97
4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả
Sau khi chế tạo, các chip đƣợc đo đạc thông qua hệ thống đo để kiểm tra khả năng hoạt động và các đặc tính. Việc đo đạc trực tiếp các thơng số và đặc tính (chuyển vị, vận tốc, vận tốc góc,…) là tƣơng đối khó khăn, địi hỏi thiết bị chun dụng. Để việc đo đạc phù hợp với điều kiện thực tế, việc thu thập và xử lý kết quả đo đƣợc thực hiện theo quy trình sau:
+ Đầu tiên thơng qua kính hiển vi, camera (có độ phân giải đạt u cầu) ghi lại tồn bộ q trình hoạt động của các vi động cơ dƣới dạng hình ảnh và video (hình 4.20).
+ Sau đó các dữ liệu hình ảnh và video đƣợc chạy trên phầm mềm của máy tính để ghi lại các thay đổi trên các khung hình (frames), từ đó xác định đƣợc chuyển vị trong các vi động cơ. Từ các dữ liệu video thu đƣợc đồng thời có thể tiến hành tính tốn vận tốc góc trong hệ thống. + Căn cứ trên các số liệu thu thập đƣợc, ngƣời thiết kế có những phân tích, đánh giá về khả năng làm việc của hệ thống. Từ những điểm chƣa đạt yêu cầu có thể đề xuất biện pháp cải tiến và khắc phục cho những bƣớc tiếp theo.
Hình 4.20 Chip được kích điện, đo đạc và quay phim thơng qua kính hiển vi 4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1
a. Tính vận tốc góc lý thuyết của vi động cơ
Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor của vi động cơ quay một vòng đƣợc là:
740 37 (phút ) 60. . 60. . 3. . z t i f i f i f (4.7)
98 Với z = 740 là số răng cóc của vành răng, f tần số của dòng điện dẫn và các số nguyên i = 1, 2,… phụ thuộc vào thanh răng cóc dẫn (điện áp càng lớn thì chuyển vị bƣớc càng lớn). Trong trƣờng hợp đang xét có i=2, do đó vận tốc góc của động cơ là:
1 3 . . 6 ( v/p h ) 3 7 3 7 i f f n t (4.8)
Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 1
Với mục đích kiểm tra hoạt động của vi động cơ, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc đặt vào các cực của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc. Tần số dòng điện đƣợc điều chỉnh từ 1 đến 100 Hz. Hình 4.21 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của động cơ. Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dịng điện dẫn đƣợc so sánh với tính tốn lý thuyết trong bảng 4.1 và đồ thị hình 4.22.
Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,80 10 1,62 1,59 20 3,24 2,91 30 4,86 4,32 40 6,48 5,64 50 8,10 6,01
99
Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
b. Đánh giá đặc tính
Qua đồ thị 4.22 thiết lập đƣợc ở trên, ta thấy khi tần số của dịng điện kích hoạt f nhỏ hơn 30 Hz, vận tốc góc n của vi động cơ tỷ lệ thuận với tần số f và phù hợp với các tính toán lý
thuyết. Nhƣng ở dải tần số lớn hơn, vận tốc góc thực tế đo đạc bắt đầu có sự sai số với vận tốc góc lý thuyết. Khi tần số f càng tăng thì sai số càng lớn. Có thể giải thích ngun nhân của hiện tƣợng này nhƣ sau: Độ cứng của dầm đỡ hệ điện cực của bộ kích hoạt/chấp hành ECA và độ cứng lị xo răng cóc dẫn là khác nhau, do đó với tần số dịng điện lớn (f > 30 Hz) thì khả năng đáp ứng của lị xo sẽ chậm hơn cổ đàn hồi (nghĩa là khi cổ đàn hồi về vị trí cũ thì lị xo chƣa kịp bung ra để dẫn động cho chu kỳ tiếp theo) dẫn tới sự trƣợt trong dẫn động từ răng cóc dẫn sang răng cóc bị dẫn. Sự trƣợt này sẽ tăng dần theo sự tăng của tần số dòng điện. Một nguyên nhân khác ảnh hƣởng đến vận tốc của vi động cơ là các khe hở trong cơ cấu truyền chuyển động.
4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2
a. Cách thức tiến hành xử lý dữ liệu
Tƣơng tự nhƣ đối với vi động cơ kiểu 1, điện áp chu kỳ (Vpp = 80 V) đƣợc sử dụng. Tần số dẫn đƣợc thay đổi từ 1 đến 100 Hz. Trên hình 4.23 là hình ảnh chụp từ video hoạt động của vi động cơ.
Kết quả đo đạc thu đƣợc ứng với sự thay đổi của tần số dịng điện dẫn đƣợc so sánh với tính tốn lý thuyết trong bảng 4.2 và đồ thị hình 4.24. 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số dịng điện dẫn(Hz) Lý thuyết Đo đạc
100
Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 2
Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc vi động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80 V)
Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết (v/ph) Vận tốc góc đo đạc (v/ph) 1 0,16 0,15 5 0,81 0,81 10 1,62 1,60 20 3,24 3,12 30 4,86 4,46 40 6,48 6,10 50 8,10 6,85
Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dịng điện dẫn (Vpp = 80 V)
0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tố c gó c (v /p h) Tần số (Hz) Lý thuyết Đo đạc
101
b. Đánh giá đặc tính
Qua đồ thị trên hình 4.24 có thể thấy phƣơng án cải tiến trong thiết kế cho phép vi động cơ kiểu 2 hoạt động với vận tốc góc lớn hơn và sát với vận tốc góc lý thuyết hơn động cơ kiểu 1. Tại tần số dẫn 30 Hz, khi ở vi động cơ kiểu 1 đã bắt đầu xuất hiện sai lệch giữa kết quả đo đạc và kết quả tính tốn lý thuyết, thì vi động cơ kiểu 2 vẫn có vận tốc quay đạt yêu cầu. Đồ thị 4.25 cho phép so sánh trực tiếp vận tốc làm việc của hai loại động cơ.
Hình 4.25 So sánh vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80 V)
Từ đồ thị 4.25 có thể thấy nhờ các thay đổi trong cơ cấu truyền chuyển động với mục tiêu đảm bảo trạng thái tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn và vành rotor bên ngồi, vi động cơ kiểu 2 hoạt động tốt hơn so với vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo đạc chỉ bắt đầu lệch với kết quả tính tốn khi tần số dịng điện dẫn vƣợt quá 40 Hz. Cũng có thể thấy, tuy có cải thiện trong kết cấu, nhƣng vẫn tồn tại khe hở 2 µm mỗi bên giữa cấu trúc liên kết với dầm chính của bộ ECA và cấu trúc liên kết với thanh răng cóc dẫn trong cơ cấu truyền chuyển động của động cơ kiểu 2, do đó chuyển động của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc khơng đƣợc truyền trực tiếp để dẫn động vành răng bên ngồi. Điều này góp phần gây nên hiện tƣợng trƣợt giữa các răng ở các tần số dẫn lớn. Phƣơng án vi động cơ kiểu 3 với thanh răng cóc dẫn liên kết trực tiếp với dầm chính của bộ kích hoạt/chấp hành đƣợc thiết kế nhằm khắc phục nhƣợc điểm đó.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 V ận tốc gó c ( v/ph ) Tần số (Hz) Vận tốc góc lý thuyết Vận tốc góc mơ tơ kiểu 1 Vận tốc góc mơ tơ kiểu 2
102
4.6 Kết luận chƣơng 4
- Trong chƣơng này tác giả đã tiến hành:
+ Xây dựng bản vẽ chế tạo mặt nạ chủ (MASK) bằng phần mềm L-Edit. Nguyên lý xây dựng bản vẽ đã đƣợc mô tả chi tiết. Các bản vẽ hệ thống vi động cơ đƣợc xây dựng dƣới dạng mô đun và lớp, có tính kế thừa, giúp cho việc sửa chữa và cải tiến đƣợc thuận tiện. Việc xây dựng bản vẽ tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của cơng nghệ MEMS, đảm bảo tính chính xác và khả thi cho việc làm mặt nạ.
+ Thiết lập qui trình gia cơng các vi động cơ sử dụng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micromachining) bằng q trình quang khắc, ăn mịn khơ ion hoạt hóa sâu DRIE và ăn mịn bằng hơi axit HF. Qui trình chế tạo vi động cơ bằng phƣơng pháp gia công vi cơ khối là một qui trình chuẩn, dễ thực hiện và có độ ổn định cao, đồng thời đảm bảo độ chính xác khi chế tạo. Do chỉ sử dụng 1 mặt nạ nên tránh đƣợc sai số căn chỉnh, góp phần hạ chi phí chế tạo các vi động cơ.
+ Đo đạc, đánh giá dựa trên kiểm tra qua thiết bị hiển vi điện tử quét. Kết quả cho thấy các chip đƣợc chế tạo thỏa mãn các yêu cầu thiết kế.
+ Đo đạc, thiết lập đặc tính và đánh giá hoạt động của hai loại vi động cơ quay kiểu 1 và 2. Kết quả cho thấy các hoàn thiện về mặt kết cấu đã có tác dụng tốt. Các kết quả đo đạc thực nghiệm của động cơ loại 2 sát với các kết quả lý thuyết hơn so với động cơ loại 1.
103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Luận án bao gồm bốn chƣơng, tập trung lần lƣợt vào các nội dung về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện, tính tốn thiết kế ba loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lƣợc và thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các vi động cơ. Trong luận án, các vi động cơ đƣợc đƣợc hệ thống hóa dựa trên hoặc dạng chuyển động đầu ra (động cơ quay hoặc động cơ tịnh tiến), hoặc hiệu ứng đƣợc sử dụng để dẫn động (hiệu ứng tĩnh điện, điện từ, nhiệt điện, áp điện, hợp kim nhớ hình và một số loại đặc biệt khác). Qua phân tích về cấu trúc, quy trình chế tạo và ƣu nhƣợc điểm của các loại động cơ, tác giả lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu là các vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng tĩnh điện , cụ thể là các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc. Cơng nghệ chế tạo đi kèm là công nghệ vi cơ khối, sử dụng một mặt nạ để gia công trên phiến silic kép SOI.
Việc thiết kế các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc đƣợc tiến hành dựa trên cơ sở lý thuyết tĩnh điện. Hiệu ứng viền (fringe effect) và ảnh hƣởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện cũng đƣợc phân tích làm rõ. Có thể thấy rằng dƣới ảnh hƣởng của hiệu ứng viền, lực tĩnh điện sinh ra trong bộ kích hoạt/chấp hành sẽ tăng lên đáng kể về mọi hƣớng. Các kết quả tính tốn, mơ phỏng cũng đƣợc so sánh với kết quả đo đạc trong một trƣờng hợp điển hình của bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc ECA. Phân tích cho thấy các kết quả tính tốn khi xét đến hiệu ứng viền sẽ tiệm cận sát hơn các kết quả mô phỏng cũng nhƣ đo đạc thực tế so với các kết quả không xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền. Cùng với cơ cấu răng cóc, các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc là thành phần chính của các vi động cơ quay – đối tƣợng nghiên cứu của luận án. Trong ba phƣơng án đƣợc đề xuất, vi động cơ kiểu 1 chỉ sử dụng một lo xò trong cơ cấu truyền chuyển động để đảm bảo tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn và vành răng bên ngồi. Vì lý do cơng nghệ chế tạo, ban đầu các răng của thanh răng và vành răng sẽ cách nhau 2 µm. Ngồi ra, trong cơ cấu truyền chuyển động cũng luôn tồn tại khe hở giữa thành phần liên kết với dầm ECA và thành phần liên kết với thanh răng cóc dẫn. Đây là các nguyên nhân dẫn tới hiện tƣợng trƣợt, cũng nhƣ vận tốc quay của động cơ sẽ khơng đạt đƣợc giá trị tính tốn lý thuyết.
Các phƣơng án động cơ kiểu 2 và động cơ kiểu 3 đƣợc đề xuất nhằm khắc phục nhƣợc điểm của phƣơng án thứ nhất. Trong phƣơng án hai, ngồi lị xo đảm bảo tiếp xúc, có thêm hai lị xo phụ đƣợc bố trí để sau khi gài lẫy sẽ tạo thành lực ép đảm bảo thanh răng cóc dẫn ln tiếp xúc với vành rotor bên ngoài. Phƣơng án thứ ba ngoài nhiệm vụ cải thiện trạng thái tiếp xúc còn tiếp tục khắc phục khe hở giữa thành phần liên kết với dầm ECA và thành phần liên kết
104 với thanh răng cóc dẫn trong cơ cấu truyền chuyển động (stoppers gap) vốn tồn tại vì lý do thiết kế.
Để đánh giá, kiểm nghiệm các kết quả tính tốn lý thuyết, cơng việc tất yếu là chế tạo thử nghiệm một số vi động cơ. Quy trình chế tạo các loại động cơ đã đƣợc thiết lập. Quy trình bao gồm các bƣớc tiến hành với các công nghệ Vi cơ điện tử tiêu chuẩn nhƣ quang khắc, ăn mòn ion hoạt hóa sâu, ăn mịn khí HF …. Ƣu điểm của quy trình chế tạo này là chỉ sử dụng một mặt nạ. Điều này giúp tăng khả năng chế tạo thành công, giảm giá thành, nguyên công chế tạo. Đây là những điểm rất quan trọng, phù hợp với hoàn cảnh nghiên cứu về Vi cơ điện tử hiện tại ở Việt Nam.
Hai kiểu mô tơ đầu tiên đã đƣợc đo đạc, kiểm nghiệm. Kết quả đối với kiểu 1 cho thấy các số liệu đo đạc khớp với số liệu tính tốn lý thuyết và mơ phỏng. Tuy nhiên khi tần số dẫn tăng lên đến trên 30 Hz đối với vi động cơ kiểu 1, và trên 40 Hz đối với vi động cơ kiểu 2, bắt đầu có hiện tƣợng trƣợt xảy ra, các kết quả đo đạc thu đƣợc thấp hơn so với kết quả lý thuyết. Nguyên nhân, nhƣ đã trình bày, là do lị xo trong cơ cấu truyền động không kịp đáp ứng với chuyển động ở các tần số lớn, cũng nhƣ còn tồn tại khe hở trong cơ cấu truyền chuyển động. Đối với phƣơng án cải tiến thứ hai, đồ thị thu đƣợc chỉ ra các giá trị đo đạc đã tiệm cận gần hơn các giá trị tính tốn.
Một số kết quả của luận án:
Phân tích, đánh giá ảnh hƣởng của hiệu ứng viền (fringe effect) trong các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc. Khi xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền, các lực tĩnh điện trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc đều đạt giá trị lớn hơn khi không xét đến hiệu ứng này.
o Với khoảng chồng ban đầu giữa các bản cực là 5 µm, lực tĩnh điện tiếp tuyến khi xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền sẽ có giá trị lớn hơn 20% so với khi không xét đến hiệu ứng.
o Với khoảng cách giữa hai bản cực là 11 µm, lực tĩnh điện pháp tuyến khi xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền sẽ có giá trị lớn hơn 50% so với khi không xét đến hiệu ứng.
o Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc khi kể đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền có giá trị sát với kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm hơn so với giá trị tính tốn khơng kể đến ảnh hƣởng của hiệu ứng này.
105 Nên xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền khi tính tốn thiết kế những vi hệ
thống có sử dụng bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lƣợc.
Thiết kế, chế tạo ba loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều với một số các ƣu điểm sau:
o Nguyên lý hoạt động đơn giản.
o Có các bộ kích hoạt/chấp hành cũng nhƣ các cơ cấu dẫn động bố trí ở phía trong vành rotor, do đó có thể dễ dàng truyền chuyển động quay đến các vi cơ cấu khác.
o Đƣợc chế tạo với chỉ một mặt nạ và bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn. o Do có chiều dày lớp linh kiện lớn hơn so với chiều dày các lớp linh kiện đƣợc
chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, nên các vi động cơ đƣợc thiết kế có cơng suất truyền lực lớn hơn.
Xét ảnh hƣởng của hiệu ứng viền khi tính tốn điện áp dẫn tối thiểu cho các vi động