Tiểu luận Nhập môn Vi cơ điện tử Tính toán, thiết kế vi động cơ nhiệt điện

Với ưu điểm là kích thước nhỏ, mạch tích hợp, độ chính xác cao, hoạt động thông minh,…vì vậy các thiết bị MEMS là bộ phận không thể thiếu trong điện thoại thông minh, ngành công nghiệp ô

TIỂU LUẬN NHẬP MÔN VI CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VI ĐỘNG CƠ NHIỆT- ĐIỆN

Lời mở đầu

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong những thập niên gần đây, thế kỉ XXI được coi là thế kỉ của kỉ nguyên số và công nghệ cao Xu thế tập trung vào những ngành công nghiệp công nghệ cao, kĩ thuật chính xác, tự động hóa trong sản xuất từ khâu nghiên cứu chế tạo đến bước cuối cùng hoàn thành sản phẩm Điều đó đáp ứng những nhu cầu yêu cầu cao của con người, cũng như phù hợp với sự phát triển của thời đại nền kinh tế tri thức ngày càng hoàn thiện và tiên tiến hơn Ngành

vi cơ điện tử (Micro Electro Mechanical Systems - MEMS) tuy mới phát triển nhưng đã có những đóng góp to lớn cho sự phát triển khoa học kỹ thuật của toàn nhân loại Với ưu điểm là kích thước nhỏ, mạch tích hợp, độ chính xác cao, hoạt động thông minh,…vì vậy các thiết bị MEMS là bộ phận không thể thiếu trong điện thoại thông minh, ngành công nghiệp ô tô, các thiết bị y tế, y sinh, ngành hàng không-vũ trụ,…Hiện nay ngành công nghệ MEMS ở nước ta cũng đạt được những thành tựu cơ bản, có nhiều công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về MEMS đặc biệt ở các trường đại học như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội,…

Với tầm quan trọng của MEMS, môn học “Nhập môn vi cơ điện tử” là không thể thiếu đối với sinh viên ngành cơ điện tử Để hiểu sâu hơn về công nghệ MEMS cũng như các sản phẩm ứng dụng của MEMS trong thực tế, nhóm chúng em xin

chọn đề tài: “Tính toán thiết kế vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng nhiệt - điện”

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ thầy giáo Đặng Bảo Lâm, đã giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo này Tuy đã rất cố gắng nhưng trong quá trình làm đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót vì vậy chúng em rất mong được sự góp ý của thầy giáo và các bạn

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo Đặng Bảo Lâm đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này

PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems – Hệ thống vi cơ

điện tử 1.1.1 Định nghĩa về MEMS

MEMS là hệ thống tích hợp các yếu tố cơ, vi điện tử, cảm biến, bộ kích hoạt,

vi cấu trúc có kích cỡ micromet trên nền Silicon bằng công nghệ vi chế tạo để từ tín hiệu đầu vào là điện, cơ, nhiệt, hóa học hay thông tin sinh học cho tín hiệu đầu ra theo yêu cầu sử dụng

 Năm 1958: Vi mạch điện tử đầu tiên được thiết kế [1]

 Năm 1965: Công nghệ vi cơ bề mặt ra đời [1]

Năm 1967: Sự ăn mòn dị hướng trong Silic được tìm ra bởi H.A.Waggener, R.M.Finne, D.L.Klein [1]

 Năm 1973: Vi mạch được cấy trong bộ cảm biến áp suất bằng silic của hãng Integrated Transducers [1]

 Năm 1977: Bộ cảm biến áp suất đầu tiên với nguyên tắc dung tích [1]

 Năm 1979: Vi hệ thống đầu tiên trên một đĩa silic [1]

 Năm 1985: Công nghệ LIGA được phát minh bởi W Ehrfeld [1]

 Năm 1988: Áp dụng công nghệ ghép liên hợp silic tiếp cho sản phẩm ( 1000

bộ cảm ứng áp suất trên 1 đĩa silic 10 cm) của hãng Nova Sensor [1]

 Năm 1988: Cấu trúc vi cơ chuyển động được thiết kế bởi R.S.Muller, W S

Và đến ngày nay, MEMS đang ngày càng phát triển về số lượng lớn các thiết

bị, về chất lượng và sự ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực

1.1.3 Ứng dụng của MEMS

MEMS có ứng dụng rộng rãi trong đời sống: điện thoại thông minh

(Smartphone), trong công nghiệp ô tô, Robot công nghiệp, lĩnh vực hàng không vũ trụ, y tế, y sinh,…

Hình 1.1 Ứng dụng trong Smartphone

Hình 1.2 Ứng dụng trong ô tô

1.1.4 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

Công nghệ vi cơ bề mặt

Phát biểu đơn giản, vi cơ bề mặt là một phương pháp sản xuất MEMS bằng cách lắng đọng, tạo mẫu và khắc một chuỗi các màng mỏng, dày 1- 100 mm Một bước xử lý quan trọng nhất yêu cầu với linh kiện MEMS động là loại bỏ đi có chọn lọc phim nằm dưới, xem là lớp đệm (sacrifical layer) thường là SiO2, mà không có

sự xâm lấn một phim nằm bên trên, gọi là lớp khung (structural layer) thường là poly hay SiN Hình sau minh họa một quy trình vi cơ bề mặt điển hình Vi cơ bề mặt được sử dụng để sản xuất một lượng lớn linh kiện MEMS khác nhau cho các ứng dụng khác nhau

Hình 1.3.Quy trình vi cơ bề mặt

Công nghệ vi cơ khối

Vi cơ khối khác với vi cơ bề mặt trong đó vật liệu nền, Si đơn tinh thể, được tạo mẫu và được định dạng để hình thành một thành phần có chức năng quan trọng trong sản phẩm cuối cùng (ví dụ nền Si không đơn giản hoạt động như một nền thụ động như trong trường hợp vi cơ bề mặt) Lợi dụng đặc tính khắc không đẳng hướng dự đoán được của Si đơn tinh thể, nhiều hình dạng ba chiều phức tạp với độ chính xác cao như rãnh V, kênh, via có thể được hình thành

Hình 1.4 Công nghệ vi cơ khối

 Khắc ion phản ứng sâu: (Deep Reactive Ion Etching-DRIE)

Quy trình khắc khô có thể được sử dụng để khắc sâu vào wafer Si và vẫn để lại những vách bên thẳng đứng và độc lập với sự định hướng tinh thể Khả năng đặc biệt này mở rộng tính đa dạng và sự hữu dụng của vi cơ khối Minh họa quy trình khắc khô (Hình 1.4)

Hình 1.5.Quy trình khắc khô

Hình 1.6.Chi tiết được tạo ra sau khi DRIE

Vi cơ khối Si bằng DRIE (Hình 1.7)

Hình 1.7.Thực hiện ăn mòn khô sâu

 Tạo vi khuôn (HEXSIL)

Sự kết hợp của DRIE với các quy trình lắng đọng phù hợp, như poly LPCVD

và SiO2, có thể được sử dụng để tạo ra cấu trúc được tạo vi khuôn Quy trình bắt đầu với một mẫu được khắc khối trong nền Si bằng DRIE (hình 1.7 a) Kế tiếp, sự lắng đọng phù hợp liên tiếp được thực hiện (ví dụ SiO2, polysilic không pha, polysilic pha và miếng Ni) (hình 1.7 b, c) Chú ý rằng các rãnh hẹp sẽ được bồi đầy trước các rãnh rộng hơn và do đó độ rộng có thể điều chỉnh cấu tạo tổng quát của vật liệu trong mỗi rãnh Xử lý với SiO2 đệm sau đó đạt được bằng khắc hay đánh bóng Cuối cùng, lớp đệm được bỏ đi và cấu trúc micro, được tạo khuôn vào nền,

được giải phóng và quy trình lặp lại với nền tái sinh (hình d) Với quy trình này, cấu trúc micro dày (khoảng 500 um) có thể được xem là lắng đọng màng mỏng và chỉ một bước khắc sâu

Hình 1.8.Quy trình tạo vi khuôn

Công nghệ vi cơ LIGA

 LIGA

Hình 1.9.Công nghệ LIGA

LIGA là một từ viết tắt tiếng Đức (lithography, plating và molding) Tuy nhiên, trong thực tế LIGA là một quy trình kết hợp mặt nạ phim dày (thường dày hơn 1 mm) với một in quang tia X năng lượng cao (~ 1 GeV) mà có thể tạo mẫu

mặt nạ dày với độ tin cậy cao và cũng tạo ra kết quả vách bên thẳng đứng Mặc dù một vài ứng dụng chỉ yêu cầu các cấu trúc mặt nạ tạo khuôn cao theo chiếu đứng, các ứng dụng khác thu được từ việc sử dụng cấu trúc mặt nạ dày như mạ khuôn (ví

dụ vật liệu có thể được lắng đọng nhanh chóng vào một khuôn chi tiết cao bằng mạ điện) Hạn chế của LIGA là đòi hỏi một nguồn năng lượng tia X cao, điều này đòi hỏi chi phí cao và hiếm Quy trình LIGA :

Hình 1.10.Quy trình LIGA

1.1.5 Một số thành phần của MEMS

Vi Cảm biến (Micro sensors)

a.Vi cảm biến cơ (Micro Mechanical sensor)

 Chuyển đổi tín hiệu cơ ( lực, vận tốc quay, gia tốc, áp lực, dòng chảy,…) thành tín hiệu điện ( áp điện, áp điện trở, điện dung)

 Các vi cảm biến cơ áp dụng hiệu ứng áp điện trở, áp điện tử

 Các loại cảm biến cơ:

Hình 1.11.Cảm biến áp suất

Hình 1.12.Cảm biến vận tốc quay (Gyroscope)

 Ứng dụng: Cảm biến cơ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, quân sự, công nghiệp,…

b.Vi cảm biến nhiệt

 Chuyển đổi tín hiệu nhiệt ( nhiệt độ, dòng nhiệt) thành tín hiệu điện ( điện trở, cặp nhiệt điện)

 Cảm biến nhiệt bao gồm cảm biến gia tốc, cảm biến dòng chảy

 Các cảm biến này được ứng dụng nhiều trong thực tế

Hình 1.13.Cảm biến điode nhiệt

Hình 1.14.Vi động cơ quay một chiều

Hình 1.15.Bộ vi chấp hành nhiệt điện

1.2 Giới thiệu về vi động cơ

1.2.1 Khái niệm về vi động cơ

Vi động cơ là một bộ chuyển biến năng lượng, nó biến đổi năng lượng điện (hay một loại năng lượng nào khác) thành năng lượng cơ Đúng với tên gọi của nó

“micromotor”, kích thước của nó là rất nhỏ Do kích thước nhỏ nên để gia công chế tạo được nó cũng không đơn giản, ta phải có những phương pháp gia công đặc biệt Một vi động cơ tốt cần đạt được những đặc tính sau

 Tiêu thụ ít năng lượng

 Hiệu suất cơ cao

 Có tính động học tốt

 Bền trong môi trường khắc nhiệt

 Tỷ lệ năng lượng và khối lượng lớn

 Quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu điều khiển và đại lượng cơ đầu ra

1.2.2 Các loại vi động cơ phổ biến

 Vi động cơ tĩnh điện

Hình 1.16.Vi động cơ quay kiểu tĩnh điện

Vi động cơ loại này khá phổ biến trong lĩnh vực MEMS, nguyên lý hoạt động của nó dựa trên hiện tượng hai vật tích điện trái dấu hút nhau, nhược điểm của loại động cơ này là quan hệ giữa điện thế và lực không tuyến tính, bù lại nó cũng có những ưu điểm nhất định như: năng lượng tiêu thụ thấ (ít tổn hao), công nghệ chế tạo đơn giản

 Vi động cơ nhiệt điện

Hình 1.17.Vi động cơ quay kiểu nhiệt điện

Vi động cơ nhiệt điện chuyển năng lượng điện sang năng lượng cơ thông qua năng lượng nhiệt, nó hoạt động dựa trên nguyên lý giãn nở khi nhiệt độ tăng của chất lỏng, chất rắn, chất khí Nhược điểm của vi động cơ này là năng lượng tổn hao lớn, đặc tính động học kém, cấu trúc thiết kế phức tạp hơn so với vi động cơ tĩnh điện Ưu điểm của loại động cơ này đó là có quan hệ tuyến tính giữa nhiệt lượng và

độ xê dịch, hơn nữa nó có thể hoạt động được trong môi trường khắc nhiệt

 Vi động cơ áp điện

Hình 1.18.Vật liệu áp điện Hình 1.19.Vi động cơ quay kiểu áp điện

Vi động cơ áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý co dãn của vật liệu áp điện khi từ trường đặt lên nó thay đổi Ưu điểm cua động cơ này đó là áp lực lớn, tính động học cao, hiệu điện thế vận hành thấp hơn vi động cơ tĩnh điện Nhược điểm của nó là: công nghệ phức tạp, độ xê dịch nhỏ

PHẦN II: LÝ THUYẾT NHIỆT ĐIỆN

2.1 Phương pháp truyền nhiệt

2.1.1 Sự dẫn nhiệt

 Là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt

độ thấp do sự truyền động năng hoặc do sự va chạm giữa các nguyên tử, phân tử

 Định lí Fourier: tốc độ truyền nhiệt hoặc năng lượng là hàm của gradient nhệt độ

   (2.1)

x là khoảng cách theo phương dòng nhiệt (m)

 Hệ số dẫn nhiệt k là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, giá trị của k phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất vật liệu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm,…

2.1.2 Sự đối lưu

 Là sự truyền nhiệt khi môi chất dịch chuyển trong không gian từ vùng có nhiệt độ này tới vùng có nhiệt độ khác và xảy ra trong môi trường chất lỏng, vì sự truyền nhiệt lượng luôn gắn với sự chuyển động của môi trường.[2]

 Có hai dạng đối lưu:

 Đối lưu tự do là trường hợp mà ở đó chất lỏng sẽ di chuyển và truyền nhiệt theo gradient nhiệt

 Đối lưu cưỡng bức là trường hợp mà ở đó chất lỏng truyền nhiệt được bơm bằng máy (cưỡng bức).Thông thường hệ số đối lưu mà mô hình truyền nhiệt sử dụng phụ thuộc vào máy cụ thể

2.1.3 Sự bức xạ nhiệt

 Là sự truyền nhiệt dưới dạng sóng điện từ, nhiệt năng trở thành tia bức xạ

và truyền đi Bất kì vật nào có nhiệt độ lớn hơn 0oK luôn có sự biến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ Các sóng điện từ này truyền

đi trong không gian với vận tốc ánh sáng và bước sóng λ= 0 ÷ ∞

 Định luật Stefan-Boltzmann:

2.2 Tính toán độ giãn nở và nhiệt độ của dầm đơn

Đối với dầm đơn khi có sự thay đổi nhiệt độ của dầm với nhiệt độ của môi trường thì sự thay đổi chiều dài của dầm có thể được tính bởi:

Hình 2.1.Thay đổi chiều dài dầm ∆L Trong đó:

0[1 ( T Ts)]

      (2.7) Trong đó:

ρ0 điện trở suất tại Ts (nhiệt độ môi trường xung quanh)

Giả sử λ(T-T S )<< 1, giải phương trình 2.8 ta được:

2( ) s B

n là số cặp dầm của mỗi bộ kích hoạt

A là tiết diện mặt cắt ngang của dầm đơn

E mô đun đàn hồi của vật liệu Silicon

L chiều dài của dầm đơn

là góc nghiêng của dầm so với phương vuông góc với phương chuyển động của đỉnh dầm

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VI ĐỘNG CƠ NHIỆT ĐIỆN 3.1 Lựa chọn phương án thiết kế

Sau khi tìm hiểu hai loại bộ kích hoạt nhiệt điện là “Dầm chữ V” và “Hot arm, Cold arm” Chúng em đi đến lựa chọn bộ kích hoạt nhiệt điện “Dầm chữ V” nhờ những ưu điểm của nó như: tăng lực đầy bằng cách tăng số dầm, chế tạo đơn giản bằng phương pháp gia công vi cơ khối, kích thước nhỏ gọn, hoạt động chính xác

3.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

3.2.1 Cấu tạo

Hình 3.1.Cấu tạo vi động cơ nhiệt

Vi động cơ gồm các phần :

(1) : Bộ kích hoạt nhiệt điện dầm chữ V

(2) : Cơ cấu chống đảo

 Hình 3.1 giúp ta nêu ra được nguyên lý hoạt động của vi động cơ dựa trên

lý thuyết dãn nở nhiệt với nguồn dẫn động là 3 bộ kích hoạt nhiệt điện dầm chữ V như sau: Khi ta cấp điện cho các điện cực trên các bộ kích hoạt (cấp đồng thời cả 3 bộ), các dầm của bộ kích hoạt dãn nở và đẩy cho đỉnh dầm chuyển động tịnh tiến qua đó làm cho dầm (3) quay quanh cổ đàn hồi O Thông qua cơ cấu dẫn răng cóc (5) được gắn trên dầm (3) sẽ đẩy bánh răng dẫn (6) quay thuận chiều kim đồng hồ (ở đây lò xo (4) có tác dụng làm cho

cơ cấu dẫn răng cóc (5) luôn ăn khớp tốt với bánh răng (6) ) Khi điện áp đặt vào các bộ kích hoạt bằng 0, nhờ lực đàn hồi ở cổ dầm O, lực đàn hồi của bộ kích hoạt nhiệt (1) làm cho cơ cấu dẫn răng cóc (5) hồi về vị trí ban đầu, bánh răng dẫn không quay ngược trở lại nhờ cơ cấu chống đảo (2)

 Cứ sau mỗi chu kỳ của bộ kích hoạt nhiệt (1), răng cóc dịch chuyển 1 đoạn

i x p: với i là số bước dịch chuyển sau 1 chu kỳ và p là bước răng cóc, i phụ thuộc vào chuyển vị của dầm chữ V tức là phụ thuộc vào độ lớn điện

áp đặt vào bộ kích hoạt Còn phải kể đến tốc độ động cơ phụ thuộc vào tần

số điện áp

3.3 Tính toán thiết kế

3.3.1 Tính phân bố nhiệt, chuyển vị của đỉnh dầm và lực đẩy của dầm chữ V

Công thức tính độ giãn dài của dầm đơn:

Với:

Phương trình phân bố nhiệt ở trên dầm:

Gọi ∆D là chuyển vị của đỉnh dầm như hình 3.2

Hình 3.2.Độ giãn dài và chuyển vị đỉnh dầm Theo hình 3.2 ta có:

Như vậy, chuyển vị của đỉnh dầm được tính theo công thức:

Lực đẩy của dầm theo phương dịch chuyển là:

Chiều dài 1 dầm đơn: L=500 µm

Tiết diện của dầm đơn: A=b×h=5×30=150 µm 2

Dầm hợp với phương vuông góc với phương dịch chuyển 1 góc α=2o

Số cặp dầm: n=6

Ta thu được bảng sau:

Bảng 1.Bảng thông số tính toán dầm chữ V Điện áp U

FT (mN)

a) Quá trình dẫn

Xét 1 bộ dẫn động như hình 3.3a :

Hình 3.3a Bộ dẫn động Hình 3.3b Các lực trên dầm chữ V

Hình 3.3c Sơ đồ thu gọn về dầm quay cổ đàn hồi Các lực tác dụng lên dầm chữ V được biểu diễn trên hình 3.3b

Gọi d là chuyển vị của thanh răng

Theo hình 3.3c ta có: (3.2)

Trong đó:

R1 = 600 (µm) là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm chữ V

R = 1680 (µm) là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc

Thế 3.2 vào biểu thức 3.1 ta được:

(3.3) Các lực tác động lên vành răng và thanh răng được biểu diễn như hình 3.4

Hình 3.4.Phân tích lực trong quá trình dẫn

F là lực dẫn động , được tính theo công thức 3.3

Fe2 là lực đàn hồi của dầm quay cổ đàn hồi, Fe2 = k2×d

Ff1 là lực ma sát giữa thanh răng dẫn với nền Silic, Ff1=f×m1×g

Ff2 là lực ma sát giữa bánh răng dẫn và vành răng cóc với nền Silic, Ff2=f×m2×g

Ff3 là lực ma sát giữa bánh răng bị dẫn và nền Silic Ff3 = f×m3×g

Với: k2 = 2,88 (µN/µm) là độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi

f = 0,3 là hệ số ma sát giữa Silic-Silic