L ỜI CẢM ƠN
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
4.5 Kết luận chương 4
Chương 4đã 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 cơ sởđó, áp dụng thuật toán tối
ưu đểxác định bộkích thước dầm hợp lý. Một số kết quảđạt được như sau:
Các điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định dọc trục dầm, điều kiện an toàn nhiệt đã được xác định và 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 này cung cấp cho
người thiết kế vi chấp hành điện nhiệt chữ V các công thức lý thuyết đểđánh giá và
lựa chọn kích thước dầm đảm bảo điều kiện làm việc ổn định và an toàn.
Ảnh hưởng của các kích thước dầm (L, w và θ) đến chuyển vịY của vi chấp hành là rất đáng kểvà trong đó tồn tại các cực trị cho chuyển vị lớn nhất. Theo đó, thuật toán tối ưu bầy đàn đã được áp dụng đểxác định bộkích thước dầm hợp lý. Với bộ kích
thước dầm tối ưu, vi chấp hành cho chuyển vị lớn (tăng 22% so với bộ kích thước không tối ưu tại cùng điện áp) đồng thời đảm bảo điều kiện làm việc an toàn. Phương pháp và kết quả tối ưu này có thể được áp dụng trong quá trình tính toán thiết kế vi
107 chấp hành điện nhiệt chữ V với mục đích tiết kiệm thời gian mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng làm việc.
Bên cạnh đó, thuật tối tối ưu bầy đàn còn có thể áp dụng với các hàm mục tiêu
khác như tần số tới hạn, điện áp dẫn, hệ số phẩm chất… để có thểxác định chi tiết kết cấu của vi chấp hành điện nhiệt chữ V.
Nội dung của chương này đã có một bài báo được chấp nhận đăng trong tuyển tập hội nghị quốc tế ICOMMA 2020 thuộc danh mục SCOPUS (bài báo số 6 trong danh mục các công trình).
108
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Chất lượng làm việc của vi chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính kỹ thuật của vi hệ thống mà trong đó các vi chấp hành này đảm nhiệm vai trò cung cấp cơ năng (lực hay mô men). Việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông sốkích thước đến chất lượng làm việc của hai loại vi chấp hành phổ biến trên có ý nghĩa quan trọng trong quá trình tính toán và thiết kế
các hệ thống vi cơ như vi mô tơ, vi tay gắp hay vi vận chuyển... Là cơ sở để có thể đưa ra các giải pháp nâng cao chuyển vị, đảm bảo tính ổn định và an toàn khi làm việc của hệ thống vi cơ.
Các nội dung chính mà luận án đã thực hiện được tóm tắt lại như sau:
- Hệ thống công thức lý thuyết tính các thông sốnhư độ cứng, khối lượng và cản không khí trong mô hình động lực học tương đươngđã được thiết lập (mục 2.2). Trên
cơ sở đó, giá trị tần số tới hạn đối với điện áp dạng xung vuông (23,8Hz) và xung hình sin (1kHz) đã được xác định thông qua ví dụ khảo sát mối quan hệ giữa chuyển vị và tần số của một bộ vi chấp hành tĩnh điện răng lược cụ thể.
- Hệ thống công thức lý thuyết xác định lực tĩnh điện, góc nghiêng bề mặt răng
hợp lý, điều kiện tránh hiện tượng chập bản tụ của vi chấp hành tĩnh điện răng lược hình thang cân đã được thiết lập. Các kết quả tính toán lý thuyết về chuyển vị tĩnh, ưu điểm của vi chấp hành (cho lực và chuyển vị lớn hơn vi chấp hành dạng răng lược hình chữ nhật cùng kích thước) đã được kết quả thực nghiệm kiểm chứng.
- Dựa trên mô hình toán điện-nhiệt-cơ kiểu sai phân hữu hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V, tần số tới hạn fCtheo điều kiện ổn định chuyển vị cho trường hợp xung
vuông đã được đề xuất và xác định. Ảnh hưởng của các thông sốkích thước dầm đến tần số tới hạn và hệ số phẩm chất đã được khảo sát và đánh giá. Kết quả này là cơ sở đểngười 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 nhằm đảm bảo an toàn nhiệt, ổn định dọc trục dầm của vi chấp hành điện nhiệt chữ V đã được xây dựng và xác định. Thông qua khảo sát và đánh giá, cách xác định miền kích thước đảm bảo điều kiện an toàn khi làm việc đã được đề xuất. Ảnh hưởng của kích thước dầm đến độ lớn chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt chữV đã được khảo sát và đánh giá. Trên cơ sởđó, thuật toán bầy đàn đã được áp dụng để xác định bộ kích thước dầm tối ưu của vi chấp hành nhằm đạt chuyển vị tốt nhất. Dựa trên 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% so với bộ vi chấp hành mẫu) đồng thời đảm bảo điều kiện an toàn khi làm việc.
109 Từ những nội dung nghiên cứu đã trình bày ở trên, có thể nêu ra một sốđóng góp
khoa học của luận án như sau:
- Luận án đã cung cấp hệ thống công thức xác định các tham sốđộng lực học quy
đổi nhưđộ cứng (2.38), khối lượng (2.44) và cản không khí (2.62) trong mô hình dao
động một bậc tựdo tương đương. Các công thức này cho phép nâng cao độ chính xác các kết quả tính toán chuyển vị của vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V so với các công thức truyền thống.
- Luận án đã đưa ra một quy trình tính toán dựa trên hệ thống các công thức lý thuyết đã được xây dựng nhằm giúp người thiết kế vi chấp hành MEMS kiểu tĩnh điện răng lược và điện nhiệt chữ V có thể đạt được các yêu cầu về thiết kế và chất
lượng làm việc (như tần số tới hạn, tính ổn định và an toàn, hệ số phẩm chất) một cách nhanh chóng, bài bản và có độ tin cậy cao.
- Đặc biệt đối với vi chấp hành điện nhiệt chữ V, luận án đã đề xuất và xây dựng
các điều kiện làm việc quan trọng như: ổn định cơ, ổn định nhiệt và tăng tuổi thọ khi làm việc (Um < Un). Đã sử dụng thuật toán bầy đàn tối ưu bộkích thước dầm chữ V
để vi chấp hành cho chuyển vị lớn đồng thời vẫn thỏa mãn các điều kiện vềổn định và an toàn kể trên. Kết quảnày có ý nghĩa trong việc cung cấp phương pháp tính toán và tiêu chuẩn lý thuyết vềđộ ổn định và an toàn khi thiết kế cấu trúc vi chấp hành
điện nhiệt chữV đảm bảo điều kiện an toàn khi làm việc (điện áp ổn định cơ Um nhỏ hơn điện áp ổn định nhiệt Un) nhằm nâng cao tuổi thọ cho hệ thống vi cơ.
Kiến nghị
Trong nội dung nghiên cứu của luận án còn đưa ra nhiều giả thiết đểđơn giản việc mô hình hóa tính toán và một số vấn đề mà chưa được đề cập đến. Các nội dung còn có thể tiếp tục phát triển để hoàn thiện thêm hệ thống lý thuyết tính toán cho các bộ
vi chấp hành bao gồm:
Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho vi chấp hành tĩnh điện răng lược có kểđến đồng thời tính phi tuyến của độ cứng dầm và lực tĩnh điện (ảnh hưởng của hiệu ứng viền).
Xây dựng mô hình toán động lực học của vi chấp hành tĩnh điện răng lược trong các hệ thống cụ thểnhư vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển từđó có thể dựđoán
dải tần số làm việc hiệu quả của thiết bị.
Mô hình truyền nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V có kểđến sựtrao đổi nhiệt của thanh đẩy, hiện tượng đối lưu và bức xạ nhiệt trong không khí, ảnh hưởng của khoảng cách giữa các dầm và số cặp dầm n.
Áp dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu cho cả hai bộ vi chấp hành để tìm ra các bộ kích thước thiết kế hợp lý thỏa mãn đồng thời các yêu cầu vềđặc tính kỹ thuật ảnh
110 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 bộkích thước
111
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. 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.
2. 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)
3. 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, 2020. (Index in SCOPUS)
4. Kien Trung Hoang, D. T. 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).
5. Dzung Tien Nguyen, Kien Trung Hoang, Phuc Hong Pham (2020), “Larger displacement of silicon electrothermal V-shaped actuator using surface sputtering process”, Microsyst. Technol., 2020, doi: 10.1007/s00542-020-04985-5. (ISI, IF2019 = 1.737)
6. Kien Trung Hoang, Phuc Hong Pham (2020), “Stable working condition and critical driving voltage of the electrothermal V-shaped actuator”, ICOMMA 2020
112
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đ. B. Lâm, “Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử.” Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2015.
[2] R. Yeh, S. Hollar, and K. S. J. Pister, “Single mask, large force, and large displacement electrostatic linear inchworm motors,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 11, no. 4. pp. 330–336, 2002.
[3] J. D. Grade, H. Jerman, and T. W. Kenny, “Design of large deflection electrostatic actuators,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 12, no. 3, pp.
335–343, 2003.
[4] W. A. Moussa, H. Ahmed, W. Badawy, and M. Moussa, “Investigating the reliability of electrostatic comb-drive actuators used in microfluidic and space systems using finite element analysis,” Canadian Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 27, no. 4. pp. 195–200, 2002.
[5] H. Chang et al., “A rotary comb-actuated microgripper with a large displacement range,” Microsyst. Technol., vol. 20, no. 1, pp. 119–126, 2014. [6] Y. M. Eltagoury, M. Soliman, Y. M. Sabry, M. J. Alotaibi, and D. Khalil,
“Electrostatic comb-drive actuator with high in-plane translational velocity,”
Micromachines, vol. 7, no. 10, 2016.
[7] J. Wang, Z. Yang, and G. Yan, “Silicon-on-insulator out-of-plane electrostatic actuator with in situ capacitive position sensing,” J. Micro/Nanolithography, MEMS, MOEMS, vol. 11, no. 3, pp. 1–9, Jul. 2012.
[8] W. C. Tang, T. C. H. Nguyen, M. W. Judy, and R. T. Howe, “Electrostatic- comb drive of lateral polysilicon resonators,” Sensors Actuators A. Phys., vol.
21, no. 1–3, pp. 328–331, 1990.
[9] R. Legtenberg, A. W. Groeneveld, and M. Elwenspoek, “Comb-drive actuators for large displacements,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 6, no. 3,
pp. 320–329, 1996.
[10] S. Gupta, T. Pahwa, R. Narwal, B. Prasad, and D. Kumar, “Optimizing the Performance of MEMS Electrostatic Comb Drive Actuator with Different Flexure Springs,” in Comsol Conference, 2012, no. 1, pp. 1–6.
[11] P. H. Pham, L. B. Dang, V. H. Nguyen, and V. T. Dau, “Development of new electrostatic micro cam system driven by elastic wings,” Microsyst. Technol., vol. 23, no. 12, pp. 5669–5675, 2017.
[12] P. H. Pham, L. B. Dang, and H. N. Vu, “Micro robot system with moving micro- car driven by electrostatic comb-drive actuators,” Microsystem Technologies, vol. 16, no. 4. pp. 505–510, 2010.
[13] P. H. Pham, D. V. Dao, S. Amaya, R. Kitada, and S. Sugiyama, “Straight movement of micro containers based on ratchet mechanisms and electrostatic comb-drive actuators,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 16, no. 12,
113 [14] M. A. Rosa, S. Dimitrijev, and H. B. Harrison, “Improved Operation of Micromechanical Comb-Drive Actuators through the Use of a New Angled Comb Finger Design,” J. Intell. Mater. Syst. Struct., vol. 9, no. 4, pp. 283–290, Apr. 1998.
[15] B. D. Jensen, S. Mutlu, S. Miller, K. Kurabayashi, and J. J. Allen, “Design and simulation of shaped comb fingers for compensation of mechanical restoring force in tunable resonators,” in American Society of Mechanical Engineers, Micro-Electromechanical Systems Division Publication (MEMS), 2001, vol. 3, pp. 181–184.
[16] B. D. Jensen, S. Mutlu, S. Miller, K. Kurabayashi, and J. J. Allen, “Shaped comb fingers for tailored electromechanical restoring force,” J.
Microelectromechanical Syst., vol. 12, no. 3, pp. 373–383, 2003.
[17] A. R. Kalaiarasi and S. H. Thilagar, “Design and modeling of electrostatically actuated microgripper,” in Proceedings of 2012 8th IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications, MESA 2012, 2012, pp. 7–11.
[18] J. B. C. Engelen, M. A. Lantz, H. E. Rothuizen, L. Abelmann, and M. C.
Elwenspoek, “Improved performance of large stroke comb-drive actuators by using a stepped finger shape,” TRANSDUCERS 2009 - 15th Int. Conf. Solid- State Sensors, Actuators Microsystems, no. 1, pp. 1762–1765, 2009.
[19] J. B. C. Engelen, L. Abelmann, and M. C. Elwenspoek, “Optimized comb-drive finger shape for shock-resistant actuation,” J. Micromechanics
Microengineering, vol. 20, no. 10, 2010.
[20] T. Kotani, T. Yamada, S. Yamasaki, M. Ohkado, K. Izui, and S. Nishiwaki,
“Driving force profile design in comb drive electrostatic actuators using a level set-based shape optimization method,” Struct. Multidiscip. Optim., vol. 51, no.
2, pp. 369–383, 2015.
[21] S. Kang, H. C. Kim, and K. Chun, “A low-loss, single-pole, four-throw RF MEMS switch driven by a double stop comb drive,” J. Micromechanics
Microengineering, vol. 19, no. 3, 2009.
[22] Y. Gao, Z. You, and J. Zhao, “Electrostatic comb-drive actuator for MEMS relays/switches with double-tilt comb fingers and tilted parallelogram beams,”
J. Micromechanics Microengineering, vol. 25, no. 4, 2015.
[23] I. P. F. Harouche and C. Shafai, “Simulation of shaped comb drive as a stepped actuator for microtweezers application,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 123–
124, pp. 540–546, 2005.
[24] M. Imboden, J. Morrison, E. Lowell, H. Han, and D. J. Bishop, “Controlling levitation and enhancing displacement in electrostatic comb drives of MEMS actuators,” J. Microelectromechanical Syst., vol. 23, no. 5, pp. 1063–1072, 2014.
[25] W. C.-K. Tang, “Electrostatic Comb Drive for Resonant Sensor and Actuator Applications,” Ph.D Thesis, University of California, 1990.
114 [26] Z. E. Fabrim, W. Chong, M. Martín, and P. Reimbold, “Natural vibration frequency of classic MEMS structures,” Simp. Ser. Solid Mech., vol. 1, no. 1,
pp. 288–308, 2009.
[27] S. Sundaram et al., “Vibration and shock reliability of MEMS: Modeling and experimental validation,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 21, no. 4,
2011.
[28] A. M. Elshurafa, K. Khirallah, H. H. Tawfik, A. Emira, A. K. S. A. Aziz, and
S. M. Sedky, “Nonlinear Dynamics of Spring Softening and Hardening in Folded-MEMS Comb Drive Resonators,” J. Microelectromechanical Syst., vol.
20, no. 4, pp. 943–957, 2011.
[29] J. Han et al., “Vibration Identification of Folded-MEMS Comb Drive Resonators,” Micromachines, vol. 9, no. 8, p. 381, 2018.
[30] B. Borovic, F. L. Lewis, A. Q. Liu, E. S. Kolesar, and D. Popa, “The lateral instability problem in electrostatic comb drive actuators: Modeling and feedback control,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 16, no. 7, pp.
1233–1241, 2006.
[31] B. D. Truong, C. P. Le, and E. Halvorsen, “On the lateral instability analysis of MEMS comb-drive electrostatic transducers,” Sensors (Switzerland), vol.
19, no. 17, 2019.
[32] G. Zhou and P. Dowd, “Tilted folded-beam suspension for extending the stable travel range of comb-drive actuators,” J. Micromechanics Microengineering,
vol. 13, no. 2, pp. 178–183, 2002.
[33] M. Olfatnia, S. Sood, J. J. Gorman, and S. Awtar, “Large stroke electrostatic comb-drive actuators enabled by a novel flexure mechanism,” J.
Microelectromechanical Syst., vol. 22, no. 2, pp. 483–494, 2013.
[34] P. H. Phuc and L. B. Dang, “Influence of the side etching effect in DRIE on performance of electrostatic linear comb-drive actuators,” Microsyst.
Technol., 2017.
[35] P. Hong, P. Khoa, T. Nguyen, and L. Bao, “Design and performance of a high loading electrostatic micro linear motor,” Microsyst Technol, vol. 21, no. 11,
pp. 2469–2474, 2014.
[36] Đ. V. Hiếu, “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng trong chế tạo các cấu trúc nano.” Luận án tiến sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2021.
[37] R. Venditti, J. S. H. Lee, Y. Sun, and D. Li, “An in-plane, bi-directional electrothermal MEMS actuator,” J. Micromechanics Microengineering, vol.