NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ

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 microrobot, từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi k

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Hùng

PGS.TS Phạm Hồng Phúc

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Chúc

Phản biện 3: PGS.TS Đinh Văn Dũng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp

Trường, họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi…….giờ, ngày……, tháng…….,năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ 21 là đưa các thiết bị,

hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro hoặc nano vào sản xuất cũng như ứng dụng trong cuộc sống Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính của các thành phần chính của các vi hệ thống như vi động cơ và vi cơ cấu có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác Vì vậy, tác 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

2 Đối tượng nghiên cứu

Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện hoạt động một chiều hoặc hai chiều, được chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối

3 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 microrobot, từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược

 Thiết kế và chế tạo các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện Đo đạc, đánh giá đặc tính một số động cơ từ các thiết kế được chọn

4 Phạm vi nghiên cứu

 Lý thuyết tĩnh điện nói chung và hiệu ứng viền nói riêng, ứng dụng trong thiết kế các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược

 Các vi động cơ kiểu tĩnh điện ứng dụng trong các vi robot hoặc các hệ vận tải, lắp ghép kích thước micro

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm công nghệ Để đạt được các mục tiêu đề ra, các bước nghiên cứu, tính toán, thiết kế sau sẽ được tiến hành:

 Vận dụng các kiến thức về cơ học, vật lý, lý thuyết cơ cấu, thiết kế máy để tính toán, thiết kế các vi động cơ

 Sử dụng các phần mềm thiết kế chuyên dụng như AutoCad, L-Edit để thực hiện thiết kế sơ bộ Bản thiết kế được hoàn thiện, các kích thước được kiểm nghiệm bằng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS

 Các vi động cơ được chế tạo bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn và thông dụng như công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học …

 Đo đạc, đánh giá đặc tính của các sản phẩm được chế tạo Phân tích, so sánh với các kết quả tính toán và mô phỏng

6 Ý nghĩa của luận án

 Nghiên cứu một cách có hệ thống về các vi động cơ, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng viền trong các vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược

 Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công các vi động cơ quay sử dụng các bộ

vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lược

 Thiết lập quy trình chế tạo cho các vi động cơ, trong đó chỉ sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn

7 Những kết quả mới của luận án

 Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng viền (fringe effect) trong các bộ

vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược cũng như trong các vi động

Luận án được trình bày trong bốn chương, nội dung của các chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về vi động cơ Tác giả đưa ra các phương pháp phân loại một cách có hệ thống các vi động cơ, đồng thời, cũng đưa ra các nhận xét, đánh giá để từ đó lựa chọn đối tượng nghiên cứu phù hợp

Chương 2 trình bày vắn tắt về lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trong các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược Ảnh hưởng của hiệu ứng viền lên hoạt động của các bộ vi kích hoạt/chấp hành được phân tích cụ thể thông các minh chứng thu được từ tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế

Chương 3 giải các bài toán về cấu trúc, động học và lực của các loại vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, nhằm thỏa mãn các tiêu chí sau: độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, có tính mô đun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, có thể sản xuất hàng loạt, tiêu hao ít năng lượng

Chương 4 Thiết lập quy trình chế tạo vi động cơ bằng phương pháp gia công vi

cơ khối Sau khi chế tạo thành công, tác giả cũng tiến hành đo đạc, phân tích, đánh giá đặc tính của các vi động cơ

NỘI DUNG TÓM TẮT

Chương 1 Vi động cơ

Để nghiên cứu tổng quan về các vi động cơ, tác giả kết hợp hai phương pháp phân loại dựa trên kiểu chuyển động mà vi động cơ tạo ra và phân loại dựa trên hiệu ứng dùng để dẫn động vi động cơ

Hình 1.1 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động

1.1 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor)

1.1.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện

Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện:Sarajlic E [13] giới thiệu vi động cơ

bước 3 pha kiểu tĩnh điện, với hành trình của thanh trượt là 52 m

Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle motor): Tas [14] và Sarajlic [15]thiết

kế vi động cơ điều khiển giữ cố định hoặc thả chân phía trước và phía sau bản

cực di động

Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Richard Yeh [16] sử dụng các bộ vi kích

hoạt/chấp hành dạng răng lược ECA để tạo ra các cơ cấu kẹp và đẩy thanh trượt, thanh trượt có thể chuyển động với hành trình 80 m

Vi động cơ tịnh tiến dạng bóp kẹp: Trong [20] Phuc P.H giới thiệuvi động cơ

với các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược ECA qua các thanh răng cóc tác động lên các cánh của thanh trượt để tạo ra chuyển động

1.1.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Y C Tai [9, 21] giới thiệu vi động cơ bước

quay đầu tiên năm 1989 Một số thiết kế tiêu biểu như của H Vinhais [22], M Mehregany [23] Loại động cơ này được chia thành dẫn động mặt trên (top-drive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) và dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa (harmonic side-drive)

Vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Tony Sarros [28] làm rotor quay bằng cách lần lượt kích hoạt điện áp giữa rotor và bốn cực của stator Các vi động cơ dạng này có các ưu điểm như cường độ điện trường cao, ma sát nhỏ hơn so với các vi động cơ bước tĩnh điện thông thường

Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược:

Động cơ của Sammoura [43] chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm)

với 8 bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu GCA (gap closing actuator) được bố trí bên ngoài đĩa rotor với đường kính 200 m, trong đó 4 bộ GCA đóng vai trò kẹp và 4 bộ còn lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm

Nhìn chung, các vi động cơ tĩnh điện có ưu điểm là có tính tương thích cao, có thể sinh ra lực cũng như mômen lớn Đây là nhóm động cơ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ MEMS

1.2 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor)

1.2.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ

Các vi động cơ kiểu này đều có stator là đường dẫn và con trượt hay thanh trượt chuyển động trên đường dẫn đó James J Allen [48] và Haiwei Lu [51-52] giới thiệu động cơ tịnh tiến đồng bộ LSM (linear synchronous motor) với stator gồm các cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ 3 pha Khi kích từ cho stator, từ trường sẽ tương tác với nam châm vĩnh cửu trên con trượt và tạo ra chuyển động tịnh tiến của con trượt

1.2.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ

C H Ahn [53] thiết kế với các cuộn cảm điện từ được cuốn để tạo thành stator

và dẫn động rotor với đường kính 500 m và vận tốc tối đa 500 vòng/phút, mômen xoắn là 1,2 Nm Hiệu ứng điện từ cũng được S De Cristofaro [54] ứng dụng để thiết kế vi động cơ có rotor lắc (wobble motor) Động cơ có đường kính

10 mm, ứng với dòng 240 mA có mômen xoắn đầu ra 350 Nm

1.3 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor)

1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện

Vi động cơ có thanh trượt chuyển động do ma sát: Byron Shay [56] và Ali

Khiat [57] sử dụng ba bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V, thanh trượt với chiều dài 550 -750 m trong động cơ có thể di chuyển với vận tốc 250 m/s và tạo ra lực đẩy lớn hơn 14 N

Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: John Maloney [58] sử dụng hai cặp các bộ

vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V để kẹp và đẩy Làm việc ở mức điện áp dẫn 12 V, rotor có vận tốc lên đến 1 mm/s, tạo được lực 6,7 mN và đạt được hành trình 2000 m

1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện

A Geisberger [66] giới thiệu mô tơ có khả năng quay hai chiều, kích thước ngoài 1 mm3, hai bộ vi kích hoạt/chấp hành sẽ làm việc lệch pha để đẩy rotor quay Động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối trên tấm silic kép, và dưới điện áp dẫn 24 V, đạt mômen xoắn 0,14 Nm và công suất 76 mW Baker M [67] dùng các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V kết hợp cùng với cơ cấu răng cóc để đạt được chuyển động quay một chiều của rotor

1.4 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor)

1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện

Vi động cơ dẫn động bằng quán tính: Các vi động cơ dẫn động bằng xung

IDM (Impact Drive Mechanism) đều gồm phần thân, phần tử áp điện và khối quán tính (inertial weight) Chuyển động tịnh tiến được tạo ra khi điều khiển điện áp dẫn tăng nhanh và giảm chậm hoặc ngược lại Tiêu biểu là các thiết kế của Jih-Lian Ha [71], Takuma Nishimura [73], Hunstig [74-75] và Martin Špiller [76]

1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện

Vi động cơ quay dẫn động bằng sóng âm: Cheng [82] và Suzuki Y [83] giới

thiệu động cơ quay sử dụng sóng âm có các phần tử trên bề mặt stator dao động theo quỹ đạo dạng elip tạo ra ma sát thông qua các viên bi để đẩy rotor quay

Vi động cơ quay dạng sâu đo: Bexell M [84] dùng stator của vi động cơ gồm

sáu chân, mỗi chân là một cấu trúc áp điện bimorph đa lớp kép Bằng việc đặt điện áp thích hợp, đĩa rotor phía trên có thể quay với vận tốc lớn nhất 4 vòng/phút và tạo ra mômen xoắn với trị số lớn nhất 1,4 mNm

1.5 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloy - SMA)

Hoạt động với điện áp dẫn thấp, có tỷ lệ giữa công suất với kích thước, khối lượng của hệ thống vào loại cao nhất, nhưng nhược điểm của dẫn động bằng SMA là chuyển vị nhỏ Có thể kể ra tiêu biểu như vi động cơ của Young Pyo Lee[86], Peirs J [87] và Qin Yao [88]

Chương 2 Bộ kích hoạt tĩnh điện răng lược và ảnh hưởng của hiệu ứng

viền 2.1 Hiệu ứng tĩnh điện

2.1.1 Tụ điện

Xét một tụ điện gồm hai điện cực đặt song song và cách nhau một khoảng là δ Điện dung của tụ điện C được tính:

0

A

C   

Khi đó giữa hai bản tụ sẽ sinh ra lực pháp tuyến F n hút hai bản tụ lại với nhau

và lực tiếp tuyến F t đẩy hai bản tụ chuyển động tương đối với nhau theo phương song song nhau

2.1.2 Lực pháp tuyến

Hai bản tụ đặt song song, cách nhau một khoảng δ và phần diện tích chồng nhau chiếu lên mặt phẳng OZY là hình chữ nhật có kích thước b×a0 Đặt vào hai bản

tụ một điện áp V, giả thiết khi đó bản tụ di động dịch chuyển theo phương X

một đoạn x do lực Fn gây ra Lực pháp tuyến được tính:

b a

V x

(2.11)

Lực pháp tuyến F n hút bản tụ di động về phía bản tụ cố định

2.1.3 Lực tiếp tuyến

Đặt điện áp V giữa hai bản tụ Giả thiết lực tiếp tuyến Ft gây ra chuyển động

một đoạn ∆y của bản tụ di động theo phương song song với bản tụ cố định

(phương OY) Lực tiếp tuyến được tính:

2 0

.12

t

b V

Khi đặt điện áp V vào bộ kích

hoạt thì lực tiếp tuyến F t tạo ra

hút răng lược di động sang phía

phải, nhờ lực đàn hồi giữ cần

bằng bản tụ di động Độ dịch

chuyển của phần di động theo

phương y là:

2 0

.

.

Trong đó : n là số lượng răng lược di động, k là độ cứng dầm đàn hồi theo

phương chuyển động Oy

2.3 Hiệu ứng viền

Phân bố điện trường giữa hai bản tụ cho thấy càng gần trung tâm tụ điện thì đường điện trường càng tuyến tính, phần ngoài cạnh tụ điện (edge) đường điện

từ dạng đường cong Hiện tượng này gọi là hiệu ứng viền (“fringe effect” hay

“edge effect”) Với bề rộng của bản tụ là b, chiều dài a và khoảng cách giữa hai bản tụ là δ, điện dung hai bản tụ khi không kể đến hiệu ứng viền:

Điện dung của tụ điện khi kể đến hiệu ứng viền là:

Hình 2.5 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược

F t

k

Phần cố định Phần di động

x y O

z

và đo đạc là tương đối nhỏ (lớn nhất là 11%) khi kể đến hiệu ứng viền Sai số này tăng lên nhiều khi bỏ qua hiệu ứng viền (lớn nhất là 27,5%) Vì thế chuyển

vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược chịu ảnh hưởng lớn của hiệu ứng viền

và cần lưu ý đến hiệu ứng này trong quá trình tính toán và thiết kế các kết cấu dẫn động bằng hiệu ứng tĩnh điện

Chương 3 Thiết kế các vi động cơ quay 3.1 Vi động cơ kiểu 1

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 3.1 chỉ ra cấu tạo của vi động cơ quay (MRM) gồm có bốn bộ kích hoạt tĩnh điện răng lược liên kết với các cơ cấu truyền động, vành răng cóc và bốn cơ cấu chống đảo Khi đặt một điện áp giữa hai điện cực cố định  và điện cực di động  của bộ kích hoạt tĩnh điện dạng răng lược, do lực tĩnh điện tiếp tuyến, phần di động (gồm có dầm và các răng lược di động) quay phải quanh điểm đàn hồi  Thông qua cơ cấu truyền , chuyển động quay của bộ kích hoạt được truyền ra vành răng  và quay theo chiều kim đồng hồ Khi điện áp giảm tới 0, các dầm cùng với răng lược và cơ cấu truyền động hồi vị về vị trí ban đầu nhờ lực đàn hồi Nhờ cơ cấu chống đảo , vành răng không xoay theo chiều ngược lại Vận tốc góc của vành răng phụ thuộc vào tần số của điện áp đặt vào các điện cực Để đảm bảo vành răng có thể quay được, chuyển vị trong mỗi bước di chuyển của thanh răng cóc dẫn  phải lớn hơn một bước răng cóc

Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược

Hình 3.1 Cấu tạo mô tơ một chiều

Hình 3.2 thể hiện bộ ECA và cơ cấu truyền động Các răng lược quay quanh điểm đàn hồi  có bề rộng 4m Bề rộng của mỗi răng lược là 3m, khe hở giữa hai răng lược là 2m, tổng số răng lược của phần di động là 76 Phần di động của bộ kích hoạt là dầm  được cố định một đầu và đầu còn lại được liên

kết với thanh răng dẫn  thông qua lò xo và hệ thống stoppers 

Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược và cơ cấu truyền chuyển động

4

1

2

3 5

1 Điện cực cố định

2 Điện cực di động

3 Cơ cấu chống đảo chiều

4 Cơ cấu truyền chuyển động

Ở kỳ hồi vị, khi điện áp dẫn giảm về 0, thanh răng cóc dẫn hồi vị về vị trí ban đầu, lò xo  bị nén, các răng của thanh răng cóc dẫn trượt trên các răng cóc của vành răng ngoài Bốn cơ cấu chống đảo  được sử dụng để đảm bảo vành răng ngoài không thể quay theo chiều ngược lại

3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng

a Kỳ dẫn động (Khi thanh răng cóc dẫn động vành răng ngoài)

Hình 3.5 Phân tích lực trong kỳ dẫn động

Các lực trên răng cóc dẫn và răng cóc của vành răng ngoài được phân tích trong

nửa chu kỳ dẫn (hình 3.5) Trong đó, Fes là lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ

răng lược, Fel là lực đàn hồi cổ đàn hồi, Ff2 là lực ma sát giữa thanh răng cóc

dẫn và lớp nền, Ff3 là lực ma sát của vành răng ngoài và lớp nền, Fa là lực đàn

hồi của lẫy chống đảo, Ff4 là lực ma sát giữa chân hãm và các răng cóc

Khi không kể đến hiệu ứng viền

Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị

Dưới tác dụng của lực đàn hồi của dầm, thanh răng cóc dẫn hồi vị về vị trí ban

đầu và trượt trên vành răng ngoài (hình 3.2) Fs là lực đàn hồi lớn nhất của lò xo

Với k s là độ cứng của lò xo theo phương y, h là chiều cao răng cóc

Lực Q theo phương y nén lò xo và làm cho hai răng cóc trượt trên nhau được

Với α = 30° là góc nghiêng của răng cóc (hình 3.7) Điều kiện để thanh răng cóc

dẫn có thể hồi vị về vị trí ban đầu là: Q  F s (3.20) Kết hợp các phương trình (3.19) và (3.20) ta được:

2

1 ( ) sin 2 14.22 ( )

2k p i p  F f   k h s  N (3.21)

Chỉ có giá trị i = 2 thỏa mãn điều kiện (3.21), điều này nghĩa là mỗi bước dẫn

của cơ cấu kích hoạt đẩy vành răng được 2 bước răng Vậy, để đảm bảo vành

răng có thể quay được, từ (3.13) và (3.15) có giá trị điện áp dẫn nhỏ nhất Vmin =

76,45 (V) khi không xét đến hiệu ứng viền và Vmin = 71,48 (V) khi xét đến hiệu ứng viền Để đảm bảo khả năng chế tạo trong thực tế luôn tồn tại khe hở giữa

thanh răng cóc dẫn và vành răng cóc bên ngoài (θ 2 µm để thực hiện được quá

trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu DRIE trong gia công MEMS) dẫn tới việc ăn khớp “hở” Điều đó có thể dẫn tới hiện tượng trượt khi động cơ làm việc

O

y

x Chiều hồi vị

3.2 Vi động cơ kiểu 2

3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 3.8 Cấu tạo vi động cơ kiểu 2

Về cơ bản cấu tạo của vi động cơ quay một chiều kiểu 2 tương tự như động cơ kiểu 1, tuy nhiên phần cơ cấu dẫn động được thiết kế thêm cơ cấu lẫy cài-lò xo

Từ vị trí ban đầu sau khi chế tạo phần thanh răng cóc dẫn sẽ được đẩy lên bởi đầu kim có đường kính đủ nhỏ (cỡ 50 μm) sang vị trí hoạt động

Hình 3.9 Cơ cấu truyền động (vị trí làm việc)

Hai lẫy được đẩy lên vào hai gờ và cố định vị trí đó trong suốt quá trình làm việc Cơ cấu này có tác dụng làm cho thanh răng cóc dẫn luôn tỳ lên vành răng cóc nhờ lò xo  luôn bị nén, nhờ đó triệt tiêu khe hở dẫn động

Để đảm bảo vành răng có thể quay được, chuyển vị trong mỗi bước di chuyển của thanh răng cóc dẫn  phải lớn hơn một bước răng cóc

1

1

1

1 2

5

3 4

F F F

Từ (3.25), nếu i = 1 thì Vmin = 52,50 (V) và nếu i = 2 thì Vmin = 72,95 (V)

Khi kể đến hiệu ứng viền

Răng cóc vành răng ngoài

Hướng di chuyển