chế tạo DRIE d chuyển vị của răng cóc dẫn i số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động k p độ cứng của cổ dầm đàn hồi cơ cấu dẫn động k ar độ cứng của dầm cơ cấu chống đảo chiều z số răng cóc trên vành răng f tần số điện áp dẫn n lt tốc độ lý thuyết của vi động cơ b chiều rộng của dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V k hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/µmK) T nhiệt độ tại vị trí x ρ điện trở suất của dầm, J mật độ dòng điện (A/µm 2 ) I cƣờng độ dòng điện ρ 0 điện trở suất của silicon ở nhiệt độ phòng ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại vi động cơ tịnh tiến 31 Bảng 1.2 Một số loại vi động cơ quay 33 Bảng 1.3 Các hiệu ứng dẫn động 34 Bảng 2.1 Chuyển vị lý thuyết bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 50 Bảng 2.2 Chuyển vị do mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 50 Bảng 2.3 Chuyển vị đo đạc bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc 51 Bảng 3.1. Liên hệ giữa lực Q với số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động 74 Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất yêu cầu V min (V) giữa các loại mô tơ 77 Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 98 Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 100 [...]... tài Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử để thực hiện luận án Đối tượng nghiên cứu Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện (rotational electrostatic micro motors) đƣợc chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micro machining technology) Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu một cách có hệ thống về các loại vi động cơ có khả năng ứng dụng trong các hệ micro robot, hệ vi. .. 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép 17 Hình 1.16 Vi động cơ SDA 18 Hình 1.17 Vi động cơ LSM 19 Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 19 Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ 20 Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc 20 Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V 22 Hình 1.22 Vi động cơ dạng... đạc và gia công theo mốc thời gian 6 Hình 1.2 Vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện 8 Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động 9 Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động 9 Hình 1.5 Vi động cơ bƣớc tịnh tiến kiểu tĩnh điện 10 Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trƣợt (shuffle) 11 Hình 1.7 Vi động cơ dạng sâu đo kiểu tĩnh điện ... loại vi động cơ thứ hai: Áp điện Điện từ Tĩnh điện Nhiệt điện Vi động cơ SMA Hiệu ứng khác Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động Để đƣa ra cái nhìn tổng quan về các vi động cơ, tác giả kết hợp hai phƣơng pháp phân loại đã trình bày ở trên 1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) Ngày nay, phần lớn các động cơ đƣợc sử dụng trong đời sống là các động cơ điện hoạt động. .. điều khiển ngay trên chip [12] Các vi động cơ kiểu tĩnh điện đều sử dụng lực Coulomb tƣơng tác giữa các bản cực để tạo ra chuyển động 9 1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện Có thể liệt kê một số phƣơng án thiết kế các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện, đó là các vi động cơ bƣớc kiểu truyền thống (step motor), các vi động cơ sử dụng trực tiếp các lực tĩnh điện tạo ra biến dạng cơ học, qua đó... động cơ MLM 1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện đƣợc phân loại thành các động cơ bƣớc truyền thống (variable capacitance), động cơ có rotor lắc (wobble), động cơ sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc và một số loại đặc biệt khác Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Hệ thống đƣợc giới thiệu trong [9, 21] ở hình 1.2 đƣợc coi là một trong những vi động cơ. .. loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều, cũng nhƣ đề xuất vi động cơ kiểu tĩnh điện - nhiệt điện có thể quay hai chiều Các vi động cơ đều đƣợc chế tạo với cùng một quy trình, sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn Vi c ứng dụng công nghệ gia công vi cơ khối trên phiến silic kép (SOI wafer) cho phép tăng tính chính xác, giảm giá thành khi chế tạo, đồng thời tăng công suất truyền lực của các vi. .. tăng công suất truyền lực của các vi động cơ so với các vi động cơ đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt Luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng, tập trung lần lƣợt vào các nội dung về nghiên cứu tổng quan về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện và hiệu ứng vi n, tính toán, thiết kế ba loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lƣợc và thiết lập quy... chuyển động, có thể sử dụng nhiều hiệu ứng nhƣ hiệu ứng từ, nhiệt, áp điện và tĩnh điện Trong đó, hiệu ứng tĩnh điện có thể tạo ra chuyển động đẳng hƣớng một cách đơn giản và hiệu quả nhất Đã có khá nhiều công trình khoa học đƣợc công bố trên thế giới về các vi động cơ kiểu tĩnh điện và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở nƣớc ta, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói... năng tích hợp của các vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc [35-36] 15 Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator Trên hình 1.13 là vi động cơ có rotor đƣờng kính 2 mm, hoạt động trong dải điện áp 2080 V, vận tốc tối đa 7800 vòng/phút và có công suất 1 W - tƣơng đƣơng công suất của động cơ đồng hồ đeo tay Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược: . giả lựa chọn đề tài Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử để thực hiện luận án. Đối tượng nghiên cứu Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện (rotational electrostatic. 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép 17 Hình 1.16 Vi động cơ SDA 18 Hình 1.17 Vi động cơ LSM 19 Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 19 Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện. 1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện 13 1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 18 1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ 18 1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ