L ỜI CẢM ƠN
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
2.4.3 Kết quả đo đạc thực nghiệm
Để có thể kiểm chứng các ưu điểm của vi chấp hành răng lược hình thang cân như
tính toán lý thuyết ở trên, hai bộ vi chấp hành RECA và TECA đã được chế tạo tại Nhật Bản với bộ kích thước như trong Bảng 2.3 theo công nghệ SOI-MEMS (xem Phụ lục A. Các hình ảnh và video chuyển vị của các bộ vi chấp hành được thực hiện tại Nhật Bản do thầy giáo hướng dẫn cung cấp. Ảnh SEM hai loại răng của các bộ vi chấp hành được trình bày trên Hình 2.21(a, c). Hình ảnh khi đo đạc bộ vi chấp hành RECA và TECA, tại giá trịđiện áp 40V, tần số 1Hz với dạng điện áp xung vuông lần
lượt như trên Hình 2.21(b, d).
Hình 2.21 Ảnh SEM khi đo đạc
(a) RECA; (b) TECA; (c) Chuyển vị của RECA (40V); (d) Chuyển vị của TECA (40V)
Chuyển vị của vi chấp hành khi thực nghiệm được lưudưới dạng hình ảnh (video),
55 khung hình (frames) ứng với điện áp 0V và điện áp cần đo. Kết quả cuối cùng của chuyển vị thực nghiệm ứng với mỗi giá trịđiện áp dẫn được lấy bằng giá trị chuyển vị trung bình của 5 lần đo khác nhau. Các kết quả chuyển vị theo tính toán và thực nghiệm của hai bộ vi chấp hành RECA và TECA tại một sốđiện áp dẫn trong khoảng từ0V đến 50V được biểu diễn như trên đồ thị Hình 2.22.
Hình 2.22 Chuyển vịtính toán và đo đạc của RECA và TECA theo điện áp
Theo đồ thị ta thấy chuyển vị lý thuyết của RECA và TECA gần như bằng nhau
khi điện áp dẫn dưới 20V. Khi tiếp tục tăngđiện áp dẫn thì sự sai khác bắt đầu xảy ra
và tăng nhanh khi điện áp vượt 40V. Tại 48V thì chuyển vị của TECA lớn gần gấp
đôi chuyển vị của RECA.
Trong trường hợp đo đạc, chuyển vị của TECA và RECA tại 20V là bằng nhau và chuyển vị của TECA lớn hơn hẳn của RECA khi điện áp lớn hơn giá trị này. Khi tăng điện áp thì độ chênh lệch chuyển vịtăng lên. Tại 50V là 7µm, và chuyển vị của TECA lớn hơn 1,78 lần so với chuyển vị của RECA.
Nguyên nhân là tại điện áp nhỏ chuyển vị của TECA chưa đáng kể do khe hở ban
đầu g02còn lớn, khi chuyển vị lớn hơn 5µm thì khe hở giữa hai bản tụ giảm xuống và lực dẫn tăng nhanh hơn của RECA (Hình 2.19). Chuyển vị của TECA lớn hơn còn
do sốrăng di động (154 răng) lớn hơn của RECA (134 răng) khi có cùng một chiều dài của khung ngang mang răng lược. Một nguyên nhân quan trọng nữa là do diện tích chồng nhau của hai bản tụtăng và làm tăng lực hút theo phương pháp tuyến Fn
dẫn đến lực tổng Fettăng theo phương chuyển vị yt.
Như vậy, chuyển vị của TECA có quan hệ phi tuyến với điện áp, điều này làm cho việc điều khiển chuyển vị theo giá trị điện áp đặt vào là tương đối khó khăn. Tuy nhiên với ưu điểm cho lực dẫn lớn điện áp dẫn thấp, TECA có thể được ứng dụng trong các thiết bị không cần độ chính xác cao về chuyển vị như bộ vi chuyển mạch
0 5 10 15 20 25 0 10 20 30 40 50 C huy ển vị y (µm) Điện áp U(V)
TECA. lý thuyết TECA. đo đạc RECA. lý thuyết RECA. đo đạc
56 đểtăng lực tiếp xúc, các vi tay gắp đểtăng lực kẹp, hoặc dẫn động vi mô tơ quay và
vi mô tơ tịnh tiến qua cơ cấu răng cóc để giảm điện áp dẫn.
Tuy nhiên, các kết quảđo đạc chuyển vị của hai bộ vi chấp hành đều nhỏhơn so
với kết quảtính toán, đặc biệt là tại các điện áp lớn thì sai số càng tăng. Nguyên nhân của sự sai khác này có thểđược chỉra như sau:
Thứ nhất, trong tính toán ta bỏ qua quan hệ phi tuyến giữa biến dạng và chuyển vị
(tính phi tuyến của độ cứng);
Thứ hai, sai số của quá trình đo đạc;
Thứ ba, sự sai khác của kích thước thực so với kích thước thiết kế do hiện tượng ăn
mòn cạnh khi chế tạo (side etching) [34].
Đối với vi chấp hành TECA khi tính toán, giá trịđiện áp cho nghiệm hội tụlà dưới 48V, với các giá trịđiện áp lớn hơn thì có hiện tượng nghiệm không hội tụ. Đồng thời trong quá trình tiến hành đo đạc khi đặt điện áp trên 50V thì xảy ra hiện tượng chập bản tụ và hư hỏng thiết bị như Hình 2.23.
Hình 2.23 Hiện tượng hỏng của TECA khi đo đạc tại điện áp trên 50V
Như vậy, các kết quảtính toán và đo đạc đã minh chứng cho ưu điểm nổi trội của vi chấp hành TECA là cho lực dẫn cũng như chuyển vị lớn hơn hẳn so với vi chấp hành răng lược truyền thống. Tuy nhiên, hiện tượng chập bản tụ có thể coi là một hạn chế của bộ vi chấp hành TECA, hiện tượng này gây mất ổn định và hư hỏng cho hệ
thống. Nguyên nhân, cách xác định giới hạn làm việc và cách khắc phục hiện tượng này sẽđược trình bày kỹhơn trong mục 2.4.4 của luận án.