L ỜI CẢM ƠN
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
1.3 Vi chấp hành kiểu điệnnhiệt
a) Định nghĩa và phân loại
Vi chấp hành điện nhiệt sử dụng hiệu ứng nhiệt Joule (dòng điện đi qua một vật có
điện trở và sinh nhiệt) để tạo ra lực và chuyển vị thông qua biến dạng nhiệt của vật liệu. Loại vi chấp hành này có nhược điểm là phụ thuộc vào môi trường làm việc, tổn
hao năng lượng và nhiệt độ làm việc khá cao, tần sốđáp ứng thấp, nhưng có ưu điểm là tạo ra lực lớn, điện áp dẫn thấp, làm việc ổn định, dễđiều khiển.
Theo đặc điểm chuyển động, chúng được chia thành hai loại: chuyển động trong mặt phẳng cấu trúc (In-plane) [37], chuyển động ra ngoài mặt phẳng cấu trúc (Out- of-plane) [38]. Các vi chấp hành chuyển động ra ngoài mặt phẳng thường có cấu trúc nhiều lớp vật liệu hoặc dạng không gian nên khó chế tạo bằng các công nghệ thông
thường với giá thành thấp. Vi chấp hành chuyển động trong mặt phẳng phổ biến hơn
do dễ chế tạo và tích hợp trong các hệ thống vi cơ khác nhau.
Hình 1.13 Một số cấu trúc vi chấp hành kiểu điện nhiệt a) Dạng chữ U [39]; b) Dạng chữ V [40]; c) Dạng chữ Z [41]
Theo hình dạng, các 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]. Vi chấp hành dạng chữ U tạo ra chuyển động lắc dựa trên hiệu ứng dãn nở nhiệt không đối xứng của hai nhánh dầm có nhiệt độ khác nhau, còn vi chấp hành chữ V và Z tạo ra chuyển động tịnh tiến dựa trên hiệu ứng dãn nở
nhiệt đồng đều của các dầm. Khi so sánh với dạng chữU cùng kích thước và vật liệu thì dạng chữ V cho chuyển vị lớn hơn tại cùng một nhiệt độ [42]. Với cùng kích thước bao, vật liệu và điều kiện làm việc thì dạng chữ V cho chuyển vị và lực lớn hơn khi so sánh với dạng chữ Z [43]. a) c) Điện cực cố định Dầm mỏng Dầm dày Dầm nối Dầm đàn hồi b) Điện cực cố định Phương chuyển động Dầm Dầm Thanh đẩy θ Y X O
19 Như vậy, vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V chuyển động trong mặt phẳng có nhiều ưu điểm hơn so với các loại khác. Do đó, loại vi chấp hành này được ứng dụng trong nhiều thiết bị MEMS như: vi tay gắp [44], vi gương [45], thiết bị an toàn nhiệt [46], vi mô tơ tuyến tính [47], thiết bị kiểm tra vật liệu nano [48] .v.v.. Vì vậy, luận án lựa chọn vi chấp hành điện nhiệt chữ V là đối tượng để tập trung nghiên cứu.
b) Tình hình nghiên cứu ngoài nước về vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V
Các nghiên cứu gần đây liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V (EVA - Electrothermal V-shaped Actuator) tập trung vào các chủ đề chính như: mô hình toán đa trường điện-nhiệt-cơ, cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm, an toàn nhiệt và ổn định cơ.
Mô hình toán điện-nhiệt-cơ
Theo nguyên lý làm việc thì vi chấp hành điện nhiệt chữ V chuyển đổi điện năng thành cơ năng thông qua nhiệt năng. Như vậy, cần có hai mô hình toán để mô tả các quá trình chuyển đổi năng lượng là quá trình điện-nhiệt và nhiệt-cơ. Trong đó, quá
trình chuyển đổi năng lượng điện-nhiệt là rất phức tạp do sựảnh hưởng của nhiều yếu tố phi tuyến như tính chất dẫn nhiệt của vật liệu, môi trường, không gian làm việc,
kích thước của dầm nhiệt. Đây cũng là chủđề nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có nhiều công bố liên quan. Các phương pháp toán học thường
được sử dụng để mô hình hóa bản chất quá trình truyền nhiệt như: giải tích trực tiếp, sai phân hữu hạn, điểm nút, phần tử hữu hạn, mạch điện tương đương v.v...
Mô hình toán sử dụng phương pháp giải tích trực tiếp được nhiều tác giả áp dụng trong việc xác định nhiệt độ phân bố trên dầm. Trong tài liệu [49], mô hình truyền nhiệt trạng thái ởổn định dưới dạng phương trình vi phân bậc hai đã được xây dựng một cách chi tiết. Trong mô hình, tác giả có kể đến ảnh hưởng của truyền nhiệt qua khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và lớp nền. Mô hình truyền nhiệt này đã được nhiều tác giả áp dụng trong các công bốsau này như [46] và [50]. Trong [51], các tác giả đã xét đến hiện tượng mất nhiệt qua thanh đẩy ở trung tâm (shuttle). Cùng với việc sử dụng mô hình toán mô tả truyền nhiệt trên dầm ở trạng thái ổn định, trong công bố [52] đã bỏ qua hiện tượng mất nhiệt qua khe hởmà thay vào đó là hiện tượng
đối lưu trong không khí. Tuy nhiên, mô hình toán giải tích mô tả trạng thái nhiệt ổn
định đã bỏqua quá trình thay đổi nhiệt độ theo thời gian, do đó không xác định được
đáp ứng nhiệt cũng như tần số khi vi chấp hành làm việc.
Mô hình toán đầy đủhơn có xét đến quá trình tăng giảm nhiệt độ trên dầm đã được
đề xuất trong [47]. Trong đó các tác giảđã xây dựng mô hình truyền nhiệt dưới dạng
phương trình đạo hàm riêng trên cơ sở các giả thiết như: bỏ qua hiện tượng đối lưu,
bức xạ nhiệt và mất nhiệt qua thanh đẩy. Mô hình được sử dụng để xác định tần số
làm việc của vi chấp hành cũng như vận tốc lớn nhất của vi mô tơ tuyến tính. Một mô hình truyền nhiệt tương tự đã được trình bày chi tiết trong [53], thêm vào đó hiện
20 tượng mất nhiệt qua thanh đẩy đã được các tả giả kể đến. Mô hình đãđược sử dụng
để khảo sát ảnh hưởng của các tham số kích thước đến đáp ứng nhiệt của vi chấp hành. Tuy nhiên, dạng mô hình này chỉ phù hợp khi các tính chất vật liệu như hệ số
truyền nhiệt, điện trở suất, nhiệt dung riêng là hằng số hoặc thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ. Vì vậy, phương pháp giải tích trực tiếp chỉ có thể áp dụng trong một số trường hợp như: khoảng nhiệt độtính toán thay đổi nhỏkhi đó coi các hệ số nhiệt của vật liệu là hằng số, dự đoán và đánh giá một cách gần đúng quy luật ảnh hưởng của các kích thước và hệ số nhiệt của vật liệu đến quy luật phân bố nhiệt độ và thời gian
đáp ứng nhiệt.
Để có thểxác định quy luật phân bố nhiệt độ trên dầm chính xác hơn, phương pháp
sai phân hữu hạn đã được sử dụng trong một số công bố liên quan đến vi chấp hành dạng chữ V trong các công bố [54] và [55]. Đây là phương pháp tính toán rời rạc
nhưng lại rất hiệu quả đối với mô hình truyền nhiệt một chiều cho hệ dầm chữ V.
Phương pháp này khắc phục các tồn tại của phương pháp giải tích trực tiếp như: giảm
độ phức tạp của các phép tính, có thể kểđến sựthay đổi của tính chất vật liệu theo nhiệt độ, phù hợp với tính toán số và cho độ chính xác khá cao đối với bài toán truyền nhiệt một chiều trong dầm mảnh như hệ dầm chữ V. Phương pháp sai phân hữu hạn
cũng có thể mô tả hai trạng thái truyền nhiệt trong một dầm mảnh là trạng thái ổn
định và không ổn định. Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào việc phân chia số phần tử, nếu số phần tử nhỏ có thể giảm số phương trình và thời
gian tính toán nhưng lại cho kết quảcó độ chính xác thấp, nhưng nếu số phần tử quá lớn lại tăng số phương trình và thời gian tính toán. Do đó, số phần tử cần được lựa chọn một cách phù hợp đảm bảo đồng thười độ chính xác và thời gian tính toán.
Đây là hai phương pháp chính được dùng để xây dựng mô hình truyền nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V. Bên cạnh đó còn một sốphương pháp khác cũng được sử dụng như: phương pháp điểm nút [56], phương pháp mạch điện tương đương [57].
Hai phương pháp này đều xuất phát từ phương pháp giải tích trực tiếp và mang ưu điểm và nhược điểm của phương pháp giải tích.
Qua việc phân tích và đánh giácác phương pháp toán học được sử dụng để mô tả
quá trình truyền nhiệt cho vi chấp hành điện nhiệt chữV, phương pháp sai phân hữu hạn có ưu điểm nổi trội ở chỗ: phù hợp với tính toán số, có thể kểđến sựthay đổi phi tuyến của các tính chất vật liệu theo nhiệt độ, có độchính xác khá cao. Do đó, phương
pháp sai phân hữu hạn được lựa chọn đểxác định phân bố nhiệt, sựthay đổi nhiệt độ
theo thời gian trên dầm chữ V, lực dãn nở nhiệt và chuyển vị của thanh đẩy trong
chương 3 và chương 4 của luận án.
Vấn đề an toàn nhiệt và mất ổn định dọc dầm
Để vi chấp hành điện nhiệt chữ V cho lực dẫn và chuyển vị lớn cần tăng điện áp dẫn, điều này dẫn đến nhiệt độ trên dầm sẽ tăng theo. Đối với các vật liệu dùng để
21 nhiệt độ ngưỡng thì độ bền của vật liệu giảm hoặc bị nóng chảy. Do đó, điều kiện an toàn nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng nhằm tránh làm hỏng thiết bị trong quá trình vận hành và tăng tuổi thọ phục vụ của thiết bị. Trong [58] các tác giảđã xây dựng quan hệ phi tuyến biến dạng-chuyển vị và công thức tính ứng suất lớn nhất trên dầm, từđó xác định nhiệt độ và điện áp giới hạn để tránh hiện tượng phát sinh biến dạng dẻo. Trong [47] các tác giảcũng đã đưa ra giới hạn nhiệt độđể tính toán thiết kếvi mô tơ
tịnh tiến dẫn động vi chấp hành điện nhiệt chữ V nhằm tránh hiện tượng quá nhiệt. Vấn đề an toàn nhiệt cho tay gắp khi thao tác với các mẫu vật đã được xác định trong [59], để giảm nhiệt độ cho tay gắp tác giảđã đề xuất giải pháp tích hợp các cánh tản nhiệt trên thanh đẩy.
Hình 1.14 Hiện tượng mất ổn định dọc trục dầm
Vấn đề mất ổn định dọc trục dầm như mô tả trên Hình 1.14 sẽ làm giảm khảnăng
dẫn động và giảm chuyển vị trong quá trình làm việc của vi chấp hành điện nhiệt kiểu chữ V. Trong quá trình thiết kếvà đo đạc thực nghiệm vi mô tơ quay dẫn động bằng vi chấp hành V-shaped [60], vấn đề mất ổn định dầm đã được đưa ra đểđánh giá khả năng làm việc của thiết bị. Khi thiết kế và đo đạc hệ định vị micro sử dụng vi chấp hành chữ V [61], vấn đềổn định đã được đề cập khi đánh giá chất lượng chuyển vị
của hệ thống. Trong thiết kế thiết bị kiểm thử vật liệu nano [62], ổn định dọc dầm là một trong những tiêu chuẩn được dùng trong quá trình tính toán thiết kế nhằm tăng
khảnăng gia tải cho mẫu vật. Tuy nhiên, các công bố này chủ yếu tập trung vào hiện
tượng mất ổn định theo phương vuông góc với mặt phẳng cấu trúc (out-of-plane) cho loại vi chấp hành chế tạo bằng phương pháp phủ bề mặt có chiều dày nhỏhơn chiều rộng dầm. Thêm vào đó, mối quan hệ giữa các điện áp giới hạn theo điều kiện mất ổn
định cơ và an toàn nhiệt chưa có công bốnào đề cập đến một cách rõ ràng.
Từ việc tổng hợp, thảo luận và đánh giá như trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu trên các vấn đềnhư: Xây dựng mối quan hệ giữa điện áp giới hạn với kích thước dầm
như chiều dài và chiều rộng theo điều kiện an toàn nhiệt và theo điều kiện mất ổn
định dọc dầm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng cấu trúc) đối với vi chấp hành chữ V được chế tạo bằng công nghệ SOI-MEMS; Xây dựng quan hệ giữa các kích thước dầm theo điều kiện an toàn cho vi chấp hành khi làm việc trong điều kiện tải lớn hoặc quá tải (điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ nhỏhơn điện áp giới hạn theo điều kiện an toàn nhiệt).
Cải thiện chuyển vị và tối ưu kích thước dầm
Vấn đề tối ưu kích thước dầm cho vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một ý tưởng nghiên cứu đã được nhiều tác giả nhắc đến trong các công bố của mình. Mục đích của tối ưu chính là tìm một hoặc một số bộkích thước nhằm thỏa mãn một hoặc một số
chỉ tiêu như chuyển vị lớn nhất, lực dẫn lớn nhất, kích thước nhỏ nhất. Trong đó chỉ
22 tiêu chuyển vị lớn nhất có ý nghĩa rất lớn đối với việc giảm điện áp dẫn cũng như
giảm công suất tiêu thụ của vi chấp hành.
Chính vì vậy, vấn đề cải thiện chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt chữ V là một trong những chủđề thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS. Để tăng chuyển vị của “cánh tay” trong thiết bị an toàn nhiệt (safety-and- arming device), các cánh tay đòn đã được sử dụng nhằm khuếch đại chuyển vị của các vi chấp hành [46]. Một loại vi chấp hành kết hợp từ hệ gồm bốn cặp dầm chữ V và một bộ dầm chữ U với mục đích tăng chuyển vị và giảm công suất đã được đề xuất trong công bố [63]. Ý tưởng sử dụng vật liệu SU-8 để chế tạo vi chấp hành điện nhiệt chữ V dẫn động vi tay gắp nhằm giảm điện áp và chuyển vị lớn đã được giới thiệu trong các tài liệu [64], [65]. Hoặc có thể áp dụng một phương pháp chế tạo hoàn toàn mới là in
3D để có thể tạo ra các vi chấp hành từ vật liệu là kim loại có điện trở suất thấp và dãn nở nhiệt lớn như trong [66]. Nhược điểm của đề xuất thêm cánh tay đòn và kết hợp với dầm chữ U sẽlàm tăng kích thước của hệ thống, còn việc sử dụng vật liệu mới và cải tiến quy trình hoặc áp dụng quy trình mới sẽlàm tăng giá thành sản phầm.
Để khắc phục các nhược điểm này, một phương pháp tiếp cận khả dĩ hơn là sử
dụng các thuật toán để tối ưu kích thước. Phương pháp nàyđã được áp dụng vào một số nghiên cứu trong thời gian gần đây. Với mục đích tăng độ bền cho vi chấp hành tại chuyển vị lớn thông qua giảm ứng suất tập trung, một bộ vi chấp hành chữV đã được tối ưu kích thước bằng thuật toán gien di truyền (GA - Genetic Algorithm) được trình bày trong công bố [67]. Thuật toán bầy đàn (PSO - Particle Swarming Optimation) cũng đã được áp dụng để tối ưu kích thước dầm theo mục tiêu giảm thiểu nhiệt truyền ra môi trường như trong công bố [68]. Tuy nhiên, các công bố này chỉ
sử dụng các mô hình truyền nhiệt tương đối đơn giản, chưa kểđến tính phi tuyến của vật liệu cũng như chưa có các ràng buộc theo điều kiện bền nhiệt và ổn định cơ. Điều này sẽ giới hạn khảnăng ứng dụng của các vi chấp hành đã được tối ưu trong những thiết bị có yêu cầu cao vềđiều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ. Do đó, luận án sẽ sử
dụng thuật toán tối ưu bầy đàn xác định bộkích thước dầm hợp lý vừa cho chuyển vị
lớn nhất đồng thời thỏa mãn điều kiện an toàn nhiệt và ổn định cơ. Thuật toán này có một sốưu điểm như ít tham số, hội tụ nhanh và phù hợp với mô hình toán và yêu cầu của bài toán tối ưu mà luận án đề ra.
Bên cạnh đó, còn một số chủđểđược quan tâm nghiên cứu hiện nay và có thể trở thành xu hướng nghiên cứu trong tương lai liên quan đến vi chấp hành điện nhiệt bao gồm: độổn định của hệvi cơ [69], phân tích động lực học [70], áp dụng phương pháp
chế tạo mới [71].
c) Tình hình nghiên cứu trong nước
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tiến Dũng [72] là một công trình tiêu biểu liên
quan đến vi chấp hành điện nhiệt chữV. Trong đó, tác giảđã đề xuất thiết kế cấu trúc và hệđiều khiển vi động cơ quay dẫn động bằng vi chấp hành chữ V. Đểxác định sự
23 phân bốcũng như đáp ứng nhiệt độ trên dầm tác giảđã sử dụng mô hình giải tích, sử
dụng hệphương trình trạng thái và kết hợp mô phỏng bằng mô đun SIMSCAPE trong
MATLAB. Vi động cơ đã được chế tạo thành công và qua thí nghiệm đo đạc đã chứng