CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU, PHÂN TÍCH MỘT SỐ MẪU ACTUAATOR VÀ ỨNG DỤNG
5.1. Ultrasonic micromotor (vi động cơ siêu âm)
So với các kỹ thuật khác, truyền động siêu âm có nhiều điểm mạnh khác nhau.
Đây là cấu hình phẳng (độ dày nhỏ) và mô-men xoắn tương đối cao ở tốc độ thấp. Mô- men xoắn gần 1μNmatNmatVrms, hoặc 0,3μNmatNmVrms−1 đã đạt được với rô-to cỡ milimet và PZT stator màng mỏng. Điều này còn hơn cả những gì đã được chứng minh với các vi động cơ tĩnh điện (được chia tỷ lệ theo cùng kích thước động cơ). Tốc độ thấp (thường là 5
vòng/phút ở 2Vrms) của các vi động cơ siêu âm đã loại bỏ nhu cầu về hộp số. Những thứ
này rất khó sản xuất ở kích thước dưới milimet và có xu hướng giảm mô-men xoắn đầu ra xuống 0 do các vấn đề ma sát chưa được giải quyết. Trong một số ứng dụng chẳng hạn như cho đồng hồ đeo tay, cấu hình phẳng của vi động cơ siêu âm là một lợi thế bổ sung.
Động cơ vi mô siêu âm thực sự có một số tính năng rất hấp dẫn để chuyển ngày bánh xe của đồng hồ đeo tay: cấu hình phẳng hơn động cơ ngày nay, mô-men xoắn đủ cao (1μNmatN m) và điện áp cung cấp đủ thấp cho hoạt động của pin. Nhược điểm của vi động cơ siêu âm nằm ở chỗ khớp nối giữa stato và rôto dựa trên lực ma sát và không có mối quan hệ cố định giữa kích thích stato và tốc độ đầu ra, như với động cơ bước. Các hiện tượng trượt, trơn, dính phức tạp của ma sát tĩnh cũng như ma sát động có thể xảy ra. Tuy nhiên, hầu hết các vấn đề có thể được giải quyết bằng quy định vòng kín dựa trên phát hiện vị trí góc.
Kết cấu lai của một micromotor vây đàn hồi. Tấm wafer silicon upside-down, rôto di chuyển bên trong khoang được khắc. Nguyên tắc hoạt động của các vây được thể hiện trong hình nhỏ.
Ví dụ được đưa ra ở đây đề cập đến các stator siêu âm được thiết kế cho một phiên bản lai của một vi động cơ ‘vây đàn hồi’, như được mô tả trong hình. Loại động cơ này đã được chứng minh với PZT số lượng lớn và được Kurosawa et al đề xuất để giảm tỷ lệ.
Thuật ngữ 'hybrid' đề cập đến nguyên tắc chế tạo và có nghĩa là trong trường hợp này rôto được chế tạo và lắp ráp vào stato bằng các phương pháp cổ điển và chỉ có stato được tạo ra bằng kỹ thuật vi gia công silicon. Stator này bao gồm một khung silicon giữ một màng silicon mỏng, được bao phủ bởi một màng mỏng PZT. Cái sau dùng để kích thích các sóng uốn đứng trong màng. Biên độ của dao động này tỷ lệ với e31,fU, trong đó U là điện áp đặt vào, không phụ thuộc vào độ dày của màng mỏng áp điện. Hệ số áp điện e31,f
=e31SSTđược giới thiệu là một hệ số hiệu quả bằng cách lưu ý đến thực tế là màng có thể tự do thay đổi độ dày của nó, nhưng được kẹp trong mặt phẳng (thông thường e31 được xác
định để kẹp theo mọi hướng: e31SST, xem bên dưới). Sự lệch hướng của màng được chuyển thành chuyển động quay nhờ một rôto chỉnh lưu, rôto này có các chân đàn hồi hoặc vây.
Điều chỉnh này hoạt động trên nguyên tắc như sau.
Khi màng di chuyển về phía vây đàn hồi, chúng bị nén và uốn cong. Trong giai đoạn này, các vây không trượt do lực ma sát. Vì vậy, rôto quay theo thứ tự để giải phóng lực nén. Khi màng di chuyển ra khỏi các cánh (giải nén), lực ma sát là nhỏ nhất và các cánh lướt về phía trước, theo thân của rôto. Rôto có đường kính 3,5 mm được cắt bằng laser từ một lá kim loại. Góc nghiêng mong muốn của chân đã đạt được bằng cách đúc trong máy ép. Một trục thép có đường kính 0,25 mm được kẹp vào rôto và được định tâm bởi một bánh xe định tâm nằm trên các miếng đệm. Trên đỉnh của trục, một bánh xe được cố định đóng vai trò tải trọng để tăng ma sát và mômen quán tính cho các phép đo
mômen xoắn. Lực pháp tuyến giữa rôto và stato thay đổi theo trọng lượng trên bánh răng.
Màng của stato thu được bằng công nghệ vi gia công số lượng lớn silicon trong KOH nóng.
Vận tốc góc đo được của vi động cơ màng mỏng đàn hồi cho stato PZT (33 kHz, 1μm PZT 53/47) và stato μm PZT 53/47) và stato m PZT 53/47) và stato anAlN (38 kHz, 2μm AlN). Các điện áp phân cực dc μm PZT 53/47) và stato m AlN). Các điện áp phân cực dc khác nhau đã được áp dụng trong trường hợp stato PZT
Mô-men xoắn đầu ra tốc độ không của vi động cơ là một chức năng của lực bình thường
Lớp kép bù ứng suất của oxit nhiệt (SiO2) và LPCVD nitride (Si3N4) được sử dụng làm lớp che phủ. Bước in thạch bản đầu tiên bao gồm việc mở lớp mặt nạ này bằng phương pháp ăn mòn khô (CF4) để xác định màng. Điện cực đáy Pt/Ta và sự lắng đọng PZT được thực hiện như các bước tiếp theo. Mẫu điện cực đỉnh Au/Cr hy sinh đóng vai trò là điểm dừng ăn mòn và lớp phủ bảo vệ PZT đã được lắng đọng và tạo mẫu. Một màng mỏng silicon dioxide sau đó được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ (xem hình 2 và 4).
Màng mỏng PZT dày A1μm PZT 53/47) và stato μm PZT 53/47) và stato m lắng đọng bởi kỹ thuật sol-gel lên màng điện cực đáy Pt/Ta (lớp dưới cùng là Si3N4, trên cùng là SiO2μm AlN). Các điện áp phân cực dc )
Sơ đồ cấu tạo và các bước chế tạo chính của stato có tiếp xúc điện cực đáy, điện cực trên và lớp SiO2μm AlN). Các điện áp phân cực dc điện môi thấp
Màng này làm giảm khả năng ký sinh của các dây dẫn và miếng tiếp xúc. Silicon dioxide được tạo khuôn bằng phương pháp ăn mòn khô (CF4) để giải phóng các điểm tiếp xúc điện cực trên cùng. Các tiếp điểm Au/Cr hy sinh là cần thiết trong bước này để tránh sự xuống cấp của bề mặt PZT, tức là sự hình thành của màng fluor hóa điện môi thấp. Lớp hy sinh này đã được loại bỏ và hệ thống điện cực hoàn chỉnh, bao gồm dây dẫn và miếng đệm đã được lắng đọng.
Hệ thống điện cực (xem hình 5) được thiết kế quá tối ưu để kích thích chế độ rung hiệu quả nhấtB10. Chế độ này hiển thị một nút tròn. Vòng cực đại hình vòng ngoài được đặt trùng với vị trí của vây. Động cơ được chạy với một nguồn điện xoay chiều duy nhất trên điện cực hình khuyên hoặc với hai điện áp xoay chiều có độ lệch pha tương đối 180◦
đối với điện cực hình khuyên và điện cực trung tâm. Với phiên bản thứ hai, hệ số khớp nối lớn hơn đạt được.
Hình 6 tốc độ so với điện áp xoay chiều được áp dụng được hiển thị cho stato PZT và AlN. Việc áp dụng một độ lệch dc bổ sung làm tăng độ phân cực và hằng số áp điện, và do đó làm tăng tốc độ quay của động cơ. Có một ngưỡng điện áp 0,5–1,0Vrmsdưới
đây không đủ biên độ để bắt đầu quay. Trên ngưỡng, tốc độ tăng tuyến tính với điện áp xoay chiều được áp dụng và do đó, biên độ lệch. Mô-men xoắn ở tốc độ 0 bão hòa ở một mức nào đó, tùy thuộc vào lực pháp tuyến được áp dụng: ở mức 0,4–0,44μNmatN m với lực pháp tuyến 3–4Vrms và 230 mgf (2,3 mN); ở lực pháp tuyến 0,9μNmatNmat4Vrms và 670 mgf (6,7 mN) (xem hình 7). Các giá trị này tương đương với mô-men xoắn ma sát [67]
đối với lực bình thường được áp dụng. Mặc dù rất khó để mô tả chi tiết quá trình truyền lực bởi các vây đàn hồi, nhưng các thí nghiệm cho thấy mối quan hệ rất đơn giản giữa công suất đầu ra và công suất stator. Trong dải tần số rộng (20–100 kHz), công suất đầu ra chỉ đơn giản là một phần không đổi của công suất stato. Tần số được thay đổi thông qua việc làm mỏng dần độ dày của silic theo từng bước.
Công suất đầu ra của động cơ thường được đo bằng 1–2μNmatWV−1rms, độc lập với độ dày silicon.
Điều này dành cho màng mỏng nhất (tức là silicon dày 15μNmatm) gấp 4×10−4 lần công suất phản kháng được cung cấp cho điện dung và do đó cũng nhỏ hơn công suất tổn thất điện môi (tanδ=0,03). Bình phương của hằng số khớp nối k2, xác định công suất cơ học trong stato, được xác định bằng các phép tính vào khoảng 2×10−3. Do đó, hiệu suất truyền giữa stato và rôto dường như khá nhỏ (20%) và hiệu suất tổng thể hóa ra là dưới 1%.