Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện đƣợc phân loại thành các động cơ bƣớc truyền thống (variable capacitance), động cơ có rotor lắc (wobble), động cơ sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc và một số loại đặc biệt khác.
Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Hệ thống đƣợc giới thiệu trong [9, 21] ở hình 1.2 đƣợc coi là một trong những vi động cơ bƣớc quay đầu tiên đƣợc thiết kế. Cùng với thời gian, cấu trúc các vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện ngày càng đƣợc hoàn thiện [22]. Trong [23], các tác giả đã tiến hành phân tích đánh giá hoạt động của từng loại động cơ gồm có dẫn động mặt trên (top-drive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) và dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa (harmonic side-drive) (hình 1.10).
Cố định Di động Thanh trƣợt Dẫn hướng Dẫn hướng Khe = 1.5 m Cơ cấu dẫn động Thanh trượt Cánh FL Khe hở = 3 m p1= 10m p2= 2.5m V2 V1 Cơ cấu kẹp V1 V2
14
Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bước kiểu tĩnh điện
Vi động cơ bƣớc dẫn động mặt trên (hình 1.10a) có đƣờng kính lớn hơn hẳn so với các vi động cơ dẫn động mặt cạnh (hình 1.10b, c) – 300 m so với 100 m. Khác với hai loại còn lại dùng lực tiếp tuyến, vi động cơ bƣớc kiểu dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa sử dụng các lực tĩnh điện pháp tuyển để tạo ra chuyển động. Về mặt lý thuyết, các vi động cơ dẫn động mặt trên có mômen xoắn đầu ra lớn hơn, tuy nhiên các lực tĩnh điện tác động theo phƣơng thẳng đứng vuông góc với trục động cơ có xu hƣớng kéo rotor chạm vào stator hoặc tiếp xúc với lớp nền. Để khắc phục nhƣợc điểm này, trong [24], các tác giả đã dùng chính các lực tĩnh điện để “treo” và ổn định vị trí của rotor. Còn trong [25], nhóm nghiên cứu sử dụng các viên bi với đƣờng kính 284,50,25 m để tạo ra ổ đỡ cho rotor. Một số vi động cơ dẫn động mặt cạnh thiết kế cho một số ứng dụng đặc thù (nhƣ trong ổ cứng HDD) sẽ không cần thiết phải quay toàn vòng. Các động cơ [26], [27] chỉ lắc trong biên độ lần lƣợt là 150 và 130 ở điện áp làm việc tƣơng ứng là 65 V và 75 V.
Vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Trong các vi động cơ tĩnh điện, vấn đề quan trọng là ổn định khoảng cách vốn đã rất nhỏ giữa các bản cực. Các vi động cơ quay với rotor lắc có hoặc rotor, hoặc các cực của stator đƣợc bọc bởi lớp vật liệu cách điện có thể khắc phục vấn đề đó. Trên hình 1.11 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của một vi động cơ kiểu rotor lắc tiêu biểu [28]:
Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc
15 Chuyển động quay của rotor đƣợc tạo ra bằng cách lần lƣợt kích hoạt điện áp giữa rotor và các cực 1, 2, 3 và 4 của stator. Các vi động cơ dạng này có các ƣu điểm nhƣ cƣờng độ điện trƣờng cao, ma sát nhỏ hơn so với các vi động cơ bƣớc tĩnh điện thông thƣờng. Jacobsen là một trong những tác giả đầu tiên công bố về các vi động cơ kiểu rotor lắc. Trong [29], Jacobsen trình bày về 5 phƣơng án vi động cơ đƣợc thiết kế với đƣờng kính rotor trong khoảng 0,11 mm, chiều dài 120 mm, điệp áp dẫn 100300 V và số vòng quay từ 300100000 vòng/phút. Nhƣ trên hình 1.11, với các cực của stator bố trí xung quanh rotor và các thành phần của động cơ chỉ hoạt động trên cùng mặt phẳng sau khi đƣợc gia công bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt, việc kết nối động cơ với các thiết bị bên ngoài trở nên rất khó khăn. Để khắc phục nhƣợc điểm đó, Furuhata trong [30] giới thiệu vi động cơ với rotor ở bên ngoài và stator cố định bên trong (hình 1.12).
Hình 1.12 Các phương án bố trí rotor và stator
Để tăng công suất truyền lực của các vi động cơ loại này, ngoài phƣơng án giảm khoảng cách giữa các bản cực, còn giải pháp tăng diện tính của các bản cực, hay nói một cách khác, là tăng kích thƣớc của rotor hoặc stator. Nếu không sử dụng các loại vật liệu nhƣ nhôm, đồng [28-30], thì một trong các giải pháp là gia công trên silic bằng công nghệ LIGA [31] để thu đƣợc cấu trúc có chiều sâu 5001000 m. Giải pháp khác là thiết kế các động cơ với hai stator [31-32], hoặc với rotor có dạng ren vít [33-34]*
(* đây là vi động cơ có rotor quay nhƣng để thực hiện các dịch chuyển tịnh tiến).
Sử dụng rotor có dạng hình nón [28], hoặc dạng đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator cũng góp phần làm tăng mômen xoắn do có phần chồng giữa rotor và stator lớn hơn, giảm ma sát, tăng khả năng tích hợp của các vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc [35-36].
16
Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator
Trên hình 1.13 là vi động cơ có rotor đƣờng kính 2 mm, hoạt động trong dải điện áp 2080 V, vận tốc tối đa 7800 vòng/phút và có công suất 1 W - tƣơng đƣơng công suất của động cơ đồng hồ đeo tay.
Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược:
Theo Min-Hang Bao [4], vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành ECA này là một trong những loại động cơ phù hợp với công nghệ MEMS nhất, kể cả về mặt chế tạo cũng nhƣ ứng dụng. Các vi động cơ loại này tiếp tục đƣợc chia thành hai nhóm: dẫn động trực tiếp và dẫn động gián tiếp.
Hình 1.14 Vi động cơ TRA
Trong nhóm đầu tiên tiêu biểu là các vi động cơ răng cóc xoắn (torsional racheting motor), đƣợc phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Sandia [37-39]. Động cơ này sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành răng lƣợc, với các phần di động đƣợc gắn khung chính. Bốn dầm công
17 xôn có nhiệm vụ đỡ khung đồng thời là lò xo xoắn hồi vị. Cơ cấu răng cóc và lẫy chống đảo có nhiệm vụ đảm bảo chuyển động quay một chiều của vành răng với đƣờng kính 750 μm bên ngoài (hình 1.14)
Vi động cơ TRA đƣợc gia công bằng quy trình SUMMiT. Đây là quy trình phức tạp, với nhiều bƣớc sử dụng công nghệ vi cơ bề mặt. Dƣới điện áp dẫn 0140 V, lực tác động tƣơng ứng nằm trong dải 0120 N.
Ở nhóm thứ hai, năm 1995, Garcia và Sniegowski giới thiệu về vi động cơ [40], trong đó chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA đƣợc biến đổi thành chuyển động quay của rotor nhờ cơ cấu xilanh kép (hình 1.15). Bằng cách điều khiển hoạt động của các bộ ECA, động cơ có thể đổi chiều quay. Đƣợc chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, động cơ đạt đƣợc vận tốc lên đến 200.000 vòng/phút, và đã đƣợc ứng dụng để dẫn động hệ bánh răng, hệ màn chập [41-42]…
Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép
Cũng sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc, nhƣng động cơ do Sammoura thiết kế chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm) [43]. Tám bộ vi kích hoạt/dẫn động kiểu GCA (gap closing actuator) đƣợc bố trí bên ngoài đĩa rotor với đƣờng kính 200 m, trong đó 4 bộ GCA đóng vai trò kẹp và 4 bộ còn lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm. Với nguyên lý làm việc khác, Abraham Lee sử dụng chuyển động tịnh tiến qua lại của các bộ ECA để thông qua cần tạo ra dao động và làm rotor quay với vận tốc có thể lên tới 60000 vòng/phút [44].
Một số loại vi động cơ tĩnh điện quay khác:
Năm 2002, Linderman giới thiệu vi động cơ sử dụng các bộ kích hoạt/chấp hành SDA ứng dụng để thiết kế các quạt quay kích cỡ micro [45]. Trên hình 1.16 là sơ đồ hoạt động của hệ thống. Bản cực di động sẽ bị hút xuống lớp nền và chuyển động khi đóng và ngắt điện
18 áp tác dụng giữa hai bản cực. Động cơ hoạt động với dải điện áp 30150 V và đạt đƣợc vận tốc 180 vòng/phút.
Hình 1.16 Vi động cơ SDA
Ngoài ra, cũng có các phƣơng án vi động cơ tĩnh điện khác đƣợc công bố nhƣ vi động cơ dạng điện hoa (micro corona motor) [46], vi động cơ bƣớc dạng chêm (wedge step motor) [47].
Nhìn chung, các vi động cơ tĩnh điện có ƣu điểm là có tính tƣơng tích cao, có thể sinh ra lực cũng nhƣ mômen lớn. Đây là nhóm động cơ đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ MEMS.