4.2.1. Kết quả đo đạc chuyển vị của dầm đẩy
- Thông qua thí nghiệm đo đạc, vị trí dầm đẩy trên hai khung hình (ở vị trí ban đầu và vị trí xa nhất) sẽ đƣợc so sánh để ƣớc lƣợng chuyển vị của dầm đẩy theo từng điện áp dẫn.
Kết quả đo đạc chuyển vị của dầm đẩy trong các bộ kích hoạt loại 3, 6 và 10 cặp dầm tại tần số 1Hz, xung vuông (square) ứng với các giá trị điện áp lần lƣợt là 15-20-25-30V đƣợc thể hiện trên hình 4.4.
Hình 4. 4 Kết quả đo đạc quan hệ chuyển vị - điện áp
4.2.2. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc
4.2.2.1. Loại 3 cặp dầm
Hình 4.5 thể hiện hai vị trí trƣớc (bên trái) và sau (bên phải) khi chuyển vị của dầm đẩy bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 15V 20V 25V 30V Ch u yể n v ị Điện áp Chuyển vị - điện áp 3 dầm 6 dầm 10 dầm
55
Hình 4. 5 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm (trước-sau) tại điện áp 30V
- Tổng hợp các dữ liệu mô phỏng, đo đạc thực nghiệm chuyển vị của thanh trƣợt của bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm với điện áp xung vuông, tần số 1Hz, các giá trị điện áp 15V, 20V, 25V, 30V ta có:
Hình 4. 6 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm
4.2.2.2. Loại 6 cặp dầm
Hình 4.7 thể hiện hai vị trí trƣớc (bên trái) và sau (bên phải) khi chuyển vị của dầm đẩy bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 15V 20V 25V 30V Ch u yể n v ị Điện áp Chuyển vị - điện áp (3 dầm) Mô phỏng Đo đạc 10µm
56
Hình 4. 7 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm (trước-sau) tại điện áp 30V
- Tổng hợp các dữ liệu mô phỏng, đo đạc thực nghiệm chuyển vị của thanh trƣợt của bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm với điện áp xung vuông, tần số 1Hz, các giá trị điện áp 15V, 20V, 25V, 30V ta có:
Hình 4. 8 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 6 cặp dầm
4.2.2.3. Loại 10 cặp dầm
Hình 4.9 thể hiện hai vị trí trƣớc (bên trái) và sau (bên phải) khi chuyển vị của dầm đẩy bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 15V 20V 25V 30V Ch u yển v ị Điện áp Chuyển vị - điện áp (6 dầm) Mô phỏng Đo đạc 12µm
57
Hình 4. 9 Chuyển vị dầm đẩy bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm (trước-sau) tại điện áp 30V
- Tổng hợp các dữ liệu mô phỏng, đo đạc thực nghiệm chuyển vị của thanh trƣợt của bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm với điện áp xung vuông, tần số 1Hz, các giá trị điện áp 15V, 20V, 25V, 30V ta có:
Hình 4. 10 So sánh kết quả mô phỏng – đo đạc chuyển vị bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 15V 20V 25V 30V C h u yể n vị Điện áp Chuyển vị - điện áp (10 dầm) Mô phỏng Đo đạc 17µm
58
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả đo đạc chuyển vị (µm) của dầm đẩy của ba loại bộ kích hoạt (tần số 1Hz, xung vuông)
3 6 10 15V 3 3 4 20V 4 4 6 25V 6 7 10 30V 10 12 17 4.2.2.4. Nhận xét
Kết quả đo đạc chuyển vị của dầm đẩy chỉ ra:
- Khi điện áp cấp cho bộ kích hoạt tăng thí chuyển vị của dầm đẩy cũng tăng. - Bộ kích hoạt loại 3 cặp dầm và loại 6 cặp dầm cho kết quả chuyển vị tƣơng đối giống nhau (ở loại 6 cặp dầm lớn hơn)
- Bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm cho chuyển vị của dầm đẩy lớn nhất, tại điện áp lớn (30V) bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm sinh ra chuyển vị 17µm.
Bảng 4.2 Sai số (%) chuyển vị của dầm đẩy giữa đo đạc và mô phỏng
3 6 10
15V 48 48 32
20V 55 55 32
25V 53 45 22
30V 43 32 4
- Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm là do:
Để đơn giản hóa mô hình mô phỏng, trong bài toán mô phỏng chỉ xét đến quá trình truyền nhiệt (bỏ qua bức xạ nhiệt, tỏa nhiệt ra không khí
Loại Điện áp
Loại Điện áp
59
hay hao tổn do truyền nhiệt xuống nền,...) vì đây là yếu tố chính ảnh hƣởng đến chuyển vị của dầm.
Bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm cho kết quả sai số mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn hai bộ kích hoạt còn lại là do bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm có kết cấu vững chắc hơn nên hoạt động ổn định hơn so với các loại còn lại.
4.3. Đánh giá hoạt động của motor
Qua quan sát hoạt động của motor thấy rằng trong hành trình hồi về do lực đàn hồi của các dầm V (bị biến dạng khi dãn nở nhiệt) có xu hƣớng ép dầm đẩy tỳ vào thanh trƣợt và do có lực ma sát giữa dầm đẩy và thanh trƣợt, dầm đẩy sẽ kéo thanh trƣợt ngƣợc lại. Tuy nhiên trên đây là nhƣng đo đạc ở motor chƣa có bộ kích hoạt kẹp (hoặc chƣa sử dụng). Khi bộ kích hoạt kẹp đƣợc dùng sẽ khắc phục đƣợc hiện tƣợng trên.
Bảng 4.3 Chuyển vị ngang của thanh trượt của 3 bộ kích hoạt tại điện áp 30V, tần số 1Hz, xung vuông
Loại 3 dầm 6 dầm 10 dầm
Chuyển vị 12 µm 14 µm 17 µm
Nhận xét:
- Bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm cho chuyển vị thanh trƣợt lớn nhất do kết cấu hệ dầm V vững chắc hơn vì hạn chế đƣợc xê dịch theo vuông góc với dầm đẩy.
- So với công thức lý thuyết chuyển vị trong cả ba loại dầm là 19,4 µm. Thì có thể thấy sai số này là do:
+ Sai số do sự đàn hồi uốn của dầm đẩy gây ra
+ Sai số do hiện tƣợng trƣợt khi cặp dầm đẩy đẩy thanh trƣợt (đƣợc bỏ qua trong tính toán lý thuyết).
- Kết cấu bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm vững chắc nhất nên cho chuyển vị thanh trƣợt lớn nhất.
60
* Chuyển vị của thanh trƣợt theo các tần số khác nhau: Điện áp 30V, dải tần số từ 1Hz – 20Hz, xung vuông.
Hình 4. 11 Chuyển vị của thanh trượt ở 30V với các tần số từ 1-20Hz
Nhận xét:
- Các bộ kích hoạt không xảy ra hiện tƣợng trƣợt giữa dầm đẩy và thanh trƣợt ở tần số hoạt động dƣới 10Hz.
- Bộ kích hoạt loại 10 cặp dầm bị trƣợt ít hơn khi làm việc ở tần số 10-20 Hz.
4.4. Kiểm tra lực đẩy của motor
Hình 4.12 là sơ đồ kiểm tra lực đẩy motor.
Hình 4. 12 Sơ đồ kiểm tra lực đẩy của thanh trượt (thử tải)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1 5 10 15 20 Ch u yể n v ị Tần số (Hz) Chuyển vị - điện áp 3 dầm 6 dầm 10 dầm Δ Fđ Fđsinθ Fđcosθ θ Thanh trƣợt Dầm mảnh Phần cố định
61
4.5. Nhận xét
Hiện tƣợng kéo ngƣợc thanh trƣợt trở lại vị trí ban đầu cần đƣợc khắc phục bằng các bộ kích hoạt kẹp.
Kết quả đo đạc thực nghiệm chỉ ra rằng với thiết kế motor tuyến tính nhiệt nhƣ đề xuất hoạt động đƣợc ở dải điện áp từ 5-30V: Ở loại 3 cặp dầm và 6 cặp dầm ở tần số 10-15 Hz bất đầu xảy ra hiện tƣợng trƣợt (giữa dầm đẩy và thanh trƣợt). Loại 10 cặp dầm bắt đầu có hiện tƣợng trƣợt ở tần số 20 Hz.
Có thể thấy rõ ràng rằng kết cấu bộ kích hoạt có 10 cặp dầm hoạt động hiệu quả hơn (cho chuyển vị lớn hơn, hoạt động đƣợc ở tần số cao hơn). Dải điện áp hoạt động thích hợp là 5-30V và dải tần số 1-20Hz (với trƣờng hợp chƣa có bộ kích hoạt kẹp).
62
KẾT LUẬN
Luận văn đề xuất thiết kế motor tuyến tính dẫn động bằng bộ kích hoạt nhiệt sử dụng hiệu ứng dãn nở nhiệt của dầm V dựa trên công nghệ MEMS. Mỗi motor tuyến tính đƣợc chế tạo trên chip có kích thƣớc 5x5 mm. Bộ kích hoạt nhiệt dẫn động hệ thống motor tuyến tính với các kích thƣớc hình học chính: chiều dài dầm L
= 750 µm, chiều rộng dầm b = 6 µm, chiều sâu dầm h = 30 µm. Số các cặp dầm đơn là 3, 6 và 10.
Các tính toán lý thuyết về nhiệt độ, chuyển vị, lực nhằm đƣa ra các kích thƣớc sơ bộ cho motor, bộ kích hoạt và dầm V, góc nghiêng dầm V và góc nghiêng của bộ kích hoạt.
Mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS đƣợc giải trong bài toán đa trƣờng vật lý cơ – nhiệt – điện với các thông số điều kiện biên là nhiệt độ môi trƣờng, điện áp đặt vào bộ kích hoạt, các thông số đầu ra là nhiệt độ phân bố trên các nhánh dầm V, chuyển vị ở đỉnh của dầm đẩy do tác dụng nhiệt, lực đẩy sinh ra ở đỉnh dầm đẩy, ứng suất sinh ra trong bộ kích hoạt.
Qua các kết quả đã trình bày có thể thấy rằng ƣu điểm lớn nhất của motor tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt nhiệt đó là kết cấu nhỏ gọn và sinh ra lực đẩy lớn. Nhƣng đồng thời theo kết quả mô phỏng với điện áp U = 30V, nhiệt độ cao nhất trên bộ kích hoạt là 4000C, nhiệt độ này khá cao gây tác hại đến các chi tiết bộ phận làm việc xung quanh. Đây cũng chính là nhƣợc điểm của bộ kích hoạt nhiệt và cần đƣợc khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả đo đạc cũng chỉ ra dải tần số làm việc tránh hiện tƣợng trƣợt là 20Hz.
Luận văn đã đề xuất một quy trình gia công micromotor sử dụng công nghệ gia công sâu (bulk-micromachining) chỉ cần một mặt nạ. Hệ thống micromotor đƣợc thiết kế, chế tạo trên phiến SOI (silicon trên lớp cách điện) với các quy trình công
63
nghệ cơ bản nhƣ: quy trình quang khắc (Photolithography), quy trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE), và quy trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF Etching).
Ƣu điểm của micromotor loại này là kích thƣớc gọn, đơn giản trong gia công và điều khiển, đạt độ chính xác cao vì chỉ sử dụng một mặt nạ nên dễ triển khai nghiên cứu, đo đạc và ứng dụng.
Trong tƣơng lai, motor tuyến tính sẽ đƣợc tiếp tục hoàn thiện (đặt điện áp vào bộ kích hoạt kẹp, tối ƣu hóa các kích thƣớc) để tránh hiện tƣợng trƣợt, nâng cao hiệu suất. Motor tuyến tính sẽ đƣợc ứng dụng trong các hệ micro rôbôt, hệ vận tải siêu nhỏ, hệ phân tích mẫu siêu nhỏ…
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phuc Hong Pham et al, “Straight Movement of Micro Containers Based on Ratchet Mechanism and Electrostatic Comb-Drive Actuators”, J. Micromech. Microeng. Vol.16, No.12 (2006), pp 2532-2538.
[2] Phuc Hong Pham et al, “Micro Transportation System (MTS) with Large Movement of Containers Driven by Electrostatic Comb-Drive Actuators”, J. Micromech. and Microeng. Vol. 17, No. 10 (2007), pp 2125-2131.
[3] Shannon Zelinski, “Design of Vertical-Lateral Thermal Actuators for MEMS ”, University of California, Berkeley December 6, 2001.
[4] J. Varona, M. Tecpoyotl-Torres, A. A. Hamoui, “Modeling of MEMS Thermal Actuation with External Heat Source”, Fourth Congress of Electronics, Robotics and Automotive Mechanics, 2007 IEEE.
[5] Long Que, Jae-Sung Park, and Yogesh B. Gianchandani, Member, IEEE, “ Bent-Beam Electrothermal Actuators-Part I: Single Beam and Cascaded Devices”, J. Micromech. Microeng, vol. 10, No. 2 (2001), pp 247-254.
[6] Michael J. Sinclair, “A High Force Low Area MEMS Thermal Actuator”, One Microsoft Way, Redmond, WA 980522000, Inter Society Conference on Thermal Phenomena.
[7] Qing Ji and Karen L. Scott, “First Order Modeling of Thermal Actuators in SUGAR”, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA 94720.
[8] Manjula et al, “Analysis of Chevron Electro Thermal Actuator”, MEMS Summer 2007.
[9] Mei-Jiau Huang, Po-Kuei Choua, Ming-Chyuan Lin, “Thermal and thermal stress analysis of a thin-film thermoelectric cooler under the influence of the Thomson effect”, Sensors and Actuators, A 126 (2006), pp 122-128.
[10] Veljko Zlati´c, Alex C. Hewson (2008), “Properties and Applications of Thermoelectric Materials”, Springer, P.O. Box 17, 3300 AA Dordrecht, The Netherlands.
65
[11] J.K.Luo, A.J.Flewitt et al, “Modelling of Microspring Thermal Actuator”, NSTI- Nanotech 2004, Vol. 1, 200, pp 355-358.
[12] J K Luo, A J Flewitt, “Three types of planar structure microspring electrothermal actuators with insulating beam constraints”, J. Micromech. Microeng, 15 (2005) pp 1527–1535.
[13] Ang Beng Seng et al, “Design and Analysis of Thermal Microactuator”, European Journal of Scientific Research, Vol.35 No.2 (2009), pp.281-292.
[14] Amit A. Mhatre, “Implantable drug delivery system with an in-plane micropump”, The University of Texas at Arlington in Partial Fulfillment.
66
PHỤ LỤC Code chƣơng trình ANSYS
!!!!!!! CODE ANSYS LOG FILE FOR V-SHARP ACTUATOR!!!!!!!!!!! /PREP7 ! Enter the Preprocessor
/ANGLE,,90,ZS,0
! UNIT SPECIFICATION AND MATERIAL PROPERTIES /UNITS,SI,1E6
*AFUN,DEG
! ELEMENT DEFINITOIN ET,1,SOLID98
! MATERIAL PROPERTIES
MP,EX,1,169e3 ! Elastic modulus MP,PRXY,1,0.22 ! Poisson Ratio MP,RSVX,1,20E-10 ! Electrical Resistively MP,ALPX,1,2.9e-6 ! Thermal Expansion MP,KXX,1,150e6 ! Thermal Conductivity
! DEFINING GEOMETRY
K,1,0,0 ! First Key Point K,2,0,-30 ! second Key Point C=3
A=6 B=12.445
*DO,I,1,9 ! 3-20 Do Loop running 9 times K,C,A,-30
K,C+1,A+B,-30 A=A+6+12.445 C=C+2
*ENDDO
67
K,C+1,-26.174,-30-749.543 !22 K,C+2,-26.174+6,-30-749.543 !23 A=6 ! More Key Points
B=12.445 C=C+3 *DO,I,1,9 !24-41 K,C,-26.174+A+B,-30-749.543 K,C+1,-26.174+A+6+B,-30-749.543 A=A+6+12.445 C=C+2 *ENDDO K,C,-26.174+A+B+20,-30-749.543 !42 C=C+1 K,C,-26.174+A+B+20,-30-749.543-50 !43 C=C+1 K,C,-26.174-12.445-20,-30-749.543-50 !44 C=C+1 K,C,-26.174-12.445-20,-30-749.543 !45 C=C+1 K,C,A+B+20,-30 !46 C=C+1 K,C,A+B+20+30,-30+10 !47 C=C+1 K,C,A+B+20+30+20,-30+10 !48 C=C+1 K,C,A+B+20+30+20,0 !49
KSYMM,Y,1,51,1 ! New set of key points by mirror image on Y KSEL,ALL ! Select All Key Points
! Define Areas Connecting Key Points
A,71,51,2,22,23,3,4,24,25,5,54,74,73,53,52,72,71 A,54,55,75,76,56,57,77,78,58,9,29,28,8,7,27,26,6,5,54
68 A,58,59,79,80,60,61,81,82,62,13,33,32,12,11,31,30,10,9,58 A,62,63,83,84,64,65,85,86,66,17,37,36,16,15,35,34,14,13,62 A,66,67,87,88,68,69,89,90,70,21,41,40,20,19,39,38,18,17,66 A,70,95,96,97,48,47,46,21,70 A,91,92,93,94,91 A,42,43,44,45,42 !A,73,95,43,21 !A,43,44,96,95 !A,44,45,97,96 !A,99,100,101,102 !A,47,48,49,50
! Select All Areas ASEL,ALL
! Glue them together AGLUE,ALL
VEXT,ALL,,,,,30 ! Extrude to a thickness of 30 VGLUE,ALL ! Glue all volumes
VSEL,S,VOLU,,6 ! Select Volume # 6 VSEL,A,VOLU,,7 ! Select Volume # 7 also VSEL,A,VOLU,,8 ! Select Volume # 8 also
SMRTSIZ,10 ! Select to have course mesh (0-fine 10-course) VMESH,ALL ! Mesh Volumes 6, 7 and 8
ALLSEL ! Select Everything
VSEL,U,VOLU,,6 ! Remove volume #6 from selected set VSEL,U,VOLU,,7 ! Remove volume #7 from selected set VSEL,U,VOLU,,8 ! Remove volume #8 from selected set SMRTSIZ,6 ! Select finer mesh
VMESH,ALL ! Mesh the rest of volumes ALLSEL ! Select Everything
69
! APPLY LOADS AND BOUNDARY CONDITIONS /SOLU ! Enter the Solution Processor
ASEL,ALL ! Select all areas
ASEL,S,LOC,Y,ky(71),ky(92) ! Select Areas on top
ASEL,R,LOC,Z,0 ! Select only the Area underneath DA,ALL,VOLT,20 ! Apply a voltage
DA,ALL,TEMP,30 ! Apply temperature of 30 C nsla,s,1
d,all,all
ASEL,ALL ! Apply similar conditions to bottom side ASEL,S,LOC,Y,ky(22),ky(43)
ASEL,R,LOC,Z,0
DA,ALL,VOLT,0 ! Apply a voltage of 0 V DA,ALL,TEMP,30
nsla,s,1 d,all,all
ALLSEL ! Select Everything SOLVE ! Start Solution ! Tính lực
!!! Constraint movement of tip ASEL,ALL
ASEL,S,LOC,X,0 DA,ALL,UX,0
!!!! Calculate the constraint force at the tip /post1
NSEL,S,LOC,X,0 fsum