- 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 công nghệ MEMS, đảm bảo tính chính xác và khả thi cho việc làm mặt nạ.
+ Thiết lập qui trình gia công các vi động cơ sử dụng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micromachining) bằng quá trình quang khắc, ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu DRIE và ăn mòn 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 toán 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. Công 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 toán, mô 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 toán 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 ngoài. Vì lý do công nghệ chế tạo, ban đầu các răng của thanh răng và vành răng sẽ cách nhau 2 µm. Ngoài 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 không đạt đƣợc giá trị tính toán 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, ngoài lò xo đảm bảo tiếp xúc, có thêm hai lò xo phụ đƣợc bố trí để sau khi gài lẫy sẽ tạo thành lực ép đảm bảo thanh răng cóc dẫn luôn 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 toán lý thuyết, công 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 mòn 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 toán lý thuyết và mô 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 lò 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 toán.
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 toán không kể đến ảnh hƣởng của hiệu ứng này.
105
Nên xét đến ảnh hƣởng của hiệu ứng viền khi tính toán 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 công suất truyền lực lớn hơn.
Xét ảnh hƣởng của hiệu ứng viền khi tính toán điện áp dẫn tối thiểu cho các vi động cơ. Kết quả cho thấy điện áp dẫn trong cả ba kiểu động cơ đều giảm xuống rõ rệt khi kể đến hiệu ứng viền (bảng 3.2).
Các vi động cơ kiểu 2 và kiểu 3 đƣợc thiết kế để khắc phục hiện tƣợng trƣợt xảy ra trong vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo đạc thực nghiệm của vi động cơ kiểu 2 cho thấy vận tốc góc của động cơ này bám sát các giá trị tính toán lý thuyết hơn so với vận tóc góc của vi động cơ kiểu 1 (đồ thị 4.26).
Một số vấn đề có thể tiếp tục nghiên cứu:
Tiếp tục đo đạc, đánh giá vi động cơ kiểu 3 khi điều kiện thiết bị và thí nghiệm cho phép.
Nghiên cứu ứng dụng các bộ kích hoạt/chấp hành nhiệt điện hoạt động với các điện áp dẫn thấp thay cho các bộ kích hoạt/chấp hành dạng tĩnh điện.
106
KIẾN NGHỊ
Với mục tiêu chế tạo vi động cơ có khả năng quay hai chiều, tác giả đề xuất phƣơng án vi động cơ hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện kết hợp với các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu nhiệt điện nhƣ trên hình 5.1.
Các cơ cấu truyền chuyển động 1, 2, 3 và 4 có khả năng tạo ra chuyển động theo cả hai chiều của vành răng ngoài 9. Bốn cơ cấu chống đảo hoạt động theo từng cặp 5, 7 và 6, 8 có tác dụng giúp vành rotor luôn quay theo chiều đã định. Mỗi cụm dẫn động bao gồm bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc bên phải 10, bên trái 11 và cơ cấu truyền chuyển động (hình 5.1)
Hình 5.2 Cơ cấu truyền chuyển động
Vị trí ban đầu Vị trí làm việc
12 10
11
13
Hình 5.1 Cấu tạo vi động cơ quay hai chiều
10 11
Điểm đàn hồi
107 Cơ cấu truyền chuyển động có tác dụng khắc phục khe hở ghép giữa răng cóc của vành răng ngoài 9 và thanh răng dẫn 12, đây là khe hở bắt buộc phải có trong quá trình chế tạo D-RIE. Sau khi chế tạo, cơ cấu khắc phục khe hở 13 đƣợc đẩy lên cho đến khi chân chống đƣa vào lẫy ở vị trí làm việc (Hình 5.2). Lò xo làm cho các răng cóc luôn tiếp xúc với nhau nhằm triệt tiêu khe hở khi dẫn động.
Để đảm bảo vành răng 9 quay theo chiều kim đồng hồ, ta kích hoạt các cơ cấu chống đảo 5 và 7, đồng thời sử dụng các bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc bên phải 10 để dẫn động. Các cơ cấu chống đảo thực chất là các bộ kích hoạt/chấp hành nhiệt điện dạng chữ V. Sau khi đƣợc kích hoạt vào trạng thái “BẬT”, dầm của cơ cấu 5, 7 đƣợc đẩy lên do biến dạng nhiệt và đỉnh của nó chạm vào răng cóc của vành răng ngoài. Vị trí này đảm bảo vành rotor 9 không quay đƣợc theo chiều ngƣợc lại (chiều ngƣợc chiều kim đồng hồ).
Điểm khác biệt với các vi động cơ kiểu 1, 2 và 3 với vành răng cóc là răng trên vành rotor 9 của vi động cơ hai chiều có dạng tam giác cân. Để vành rotor quay theo chiều ngƣợc lại (ngƣợc chiều kim đồng hồ), trƣớc hết dừng kích hoạt cặp cơ cấu chống đảo 5 và 7, kích hoạt cặp 6 và 8 sang trạng thái “BẬT”, đồng thời đặt điện áp lên bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ở bên trái 11.
Nhìn chung, thiết kế vi động cơ quay hai chiều với các khâu thành phần chỉ hoạt động trên cùng một mặt phẳng (do công nghệ chế tạo đƣợc chọn là công nghệ vi cơ khối gia công trên phiến SOI) là vấn đề tƣơng đối khó khăn. Một trong các hạn chế là phƣơng án đề xuất đòi hỏi phải sử dụng kết hợp cả hai kiểu kích hoạt bằng tĩnh điện và dãn nở nhiệt, điều này sẽ mang đến những khó khăn nhất định khi tính toán thiết kế cũng nhƣ khi thiết kế hệ thống điều khiển của động cơ.
108
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Mohamed Gad-el-Hak et al. (2006) The MEMS Handbook. CRC Press, Taylor & Francis Group, ISBN 0-8493-9139-3
[2] James J. Allen (2005) Micro Electro Mechanical System Design. CRC Press, Taylor & Francis Group, ISBN 0-8247-5824-2
[3] Stephen D. Senturia (2002) Micro System Design. Kluwer Academic Publishers, ISBN 0- 306-47601-0
[4] Minghang Bao (2005) Analysis and Design Principles MEMS Devices. Elsevier, ISBN: 0- 444-51616-6
[5] Sergey E. Lyshevski (2002) MEMS and NEMS: Systems, Devices, and Structures. CRC Press LLC, ISBN: 0-8493-1262-0
[6] Kenji Uchino, Jayne Giniewicz (2003) Micromechatronics. Marcel Dekker Inc., ISBN: 0- 8247-4109-9
[7] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004) MEMS Mechanical Sensors. Artech House Inc., ISBN 1-58053-536-4
[8] Dave Polka (2003) Motors and Drives: A Practical Technology Guide. ISA - The Instrumentation, Systems, and Automation Society, ISBN 1-55617-800-X
[9] Y. C. Tai, R. Muller (1989) IC-processed electrostatic micromotor, Sensors and Actuators, Vol. 20, pp 49-55
[10] G. C. Joyce, G.C. Wilson (1969) Micro-step Motor, Journal of Physics E, Series 2, Vol. 2, pp 661-663
[11] W. Trimmer, K. Gabriel (1987) Design Considerations for a Practical Electrostatic Micromotor, Sensors and Actuators, Vol. 11, pp 189-206
[12] Dario P. et al. (1992) Microactuators for microrobots: a critical survey. Journal of Micromech. Microeng., No.2, pp. 141-157
[13] Sarajlic E. et al. (2009) An electrostatic 3-phase linear stepper motor fabricated by vertical trench isolation technology. Journal of Micromech. Microeng., No.19, 7 pp [14] Tas N.R. et al. (1997) The shuffle motor: a high force, high precision linear electrostatic
stepper motor. Solid State Sensors and Actuators, TRANSDUCERS '97, Vol.2, pp. 330- 336
109 [15] E. Sarajlic et al. (2005) Bidirectional electrostatic linear shuffle motor with two degrees of freedom. Micro Electro Mechanical Systems 2005, MEMS 2005, ISBN: 0-7803- 8732-5,pp. 391-394
[16] R. Yeh, S. Hollar, K. Pister (2002) Single Mask, Large Force, and Large Displacement Electrostatic Linear Inchworm Motors. Journal of Microelectromech. Syst., 11(4), pp. 330-336
[17] Tas N.R. et al. (1997) Surface Micromachined Linear Electrostatic Stepper Motor. International Solid State Sensors and Actuators Conference Transducers 97, Vol. 2, pp. 777-780
[18] M.V. Shutov et al. (2004) Electrostatic inchworm microsystem with long range translation. Sensors and Actuators A, 114, pp 379-386
[19] Sang-Ho Kim et al. (2005) High-resolution inchworm linear motor based on electrostatic twisting microactuators. Journal of Micromech. Microeng. Vol.15, pp 1674–1682
[20] Phuc P.H., Lam D.B, Khoa N.T. (2010) Design and Fabrication of Micro Linear Motor (MLM) Based on MEMS Technology. Journal of Science and Technology, 48(2A), pp 379-386
[21] Y. C. Tai, R. Muller (1990) Frictional study on IC-processed micromotors. Sensors and Actuators, A21-A23, pp 180-183
[22] H. Vinhais, P. Godoy, E. Silva (2006) Optimized design of an electrostatic side-drive micromotor. ABCM Symposium Series in Mechatronics - Vol.2, pp 433-450
[23] M. Mehregany et al. (1990) A Study of Three Microfabricated Variable-capacitance Motors. Sensors and Actuators, A21-A23, pp 173-179
[24] Jong Up Jeon, Shao Ju Woo, Toshiro Higuchi (1999) Variable-capacitance motors with electrostatic suspension. Sensors and Actuators, Vol. 75, pp 289-297
[25] Ghalichechian et al. (2008) Design, Fabrication, and Characterization of a Rotary Micromotor Supported on Microball Bearings. Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 17, No.3, pp 632-642
[26] Stranczl M. et al. (2011) Modal Analysis and Modeling of a Frictionless Electrostatic Rotary Stepper Micromotor. Proc. of IEEE MEMS 2011, Cancun, Mexico, pp 1257- 1260
110 [27] Sarajlic E. et al. (2010) Three-Phase Electrostatic Rotary Stepper Micromotor With a Flexural Pivot Bearing. Journal of MicroElectroMechanical System, Vol. 19, No. 2, pp 338-349
[28] Tony Sarros et al. (2002) Investigation of cylindrical and conical electrostatic wobble micromotors. Journal of Microelectronics, Vol. 33, pp 129-140
[29] Jacobsen C.S. et al. (1989) A design overview of an Eccentric-motion Electrostatic Microactuator (the Wobble motor). Sensors and Actuators, Vol. 20, pp 1-16
[30] Furuhata T. et al. (1993) Outer rotor surface-micromachined wobble micromotor. Proc. of MEMS93, ISBN 0-7803-0957-X, pp 161-166
[31] Samper V., Sangster A., Reuben R., Wallrabe U. (1998) Multistator LIGA-Fabricated Electrostatic Wobble Motors with Integrated Synchronous Control. Journal of MicroElectroMechanical Systems, Vol. 7, No.2, pp 214-223
[32] Aitor Endeman, Marc P.Y. Desmulliez, Matthew Dunnigan (2002) System level simulation of a double stator wobble electrostatic micromotor. Sensors and Actuators,
Vol. 99, pp 312-320
[33] Hyroyuki Fujita, Tetsuhiko Iizoka (1995) A Threaded Wobble Motor – A micromotor generating large linear displacement. The 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, pp 408-411
[34] Tetsuhiko Iizoka, Hyroyuki Fujita (1996) A Threaded Wobble Motor with a 6-pole Stator – A micro motor generating large linear displacement. 7th International Symposium on Micro Machine and Human Science, pp 189-193
[35] Paratte L., Rooij L.F. (1994) Electrodeposited electrostatic rigid-rotor wobble motors on silicon. Sensors and Actuators A, Vol. 43, pp 371-377
[36] R. Legtenberg, E. Berenschot, J. Bar, T. Lammerink, M. Elwenspoek (1995) An electrostatic lower stator axial gap wobble motor: Design and Fabrication. Proc. of Transducers95 – Eurosensors IX, Vol. 43, pp 404-407
[37] Stephen M. Barnes, Samuel L. Miller, M. Steven Rodgers, Fernando Bitsie (2000)
Torsional Ratcheting Actuating System. Modeling and Simulation of Microsystems 2000, San Diego, CA, 4pp
[38] Danelle M. Tanner et al. (2001) Reliability of a MEMS Torsional Ratcheting Actuator. IEEE - 39th Annual International Reliability Physics Symposium, Orlando, Florida, pp 81-90
111 [39] E. Sacks and S. M. Barnes (2001) Computer-Aided Kinematic Design of a Torsional Ratcheting Actuator. Proc. of the Fourth International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, Hilton Head, SC, USA.
[40] E I Garcia and J J Sniegowski (1995) Surface Micromachined Microengine as the Driver