7. Bố cục của luận án
4.5Kết luận chương 4
Chương 4 đã 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 sở đó, áp dụng thuật toán tối ưu để xác định bộ kích thước dầm hợp lý. Một số kết quả đạt 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 để đánh 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 vị Y của vi chấp hành là rất đáng kể và trong đó tồn tại các cực trị cho chuyển vị lớn nhất. Theo đó, thuật toán tối ưu bầy đàn đã được áp dụng để xác định bộ kích 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 chấp hành điện
107 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 thể xác 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 số kích 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 số như độ cứng, khối lượng và cản không khí trong mô hình động lực học tương đương đã 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 fC theo điều kiện ổn định chuyển vị cho trường hợp xung vuông đã được đề xuất và xác định. Ảnh hưởng của các thông số kích 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 để người 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 chữ V đã được khảo sát và đánh giá. Trên cơ sở đó, 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 số đóng góp khoa học chính của luận án như sau:
- Luận án đã cung cấp hệ thống công thức xác định các tham số động lực học quy đổi như độ cứng (2.38), khối lượng (2.44) và cản không khí (2.62) trong mô hình dao động một bậc tự do 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 bộ kích thước dầm chữ V để vi chấp hành cho chuyển vị lớn đồng thời vẫn thỏa mãn các điều kiện về ổn định và an toàn kể trên. Kết quả này có ý nghĩa trong việc cung cấp phương pháp tính toán và tiêu chuẩn lý thuyết về độ ổn định và an toàn khi thiết kế cấu trúc vi chấp hành điện nhiệt chữ V 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 để đơn 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 kể đến 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 thể như vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển từ đó có thể dự đoán dải tần số làm việc hiệu quả của thiết bị.
- Mô hình truyền nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V có kể đến sự trao 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 về đặc tính kỹ thuật ảnh hưởng tới