Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ v TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Trung Kiên NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội1– 2021 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Hồng Phúc PGS.TS Vũ Công Hàm Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Ngày nay, khoa học kỹ thuật và công nghệ đã và có những bước phát triển vượt bậc, đó có công nghệ vi gia công Nhờ sự tiến bộ này, chúng ta có thể chế tạo hàng loạt các linh kiện cũng hệ thống có kích thước đo bằng đơn vị micro hoặc nano với giá thành rẻ, chất lượng làm việc ổn định và độ chính xác cao Về định nghĩa, MEMS là hệ thống tích hợp có kích thước micro bao gồm các vi cảm biến, các bộ vi chấp hành và các vi mạch điện tử được chế tạo bằng các công nghệ vi gia công Trong MEMS, bộ vi chấp hành là một loại thiết bị quan trọng đóng vai trị cung cấp chủn đợng lực để dẫn động các bộ phận khác một hệ thống tích hợp Do đó, chất lượng hay độ chính xác làm việc (chuyển vị, lực, tần số…) của các bộ vi chấp hành ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và độ chính xác chung của các thiết bị hệ thớng Vì vậy, việc nâng cao đợ chính xác tính ổn định làm việc tính toán thiết các bộ vi chấp hành là rất quan trọng Để tính toán thiết kế được các bộ vi chấp hành đáp ứng các yêu cầu đó cần phải kể đến sự ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau, đó các kích thước hình học cũng các tham sớ đợng lực học có ảnh hưởng trực tiếp và chủ yếu Vấn đề nghiên cứu để tối ưu và đưa các giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng làm việc cũng độ xác của bợ vi chấp hành mang ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học ứng dụng của linh kiện này Chính vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu cách có hệ thống ảnh hưởng của các tham số cấu tạo đến chất lượng làm việc của vi chấp hành kiểu tĩnh điện lược và điện nhiệt chữ V, từ xác định tần số tới hạn, các điều kiện ổn định an toàn làm việc, đề xuất phương pháp tính toán cải thiện tiêu chất lượng làm việc cho hai kiểu vi chấp hành Mục tiêu luận án Luận án nghiên cứu làm rõ sâu sắc thêm vấn đề lý thuyết liên quan đến một số tiêu chất lượng làm việc của hai bộ vi chấp hành kiểu tĩnh điện lược và điện nhiệt chữ V Kết quả của luận án sẽ cung cấp mợt hệ thớng lý thút tương đới hồn chỉnh cho người thiết kế tham khảo xây dựng quy trình tính tốn cho vi chấp hành đảm bảo làm việc ổn định an toàn Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án bộ vi chấp hành tĩnh điện lược vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V dùng để dẫn động vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi tay gắp, hệ vi vận chuyển Trong đó cụ thể loại vi chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật trùn thớng và lược hình thang cân, vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V chuyển động một bậc tự mặt phẳng nằm ngang Các vi chấp hành này được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS sử dụng phương pháp gia cơng ăn mịn khơ sâu (Deep Reactive Ion Etching - DRIE) 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tiêu chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện lược và điện nhiệt chữ V như: tần số tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị, độ lớn chuyển vị, hệ số phẩm chất, đợ ổn định học, tính an tồn (tránh chập, cháy hoặc biến dạng dẻo) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 4.1 Ý nghĩa khoa học Các kết quả nghiên cứu của luận án làm sâu sắc thêm mợt cách có hệ thớng vấn đề lý thuyết cho đối tượng vi chấp hành tĩnh điện lược và điện nhiệt dạng chữ V như: phương pháp tính các đại lượng động lực học quy đổi phương trình vi phân chuyển động; tần số và điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt ổn định làm việc; tối ưu kích thước dầm vi chấp hành chữ V nhằm cải thiện chuyển vị đồng thời thỏa mãn điều kiện an toàn vận hành Các vấn đề này có ý nghĩa quan trọng việc đưa các điều kiện làm việc tới hạn làm sở để thiết kế bộ vi chấp hành đảm bảo tốt yêu cầu về chất lượng làm việc chuyển vị lớn, ổn định an toàn (tránh hiện tượng cháy dầm hoặc chập điện) dải điện áp dẫn xác định Đây mục tiêu và đóng góp chính của ḷn án để hồn thiện hệ thớng lý thuyết về vi chấp hành tĩnh điện lược và điện nhiệt dạng chữ V 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của thông số kích thước đến chất lượng làm việc của vi chấp hành có ý nghĩa quan trọng trình thiết kế chế tạo Kết quả của luận án sẽ cung cấp sở khoa học cho việc thiết kế hoặc kiểm nghiệm theo điều kiện làm việc giới hạn (tần số và điện áp dẫn) để đảm bảo tính ổn định an tồn cho thiết bị Luận án cũng xây dựng thuật toán để xác định kích thước dầm tối ưu cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V đạt chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo các điều kiện về ổn định và an toàn nhiệt Các kết quả này đặc biệt có ý nghĩa việc rút ngắn thời gian thiết kế giảm giá thành cho trình chế thử thiết bị hoặc hệ thớng có sử dụng vi chấp hành tĩnh điện lược và điện nhiệt dạng chữ V vi mô tơ, vi tay kẹp, vi vận chuyển Phương pháp nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu chủ đạo của luận án tính tốn lý thút, mơ kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng Những đóng góp luận án Các đóng góp cụ thể của luận án được tóm tắt sau: - Cung cấp hệ thớng công thức tổng quát để xác định các đại lượng động lực học phương trình vi phân chuyển động của vi chấp hành Đây là sở để khảo sát ảnh hưởng của thông số kích thước đến chất lượng làm việc của vi chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật chuyển vị, tần số làm việc nhằm tránh mất ổn định mất an toàn làm việc - Xây dựng công thức lý thuyết để xác định lực tĩnh điện, chuyển vị và điều kiện an toàn tránh hiện tượng chập bản tụ cho vi chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân - Đề xuất phương pháp xác định tần số làm việc theo điều kiện ổn định chuyển vị cho điện áp dạng xung vuông dựa mơ hình trùn nhiệt dạng sai phân hữu hạn Đề xuất điều kiện an toàn làm việc cho vi chấp hành, tránh hư hỏng thiết bị trình vận hành Tḥt tốn tới ưu được áp dụng để xác định bợ kích thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị lớn đồng thời đảm bảo yêu cầu làm việc ổn định an toàn Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện kiểu lược a) Định nghĩa phân loại Vi chấp hành kiểu tĩnh điện hoạt động dựa lực tĩnh điện sinh tại bề mặt của hai bản tụ tích điện trái dấu Lực tĩnh điện pháp tún có phương vng góc với bề mặt của bản tụ, lực tĩnh điện tiếp tuyến có phương song song với bề mặt bản tụ Kiểu vi chấp hành có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, đó có hai dạng phổ biến là: dẫn động bằng lực pháp tuyến [2] dẫn động bằng lực tiếp tuyến [3] Đối với vi chấp hành dẫn động bằng lực pháp tuyến có các ưu điểm: lực dẫn lớn, điện áp dẫn nhỏ, có nhược điểm: chuyển vị rất nhỏ (bị hạn chế bởi khe hở giữa hai bản tụ), lực dẫn phi tuyến (thay đổi theo chuyển vị), dễ mất ổn định dẫn đến ngắn mạch, hệ số phẩm chất thấp Các vi chấp hành dẫn động bằng lực tiếp tuyến có các ưu điểm: chuyển vị lớn, lực dẫn tuyến tính dễ điều khiển, độ ổn định cao, hệ số phẩm chất lớn Nhược điểm của chúng là: điện áp dẫn lớn, lực dẫn tương đối nhỏ Trong dẫn động hệ thống vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển, vi tay gắp vi chấp hành sử dụng lực tiếp tuyến phù hợp về yêu cầu chuyển vị và điều khiển Loại vi chấp hành này thường được thiết kế chế tạo với cấu trúc gồm nhiều bản tụ lược đặt xen kẽ nhằm tăng lực dẫn và được gọi vi chấp hành kiểu tĩnh điện lược Như vậy, vi chấp hành tĩnh điện lược một vi cấu trúc gồm nhiều lược xen kẽ sử dụng nguyên lý tĩnh điện để tạo lực chủn đợng Theo dạng chủn đợng vi chấp hành tĩnh điện lược lại được chia thành hai loại: chuyển động tịnh tiến (răng thẳng) [4] chuyển động lắc (răng cong) [5] Theo mặt phẳng chuyển động, chúng được chia thành: chuyển động mặt phẳng (Inplane) [6] chủn đợng ngồi mặt phẳng cấu trúc (Out-ofplane) [7] Đối tượng mà luận án lựa chọn nghiên cứu vi chấp hành tĩnh điện lược chuyển động tịnh tiến mặt phẳng cấu trúc Do là loại vi chấp hành có cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, ứng dụng đa dạng dế dàng chế tạo hàng loạt Vi chấp hành tĩnh điện lược (ECA – electrostatic comb actuator) được W C Tang ứng dụng dẫn động bộ vi cộng hưởng lần đầu tiên năm 1990 [8] Cấu trúc điển hình của bợ vi chấp hành được biểu diễn Hình 1.1 Khung dọc (thanh đẩy) Răng lược y Điện cực O x Khung ngang Dầm Phần cố định Phần phần di động Hình 1.1 Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện lược b) Tình hình nghiên cứu ngồi nước ECA Một nhược điểm quan trọng của ECA lực tĩnh điện nhỏ nên cần điện áp dẫn lớn để có thể đạt được chủn vị mong ḿn Điều làm giảm khả ứng dụng của loại vi chấp hành một số hệ thống Cải thiện chuyển vị giảm điện áp dẫn cho ECA một bài toán đặt cho nhà nghiên cứu Các công bố liên quan đến bộ ECA cũng đều hướng đến mục tiêu Những kết quả đã cơng bớ có thể được phân chia thành hướng chủ yếu: cải tiến cấu trúc dầm, cải tiến hình dạng lược, tính toán đợng lực học, nâng cao độ ổn định làm việc Cải tiến cấu trúc dầm Các dạng cấu trúc dầm như: dầm thẳng hai đầu ngàm (fixed-fixed beam), dầm cua (crab-leg beam) dầm gấp khúc (folded beam) đã được nêu lên công bố [9] [10] Cải tiến biên dạng lược Để tận dụng được một phần lực tĩnh điện phương pháp tuyến, tác giả M S Rosa đã được đề x́t lược có dạng hình thang cân [14] Biên dạng lược được mô tả bằng một hàm đa thức (đã được B D Jensen đề xuất công bố [15] [16] Động lực học Nghiên cứu đáp ứng động lực học của vi chấp hành tĩnh điện lược đã được thực hiện bởi W.C Tang ông đề xuất sử dụng bộ vi chấp hành dẫn động bộ vi cộng hưởng [25] Vấn đề xác định các đại lượng động lực học quy đổi độ cứng, khối lượng cản khơng khí sẽ tiếp tục được kế thừa phát triển luận án dạng công thức mang tính tổng qt Cụ thể cơng thức được xây dựng có thể áp dụng cho cả hệ dầm thẳng dầm nghiêng (dạng chữ V của vi chấp hành điện nhiệt) Mợt vấn đề cịn chưa được làm rõ tần số ngưỡng đảm bảo ổn định biên đợ chủn vị hàm điện áp có dạng xung vng dạng hình sin cho vi chấp hành ứng dụng dẫn động vi mô tơ, vi vận chuyển, vi tay gắp Nâng cao độ ổn định Như đã phân tích ở trên, vi chấp hành sử dụng hệ dầm gấp có đợ cứng nhỏ nên có thể tăng chuyển vị giảm điện áp dẫn, lại làm giảm độ nhạy và đặc biệt dễ gây mất ổn định (lực tĩnh điện lớn lực đàn hồi không tồn tại điểm cân bằng lực) Để khắc phục nhược điểm này, tác giả Borovic [30] đã đề xuất sử dụng thêm một bộ cảm biến một vi chấp hành phụ dạng lược để điều khiển chống lại hiện tượng lắc ngang của đẩy trung tâm.Vấn đề mất ổn định của vi chấp hành tĩnh điện lược được nghiên cứu chi tiết tài liệu [31] Với mục đích tăng ổn định chuyển vị cho vi chấp hành tĩnh điện lược, Zhou [32] đã thay đổi cấu trúc hệ dầm gấp thẳng thành hệ dầm gấp nghiêng c) Tình hình nghiên cứu nước ECA Cho đến đã có mợt sớ cơng trình nghiên cứu liên quan đến bộ vi chấp hành tĩnh điện lược được thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trong số đó thì luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Bảo Lâm [1] một công trình nghiên cứu về vi đợng quay dẫn đợng bằng ECA Một công bố khác đã trình bày ảnh hưởng của sai số chế tạo đến lực chuyển vị của vi chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật [34] Cụ thể ảnh hưởng của hiệu ứng ăn mịn cạnh (side etching) cơng nghệ gia công DRIE Các công bố [11]và [35] đề cập đến hệ vi cam quay và vi động tịnh tiến dẫn động bằng vi chấp hành ECA truyền thống thông qua các cánh đàn hồi (elastic wings) Luận án tiến sĩ của tác giả Đặng Văn Hiếu [36] đã nghiên cứu thiết kế, chế thử bộ vi chấp hành và mũi dò quét ứng dụng chế tạo cấu trúc nano 1.3 Vi chấp hành điện nhiệt kiểu chữ V a) Định nghĩa phân loại Vi chấp hành điện nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt Jun (dòng điện qua một vật có điện trở sinh nhiệt) để tạo lực chuyển vị thông qua biến dạng nhiệt của vật liệu Trong thực tế, vi chấp hành điện nhiệt lại được ứng dụng nhiều dẫn động một số hệ thống vi như: vi tay gắp, thiết bị kiểm thử vật liệu, thiết bị an tồn nhiệt, hệ vi gương, vi mơ tơ… Theo phương chuyển động, chúng được chia thành hai loại: chuyển động mặt phẳng cấu trúc (In-plane) [37], chuyển đợng ngồi mặt phẳng cấu trúc (Out-of-plane) [38] Bản cực cố định Phương chuyển động Thanh đẩy Điện cực cố định Dầm mỏng Dầm Dầm θ Dầm đàn hồi Dầm dày Dầm nối a) b) Phương chuyển động Y X O c) Hình 1.13 Vi chấp hành điện nhiệt: a) Dạng chữ U [39]; b) Dạng chữ V [40]; c) dạng chữ Z [41] Theo hình dạng, vi chấp hành điện nhiệt được chia thành ba loại chính: dạng chữ U (U-shaped, hot-and-cold-arm) [39], dạng chữ V (V-shaped, chevron) [40], dạng chữ Z (Z-shaped) [41] Như vậy, vi chấp hành điện-nhiệt dạng chữ V chuyển động mặt phẳng có nhiều ưu điểm so với loại khác b) Tình hình nghiên cứu ngồi nước Các nghiên cứu gần liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V (EVA - Electrothermal V-shaped Actuator) tập trung vào chủ đề chính như: mô hình toán điện-nhiệt-cơ, cải thiện chuyển vị tối ưu kích thước dầm, an tồn nhiệt ổn định Mơ hình tốn điện-nhiệt-cơ Mơ hình tốn sử dụng phương pháp giải tích trực tiếp được nhiều tác giả áp dụng việc xác định nhiệt độ phân bố dầm [46-52] Để có thể xác định quy ḷt phân bớ nhiệt độ dầm chính xác hơn, phương pháp sai phân hữu hạn đã được sử dụng một số công bố liên quan đến vi chấp hành dạng chữ V công bố [54] [55] Vấn đề an toàn nhiệt ổn định dọc dầm Trong công bố [47] tác giả cũng đã đưa giới hạn nhiệt đợ để tính tốn thiết kế vi mô tơ tịnh tiến dẫn động vi chấp hành điện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng nhiệt Vấn đề an Ae U x2 2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến Lực tĩnh điện tiếp tuyến [73]: b Ft  U d0 2.2 Các tham số động lực học tương đương 2.2.1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát My  Cy  Ky  Fe (t ) 2.2.2 Độ cứng quy đổi Fn   K  2nk   2nE 12 I cos   AL2 sin   L (2.10) (2.17) (2.18) (2.38) 2.2.3 Khối lượng quy đổi  4cos  M  ms  2n   105 3 2.2.4 Cản quy đổi khơng khí   mb  (2.44) A A A  At 16h 13  wL 16h   C    bt  N c  mb   2n    g0  35  g a    g a (2.62) 2.3 Xác định đáp ứng vi chấp hành tĩnh điện lược 2.3.1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vng Fe1        cos(t )  sin(t )  e t   K      2.3.2 Chuyển vị điện áp dẫn có dạng hàm sin 2.3.3 Ảnh hưởng tần số dẫn đến chuyển vị y1  (2.67) 11 Hình 2.13 Biên độ (a) sai số (b) chuyển vị lớn nhất trường hợp xung vng 2.4 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt lược hình thang cân tới lực dẫn chuyển vị Điều kiện ổn định 2.4.1 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến lực tĩnh điện Hình 2.16 Cấu trúc lược hình thang cân Tổng lực tĩnh điện phương y của một bộ vi chấp hành TECA có N lược di đợng sẽ là: a tg   g 02 cos   y  tg   sin  cos   Fet  NF2 y  Nh 0U 2  g02  y sin   (2.77) 12 0,7 Lực tĩnh điện F2y (µN) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,5 1,5 2,5 Góc nghiêng bề mặt α (0) Hình 2.17 Quan hệ lực tĩnh điện góc nghiêng bề mặt 2.4.2 Ảnh hưởng góc nghiêng bề mặt đến chuyển vị vi chấp hành Chuyển vị Yt (µm) 13 12 30V 11 35V 10 40V 1,25 1,5 1,75 2,25 2,5 Góc nghiêng bề mặt α (º) Hình 2.20 Đồ thị quan hệ chuyển vị góc nghiêng bề mặt 2.4.3 Kết đo đạc thực nghiệm 13 25 TECA lý thuyết TECA đo đạc Chuyển vị y (µm) 20 RECA lý thuyết RECA đo đạc 15 10 0 10 20 30 Điện áp U (V) 40 50 Hình 2.22 Chuyển vị tính toán và đo đạc của RECA TECA theo điện áp 2.4.4 Điều kiện ổn định vi chấp hành lược hình thang cân Hình 2.25 Đồ thị quan hệ độ cứng tối thiểu và điện áp ngưỡng 2.5 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 2.6 Kết luận chương Nợi dung của chương này tập trung xây dựng công thức tính đại lượng động lực học tương đương, khảo sát chuyển vị của vi chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhât theo tần số của điện áp, xây dựng công thức tính lực và xác định điều kiện ổn 14 định cho vi chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân Mợt sớ kết quả của chương bao gờm: - Các công thức tính độ cứng (2.38), khối lượng (2.44) cản không khí quy đổi (2.62) mô hình động lực học tương đương (2.18) đã được thiết lập Mơ hình có thể áp dụng cho hệ dầm thẳng hai đầu ngàm (vi chấp hành tĩnh điện lược) dầm nghiêng dạng chữ V (vi chấp hành điện nhiệt chữ V) nhằm nâng cao đợ xác tính tốn chủn vị - Dựa mơ hình động lực học tương đương, tần số tới hạn theo điều kiện ổn định chuyển vị của một bộ vi chấp hành tĩnh điện lược hình chữ nhật đã được xác định trường hợp điện áp dẫn dạng xung vng (23,8Hz) xung hình sin (1kHz) Kết quả một gợi ý cho việc lựa chọn dạng điện áp dẫn tính toán để tăng dải tần số làm việc của vi chấp hành cũng hệ thớng - Cơng thức tính lực tĩnh điện, điều kiện lựa chọn góc nghiêng bề mặt hợp lý và điều kiện tránh hiện tượng chập bản tụ cho vi chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân đã được xây dựng mợt cách có hệ thớng Kết quả cung cấp công thức lý thuyết cho người thiết kế có thể dễ dàng tính tốn nâng cao một số tiêu chất lượng cho vi chấp hành lực, chủn vị, đợ an tồn làm việc Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 3.1 Mơ hình truyền nhiệt dầm thẳng phương trình vi phân chuyển động 3.1.1 Cấu trúc nguyên lý làm việc 3.1.2 Mơ hình truyền nhiệt dạng giải tích 3.1.2.1 Bài tốn truyền nhiệt ổn định 3.1.2.2 Bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định 3.1.3 Mơ hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn 15  T j 1  Ti j C p Ds  i  t   Ti j  Ti j  2Ti j    ks  x    ka S j U2 Ti  T0    hg a  L2    (3.6) 3.1.3.1 Bài toán truyền nhiệt ổn định 3.1.3.2 Bài tốn truyền nhiệt khơng ổn định 3.1.4 Lực dãn nở nhiệt vi chấp hành chữ V F  2nEA L sin  L (3.34) 3.1.5 Phương trình vi phân chuyển động 3.2 Khảo sát chuyển vị vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V 3.2.1 So sánh kết mô đo đạc chuyển vị với mơ hình lý thuyết Hình 3.7 So sánh chuyển vị tính tốn, mơ và đo đạc 3.2.2 Tần số làm việc tới hạn vi chấp hành chữ V 3.2.2.1 Ảnh hưởng tần số dẫn đến chuyển vị vi chấp hành chữ V 3.2.2.2 Phương pháp xác định tần số tới hạn 16 102 Tần số tới hạn fC(Hz) 101.0 100 98 96.9 96 94.9 94 92 91.9 90.7 91.2 90 10 15 20 25 30 35 Điện áp dẫn U(V) Hình 3.11 Quan hệ tần số tới hạn và điện áp dẫn 3.3 Ảnh hưởng kích thước dầm đến tần số tới hạn Hình 3.12 Quan hệ tần số tới hạn chiều dài dầm 3.4 Ảnh hưởng kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q 17 Hình 3.14 Đồ thị quan hệ hệ số phẩm chất Q góc nghiêng dầm θ 3.5 Kết luận chương Chương đã xây dựng mô hình toán điện-nhiệt-cơ bằng phương pháp sai phân hữu hạn cho vi chấp hành nhiệt điện chữ V Đây là sở để tính tốn, khảo sát một số tiêu chất lượng làm việc của vi chấp hành Các đóng góp của chương này có thể được tổng hợp lại sau: - Mô hình tốn sai phân hữu hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được xây dựng một cách chi tiết Mơ hình có thể kể đến sự thay đổi của tính chất vật liệu theo nhiệt đợ nên cho kết quả tính toán có đợ xác cao so với mô - Phương pháp tính tần số tới hạn trường hợp điện áp dẫn dạng xung vuông đảm bảo chuyển vị của bộ vi chấp hành đạt giá trị lớn nhất làm việc đã được đề xuất Ảnh hưởng của kích thước dầm đến giá trị của tần số tới hạn cũng đã được khảo sát và đánh giá Các kết quả có thể được dùng tính tốn dự báo khoảng tần số làm việc hiệu quả tối ưu thiết kế nhằm tăng tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V - Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất vào các kích thước dầm đã được khảo sát thông qua tỉ số chiều dài chiều rộng chiều 18 rộng dầm Dựa kết quả khảo sát, khoảng giá trị của tỉ sớ kích thước dầm L/w hợp lý (từ 55 đến 70 ứng với chiều rợng dầm khoảng 4µm đến 6µm) đảm bảo đờng thời chủn vị lớn cho giá trị chấp nhận được của hệ số phẩm chất Q (lớn 107) đã được xác định Các kết quả có giá trị là mợt trường hợp tính tốn có thể được dùng để tham khảo q trình thiết kế hệ thớng vi có sử dụng vi chấp hành điện nhiệt chữ V Chương XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN 4.1 Điện áp dẫn giới hạn theo điều kiện bền nhiệt dầm Hình 4.4 Điện áp Un thay đổi theo tỉ lệ L/w w 4.2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm điện áp giới hạn 4.2.1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ)  ( AL2  12 I )sin  cos   4 EI Fb 1   AL2 sin   12 I cos   L2  4.2.2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ” (4.5) 19 Hình 4.13 Sự thay đổi của điện áp Um theo tỉ lệ L/w w 4.3 Điều kiện điện áp đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V Khi so sánh tại một bộ kích thước L/w w có thể xảy ba trường hợp sau: - Um > Un, mất ổn định nhiệt xảy trước mất ổn định cơ; - Um = Un, mất ổn định và nhiệt xảy đồng thời; - Um < Un, mất ổn định xảy trước mất ổn định nhiệt Hình 4.15 Vùng kích thước đảm bảo an tồn cho chấp hành chữ V 4.4 Xác định kích thước tối ưu dầm chữ V cho chuyển vị lớn thuật toán bầy đàn (PSO) 4.4.1 Ảnh hưởng thơng số kích thước dầm đến chuyển vị 20 Y w L2 cos2   L2 sin   L sin  (4.9) 4.4.2 Bài toán tối ưu, kết tối ưu phương pháp PSO 4.4.2.1 Giới thiệu thuật toán tối ưu bầy đàn PSO 4.4.2.2 Áp dụng thuật tốn PSO xác định kích thước dầm tối ưu cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V 4.5 Kết luận chương Chương đã nghiên cứu thiết lập các điều kiện ổn định dọc trục dầm, điều kiện an toàn nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V Trên sở đó, áp dụng thuật toán tới ưu để xác định bợ kích thước dầm hợp lý Một số kết quả đạt được sau: - Các điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định dọc trục dầm, điều kiện an toàn nhiệt đã được xác định sự phụ thuộc của các điện áp này theo kích thước dầm đã được khảo sát và đánh giá Từ đó đã đề xuất và xác định được miền kích thước dầm đảm bảo điều kiện an toàn làm việc chung cho vi chấp hành Các kết quả cung cấp cho người thiết kế vi chấp hành điện nhiệt chữ V công thức lý thuyết để đánh giá và lựa chọn kích thước dầm đảm bảo điều kiện làm việc ổn định an toàn - Ảnh hưởng của các kích thước dầm (L, w và θ) đến chuyển vị Y của vi chấp hành rất đáng kể và đó tồn tại cực trị cho chuyển vị lớn nhất Theo đó, thuật tốn tới ưu bầy đàn đã được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm hợp lý Với bộ kích thước dầm tới ưu, vi chấp hành cho chủn vị lớn (tăng 22% so với bộ kích thước không tối ưu tại điện áp) đồng thời đảm bảo điều kiện làm việc an toàn Phương pháp và kết quả tới ưu có thể được áp dụng q trình tính tốn thiết kế vi chấp hành điện nhiệt chữ V với mục đích tiết kiệm thời gian mà vẫn đảm bảo yêu cầu về tiêu chất lượng làm việc Bên cạnh đó, thuật tối tới ưu bầy đàn cịn có thể áp dụng với hàm mục tiêu khác tần số tới hạn, điện áp dẫn, hệ sớ phẩm chất… để có thể xác định chi tiết kết cấu của vi chấp hành điện nhiệt chữ V 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Chất lượng làm việc của vi chấp hành tĩnh điện lược và điện nhiệt dạng chữ V ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính kỹ thuật của vi hệ thống mà đó chúng đảm nhiệm vai trị bợ phận cung cấp (lực hay mô men) Việc nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kích thước đến chất lượng làm việc của hai loại vi chấp hành phổ biến này có ý nghĩa quan trọng trình thiết kế hệ thống vi vi mô tơ, vi tay gắp hay vi vận chuyển Đó là sở để có thể đưa các giải pháp nâng cao chuyển vị, đảm bảo tính ổn định an tồn làm việc Các nội dung mà luận án đã thực hiện được tổng hợp lại sau: - Hệ thống cơng thức lý thút tính thơng sớ đợ cứng, khối lượng cản không khí mô hình động lực học tương đương đã được thiết lập (mục 2.2) Trên sở đó, giá trị tần số tới hạn đối với điện áp dạng xung vuông (23,8Hz) hình sin (1kHz) đã được xác định thơng qua khảo sát mối quan hệ giữa chuyển vị tần số của một bộ vi chấp hành tĩnh điện lược làm ví dụ - Hệ thớng cơng thức lý thút xác định lực tĩnh điện, góc nghiêng bề mặt hợp lý, điều kiện tránh hiện tượng chập bản tụ của vi chấp hành tĩnh điện lược hình thang cân đã được thiết lập Các kết quả tính tốn lý thuyết về chuyển vị tĩnh, ưu điểm của vi chấp hành (cho lực chuyển vị lớn dạng lược hình chữ nhật) đã được thực nghiệm kiểm chứng - Dựa mô hình toán điện-nhiệt-cơ dạng sai phân hữu hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V, tần số tới hạn fC theo điều kiện ổn định chuyển vị cho trường hợp xung vuông đã được đề xuất và xác định Ảnh hưởng của thông số kích thước dầm đến tần số tới hạn hệ số phẩm chất đã được khảo sát và đánh giá Kết quả này là sở để người thiết kế lựa chọn kích thước dầm phù hợp với yêu cầu về tần số làm việc - Các điều kiện và điện áp giới hạn đảm bảo an toàn nhiệt, ổn định dọc trục dầm của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được xây 22 dựng và xác định Thơng qua khảo sát và đánh giá, miền kích thước đảm bảo điều kiện an toàn làm việc đã được đề xuất xác định Ảnh hưởng của kích thước dầm đến độ lớn chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được khỏa sát và đánh giá Trên sở đó, thuật toán bầy đàn đã được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm tối ưu của vi chấp hành Dựa kết quả tối ưu, các tính toán và so sánh bộ kích thước dầm hợp lý của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được xác định vừa cho chuyển vị lớn (tăng 22%) đồng thời đảm bảo điều kiện an tồn làm việc Từ những nợi dung nghiên cứu đã trình bày ở trên, có thể rút một số đóng góp chính của luận án sau: - Cung cấp hệ thống công thức xác định tham số động lực học quy đổi độ cứng (2.38), khối lượng (2.44) cản không khí (2.62) mô hình dao động một bậc tự tương đương Mơ hình này cho phép nâng cao đợ xác kết quả tính tốn chủn vị của vi chấp hành tĩnh điện lược và điện nhiệt chữ V - Đưa mợt quy trình tính tốn dựa hệ thống công thức lý thuyết đã được xây dựng nhằm giúp người thiết kế vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện lược và điện nhiệt chữ V có thể đạt được yêu cầu về thiết kế chất lượng làm việc (như tần số tới hạn, tính ổn định an tồn, hệ sớ phẩm chất) mợt cách nhanh chóng, bản và có đợ tin cậy cao - Đặc biệt đối với vi chấp hành điện nhiệt chữ V, luận án đã đưa xây dựng các điều kiện quan trọng như: ổn định cơ, ổn định nhiệt an toàn làm việc Đã sử dụng tḥt tốn bầy đàn tới ưu kích thước dầm để vi chấp hành cho chuyển vị lớn đồng thời thỏa mãn các điều kiện về ổn định an tồn Kết quả có ý nghĩa việc cung cấp phương pháp tính toán và tiêu chuẩn lý thuyết về độ ổn định và an toàn cho người thiết cấu trúc vi chấp hành điện nhiệt chữ V đảm bảo điều kiện an toàn làm việc (điện áp ổn định Um nhỏ điện áp ổn định nhiệt Un) nhằm nâng cao tuổi thọ cho hệ thống vi 23 Kiến nghị Trong nội dung nghiên cứu của luận án đưa nhiều giả thiết để đơn giản việc mơ hình hóa tính tốn mợt sớ vấn đề mà chưa được đề cập đến Các nợi dung cịn có thể tiếp tục phát triển để hồn thiện thêm hệ thớng lý thút tính tốn cho bợ vi chấp hành bao gờm: - Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho vi chấp hành tĩnh điện lược có kể đến đờng thời tính phi tún của đợ cứng dầm lực tĩnh điện (ảnh hưởng của hiệu ứng viền) - Xây dựng mô hình toán động lực học của vi chấp hành tĩnh điện lược hệ thống cụ thể vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển từ đó có thể dự đoán dải tần số làm việc hiệu quả của thiết bị - Mơ hình trùn nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V có kể đến sự trao đổi nhiệt của đẩy, hiện tượng đối lưu và bức xạ nhiệt khơng khí, ảnh hưởng của khoảng cách giữa dầm số cặp dầm n - Áp dụng tḥt tốn tới ưu đa mục tiêu cho cả hai bợ vi chấp hành để tìm bợ kích thước thiết kế hợp lý thỏa mãn đồng thời yêu cầu về đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của vi chấp hành tần số tới hạn, lực hoặc chuyển vị, hệ số phẩm chất Q - Chế tạo và đo đạc đánh giá để kiểm chứng tần số làm việc hiệu quả của bộ vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V Kiểm chứng chất lượng làm việc ứng với bộ kích thước đã được tới ưu bằng tḥt tốn bầy đàn 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Hoang Trung Kien, Vu Cong Ham and Pham Hong Phuc (2018), “Influence of the driving frequency and equivalent parameters on displacement amplitude of electrostatic linear comb actuator”, Vietnam Journal of Mechanics, vol 40, no 4, pp 397–406 Phuc Hong Pham, Kien Trung Hoang, and Dich Quang Nguyen (2019), “Trapezoidal-shaped electrostatic comb-drive actuator with large displacement and high driving force density”, Microsyst Technol., vol 25, no 8, pp 3111–3118 (ISI-IF2019 = 1.737) Dzung Tien Nguyen, Kien Trung Hoang, and Phuc Hong Pham (2020), “Heat Transfer Model and Critical Driving Frequency of Electrothermal V-Shaped Actuators”, Lect Notes Networks Syst., vol 104, pp 394–405 (Index in SCOPUS) Kien Trung Hoang, Dzung Tien Nguyen, and Phuc Hong Pham (2020), “Impact of design parameters on working stability of the electrothermal V-shaped actuator”, Microsyst Technol., vol 26, no 5, pp 1479–1487 (ISI-IF2019 = 1.737) Dzung Tien Nguyen, Kien Trung Hoang, Phuc Hong Pham (2020), “Larger displacement of silicon electrothermal Vshaped actuator using surface sputtering process”, Microsyst Technol., vol 27, no 5, pp 1985-1991 (ISI-IF2019 = 1.737) Kien Trung Hoang, Phuc Hong Pham (2020), “Stable working condition and critical driving voltage of the electrothermal V-shaped actuator”, ICOMMA 2020 (December), Ho Chi Minh City (accepted) (Index in SCOPUS) 25 ... yêu cầu làm vi? ?̣c ổn định an toàn Bố cục luận án Chương TỔNG QUAN V? ?? VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC V? ? ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 1.1 Vi chấp hành MEMS ứng dụng 1.2 Vi chấp hành tĩnh điện kiểu lược a)... cho vi chấp hành lực, chuyển vi? ?, độ an toàn làm vi? ?̣c Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VI? ??C CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V 3.1 Mơ hình truyền nhiệt dầm thẳng phương trình vi. .. kiện an toàn nhiệt ổn định Chương NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VI? ??C CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC 2.1 Lý thuyết tĩnh điện 2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến Lực pháp tuyến giữa