Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) (NCKH)

Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ QUAY KIỂU ĐIỆN NHIỆT

DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS)

Mã số: ĐH2015-TN02-07

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Tiến Dũng

Thái Nguyên, Tháng 6/ 2018

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ QUAY KIỂU ĐIỆN NHIỆT DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ (MEMS)

Mã số: ĐH2015-TN02-07

Xác nhận của cơ quan chủ trì

KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH

I Danh sách các thành viên thực hiện đề tài

● PGS.TS Phạm Hồng Phúc - Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội

● ThS Nguyễn Trung Thành - Viện nghiên cứu Công nghệ cao về Kỹ thuật Công nghiệp, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

● ThS Đinh Quang Ninh - Trung tâm Thực nghiệm, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

● ThS Trần Huy Điệp - Trung tâm Thực nghiệm, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên

II Các đơn vị phối hợp thực hiện

● Bộ môn cơ sở thiết kế máy và Robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Người đại diện: TS Vũ Lê Huy)

● Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Người đại diện: PGS.TS Nguyễn Quang Địch)

● Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (Người đại diện: GS.TS Nguyễn Văn Hiếu)

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU xii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS xiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Nội dung nghiên cứu: Báo cáo tổng kết gồm các nội dung chính như sau 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ 2

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐỘNG CƠ (MICRO MOTOR) 2

1.2 PHÂN LOẠI 2

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2

1.3.1 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện 3

a Động cơ tuyến tính 3

b Vi động cơ quay 5

1.3.2 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng điện từ 11

a Vi động cơ tuyến tính ứng dụng hiệu ứng điện từ 11

b Vi động cơ quay ứng dụng hiệu ứng điện từ 12

1.3.3 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt 14

a Vi động cơ tuyến tính ứng dụng hiệu ứng nhiệt 15

b Vi động cơ quay ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt 18

c Vi động cơ sử dụng hiệu ứng ghi nhớ hình dạng 22

1.3.4 Vi động cơ áp điện 23

1 4 NHẬN XÉT CHUNG 25

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 29

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VI ĐỘNG CƠ 30

2.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 30

2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHO VI ĐỘNG CƠ 33

2.2.1 Tính toán tốc độ trung bình 33

2.2.2 Tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V 33

a Tính toán nhiệt 33

b Tính toán chuyển vị 36

2.2.3 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ 40

a Quá trình dẫn 40

b Quá trình hồi vị 44

2.3 CẢI TIẾN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG CỦA VI ĐỘNG CƠ 46

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 47

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG CÁC KẾT CẤU TRONG ANSYS MULTIPHYSICS 50

3.1 MỤC ĐÍCH 50

3.2 MÔ PHỎNG HỆ DẦM CHỮ V 50

3.2.1 Xây dựng mô hình trong Ansys 50

3.2.2 Thiết lập điều kiện biên và đặt điện áp U 50

3.2.3 Kết quả mô phỏng 51

3.3 MÔ PHỎNG ĐỘ CỨNG CỦA DẦM QUAY CỔ ĐÀN HỒI 53

3.3.1 Mô hình bài toán 53

3.3.2 Mô phỏng độ cứng dầm quay cổ đàn hồi trong Ansys Multiphysics 54

3.4 MÔ PHỎNG ĐỘ CỨNG CỦA CỔ THANH DẪN RĂNG CÓC 55

3.4.1 Mô hình bài toán 55

3.4.2 Mô phỏng độ cứng cổ thanh dẫn răng cóc trong Ansys Multiphysics 56

3.5 MÔ PHỎNG ĐỘ CỨNG CỦA LÒ XO ĐÀN HỒI 57

3.5.1 Mô hình bài toán 57

3.5.2 Mô phỏng độ cứng của lò xo đàn hồi trong Ansys Multiphysics 58

3.6 MÔ PHỎNG ĐỘ CỨNG CỦA CƠ CẤU CHỐNG ĐẢO 59

3.6.1 Mô hình bài toán 59

3.6.2 Mô phỏng độ cứng của cơ cấu chống đảo trong Ansys Multiphysics 59

3.7 ĐÁNH GIÁ CÁC SAI SỐ VÀ NHẬN XÉT 61

3.8 MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH VA CHẠM TRONG VI ĐỘNG CƠ 63

3.8.1 Mô hình cơ học của vi động cơ 63

3.8.2 Mô phỏng và nhận xét 65

3.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 73

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG QUY TRÌNH VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM VI ĐỘNG CƠ 74

4.1 TỔNG QUAN VỀ MEMS CÁC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 74

4.1.1 Công nghệ MEMS 74

4.1.2 Các công nghệ chế tạo MEMS 75

4.2 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VI CƠ KHỐI 78

4.2.1 Thiết kế mặt nạ 78

4.2.2.Thiết lập quy trình gia công 79

4.3 XỬ LÝ, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 93

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 95

CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA VI ĐỘNG CƠ 96

5.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO VI ĐỘNG CƠ 96

5.1.1 Mô hình toán học của dầm đơn 96

5.1.2 Mô hình toán học của hệ n dầm song song 97

5.2 MÔ PHỎNG ĐỐI TƯỢNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 99

5.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 103

5.4 KẾT LUẬN CHUNG 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng - James J Allen [2005] 3

Hình 1.2: Hoạt động của một mô tơ bước tuyến tính - N.R Tas [1997] 4

Hình 1.3: Cơ cấu kẹp đẩy sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện - N.R Tas [1997] 5

Hình 1.4: Động cơ quay sử dụng bộ kích hoạt dạng sâu đo - Firas N Sammoura 6

Hình 1.5: Nguyên lý làm việc của vi động cơ tĩnh điện - Humberto Ferreira Vinhais, al [2006] 7

Hình 1.6: Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha - Edin Sarajlic [2010] 8

Hình 1.7: Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha - Edin Sarajlic [2010] 9

Hình 1.8: Vi động cơ răng cóc xoắn - Firas N Sammoura 9

Hình 1.9: Cấu tạo vi động cơ quay (Micro rotational motor) - Phạm Hồng Phúc [2012] 10

Hình 1.10: Vi động cơ điện từ tuyến tính - Chia-Yen Lee [2008] 11

Hình 1.11 Một loại vi động cơ từ tuyến - Ki Hoon Kim [2012] 12

Hình 1.12 Hoạt động mô tơ quay điện từ ngoài - Chang Liu [2011] 13

Hình 1.13: Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ - Đặng Phước Vinh [2013] 14

Hình 1.14: Bộ kích hoạt dầm chữ X - Chengkuo Lee [2005] 15

Hình 1.15: Bộ kích hoạt dầm chữ Z - Yong Zhu [2012] 15

Hình 1.16: Bộ kích hoạt hình chữ V (V-shaped actuator) - Y.Lai [2004] 16

Hình 1.17: Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt nhiệt điện dạng chữ V -John M Maloney [2004] 17

Hình 1.18: Vi động cơ chuyển động kẹp đẩy dạng sâu đo - Jae-Sung Park [2001] 18

Hình 1.19: Vi động cơ lắc sử dụng hiệu ứng nhiệt - Mathew Stevenson [2007] 18

Hình 1.20: Vi động cơ quay nhiệt dùng dầm chịu uốn Jae SungPark [2000] 19

Hình 1.21: Hot/cold arm thermal actuator (one hot arm) - H Guckel [1992] 21

Hình 1.22: Hot/cold arm thermal actuator (two hot arm) - David M Burns [1997] 21

Hình 1.23: bộ kích hoạt (a), vi động cơ tuyến tính (b), vi động cơ quay (c) - Ali Khiat

[2012] 22

Hình 1.24: Sơ đồ bộ kích hoạt sử dụng hiệu ứng ghi nhớ hình dạng 23

Hình 1.25: Bộ kích hoạt và vi robot - Young Pyo Lee [2004] 23

Hình 1.26: Vi mô tơ áp điện tuyến tính đề xuất bởi Kurasawa [2006] 24

Hình 2.1: Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V 30

Hình 2.2: Cấu tạo vi động cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V 30

Hình 2.3: Cơ cấu truyền chuyển động 31

Hình 2.4: Cấu tạo cơ cấu chống đảo chiều 31

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý cấp điện cho vi động cơ 32

Hình 2.6: Điều kiện biên cho dầm 34

Hình 2.7: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ T max và điện áp U 36

Hình 2.8: Đồ thị mối quan hệ giữa nhiệt độ T avg và điện áp U 36

Hình 2.9: Đồ thị mối quan hệ giữa L và điện áp U 37

Hình 2.11: Đồ thị mối quan hệ giữa D và điện áp U 38

Hình 2.10: Sơ đồ tính chuyển vị của dầm chữ V 38

Hình 2.12: Sơ đồ tính lực dầm chữ V 39

Hình 2.13: Sơ đồ tính lực dẫn động 40

Hình 2.14: Kết quả chuyển vị của dầm chữ V 41

Hình 2 15: Sơ đồ tính chuyển vị  42

Hình 2.16: Phân tích lực chu kỳ dẫn động 42

Hình 2.17: Sơ đồ phân tích lực chu kỳ hồi vị 45

Hình 2.18: Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến 47

Hình 2.19: Đồ thị mối quan hệ giữa D và chiều rộng dầm b 49

Hình 3.1: Xây dựng mô hình và chia lưới bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V trong Ansys Multiphysics 50

Hình 3.2: Chuyển vị của đỉnh dầm chữ V ứng với điện áp U =25 V 51

Hình 3.3: Quan hệ kết quả mô phỏng chuyển vị của đỉnh dầm chữ V và điện áp U 51

Hình 3.4: Nhiệt độ phân bố trên dầm chữ V ứng với điện áp U =20 (V) 52

Hình 3.5: Đồ thị kết quả mô phỏng nhiệt độ Tmax của dầm chữ V và điện áp U 52

Hình 3.6: Ứng suất trên dầm chữ V ứng với điện áp U =25 (V) 53

Hình 3.7: Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi 54

Hình 3.8: Xây dưng mô hình và chia lưới trong Ansys Multiphysics 54

Hình 3.9: Chuyển vị của dầm quay đàn hồi 54

Hình 3.10: Ứng suất tại cổ dầm với bước nhảy i=2 55

Hình 3.11: Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng của cổ thanh răng cóc dẫn 56

Hình 3.12: Chia lưới mô hình thanh răng cóc dẫn trong Ansys Multiphysics 56

Hình 3.13: Kết quả mô phỏng chuyển vị của thanh dẫn răng cóc 57

Hình 3.14: Kết quả mô phỏng ứng suất cổ thanh dẫn răng cóc 57

Hình 2.15: Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng của lò xo đàn hồi 58

Hình 3.16: Chia lưới mô hình lò xo đàn hồi trong Ansys Multiphysics 58

Hình 3.17: Kết quả mô phỏng chuyển vị của lò xo đàn hồi 58

Hình 3.18: Kết quả mô phỏng ứng suất của lò xo đàn hồi 59

Hình 3.19: Mô hình bài toán mô phỏng độ cứng của cơ cấu chống đảo 59

Hình 3.20: Chia lưới mô hình cơ cấu chống đảo trong Ansys Multiphysics 60

Hình 3.21: Kết quả mô phỏng chuyển vị của cơ cấu chống đảo 60

Hình 3.22: Kết quả mô phỏng ứng suất của cơ cấu chống đảo 61

Hình 3.23: Đồ thị so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng chuyển vị D của dầm chữ V ứng với điện áp đầu vào U 62

Hình 3.24: Đồ thị so sánh kết quả giữa tính toán và mô phỏng nhiệt độ Tmax của dầm chữ V ứng với điện áp đầu vào U 62

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý vi động cơ 63

Hình 3.26: Mô hình hóa trên ANSYS 65

Hình 3.27: Lưới tại vùng va chạm giữa thanh răng dẫn và vành răng, kích thước lưới 0,0125µm 66

Hình 3.28: Các điều kiện biên và điều kiện lực trong quá trình dẫn 67

Hình 3.29: Các vị trí tiếp xúc dự đoán 67

Hình 3.30: Phản lực trên thanh chống đảo 68

Hình 3.31: Ứng suất xuất hiện trên mặt răng 69

Hình 3.32: Ứng suất trên cổ đàn hồi O 69

Hình 3.33: Điều kiện biên trong quá trình hồi vị 70

Hình 3.34: Phản lực trên mặt thanh răng khi hồi vị 71

Hình 3.35: Ứng suất trên mặt răng dẫn 71

Hình 4.1: Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét 74

- Mohamed Gad-el-Hak,2002 74

Hình 4.2: Chip gắn các thiết bị MEMS 75

Hình 4.3: Một ví dụ về công nghệ vi cơ khối 76

Hình 4.4: Mô tả quy trình công nghệ vi cơ bề mặt 76

Hình 4.5: Các bước trong quy trình công nghệ LIGA 77

Hình 4.6: Thiết kế tổng thể mặt nạ và các modul vi động cơ 79

Hình 4.7: Cấu tạo và các bộ phận cơ bản của vi động cơ kiểu 1 80

Hình 4.8: Cấu tạo và các bộ phận cơ bản của vi động cơ kiểu 2 80

Hình 4.9: Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ 81

Hình 4.10: Phiến silic kép SOI 82

Hình 4.11: Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication 82

Hình 4.12: Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI 83

Hình 4.13: Quá trình ăn mòn khô D-RIE 85

Hình 4.14: Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 86

Hình 4.15: Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 86

Hình 4.16: Tóm tắt quá trình chuẩn bị 87

Hình 4.17: Tóm tắt quá trình quang khắc 88

Hình 4.18: Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan 89

Hình 4.19: Hệ thống máy quang khắc tại ITIMS 89

Hình 4.20: Ăn mòn khô sâu DRIE 90

Hình 4.21: Tóm tắt quá trình cắt chíp và làm sạch 91

Hình 4.22: Sơ đồ bố trí hệ thống ăn mòn hơi HF 92

Hình 4.23: Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1 93

Hình 4.24: Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến) 94

Hình 4.25: Hình ảnh của vi động cơ sau khi HF, bonding và chuẩn bị đo đạc 94

Hình 5.1: Cấu tạo và nguyên lý cấp nguồn dầm đơn 96

Hình 5.2: Chuyển vị theo phương thẳng đứng của dầm đơn 99

Hình 5.3: Dạng điện áp nguồn 100

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng nhiệt độ của các dầm đơn 101

Hình 5.5: Kết quả mô phỏng nhiệt độ của các dầm xương cá 101

Hình 5.6: Kết quả mô phỏng nhiệt độ của các dầm đơn ứng với điện áp dạng xung vuông, biên độ 20V, tần số 10Hz 102

Hình 5.7: Kết quả mô phỏng nhiệt độ của các dầm đơn ứng với điện áp dạng xung vuông, biên độ 20V, tần số 20Hz 102

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh các thông số của một số vi động cơ 25

Bảng 2.1: Độ dẫn nhiệt của vật liệu silicon ứng với nhiệt độ trên 200 K 35

Bảng 2.2: Bảng thông số tính toán lực nhiệt dầm chữ V ứng với điện áp từ 525 (V) 39

Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng chuyển vị và ứng suất của cổ dầm đàn hồi 55

Bảng 3.2: Thông số hình học cơ bản của vi động cơ 64

Bảng 3.3: Lựa chọn kích thước lưới 66

Bảng 3.4: Phản lực trên mặt thanh răng chống đảo kỳ dẫn 68

Bảng 3.5: Phản lực lớn nhất xuất hiện trên mặt răng cóc dẫn trong kỳ dẫn 70

Bảng 3.6: Lực ma sát trên mặt răng dẫn trong kỳ hồi về 71

Bảng 5.1: Các thông số hình học cơ bản của bộ kích hoạt 99

Bảng 5.2: Các thông số đặc tính cơ bản của vật liệu 100

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

1 DRIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn hoạt hóa

sâu

2 ECA Electrostatic Comb-drive

Actuator

Bộ kích hoạt răng lược

3 GCA Gap Closing Actuator Bộ kích hoạt khe hở kín

5 MEMS Micro-electro-mechanical

System

Hệ thống vi cơ

6 LIGA Lithgraphie Galvanofruning und

Abformung

Công nghệ quang khắc

7 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

8 SOI Silicon-on-Insulator - Phiến Silic kép

9 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim định hình

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung

- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo vi động cơ quay kiểu điện nhiệt dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

- Mã số: ĐH2015-TN02-07

- Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Tiến Dũng

- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

- Thời gian thực hiện: từ tháng 4/2015 đến tháng 12/2017

- Phân tích động lực học và mô phỏng nhằm tìm ra các kích thước tối ưu

- Xây dựng quy trình chế tạo các vi động cơ phù hợp với điều kiện trang thiết bị tại cơ sở nghiên cứu và phù hợp với quy trình thiết kế các thiết bị MEMS tiêu chuẩn

- Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng mới, phục vụ công tác nghiên cứu, thiết kế các hệ điều khiển và khảo sát các đặc tính chất lượng sau này

4 Kết quả nghiên cứu

Đề tài đã tính toán, thiết kế 02 mẫu vi động cơ quay có đường kính cơ bản 2,5mm, được đặt trên các chíp 5x5mm Theo tính toán ban đầu điện áp dẫn tối thiểu tương ứng với 2 mẫu động cơ này là 17,5V và 16V Các kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS MULTIPHYSICS tương đối sát với kết quả tính toán giải tích, điều đó khẳng định việc xác định các thông số và phương pháp tính toán là phù hợp Các mẫu

Vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (SOI), bằng phương pháp gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining), sử dụng 1 mặt nạ (single mask) Ưu điểm nổi bật của

các vi động cơ này là tiêu thụ năng lượng ít (điện áp dẫn động thấp), hệ thống điều khiển đơn giản, có thể chế tạo hàng loạt dễ dàng dựa trên công nghệ vi cơ khối (Bulk-micromachining)

5 Sản phẩm

5.1 Sản phẩm khoa học

[1] Phuc Pham Hong, Lam Dang Bao, Duzng Nguyen Tien, Dich Nguyen Quang

(2015), "A micro transmission system based on combination of micro elastic

structures and ratchet mechanism", Microsystem Technologies Micro- and

Nanosystems Information Storage and Processing Systems, 21(11), November

2015 (Published online)

[2] Nguyen Tien Duzng (2018), "Modeling and Simulation of V-Shaped Thermal

Actuator", American Journal of Engineering Research (AJER), 7(4), pp

222-227

● Có 02 bài báo đăng trên các Tạp chí trong nước

[1] Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2015), “Thiết kế, chế

tạo thử vi động cơ đường kính 2,5mm dựa trên công nghệ MEMS”, Tạp chí

khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật; 108, tr 26-32

[2] Nguyễn Tiến Dũng, Lê Anh Tuấn, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2016),

"Phân tích quá trình va chạm trong vi động cơ điện - nhiệt dùng phương pháp

mô phỏng tức thời", Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ

thuật, 110, tr 91-97

● Có 02 báo cáo tại các Hội nghị trong nước

[1] Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2015), "Cải tiến và

mô phỏng vi động cơ quay kiểu điện nhiệt", Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật

điều khiển và Tự động hóa lần thứ 3 (VCCA 2015), 28-29/11/2015, Đại học

Thái Nguyên, tr 496-501

[2] Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc; Nguyễn Quang Địch (2016), "Mô hình hóa

và mô phỏng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V", Hội nghị khoa học toàn

quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, ngày 7-8/10/2016, trường Đại

học Bách khoa Hà Nội, tr 48-51

5.2 Sản phẩm đào tạo: 03 chuyên đề luận án tiến sĩ đã được thông qua hội đồng

- Chuyên đề 1: Tính toán và mô phỏng động lực học cho vi động cơ

- Chuyên đề 2: Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ

- Chuyên đề 3: Xây dựng mô hình toán học của vi động cơ

5.3 Sản phẩm ứng dụng

- 02 mẫu vi động cơ phục vụ các nghiên cứu tiếp theo

- 01 Quy trình chế tạo, dựa trên quy trình chế tạo MEMS tiêu chuẩn

- 01 Bản báo cáo Tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh khối ngành Cơ điện tử

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

- Phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo Sau đại học tại Đại học Thái Nguyên và Đại học Bách khoa Hà Nội

- Tăng cường hợp tác nghiên cứu khoa học giữa các cán bộ thuộc các trường đại học, các viện nghiên cứu

- Tăng cường năng lực nghiên cứu của nhóm nghiên cứu

- Tài liệu tham khảo trong lĩnh vực vi cơ điện tử cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh

Thái Nguyên, Ngày 05 tháng 06 năm 2018

Cơ quan chủ trì

KT HIỆU TRƯỞNG PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS.TS Vũ Ngọc Pi

Chủ nhiệm đề tài

ThS Nguyễn Tiến Dũng

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information

Project title: Design and fabrication the micro rotational motor on micro electro mechanical system (MEMS) technology

Code number: DH2015-TN02-07

Coordinator: MA Nguyen Tien Dung

Implementing institution: TNU - Thai Nguyen University of Technology

Duration: from 4/2015 to 12/2017

2 Objective(s): Design and Fabrication a micro Rotational motor using V-shaped

electro-thermal actuators about 2-3 mm -Diameter, some mW - capacity The motor

has been Modelling and Simulation with Ansys and Matlab software

3 Creativeness and innovativeness

- Design a Novel rotational motors utilizing V-shaped electrothermal actuators

- Analysis of dynamics and simulation to find the optimal geometric parameters

- Experiment and give a fabrication process the micro motor, based on the standard MEMS fabrication process and Equipment conditions at the research laboratory

- Modeling new object for further researches (controller design, quality survey )

4 Research results: This project presents a design, simulation and fabrication of 2

micro rotational motors with outer diameter of 2.5mm utilizing V-shaped electrothermal actuators Calculation of the structure and the acting force in 2 types motor confirmed a minimum driving voltage are 17.5V and 16V Simulation results on ANSYS MULTIPHYSICS software are relatively close to the results of analytical calculations, which confirms that the determination of parameters and methods of calculation is appropriate Micro rotational motors are fabricated by a standard MEMS technology using SOI (Silicon On Insulator) wafer and only one mask These motors have a low power consumption (low driving voltage) but larger output tourque, simple

control and batch fabrication based on the bulk-micromachining technology

5 Products

5.1 Scientific publictions

● There are 02 published papers in International journals

[1] Phuc Pham Hong, Lam Dang Bao, Duzng Nguyen Tien, Dich Nguyen Quang

(2015), "A micro transmission system based on combination of micro elastic

structures and ratchet mechanism", Microsystem Technologies Micro- and

Nanosystems Information Storage and Processing Systems, 21(11), November

2015 (Published online)

[2] Nguyen Tien Duzng (2018), "Modeling and Simulation of V-Shaped Thermal

Actuator", American Journal of Engineering Research (AJER), 7(4), pp

222-227

● There are 02 published papers in National scientific journals

[1] Nguyen Tien Duzng, Pham Hong Phuc, Nguyen Quang Dich (2015), "Design and

fabrication of a 2.5mm-diameter micro rotational motor based on MEMS

technology", Journal of Science & Technology Technical Universities, 108, pp

26-32

[2] Nguyen Tien Duzng, Le Anh Tuan, Pham Hong Phuc, Nguyen Quang Dich

(2016), "Analysis of impact processes in an electro-thermal micro motor using

transient simulation", Journal of Science & Technology Technical Universities;

110, pp 091-097

● There are 02 published papers in National scientific conferences

[1] Nguyen Tien Duzng, Pham Hong Phuc, Nguyen Quang Dich (2015),

"Improvement and simulation of the electro–thermal micro motor", The 3rd

Vietnam Conference on Control anh Automation (VCCA 2015), 29/11/2015, Thai Nguyen University, Vietnam, pp 496-501

28-[2] Nguyen Tien Duzng, Pham Hong Phuc, Nguyen Quang Dich (2016), "Modeling

The V-Shaped Thermal Actuator", The 2nd National Scientific Conference on

Mechanical Engineering and Automation, October, 7-8/10/2016, Hanoi

University of Science and Technology, pp 48-51

5.2 Training results: 03 topics in PhD theses

- The first topic: Design and dynamic simulations the micro motor

- The second topic: Experiment and give a fabrication process the micro motor

- The third topic: Modeling The Micro motor

5.3 Application products

- 02 micro rotational motor for further researches

- 01 manufacturing process, based on the standard MEMS fabrication process

- The Report is a referec for students, graduate students in MEMS Technnology

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

- Being beneficial to the scientific research and postgraduate educatio and training at Thai Nguyen University and Hanoi University of Science and Technology

- Strengthening scientific research cooperation among officials of universities and research institutes

- Strengthening the research ability of the project team

- The Report is a referec for students, graduate students in MEMS Technnology

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trong khoảng 15 năm trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ

vi cơ điện tử MEMS (Micro-electro-mechanical System) các nghiên cứu về công nghệ

y sinh, vi robot đang phát triển và mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng thực tế Các vi robot được dùng trong y học (nhằm lấy mẫu tế bào hoặc vi phẫu), ứng dụng trong các nghiên cứu về vật liệu mới như gắp/kẹp và vận chuyển các mẫu vật liệu siêu nhỏ (sợi cacbon nano - CNT, màng mỏng, các chuỗi tế bào )

Vi động cơ là loại động cơ có kích thước từ micromet đến milimet, chuyển đổi các tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín hiệu cơ học (chuyển động thẳng hoặc quay) chủ yếu dùng trong các khớp của vi robot để dẫn động các chuyển động quay, tịnh tiến Việc nghiên cứu, phát triển các vi động cơ ứng dụng trong các hệ thống vi lắp ráp, vi robot là rất cần thiết và có ý nghĩa lớn trong công nghệ cao thời gian gần đây

2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu chế tạo ít nhất 1 mẫu vi động cơ quay đường kính khoảng 23 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài mW Xây dựng mô hình thực hiện

mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng như (Ansys, Matlab )

3 Nội dung nghiên cứu: Báo cáo tổng kết gồm các nội dung chính như sau

Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của các

vi động cơ trong nước và trên thế giới Dự báo xu hướng phát triển trong thời gian tới

và năng lực thích ứng, khả năng ứng dụng trong thực tế đối với các vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt trong tương lại gần

Chương 2: Tính toán thiết kế 1 mẫu vi động cơ quay 1 chiều, sử dụng bộ kích hoạt dạng chữ V Đưa ra sơ đồ nguyên lý, các tính toán cơ bản, phân tích các ưu nhược điểm và đề xuất mẫu vi động cơ cải tiến

Chương 3: Sử dụng phần mềm Ansys tiến hành mô phỏng từng cấu trúc của vi động cơ nhằm xác định độ cứng của các chi tiết phục vụ tính toán, xác định nhiệt độ, chuyển vị, ứng suất và so sánh với kết quả tính toán giải tích

Chương 4: Xây dựng quy trình chế tạo dựa trên quy trình chế tạo các thiết bị MEMS tiêu chuẩn và các trang thiết bị hiện có tại Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội

Chương 5: Xây dựng mô hình toán học cho vi động cơ, làm cơ sở để phân tích, thiết kế hệ điều khiển và tiếp tục khảo sát các đặc tính của vi động cơ

- Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VI ĐỘNG CƠ (MICRO MOTOR)

Động cơ là một thiết bị cung cấp năng lượng và dẫn động hệ thống Động cơ được sử dụng rộng rãi trong các máy móc như ô tô, máy công cụ gia công, thiết bị văn phòng…Vi động cơ là loại động cơ có kích thước cỡ micro mét chuyển đổi tín hiệu vật

lý (nhiệt, điện, từ…) thành chuyển động cơ học (thẳng hoặc quay) dùng trong vi dẫn động các hệ thống Hiện nay vi động cơ đã và đang được nghiên cứu với nhiều tiềm năng ứng dụng trong 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, …

1.2 PHÂN LOẠI

Có nhiều cách phân loại vi động cơ và cũng đã có nhiều tác giả đưa ra các quan điểm, tiêu chí khác nhau để phân loại [34,46] Tuy nhiên đại đa số các tác giả đồng ý phân loại theo các tiêu chí cơ bản như [26]:

+ Theo hiệu ứng kích hoạt ta có vi động cơ tĩnh điện, áp điện, điện từ, giãn nở nhiệt, sử dụng hợp kim nhớ hình hoặc phối hợp nhiều hiệu ứng khác nhau

+ Theo chuyển động ta có vi động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng), mô tơ quay (chuyển động quay một chiều hoặc hai chiều) và động cơ phối hợp các chuyển động trên

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Lần đầu tiên mô tơ tĩnh điện (Electrostatic motor) được phát triển vào năm 1967 [46] Nhưng những động cơ này đã không thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học cho đến thập niên 80 của thế kỷ XX, khi họ bắt đầu chế tạo các thiết bị với kích thước cỡ micro Cùng với sự phát triển nhiều công nghệ sản suất mới lan rộng trong MEMS, đó là cơ hội lớn cho các vi động cơ phát triển Trong khoảng 15 năm trở lại đây, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), các bộ vi kích hoạt, vi động cơ đã được nghiên cứu, khai thác và ứng dụng rất rộng rãi Kích thước và kết cấu ngày càng nhỏ gọn, đơn giản trong khi lực tác động, vận tốc và hiệu suất ngày càng nâng cao

1.3.1 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện

Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện đã phát triển sớm và chiếm ưu thế trong lĩnh vực thiết kế, ứng dụng trong những năm gần đây Động cơ bước tĩnh điện truyền thống với rotor chuyển động tự do quanh trục stator là các điện cực cố định đã được đề cập đến trong các tài liệu [14, 40,45] Một kiểu kích hoạt tĩnh điện khác đó là tạo các dao động điều hòa được sử dụng trong các động cơ lắc (rung) [13,51], ở đó rotor liện hệ (tiếp xúc) với stators bởi các điểm lăn (điểm tỳ) Năm 1990 Tang công bố một nghiên cứu về bộ kích hoạt răng lược (ECA) [47] Cho đến nay Đã có số lượng lớn các vi động cơ cũng như vi cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt răng lược Bộ kích hoạt răng lược có thể sử dụng cho cả vi động cơ tuyến tính [23,39,47] và vi động cơ quay [12,21,30,33, 36,44] Nói chung, cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện có hiệu suất cao hơn nhiều so với bộ kích hoạt nhiệt hoặc từ và dễ chế tạo, tích hợp với các cơ cấu silicon khác hơn cả bộ kích hoạt áp điện Dưới đây sẽ giới thiệu nguyên lý làm việc, các đặc tính cơ bản của một vài mẫu thiết kế tiêu biểu

a Động cơ tuyến tính

Nhiều động cơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ kích hoạt kiểu răng lược (comb-driver actuator) Bộ kích hoạt này gồm nhiều răng đặt song song với nhau và cách đều nhau giống như các bản tụ điện nối song song với nhau, chúng gồm phần cố định (fixed part) và phần chuyển động (movable part) Khi được đặt điện vào phần cực, lực tiếp tuyến hoặc pháp tuyến giữa các mặt của bản

tụ được sử dụng tạo ra chuyển động tịnh tiến của động cơ Hình 1.1 [21] thể hiện ứng dụng của của bộ kích hoạt này trong các ứng dụng dẫn động chuyển động thẳng

Hình 1.1: Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng - James J Allen [2005]

N.R Tas [30] đã đề xuất một loại vi động cơ bước dựa trên hiệu ứng tĩnh điện, nguyên lý hoạt động được thể hiện trên Hình 1.2

Trong pha chuyển động đầu tiên, bộ kích hoạt kẹp (clamp actuator) chuyển động ngược chiều trục OY kẹp thanh shuttle Sau đó bộ kích hoạt kéo (pull actuator) kéo thanh shuttle chuyển động sang phải (theo chiều OX) Trong pha chuyển động tiếp theo, cặp kích hoạt kẹp-đẩy phía dưới phối hợp nhau tạo ra chuyển vị tịnh tiến tiếp theo sang phải Cứ như vậy thanh shuttle chuyển động từng bước nhỏ trên đường thẳng nên gọi là động cơ bước tuyến tính (hay động cơ sâu đo)

Hình 1.2: Hoạt động của một mô tơ bước tuyến tính - N.R Tas [1997]

Trong ứng dụng của vi động cơ bước tuyến tính này thì bộ kích hoạt kẹp và đẩy được sử dụng là bộ kích hoạt khe hở kín (gap closing actuator-GCA) Bộ kích hoạt này thể hiện trên Hình 1.3, kích điện dương vào phần cố định (2) và phần di động (1) nối đất thì khi đó lực pháp tuyến hút bản tụ thắng lực dầm và kéo xuống (ngược chiều OY), chuyển động bị chặn bởi phần đỡ (bumper) để tránh chập điện

Vi động cơ này có ưu điểm là chuyển động ổn định, có công suất dẫn động lớn

và có thể tạo chuyển động hai chiều Tuy nhiên việc điều khiển động cơ cũng phức tạp cần phối hợp xung điều khiển bộ kích hoạt kẹp và đẩy linh hoạt

Điện cực cố định

Bộ kích hoạt kẹp

Bộ kích hoạt kéo

Năm 2001, Richard Yeh [39] đã phát triển loại vi động cơ tuyến tính này với lực được cải thiện đáng kể (chuyển vị 80m, 260 N ở điện áp 33 V), gia công bề mặt đơn giản (một mặt nạ)

Hình 1.3: Cơ cấu kẹp đẩy sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện - N.R Tas [1997]

b Vi động cơ quay

* Vi động cơ quay sử dụng bộ kích hoạt dạng sâu đo

Tác giả Firas N Sammoura (Đại học California) cùng các đồng nghiệp đã thiết

kế, chế tạo, phân tích các đặc tính và khả năng ứng dụng của vi động cơ quay 2 chiều

sử dụng 4 bộ kích hoạt tĩnh điện dạng sâu đo, từng đôi một làm việc đối ngược nhau tạo chuyển động quay của rotor quanh trục (Hình 1.4) [12] Vi động cơ được chế tạo trên nền Silicon-on-Insulator (SOI) bằng công nghệ ăn mòn sâu khô (DRIE) Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở điện áp 30V đã cho thấy, với mẫu vi động cơ có kích thước 1mmx1mmx60µm, đường kính rotor là 200 µm, momen đầu ra là 2.4nN-m, tỷ trọng momen là

2.4nN-m/mm2 Tương tự với mẫu vi động cơ có kích thước 750µmx750µmx60µm, momen đầu ra là 0.8nN-m, và tỷ trọng momen là 1.42nN-m/mm2

Ưu điểm của loại động cơ này là nguyên lý tương đối đơn giản, chuyển động quay 2 chiều, làm việc với điện áp tương đối nhỏ (30V) đảo chiều quay bằng cách thay đổi thứ tự cấp xung tới các bộ kẹp – đẩy Tuy nhiên công nghệ chế tạo tương đối phức tạp, khó đạt tốc độ cao do phải phối hợp các xung điều khiển giữa các bộ kích hoạt dạng sâu đo, kết cấu không được nhỏ gọn

Hình 1.4: Động cơ quay sử dụng bộ kích hoạt dạng sâu đo - Firas N Sammoura

*) Vi động cơ bước

Tháng 7 năm 2006, Đại học California đã phát triển các mẫu thiết kế cho vi động cơ trong đó có loại động vơ nhỏ nhất thế giới, động cơ có kích cỡ 500 nm, nhỏ hơn 300 lần đường kính của sợi tóc [18] Nguyên lý hoạt động của động cơ này được dựa trên các lực tĩnh điện giữa các điện cực stator và các răng rotor (điện cực rotor), như Hình 1.5 cho thấy Lực này tuân theo chu kỳ chuyển động của các răng rotor Ta

có thể được xem mối tương quan mỗi răng rotor và stator như hai bản cực của một tụ điện (hình 1.5) Do chuyển động quay của rotor, vị trí tương đối giữa các điện cực thay đổi, điện dung giữa chúng thay đổi theo và do đó thay đổi lực điện từ và momen quay [18]

Trong Hình 1.5 (A, B, C và D)., một số loại động cơ điện tương tự, đã được giới thiệu trên nhiều tài liệu Những động cơ điện này cũng được gọi là động cơ cực lồi hay động cơ bước Theo cách ký hiệu, động cơ là một động cơ 6:08, bởi vì nó có 6 điện cực trong stator và 8 răng trong rotor Cũng với cách ký hiệu như vậy, động cơ B và D là 12:08 động cơ và động cơ C là một động cơ 18:06

Hình 1.5: Nguyên lý làm việc của vi động cơ tĩnh điện - Humberto Ferreira Vinhais, al

[2006]

*) Động cơ bước 3 pha ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện

Năm 2010, tác giả Edin Sarajlic – Hà Lan và các đồng nghiệp đã thiết kế, chế tạo thành công loại động cơ tĩnh điện 3 pha dạng động cơ bước, ứng dụng trong các đầu đĩa đọc ghi, ổ đĩa cứng, máy ghi âm [40] … Cấu tạo và nguyên lý của loại động cơ này cũng sử dụng hiệu ứng tĩnh điện tương tự như động cơ đã trình bày ở trên

Cấu tạo rotor và stator đều dạng cực lồi, vị trí cực của rotor và stator được sắp xếp lệch nhau và số cực được tính toán theo một tỉ lệ nhất định Các cực phía rotor được nối với điện cực âm, hệ thống điện cực phía stator được thiết kế là 3 pha đối xứng Khi cấp nguồn điện áp lần lượt vào các pha, lực điện từ giữa các điện cực sẽ kéo rotor quay, tùy theo thứ tự cấp nguồn cho các pha mà rotor có thể quay thuận hoặc ngược

Hình 1.6: Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha - Edin Sarajlic [2010 ]

Vi động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối và ăn mòn sâu khô (Hình 3.7), đường kính động cơ là 1,4 mm có thể quay 2 chiều với góc quay là ±130 và có thể điều khiển chính xác tới 1/480 Loại vi động cơ này đã được ứng dụng rộng rãi trong các ổ đĩa đọc ghi, thiết bị ổ cứng, máy ghi âm…

Ưu điểm của động cơ này là có thể điều khiển quay 2 chiều chính xác, nguyên

lý và luật điều khiển tương đối đơn giản Nhưng nhược điểm là điện áp sử dụng tương đối cao (75V), góc quay hẹp (±130 ) nên việc mở rộng khả năng ứng dụng còn hạn chế

Hình 1.7: Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha - Edin Sarajlic [2010]

Một thời gian sau nhóm tác giả đã cải tiến loại động cơ này để mở rộng góc quay (±150 ) và giảm thấp điện áp làm việc (60 V) [45]

*) Vi động cơ răng cóc xoắn (Torsional ratcheting motor) [12]

Hình 1.8: Vi động cơ răng cóc xoắn - Firas N Sammoura

Khi được cấp điện, thông qua cơ cấu đẩy và hãm, vành răng cóc có chuyển động quay giúp động cơ có thể quay theo một chiều và truyền chuyển động ra ngoài thông qua hệ thống vành răng Hệ thống này làm việc tin cậy và chính xác, tuy nhiên chế tạo phức tạp do phải gia công nhiều lớp

a) Kết cấu vi động cơ c) Cơ cấu hãm (anti reverse pawl)

b) Cơ cấu đẩy (ratchet pawl)

*) Vi động cơ quay sử dụng bộ kích hoạt dạng răng lược, gia công bề mặt 1 mặt nạ đơn giản

Năm 2012, tác giả Phạm Hồng Phúc cùng các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế vi

động cơ quay truyền động dạng răng cóc (micro Ratcheting Transmission Systems) sử

dụng cơ cấu răng cóc truyền động một chiều [33,35]

Hình 1.9 là cấu hình của động cơ này, trong đó phần cố định (1) và (2) được đặt làm hai điện cực khi vi động cơ làm việc Lúc đó, do tích chất của bộ kích hoạt răng lược dạng răng cong, lực tiếp tuyến giữa các bản điện cực sẽ hút bốn thanh dầm dẫn động quay theo chiều kim đồng hồ quanh điểm đàn hồi có bề dày nhỏ (4µm) nối giữa thanh dầm dẫn động và cực (2) Thông qua hệ thống truyền động (4) mà chuyển động này được truyền sang vành răng (5) và chuyển động được dẫn động ra ngoài Chú ý rằng khi thanh dầm dẫn động chuyển động ngược lại vị trí ban đầu thì hệ thống cóc hãm (3) lúc ấy đóng vai trò cản trở sự di chuyển ngược chiều kim đồng hồ của vành răng ngoài

Động cơ này có ưu điểm chế tạo đơn giản (một lớp) và công suất truyền lớn Tuy nhiên truyền động quay là một chiều và có trượt khi tần số hoạt động tăng lên, dải tần số làm việc tin cậy là từ 030 Hz

Hình 1.9: Cấu tạo vi động cơ quay (Micro rotational motor) - Phạm Hồng Phúc [2012]

1.3.2 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng điện từ

Bộ kích hoạt điện từ có thể cho tỷ trọng công suất cao hơn và chuyển động trơn hơn các bộ kích hoạt tĩnh điện Phần lớn các bộ kích hoạt điện từ sử dụng để tạo chuyển động thẳng [9,24,42], nó phù hợp với các hệ thống vi cơ dài Trong thực tế, nó tương đối khó để sinh ra từ trường quay lớn hơn, cũng đã có một số nghiên cứu về các loại vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng điện từ [3,5,28] Ưu điểm của những loại động

cơ này là có kết cấu, nguyên lý điều khiển giống với các động cơ điện thông thường, có thể áp dụng nhiều luật điều khiển khác nhau cho chất lượng và độ chính xác cao Nhược điểm là khó có thể đạt được kích thước nhỏ, do phải tích hợp các kết cấu và vật liệu cơ bản của một động cơ điện

a Vi động cơ tuyến tính ứng dụng hiệu ứng điện từ

*) Vi động cơ điện từ tuyến tính [9]

Hình 1.10: Vi động cơ điện từ tuyến tính - Chia-Yen Lee [2008]

Năm 2008, tác giả Chia-Yen Lee (Hàn Quốc) cùng các đồng nghiệp đã công bố mẫu vi động cơ tuyến tính, cấu tạo gồm một vi cuộn dây, được chế tạo bằng cách mạ điện lên 1 tấm kính, một màng Polyimide (PDMS) và một nam châm vĩnh cửu Vi cuộn dây đồng được mạ lên tấm kính bằng quy trình gia công bề mặt chuẩn Màng Polyimide (PDMS) được chế tạo bằng cách sơn hợp chất Polyimide lên tấm kính, nam châm sử dụng ở đây là nam châm vĩnh cửu Có 3 loại vi cuộn dây được thiết kế: Loại 1 rộng 100m, khoảng cách giữa các sợi dây là 80m, Loại 2 rộng 200 m, khoảng cách giữa các sợi dây là 160m, Loại 3 rộng 400m, khoảng cách giữa các sợi dây là 320

m, kích thước của nam châm là 1,5x1,5mm, độ từ thẩm là 2300 Gauss Khi cho dòng điện chạy qua vi cuộn dây, lực tương tác giữa từ trường cuộn dây và nam châm làm cho lớp màng chắn bị lệch đi và tạo chuyển động Độ lệch của lớp màng có thể điều

chỉnh được bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây Kết quả kiểm nghiệm cho thấy độ lệch tối đa của lớp màng là 150m, khi cấp dòng điện 0,6A chạy qua cuộn dây có bề rộng 100 m Loại vi động cơ này chế tạo đơn giản, dễ dàng tích hợp với các thiết bị y tế, chíp sinh học

*) Vi động cơ điện từ tuyến tính 3 pha [24]

Hiệu ứng một vật mang từ tính đặt trong từ trường của vật khác sẽ có lực tác dụng lên nó là hiệu ứng từ Hình 1.11 trình bày 1 loại mô tơ từ tuyến tính được nghiên cứu và phát triển bởi Ki Hoon Kim [5]

Trong động cơ này, (1) là phần nền, (2) là thanh thẳng chứa các lõi dẫn từ 3 pha Khi kích từ cho phần (2), từ trường theo đường zic-zac trên thanh sẽ tương tác với từ tính vĩnh cửu trên phần động (rotor) (3) tạo ra lực dẫn nó chạy theo đường ray định hướng

Ưu điểm của loại động cơ này là có kết cấu và mạch điều khiển tương đối đơn giản Song nhược điểm là tốc độ chuyển động và độ lớn lực phụ thuộc vào bản chất của vật liệu từ và chịu ảnh hưởng nhiều của bão hòa mạch từ Hơn nữa kích thước lớn và khó có thể đạt tốc độ cao

Hình 1.11 Một loại vi động cơ từ tuyến - Ki Hoon Kim [2012]

b Vi động cơ quay ứng dụng hiệu ứng điện từ

*) Vi động cơ quay điện từ

Sơ đồ 1.12 trình bày hoạt động của một loại vi động cơ quay sử dụng các cực

từ đặt phía ngoài Hình 1.12a khi chưa có từ trường thì thanh dầm coi như không bị

võng do trọng lượng, trên thanh có gắn thanh kim loại (permalloys) Khi có từ trường (Hình 1.12b) chạy qua thanh dầm thì nó bị lực tác động F1 và F2 như hình vẽ giúp nó quay đi 1 góc so với vị trí ban đầu Hình 1.15c là sơ đồ phân tích lực của kết cấu khi chịu tác động của từ trường

Hình 1.12 Hoạt động mô tơ quay điện từ ngoài - Chang Liu [ 2011]

Loại động cơ này được chế tạo bằng công nghệ gia công bề mặt (surface machined technology) có ưu điểm là lực lớn và chuyển vị lớn Với thiết kế và chế tạo của Chang Liu [28] thì góc quay lớn nhất có thể đạt 650 và lực theo phương vuông góc với bề mặt đế có thể đạt là 87µN Ứng dụng loại động cơ này cũng khá rộng rãi, là thành phần của micro robot, hay trong các bộ điều biến quang (optical light

kế một số mẫu vi động cơ từ trở có tích hợp cảm biến dòng Eddy để lấy phản hồi trong quá trình giám sát và điều khiển Kết cấu và nguyên lý làm việc được mô tả trên Hình 1.13

Nhóm tác giả đã thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công mẫu vi động cơ 4 pha, đường kính 6 mm và mẫu vi động cơ 2 pha, đường kính 1 mm

Loại động cơ này có nguyên lý làm việc và điều khiển đơn giản, tốc độ cao 3250 v/ph (ĐC 4 pha), 8000 v/ph (ĐC 2 pha), có thể làm việc với tần số lớn, đặc biệt đã tích hợp được cảm biến dòng Eddy để lấy phản hồi phục vụ giám sát và điều khiển Tuy nhiên nhược điểm là kết cấu phức tạp, momen đầu ra nhỏ 2.214µNm (ĐC 4 pha), 0,047µNm (ĐC 2 pha)

Hình 1.13: Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ - Đặng Phước Vinh [2013]

1.3.3 Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt

Một loại tương đối phổ biến khác của vi động cơ là ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện Khác với các bộ kích hoạt tĩnh điện và điện từ, để tạo ra chuyển vị lớn chúng cần

có điện áp cao, bộ kích hoạt nhiệt điện có thể tạo ra lực và chuyển vị lớn với điện áp nhỏ hơn nhiều Một vài loại bộ kích hoạt nhiệt điện cơ bản như bộ kích hoạt hình chữ

V, Z, X, thanh nóng-lạnh… Trong đó loại hình chữ V cũng được gọi là bộ kích hoạt Chevrol [1,20,22,50] Cũng giống như loại hình chữ V, loại chữ Z, X cũng được nghiên cứu, ứng dụng nhưng khó sinh ra lực lớn, độ cứng vững về cơ khí kém hơn [6,7] Bộ kích hoạt thanh nóng lạnh cũng được ứng dụng cho cả vi động cơ tuyến tính

và quay [25] Trong các tài liệu [16,17], các tác giả sử dụng 5 bộ kích hoạt nhiệt điện

để tạo ra chuyển động 2 chiều của vi động cơ dạng sâu đo Trong tài liệu [27], các tác giả tạo ra chuyển động 2 chiều của vi động cơ bằng việc sắp xếp các bộ kích hoạt giống như các bánh lái bên ngoài Recently, Ali Khiat đã thiết kế mẫu vi động cơ bước tuyến tính và quay [4]

Vi động cơ nhiệt được tích hợp các bộ kích hoạt nhiệt dựa vào sự giãn nở của chất rắn hoặc chất lỏng, chuyển động tuyến tính theo sự thay đổi của nhiệt độ Sự giãn

nở nhiệt kích hoạt các cấu trúc vi cơ khi nhiệt độ tăng, sự giãn nở nhiệt của vật liệu sẽ sinh ra một chuyển vị nhỏ với một lực lớn hơn so với lực tĩnh điện và dẫn động hệ thống hoạt động Tuy nhiên nhiệt độ cao làm ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống

*) Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt hình chữ Z [7]

Năm 2012, tác giả Yong Zhu công bố loại vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt hình chữ Z (Hình 1.15) Động cơ có kết cấu và nguyên lý tương đối đơn giản, sử dụng nguồn và công suất tương đối nhỏ (±13 mA, 49Hz), cho chuyển động 2 chiều trong

khoảng -11,6m đến +12,8m Nhược điểm của loại động cơ này là công suất đầu ra bị hạn chế hơn sơ với bộ kích hoạt hình chữ V

*) Vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt hình chữ V

Một trong những dạng bộ kích hoạt tiêu biểu sử dụng trong động cơ nhiệt là bộ kích hoạt hình chữ V (V-shaped actuator) ở Hình 1.6 [53] Bộ kích hoạt này sử dụng các dầm được cố định ở cả hai đầu Khi đặt điện áp vào hai điện cực (Anchor), dòng điện chạy qua dầm sẽ sinh nhiệt, sự giãn nở nhiệt sẽ đẩy đỉnh của dầm chữ V di chuyển

về phía trước

Hình 1.16: Bộ kích hoạt hình chữ V (V-shaped actuator) - Y.Lai [2004]

Y.Lai [47] ứng dụng bộ kích hoạt hình chữ V để dẫn động thanh shuttle như Hình 1.16 Khi cấp xung điện vào hai cặp đối diện qua thanh shuttle, hai bộ kích hoạt nhiệt chữ V sẽ tì vào thanh shuttle và đẩy nó chuyển động tiến lên phía trước Đầu của đỉnh chữ V có thể dạng phẳng và truyền chuyển động nhờ ma sát, nó cũng có thể có dạng răng dẫn động ổn định hơn

Một thời gian sau đó (2004), tác giả John M Maloney, USA [22] đã công bố một thiết kế tương đối đơn giản (Hình 1.17) và cho lực và chuyển vị lớn Với vi động cơ có kích thước 2,1 x 2,5mm, làm việc ở điện áp 12V có thể cho chuyển vị 40µm, lực đầu ra đạt 6,7mN, tốc độ khoảng 1mm/s

Ưu điểm của động cơ này là lực và chuyển vị lớn Lực dẫn động có thể lên tới hàng chục mN (mili newton) và chuyển vị có thể đạt hàng chục µm tùy vào chiều dài của dầm dẫn động và điện áp cấp Loại động cơ nhiệt này hoạt động ở điện áp thấp nên khá an toàn (thường nhỏ hơn 30V) Tuy nhiên sinh nhiệt lớn có thể lên tới 1 nghìn độ

C, tổn thất do nhiệt sinh ra cũng lớn so với các loại động cơ khác

Động cơ nhiệt đang được nghiên cứu thiết kế và ứng dụng trong việc dẫn động chuyển động thẳng và quay Ứng dụng của loại động cơ nhiệt tuyến tính này có thể thấy ở các loại vi tay kẹp (micro-gripper) hay trong nhiều loại vi dẫn động tuyến tính

Hình 1.17: Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt nhiệt điện dạng chữ V -John M

Maloney [2004]

*) Vi động cơ tuyến tính chuyển động dạng sâu đo [20]

Cũng lợi dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt của các vật liệu Jae-Sung Park [20] và các đồng nghiệp đã thiết kế và chế tạo vi động cơ chuyển động dạng sâu đo, khi sử dụng hệ thống dầm kẹp – đẩy con thoi khi đặt điện áp vào các cực Để tránh chuyển động ngược, tác giả sử dụng khóa chống đảo thụ động (Hinh 1.18a) hoặc khóa chống đảo chủ động phối hợp với bộ kep-đẩy (Hình 1.18b)

Trong thiết kế này, các kết quả đo đạc cho thấy chuyển vị có thể tới 104 m khi

sử dụng điện áp 1 chiều ( ≤1V, 250mA) hoặc xoay chiều (≤1,2V, ≤ 600mA) Tần số giao động tốt nhất vào khoảng 20-40ms Mỗi chu kỳ giao động, con trượt dịch chuyển được 8m, lực có thể đạt 204 N

Hình 1.18a

Hình 1.18: Vi động cơ chuyển động kẹp đẩy dạng sâu đo - Jae-Sung Park [2001]

b Vi động cơ quay ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt

*) Vi động cơ chuyển động lắc [27]

Năm 2007; Mathew Stevenson; Canada đưa ra mẫu động cơ chuyển động lắc 2 chiều, cấu tạo và nguyên lý mẫu động cơ này được trình bày như hình Để kích hoạt quay động cơ này sử dụng 8 dầm nối đồng tâm với rotor Để quay thuận ta cấp nguồn vào các dầm 1,3,5,7 khi đó các dầm này sẽ giãn nở và đẩy vành răng rotor quay ngược chiều kim đồng hồ Muốn cho động cơ quay ngược ta cấp nguồn cho dòng qua các dầm 2,4,6,8 Loại vi động cơ này có nguyên lý đơn giản, lực, momen lớn (60mW, 20µNm), khả năng chống trượt cao Nhược điểm là góc quay hẹp (±20)

Hình 1.19: Vi động cơ lắc sử dụng hiệu ứng nhiệt - Mathew Stevenson [2007] Hình 1.18b

*) Vi động cơ quay sử dụng bộ kích hoạt hình chữ V

Dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt của vật rắn, kết hợp nguyên lý tạo chuyển động của bộ kích hoạt dầm chữ V (V-shaped actuator), Jae SungPark [31] đã đề xuất hoạt động của một mô tơ quay như thể hiện trên Hình 1.20 Bán kính vòng ngoài của

mô tơ là 50µm, đường kính quỹ đạo quay của bệ dầm là 17µm

Khi đặt điện áp vào các cực, nhờ sự giãn nở của dầm dạng chữ V, trục dẫn động (drive shapft) sẽ chuyển động đẩy vào răng bánh răng làm bánh răng quay Tại vị trí như hình vẽ, muốn động cơ chạy theo chiều cùng chiều kim đồng hồ thì trục dẫn động phương X được kích hoạt (X-ON) và trục dẫn động phương Y giữ nguyên (Y-OFF),

mô tơ quay quanh trục của nó, sau đó muốn động cơ chuyển động tiếp thì trục X-OFF

và Y-ON, cứ như vậy hành trình điều khiển và vị trí động cơ cho trên Hình 1.20b

Hình 1.20: Vi động cơ quay nhiệt dùng dầm chịu uốn Jae SungPark [2000]

Loại động cơ này có chuyển vị lớn, sử dụng kết cấu khuyếch đại được chuyển vị của trục dẫn động Hiện nay nó được sử dụng hết sức rộng rãi trong các vi rơle, tụ điện, điện cảm, các thiết bị âm thanh và truyền thông…Tuy nhiên để gia công loại động cơ này cần công nghệ gia công bề mặt khá phức tạp

Nhóm tác giả đã chế tạo thử nghiệm với các loại vật liệu khác nhau

a) Nguyên lý

b) Giản đồ thời gian

+ Với vật liệu Silicon khi kích thước dầm là 500–1000m dài, dày 6.5m cho chuyển vị khoảng 20-30m, chịu tải >150N ở điện áp 6-8 V (250-300mW)

+ Với vật liệu Ni khi kích thước dầm là 500 m dài, dày 11m cho chuyển vị khoảng 15 m, ở điện áp 0,8V (450mW), kích thước của các thiết bị <1mm2

+ Với polysilicon khi kích thước dầm là 600m dài, dày 4,25m sử dụng ở điện áp

<12V

*) Vi động cơ quay kiểu “Cánh tay nóng- cánh tay lạnh”

Nguyên lý của các vi động cơ này là sử dụng hiệu ứng giãn nở cơ học tương tự như bộ kích hoạt nhiệt sử dụng hiệu ứng kim loại kép chỉ khác là được chế tạo cùng một loại vật liệu Trong số các kết cấu điển hình loại này phải kể đến đó là các bộ kích

hoạt nhiệt “cánh tay nóng- cánh tay lạnh” (hot arm-cold arm thermal actuator), bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V (chevron thermal actuator), bộ kích hoạt nhiệt kiểu lò xo micro (microsprings thermal actuator)

Bộ kích hoạt nhiệt cánh tay nóng-cánh tay lạnh được chỉ ra ở Hình 1.21 được làm cùng một vật liệu (thường là Si đa tinh thể) Trong bộ kích hoạt nhiệt này, cánh tay

nóng (hot arm) thường có tiết diện nhỏ hơn cánh tay lạnh (cold arm) Khi cho dòng

điện chạy qua cánh tay nóng và cánh tay lạnh, nhiệt sinh ra trong cánh tay nóng lớn hơn cánh tay lạnh Do cánh tay nóng và cánh tay lạnh được chế tạo cùng một vật liệu

và có cùng hệ số giãn nở nhiệt nên sự khác biệt về nhiệt độ là nguyên nhân khiến cho

cánh tay nóng giãn nở nhiều hơn cánh tay lạnh Điều này dẫn đến bộ kích hoạt bị uốn

về phía cánh tay lạnh Kể từ khi Guckel phát triển một bộ kích hoạt hot arm-cold arm

bằng Nikel thì các thiết kế và mô hình của các bộ kích hoạt dựa trên cơ chế dẫn động

bằng hot arm-cold arm đã phát triển rất mạnh [37] Mặc dù, các bộ kích hoạt nhiệt này

có thể tạo ra độ uốn nhiều hơn rất nhiều so với bộ kích hoạt tĩnh điện mà không cần

một điện áp cao nhưng vẫn có một số hạn chế Theo lý tưởng, chỗ uốn (flexture) được

chế tạo mỏng nhất tới mức có thể Khi chỗ uốn trở nên mỏng hơn thì độ lệch nhiều hơn

của đầu bộ kích hoạt có thể được tạo ra bởi sự khác nhau về độ giãn nở nhiệt giữa cánh

tay nóng và cánh tay lạnh Nhưng nếu chỗ uốn mỏng hơn cánh tay nóng thì nhiệt độ

của đoạn uốn có thể lớn hơn nhiệt độ của cánh tay nóng điều này có thể dẫn tới sự quá

nhiệt

Hình 1.21: Hot/cold arm thermal actuator (one hot arm) - H Guckel [1992]

Ngoài ra, để đảm bảo độ đàn hồi của bộ kích hoạt thì chỗ uốn nên đủ dài Tuy nhiên, nếu chỗ uốn quá dài thì độ lệch của đầu bộ kích hoạt nhiệt sẽ giảm Khi dòng

điện chạy qua đoạn uốn và cánh tay lạnh thì điện trở của đoạn uốn và cánh tay lạnh

cũng góp phần vào điện trở toàn bộ của bộ kích hoạt Công suất trong đoạn uốn và

cánh tay lạnh không đóng góp cho sự dịch chuyển mong muốn tại đầu của bộ kích hoạt

nhiệt Chỉ có công suất bị tiêu tán trên cánh tay nóng trực tiếp chuyển thành độ dịch

chuyển của đầu bộ kích hoạt Khi so sánh điện trở của đoạn uốn và cánh tay lạnh với

điện trở của cánh tay nóng thì vấn đề hiệu suất của năng lượng tiêu thụ cần được quan

tâm

Đã có một số nỗ lực hướng trực tiếp vào việc giải quyết những hạn chế của các

bộ kích hoạt nhiệt truyền thống trên và cải thiện hiệu suất của chúng David M Burns

và Victor M Bright [10] đã thiết kế một bộ kích hoạt nhiệt mới gồm có hai cánh tay

nóng Hai cánh tay nóng của bộ kích hoạt nhiệt được chỉ ra trong Hình 1.22 Trong bộ

kích hoạt nhiệt mới này, dòng điện chỉ chạy qua cánh tay nóng bên ngoài và cánh tay

nóng bên trong Điều này tránh cánh tay lạnh và đoạn uốn trở thành một phần của

mạch điện Nó làm tăng đáng kể hiệu suất do tất cả công suất tiêu thụ trong bộ kích hoạt góp phần vào độ uốn của đầu bộ kích hoạt nhiệt

Hình 1.22: Hot/cold arm thermal actuator (two hot arm) - David M Burns [1997]

Trong trường hợp này, đoạn uốn có thể mỏng hơn cánh tay nóng bởi vì không có dòng điện chạy qua đoạn uốn Rõ ràng bộ kích hoạt nhiệt hai cánh tay nóng đã cải

thiện được những hạn chế của bộ kích hoạt nhiệt truyền thống Các ứng dụng của bộ