Nghiên cứu, chế tạo vi động cơ tĩnh điện dẫn động bằng cánh mềm dựa trên công nghệ MEMS

NGUYỄN HOÀNG VIỆT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Hoàng Việt KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ TĨNH ĐIỆN DẪN ĐỘNG BẰNG CÁNH MỀM DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ KHOÁ 2017A Hà Nội – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hoàng Việt NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VI ĐỘNG CƠ TĨNH ĐIỆN DẪN ĐỘNG BẰNG CÁNH MỀM DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ MEMS Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Phạm Hồng Phúc Hà Nội – Năm 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Hoàng Việt Đề tài luận văn: Nghiên cứu, chế tạo vi động tĩnh điện dẫn động cánh mềm dựa công nghệ MEMS Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số SV: CA170368 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 29/09/2019 với nội dung sau:  Chỉnh sửa định dạng đánh số hình vẽ theo chương luận văn, sửa lỗi bị nhảy trang  Chỉnh sửa định dạng đánh số bảng theo chương luận văn, chỉnh sửa định dạng chữ bảng  Chỉnh sửa định dạng đánh số công thức theo chương luận văn  Sửa lỗi hành văn: thay đổi “đồ án” thành “luận văn”, giải thích cơng thức  Thay đổi tên số hình ảnh cho phù hợp  Bổ sung tóm tắn luận văn phần mở đầu  Bổ sung kết luận cuối chương  Chỉnh sửa số cơng thức hình vẽ cho Ngày tháng 09 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Phạm Hồng Phúc Nguyễn Hoàng Việt CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Phạm Minh Hải SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học tơi hồn thành hướng dẫn bảo tận tình PGS.TS Phạm Hồng Phúc Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận văn tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn chưa công bố nghiên cứu khác Học viên Nguyễn Hoàng Việt Trang LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân nhiệt tình hướng dẫn Thầy PGS.TS Phạm Hồng Phúc, tơi cịn nhận hướng dẫn nhiệt tình q Thầy Cơ, động viên ủng hộ gia đình bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS Phạm Hồng Phúc, người hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ giảng dạy giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hoàn thiện đề tài luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đến gia đình, anh chị bạn học đồng nghiệp hỗ trợ cho nhiều suốt trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh Một lần xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Học viên Nguyễn Hoàng Việt Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU 10 Lý chọn đề tài 10 Lịch sử nghiên cứu 10 Mục đích nghiên cứu 10 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài 11 Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12 1.1 Tổng quan hệ thống vi điện tử (MEMS) 12 1.1.1 Cơng nghệ MEMS gì? 12 1.1.2 Tầm quan trọng ứng dụng công nghệ MEMS 12 1.1.3 Tiềm ứng dụng MEMS 14 1.2 Tổng quan vi động 15 1.2.1 Vi động cảm ứng điện 15 1.2.2 Vi động áp điện 17 1.2.3 Vi động nhiệt điện 19 1.2.4 Vi động tĩnh điện 20 Trang 1.3 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG 28 2.1 Nguyên lý hoạt động lực tĩnh điện 28 2.1.1 Lực tĩnh điện hai cực song song 28 2.1.2 Lực tĩnh điện song song với cực tụ điện 30 2.1.3 Cấu trúc đàn hồi sử dụng lực tĩnh điện 32 2.2 Nguyên lý hoạt động cấu tạo 35 2.3 Phân tích động học 39 2.3.1 Vận tốc góc vành bánh cam 39 2.3.2 Tính tốn điều kiện chuyển vị 39 2.4 Phân tích lực 42 2.4.1 Lực dẫn động 42 2.4.2 Lực ma sát 44 2.4.3 Điều kiện động lực học 47 2.5 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động ELCA 49 2.6 Mô động 54 2.6.1 Mô biến dạng 54 2.6.2 Mô chuyển vị tần số dao động riêng 55 2.7 Kết luận chương 56 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ 57 3.1 Quy trình chế tạo 57 3.2 Đo đạc đánh giá 58 3.2.1 Hệ thống vi cam 58 Trang 3.2.2 Đo đạc mô tần số dao động riêng 61 3.3 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa MEMS Micro Electro-Mechanical System IC Intergrated Circuit CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor BICMOS Bipolar Junction Transistor - CMOS ECA / ELCA Electro-static Comb-drive Actuator SOI Silicon On Insulator D-RIE Deep Reactive-Ion Etching Trang DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Phân loại thiết bị MEMS 13 Hình 1-2: Nguyên lý hoạt động động cảm ứng điện tử 16 Hình 1-3: Vi động pha cảm ứng điện từ[1] 16 Hình 1-4: Vi động cảm ứng điện từ với vòng bi đỡ [3] 17 Hình 1-5: Quy trình hoạt động động sâu đo 18 Hình 1-6: Vi động sâu đo quay[5] 18 Hình 1-7: Vi động quay nhiệt điện[7] 19 Hình 1-8: Cấu trúc vi động sử dụng dầm nhiệt chữ V[1] 20 Hình 1-9: Lực tĩnh điện cực 21 Hình 1-10: Vi động tĩnh điện sử dụng ECA[8] 21 Hình 1-11: Vi động sử dụng chế cóc[9] 22 Hình 1-12: Thiết kế hệ thống vi vận chuyển ghép từ nhiều module[10] 23 Hình 1-13: Hệ thống vi vận chuyển đầy đủ module[11] 23 Hình 1-14: Vi động quay với quy trình chế tạo đơn giản[13] 24 Hình 1-15: Hệ thống vi động bánh dẫn động ECA[14] 25 Hình 1-16: Hệ thống vi cam dẫn động ECA[15] 25 Hình 2-1: Lực tĩnh điện vng góc với cực 29 Hình 2-2: Lực song song với cực tụ điện 31 Hình 2-3: Chuyển vị kết cấu đàn hồi lực tĩnh điện 32 Hình 2-4: Mối quan hệ 𝑭𝒆 𝑭𝒌 33 Hình 2-5: Cấu tạo dẫn động lược 34 Hình 2-6: Đề xuất thiết kế vi động 35 Trang Trong đó, 𝐶1 hệ số cản trượt mặt đẩy bên cạnh lược : 𝐶1 = 𝜇 ( 𝐴𝑏𝑡 2𝐴𝑠𝑐 + ) 𝑔𝑎 𝑔0 (2.58) Với 𝜇 = 1.85 × 10−5 𝑃𝑎 ∙ 𝑠 (tại nhiệt độ phòng, 𝑇0 = 20℃) độ nhớt khơng khí; 𝐴𝑏𝑡 , 𝐴𝑠𝑐 diện tích mặt đẩy diện tích mặt bên lược 𝐶2 hệ số cản trượt khí mặt hai bên đẩy: 𝐶2 = 𝜇 ( 𝐴𝑡 + 𝐴𝑠𝑠 ) 𝛿 Với 𝐴𝑡 , 𝐴𝑠𝑠 diện tích mặt hai bên đẩy; 𝛿 = √ (2.59) 2𝜇 𝜌𝑎 𝜔 khoảng cách hiệu dụng; 𝜌𝑎 khối lượng riêng khơng khí; 𝜔 tần số góc hệ thống 𝐶3 hệ số kéo khơng khí mặt phẳng thẳng đứng phần chuyển động tính xấp xỉ theo cơng thức: 𝐶3 ≈ 32 ℎ 𝜇 (2.60) Kết hợp công thức (2.58), (2.59) (2.60), thu cơng thức tính hệ số cản: 𝐶 = 𝜇( 𝐴𝑏𝑡 2𝐴𝑠𝑐 𝐴𝑡 + 𝐴𝑠𝑠 16ℎ + + + ) 𝑔𝑎 𝑔0 𝛿 (2.61) Lực dẫn động 𝐹𝑒 (𝑡) lực tĩnh điện tạo điện áp đặt vào hai điện cực ELCA Lực phụ thuộc vào độ lớn, tần số hình dáng sóng điện áp điều khiển Điện áp điều khiển hệ thống ELCA có hai dạng sóng chính: sóng vng sóng hình sin Với trường hợp điện áp dẫn có dạng sóng vng (Hình 2-15), lực dẫn động diễn tả sau: Trang 51 𝑛ℎ𝜀𝜀0 𝑉 𝐹𝑒 (𝑡 ) = { 𝑔0 (2.62) ≤ 𝑡 ≤ 𝑇⁄2 𝑇⁄ < 𝑡 ≤ 𝑇 Hình 2-15: Điện áp điều khiển dạng sóng vng Với 𝑇 chu kỳ cấp điện Từ đó, nghiệm phương trình vi phân (2.52) viết lại sau: 𝑦1 = 𝑒 −𝛽𝑡 (𝐴1 cos(𝜔𝑡 ) + 𝐴2 sin(𝜔𝑡 )) + 𝛽= 𝐶 2𝑀 𝐹𝑒 𝐾 (2.63) 𝐾 ; 𝜔 = √𝜔𝑛2 − 𝛽 tần số góc bị cản; 𝜔 = √ tần số góc tự nhiên 𝑀 Tại thời điểm ban đầu, 𝑦(0) = 𝑦̇ (0) = Từ đó, giải phương trình (2.63) ta được: 𝐴1 = − 𝐹𝑒 𝛽 𝐹𝑒 ; 𝐴2 = − 𝐾 𝜔𝐾 (2.64) Thế vào phương trình (2.63), ta được: 𝑛𝜀𝜀0 𝐿 𝛽 𝑦1 = ( ) 𝑉 [1 − (cos(𝜔𝑡) + sin(𝜔𝑡)) 𝑒 −𝛽𝑡 ] 4𝐸𝑔0 𝑏 𝜔 (2.65) Với trường hợp điện áp dẫn có dạng sóng hình sin (như Hình 2-16): 𝑉 = 𝑉0 (1 + sin(Ω𝑡)) Trang 52 Hình 2-16: Điện áp điều khiển dạng hình sin Đặt 𝐹0 = 𝑛ℎ𝜀𝜀0 𝑔0 𝑉02 , lực dẫn động mơ tả phương trình: 𝐹𝑒𝑠 = 𝐹0 [ + sin(Ω𝑡) − cos(2Ω𝑡)] 2 (2.66) Trong trường hợp này, kết chuyển vị từ phương trình vi phân (2.52) là: 𝑦1𝑠 = 3𝐹0 2𝐹0 [(𝐾 − 𝑀Ω2 ) sin(Ω𝑡) − 𝐶Ω cos(Ω𝑡)] + 2𝐾 (𝐾 − 𝑀Ω2 )2 + 𝐶 Ω2 − (2.67) 𝐹0 [(𝐾 − 4𝑀Ω2 ) cos(2Ω𝑡) 2(𝐾 − 4𝑀Ω2 )2 + 8𝐶 Ω2 + 2𝐶Ω sin(2Ω𝑡)] + 𝑒 −𝛽𝑡 [𝐵1 cos(𝜔𝑡 ) + 𝐵2 sin(𝜔𝑡 )] Với điều kiện ban đầu ELCA: 𝑦1𝑠 (0) = 𝑦1𝑠̇ (0) = 0, giải phương trình thu được: 𝐵1 = 𝐹0 { 𝐵2 = 2𝐶Ω 𝐾 − 4𝑀Ω2 + − } 2 2 2 2 (𝐾 − 𝑀Ω ) + 𝐶 Ω 2(𝐾 − 4𝑀Ω ) + 8𝐶 Ω 2𝐾 𝐹0 2𝐶Ω2 2Ω(𝐾 − 𝑀Ω2 ) 𝛽 { + } + 𝐵 𝜔 (𝐾 − 4𝑀Ω2 )2 + 4𝐶 Ω2 (𝐾 − 𝑀Ω2 )2 + 𝐶 Ω2 𝜔 Trang 53 (2.68) 2.6 Mô động Bảng 2-2: Các giá trị đặc trưng silicon khơng khí Đại lượng Đơn vị Giá trị Hệ số Young silicon 𝑬 (𝑴𝑷𝒂) 169E+3 Khối lượng riêng Silicon 𝝆 (𝒌𝒈⁄𝒎𝟑 ) 2330 Khối lượng riêng khơng khí 𝝆𝒂 (𝒌𝒈⁄𝒎𝟑 ) 1205 Hệ số cản nhớt khơng khí (tại 𝝁 (𝑷𝒂 ∙ 𝒔) 1,85E-5 Hằng số điện môi chân không 𝜺𝟎 (𝒑𝑭⁄𝝁𝒎) 8,854E-6 Hằng số điện mơi khơng khí 𝜺 20℃, atm) 2.6.1 Mơ biến dạng Sau tính tốn chuyển vị, cấu biến dạng mô phần mềm ANSYS thông số đặc trưng từ Bảng 2-2 để tìm ứng suất chuyển vị tối đa tương ứng Hình 2-17: Ứng suất chuyển vị cánh mềm Trang 54 Hình 2-18: Ứng suất chuyển vị dầm ELCA Kết mô cho thấy, cánh mềm hệ thống dầm chuyển vị đạt cực đại (tương đương chuyển vị ELCA 29𝜇𝑚) ứng với điện áp hoạt động hệ thống cam, ứng suất cực đại cánh mềm hệ dầm 1.38𝐸 + 3và 1.926𝐸 + Ứng suất đảm bảo hệ thống cam hoạt động ổn định mà không gây hư hại cấu trúc 2.6.2 Mô chuyển vị tần số dao động riêng Mơ hình mơ phần loại bỏ hệ thống vành cam, mục đích tìm chuyển vị cực đại tần số dao động riêng hệ dầm ELCA Tại điện áp 100V, chuyển vị tối đa đo 36.9𝜇𝑚 Tần số dao động riêng 𝜔𝑛 đo từ mô 3.63kHz, so với kết tính tốn theo lý thuyết 3.7kHz, sai số 1.9% Trang 55 Hình 2-19: Mơ chuyển vị ELCA Hình 2-20: Mơ tần số dao động riêng ELCA 2.7 Kết luận chương Chương luận văn đưa công thức tính tốn điều kiện hoạt động động cơ, từ đưa điện áp hoạt động tối thiểu vi động 95,37v Phương trình vi phân chuyển động ELCA tính tốn dựa vào phương pháp sử dụng đại lượng quy đổi Các điều kiện sức bền trình hoạt động kiểm chứng an tồn thơng qua phương pháp mô phần tử hữu hạn ANSYS Trang 56 CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Quy trình chế tạo Hình 3-1: Quy trình chế tạo vi động Vi động chế tạo thử nghiệm công nghệ vi khối (bulkmicromachining) sử dụng silic kép (SOI) Đầu tiên, trình quang khắc thực để đưa cấu trúc vi động lên bề mặt silic Tiếp theo, trình ăn mịn hoạt hóa sâu D-RIE tạo cấu trúc 3D vi động với chiều sâu cấu trúc tối đa 30µm Sau đó, lớp mặt nạ bảo vệ photoresist tẩy rửa, chíp vi động làm sạch, sấy khô thực ngun cơng ăn mịn lớp xít Silic axit HF nhằm giúp cho phần di động vi động dầm, cánh mềm khung đẩy, vành răng… hoạt động Cuối cùng, vi động hàn điện cực đo đạc đánh giá đặc tính kỹ thuật Trang 57 Hình 3-2: Ảnh chụp hệ thống vi cam sau chế tạo 3.2 Đo đạc đánh giá 3.2.1 Hệ thống vi cam Để thực thử nghiệm vi hệ thống sau chế tạo thành công, điện áp xoay chiều với cường độ 𝑉𝑝𝑝 = 100𝑉 với tần số thay đổi từ 30 Hz đặt vào điện cực hai ELCA Điện áp đặt 𝑉𝑝𝑝 sử dụng lớn so với điện áp tối thiểu 𝑉𝑚𝑖𝑛 = 93.57𝑉 tính phần luận văn Trang 58 Hình 3-3: Hình ảnh chụp hệ thống vi cam hoạt động Hình 3-4: Hình ảnh chụp chuyển vị cực đại trượt Hình 3-3 chụp lại từ video quay hoạt động hệ thống vi cam sau chế tạo thành cơng Hình 3-3a chụp vành cam vị trí ban đầu (tương ứng với lò xo trượt khơng bị nén, Hình 3-4a), Hình 3-3b chụp vành cam vị trí lị xo nén cực đại (tương ứng với chuyển vị tối đa cần đẩy, Hình 3-4b) Kết hoạt động hệ thống vi cam cho thấy tính tốn điều kiện hoạt động hệ thống chương xác Chuyển vị tối đa cần đẩy đạt 160𝜇𝑚, tương ứng với chuyển động ¼ vành cam Chuyển vị đo hệ thống thước đo tích hợp bề mặt chip (Hình 3-4) Kết chuyển vị trùng khớp với thông số thiết kế ban đầu hệ thống Mối quan hệ vận tốc góc vành cam tần số điện áp hoạt động mơ tả Hình 3-5 Đường màu xanh giá trị vận tốc góc tính tốn theo cơng thức lý Trang 59 thuyết, điểm màu đỏ giá trị vận tốc góc thực tế đo giá trị điện áp hoạt động Kết thí nghiệm cho thấy hệ thống vi cam hoạt động ổn định trơn tru dải tần số điện áp từ đến 30 Hz So sánh với vận tốc đạt thiết kế trước [15], dễ dàng nhận thấy tốc độ góc trung bình cải thiện phù hợp với kết tính tốn lý thuyết Hình 3-5: Mối quan hệ vận tốc góc vành cam với tần số hoạt động Bảng 3-1: Tỉ lệ giá trị vận tốc góc thực tế so với tính tốn lý thuyết Tần số hoạt động 10 20 30 Tỉ lệ 𝑢 thiết kế cũ[15] 0.956 0.827 0.638 0.421 - Tỉ lệ 𝑢 thiết kế 1.05 0.96 0.946 0.940 0.867 Coi 𝑢 tỉ lệ tốc độ góc 𝜔 đo tốc độ góc tính tốn lý thuyết với tần số điện áp điều khiển 𝑓𝑑 , (𝑢 = 𝜔𝑚𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒𝑑 ⁄𝜔𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑦 ) Đồ thị cho thấy tần số điện áp dẫn lớn 10 Hz, tỷ lệ 𝑢 cải thiện rõ ràng so với kết đo thiết kế hệ thống cam trước Kết giải thích sau: tổng độ cứng ba cánh đàn hồi chế truyền chuyển động ④ lớn độ cứng lò xo thiết kế cũ, (nghĩa tần số cộng hưởng thành phần đàn hồi lớn tần số cộng hưởng thiết kế trước đó) Hơn nữa, tồn phận di chuyển (bao gồm truyền động, cánh đàn hồi, lược khung di động, …) giải phóng khỏi bề mặt nhờ vào bốn dầm treo đối xứng ELCA Nhờ vậy, lực Trang 60 ma sát chúng bề mặt loại bỏ 3.2.2 Đo đạc mô tần số dao động riêng Chuyển vị theo phương y ELCA đo lại so sánh kết lý thuyết tĩnh điện (phương trình 22), kết tính theo phương trình vi phân (64) thực tế đo Hình 3-6: Mối quan hệ điện áp chuyển vị ELCA Từ kết thu được, sai số lý thuyết thực tế xấp xỉ 3.9% (với điện áp dẫn 100V) Sự sai lệch lý giải sai số độ cứng lý thuyết mơ Hình 3-7: Mối quan hệ chuyển vị với tần số điều khiển Hình 3-7a cho thấy chuyển vị tối đa ELCA gần không thay đổi với tần số Trang 61 hoạt động thấp (