Tài liệu Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Bảo Lâm NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng 2. PGS.TS. Phạm Hồng Phúc Hà Nội - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Đặng Bảo Lâm i LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của các thầy PGS.TS. Vũ Ngọc Hùng và PGS.TS. Phạm Hồng Phúc. Ngoài những chỉ dẫn, định hƣớng về mặt khoa học, sự động viên và lòng tin tƣởng của các thầy luôn là động lực lớn giúp tác giả tự tin và say mê trong nghiên cứu. Qua đây tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với các thầy giáo hƣớng dẫn. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ môn Cơ sở thiết kế Máy và Robot, viện Cơ khí, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thầy, các đồng nghiệp trong bộ môn đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo môi trƣờng thuận lợi, tích cực cho nghiên cứu, thực hành, cũng nhƣ đã đóng góp nhiều ý kiến xác đáng trong thời gian tác giả thực hiện luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới TS. Đào Việt Dũng, phòng thí nghiệm các thiết bị tích hợp micro nano MiNIDeL, trƣờng đại học Ritsumeikan, Nhật Bản vì sự hỗ trợ nhiệt tình và những đóng góp chuyên môn quý báu. Cuối cùng, tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, mẹ, vợ và con trai, những ngƣời luôn cảm thông và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận án. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. VI ĐỘNG CƠ ................................................................................................. 5 1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................... 5 1.2 Vi động cơ và các phƣơng pháp phân loại .................................................................. 7 1.3 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) ................................................ 9 1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện ............................................................... 10 1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện .................................................................... 13 1.4 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) .......................................... 18 1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ .................................................................. 18 1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ ....................................................................... 20 1.5 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) ........................................ 21 1.5.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện ............................................................. 21 1.5.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện .................................................................. 23 1.6 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor)................................................ 25 1.6.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện ................................................................. 26 1.6.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện ....................................................................... 28 1.7 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình SMA .................................................................. 30 1.8 Phân tích và kết luận chƣơng 1.................................................................................. 31 CHƢƠNG 2. BỘ KÍCH HOẠT TĨNH ĐIỆN RĂNG LƢỢC VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆU ỨNG VIỀN ............................................................................................................... 37 2.1 Hiệu ứng tĩnh điện ..................................................................................................... 37 2.1.1 Tụ điện ................................................................................................................ 37 iii 2.1.2 Lực pháp tuyến ................................................................................................... 38 2.1.3 Lực tiếp tuyến ..................................................................................................... 40 2.2 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cho bộ kích hoạt/chấp hành kiểu răng lƣợc ................ 41 2.3 Hiệu ứng viền ............................................................................................................ 42 2.3.1 Hiệu ứng viền ..................................................................................................... 42 2.3.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ điện có xét hiệu ứng viền ..................................... 44 2.3.3 Đánh giá ảnh hƣởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện kiểu răng lƣợc .............................................................................................................. 45 2.3.4 Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ............................................ 48 2.4 Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................... 52 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ CÁC VI ĐỘNG CƠ QUAY ....................................................... 53 3.1 Vi động cơ quay kiểu 1.............................................................................................. 53 3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................................... 53 3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng ................................................................................. 55 3.1.3 Đánh giá phƣơng án............................................................................................ 60 3.2 Vi động cơ quay kiểu 2.............................................................................................. 62 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................................... 62 3.2.2 Phân tích lực và mô phỏng ................................................................................. 64 3.2.3 Đánh giá phƣơng án............................................................................................ 68 3.3 Vi động cơ quay kiểu 3.............................................................................................. 69 3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ......................................................................... 69 3.3.2 Phân tích lực và mô phỏng ................................................................................. 72 3.3.3 Đánh giá phƣơng án............................................................................................ 75 3.4 Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................................... 77 CHƢƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM .................................................... 78 4.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 78 4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi động cơ ................................................................. 79 iv 4.2.1 Các bản vẽ thiết kế trên phần mềm L-Edit ......................................................... 79 4.2.2 Một số chú ý khi thiết kế: ................................................................................... 81 4.3 Thiết lập quy trình gia công....................................................................................... 82 4.3.1 Bƣớc chuẩn bị ..................................................................................................... 83 4.3.2 Quá trình quang khắc.......................................................................................... 84 4.3.3 Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE ......................................................... 85 4.3.4 Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching) ................................... 87 4.4. Tóm tắt quy trình chế tạo .......................................................................................... 89 4.5 Xử lý, đánh giá kết quả .............................................................................................. 95 4.5.1 Kết quả thu đƣợc ................................................................................................ 95 4.5.2 Các bƣớc tiến hành đánh giá kết quả ................................................................. 97 4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 1 ........................................ 97 4.5.4 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ quay kiểu 2 ........................................ 99 4.6 Kết luận chƣơng 4 ................................................................................................... 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 103 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 103 KIẾN NGHỊ................................................................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 117 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa MEMS Micro Electro Mechanical System – Hệ vi cơ điện tử MST Microsystems Technology – Công nghệ vi hệ thống µ-TAS Micro Total Analysis System – Hệ phân tích tổng hợp kích cỡ micro LOC Lab-on-a-chip – Phòng thí nghiệm trên chip IC Integrated Circuit – Mạch tích hợp ECA Electrostatic Comb-drive Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc GCA Gap Closing Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành khe hở đóng TRA Torsional Ratcheting Actuator – Bộ vi kích hoạt/chấp hành răng cóc dạng xoắn SDA Scratch Drive Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng cào VTA V-shape electroThermal Actuator - Bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V DRIE Deep Reactive Ion Etching – Ăn mòn Ion hoạt hóa sâu LIGA Lithgraphie Galvanofruning und Abformung – Công nghệ LIGA FE Fringe Effect – Hiệu ứng viền SOI Silicon on Insulator – Phiến silic kép (lớp silic linh kiện trên lớp điện môi) EDM Electro Discharge Machining – Gia công tia lửa điện LSM Linear Synchronous Motor – Động cơ đồng bộ tịnh tiến LRM Reluctance Stepping Motor – Động cơ bƣớc kiểu từ trở IDM Impact Drive Mechanism – Cơ cấu dẫn động bằng xung SIDM Smooth Impact Drive Mechanism - Cơ cấu dẫn động bằng xung nhỏ SAW Surface Acoustic Wave – Sóng âm bề mặt RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến SMA Shape Memory Alloy – Hợp kim nhớ hình MRM Micro Rotational Motor – Vi động cơ quay SEM Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét Ký hiệu Giải thích ý nghĩa 0 độ điện thẩm chân không: 0 = 8,854.10-12 (Fm-1)  hằng số điện môi của không khí:  = 1  khoảng cách giữa hai bản tụ vi 0 khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ C điện dung tụ điện lý tƣởng A diện tích trùng nhau của hai bản cực Q điện tích trong tụ V hiệu điện thế giữa hai bản tụ Ec năng lƣợng điện trƣờng sinh ra giữa hai bản tụ EB năng lƣợng của nguồn Fn, Ft lực pháp tuyến và tiếp tuyến giữa hai bản tụ Ctb điện dung thực của tụ điện Ce điện dung thực của tụ điện xét đến hiệu ứng viền Fne lực tĩnh điện pháp tuyến xét đến hiệu ứng viền Fte lực tĩnh điện tiếp tuyến xét đến hiệu ứng viền kdn độ cứng của dầm hai đầu ngàm Fes lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ răng lƣợc. Fel lực đàn hồi cổ đàn hồi (quanh điểm đàn hồi) Ff1 , Ff2 , Ff3, Ff4 các lực ma sát Fa lực đàn hồi của lẫy chống đảo Fs lực đàn hồi lớn nhất của lò xo cơ cấu dẫn động Q hợp lực theo phƣơng y trên cơ cấu dẫn động Far lực tác dụng của cơ cấu chống đảo chiều lên vành răng Fsp lực đàn hồi lớn nhất của lò xo khi răng cóc của thanh dẫn trƣợt qua đỉnh răng của vành răng ngoài FN áp lực trên bề mặt răng cóc M mô men với tâm quay của vành răng cóc n số răng lƣợc di động của mỗi bộ vi kích hoạt/chấp hành b chiều dày của các răng lƣợc V và Vmin điện áp dẫn và điện áp dẫn cực tiểu fm hệ số ma sát tĩnh giữa bề mặt silicon–silicon E mô đun đàn hồi Young của silicon I mô men quán tính của tiết diện mặt cắt ngang của tay đòn chống đảo l chiều dài của chân hãm L chiều dài dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V h chiều cao răng cóc α góc nghiêng của răng cóc α0 hệ số dãn nở nhiệt vii m2 khối lƣợng của thanh răng cóc dẫn m3 khối lƣợng của vành răng ngoài G gia tốc trọng trƣờng p bƣớc răng cóc  khe hở do công nghệ chế tạo DRIE d chuyển vị của răng cóc dẫn i số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động kp độ cứng của cổ dầm đàn hồi cơ cấu dẫn động kar độ cứng của dầm cơ cấu chống đảo chiều z số răng cóc trên vành răng f tần số điện áp dẫn nlt tốc độ lý thuyết của vi động cơ b chiều rộng của dầm đơn của cơ cấu chống đảo chiều chữ V k hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (W/µmK) T nhiệt độ tại vị trí x ρ điện trở suất của dầm, J mật độ dòng điện (A/µm2) I cƣờng độ dòng điện ρ0 điện trở suất của silicon ở nhiệt độ phòng viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số loại vi động cơ tịnh tiến ........................................................................... 31 Bảng 1.2 Một số loại vi động cơ quay ................................................................................ 33 Bảng 1.3 Các hiệu ứng dẫn động ........................................................................................ 34 Bảng 2.1 Chuyển vị lý thuyết bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ....................................... 50 Bảng 2.2 Chuyển vị do mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ................................ 50 Bảng 2.3 Chuyển vị đo đạc bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ........................................... 51 Bảng 3.1. Liên hệ giữa lực Q với số bƣớc răng cóc trong một lần dẫn động ..................... 74 Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất yêu cầu Vmin (V) giữa các loại mô tơ ................... 77 Bảng 4.1 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V).. 98 Bảng 4.2 Quan hệ giữa vận tốc góc mô tơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) 100 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian ............................................ 6 Hình 1.2 Vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện.............................................................................. 8 Hình 1.3 Phân loại các vi động cơ theo tính chất chuyển động ............................................ 9 Hình 1.4 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động ................................................. 9 Hình 1.5 Vi động cơ bƣớc tịnh tiến kiểu tĩnh điện ............................................................. 10 Hình 1.6 Vi động cơ tịnh tiến kiểu trƣợt (shuffle) .............................................................. 11 Hình 1.7 Vi động cơ dạng sâu đo kiểu tĩnh điện ................................................................ 12 Hình 1.8 Vi động cơ dạng sâu đo hoạt động nhờ thanh dẫn ............................................... 12 Hình 1.9 Vi động cơ MLM ................................................................................................. 13 Hình 1.10 Phân loại vi động cơ bƣớc kiểu tĩnh điện .......................................................... 14 Hình 1.11 Nguyên lý hoạt động vi động cơ kiểu rotor lắc ................................................. 14 Hình 1.12 Các phƣơng án bố trí rotor và stator .................................................................. 15 Hình 1.13 Vi động cơ với rotor đĩa quay ngoài mặt phẳng chứa stator .............................. 16 Hình 1.14 Vi động cơ TRA................................................................................................. 16 Hình 1.15 Vi động cơ tĩnh điện dạng xilanh kép ................................................................ 17 Hình 1.16 Vi động cơ SDA................................................................................................. 18 Hình 1.17 Vi động cơ LSM ................................................................................................ 19 Hình 1.18 Các loại vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ .......................................................... 19 Hình 1.19 Vi động cơ quay kiểu điện từ ............................................................................. 20 Hình 1.20 Vi động cơ điện từ với rotor lắc ......................................................................... 20 Hình 1.21 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V .......................... 22 Hình 1.22 Vi động cơ dạng sâu đo với các bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V .................... 22 Hình 1.23 Vi động cơ tịnh tiến với các bộ kích hoạt/chấp hành dạng “hot arm - cold arm” ............................................................................................................................................. 23 Hình 1.24 Vi động cơ quay với các cơ cấu compliant dẫn động ........................................ 24 Hình 1.25 Vi động cơ quay kích thƣớc 1mm3 .................................................................... 24 Hình 1.26 Vi động cơ bƣớc kiểu nhiệt điện ........................................................................ 25 Hình 1.27 Vi động cơ tịnh tiến áp điện IDM ..................................................................... 26 Hình 1.28 Vi động cơ tịnh tiến áp điện SIDM .................................................................... 27 Hình 1.29 Vi động cơ tịnh tiến dạng sóng âm SAW .......................................................... 28 Hình 1.30 Vi động cơ quay dạng sóng âm SAW ................................................................ 28 Hình 1.31 Các phƣơng án vi động cơ quay dạng sóng âm SAW ....................................... 29 x Hình 1.32 Vi động cơ quay dạng sâu đo ............................................................................. 29 Hình 1.33 Vi động cơ tịnh tiến SMA .................................................................................. 30 Hình 1.34 Vi động cơ quay dẫn động bằng vi khuẩn M.mobile ......................................... 31 Hình 2.1 Tụ điện ................................................................................................................. 37 Hình 2.2 Lực tác dụng giữa hai bản tụ ............................................................................... 38 Hình 2.3 Sơ đồ tính lực pháp tuyến và tiếp tuyến hai bản tụ song song ............................ 39 Hình 2.4 Bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc ECA .............................................. 41 Hình 2.5 Mô hình tính toán bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ......................................... 42 Hình 2.6 Phân bố đƣờng sức điện trƣờng trong tụ phẳng song song .................................. 43 Hình 2.7 Tiết diện cắt ngang của một số loại cấu trúc tụ điện ............................................ 43 Hình 2.8 Lực pháp tuyến khi xét hiệu ứng viền ................................................................. 45 Hình 2.9 Lực tiếp tuyến khi xét hiệu ứng viền ................................................................... 45 Hình 2.10 Sai số tƣơng đối điện dung tụ điện khi thay đổi tỉ số a/δ ................................... 46 Hình 2.11 So sánh lực tiếp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền .............................. 47 Hình 2.12 So sánh lực pháp tuyến răng chữ nhật khi xét hiệu ứng viền ............................ 47 Hình 2.13 Kết cấu dầm tính toán ........................................................................................ 48 Hình 2.14 Tìm nghiệm đầu bằng phƣơng pháp hình học ................................................... 49 Hình 2.15 Mô phỏng bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc .................................................... 50 Hình 2.16 Ảnh SEM bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ..................................................... 51 Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc ............................... 51 Hình 3.1 Cấu tạo vi động cơ kiểu 1 .................................................................................... 53 Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lƣợc và cơ cấu truyền chuyển động ...................... 54 Hình 3.3 Cơ cấu truyền chuyển động ................................................................................. 54 Hình 3.4 Cơ cấu chống đảo chiều ....................................................................................... 55 Hình 3.5 Phân tích lực trong kỳ dẫn động .......................................................................... 56 Hình 3.6 Mô phỏng độ cứng cổ dầm mang các răng lƣợc tĩnh điện ................................... 56 Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị ...................................................................... 59 Hình 3.8 Cấu tạo vi động cơ kiểu 2 .................................................................................... 62 Hình 3.9 Cơ cấu truyền chuyển động (vị trí ban đầu) ........................................................ 63 Hình 3.10 Cơ cấu truyền động (vị trí làm việc) .................................................................. 63 Hình 3.11 Quá trình làm việc của cơ cấu truyền động ....................................................... 64 Hình 3.12 Phân tích lực chu kỳ dẫn động ........................................................................... 65 xi Hình 3.13 Phân tích lực trong kỳ hồi vị .............................................................................. 66 Hình 3.14 Mô phỏng độ cứng lò xo .................................................................................... 67 Hình 3.15 Cấu tạo vi động cơ kiểu 3 .................................................................................. 69 Hình 3.16 Cấu tạo cơ cấu truyền chuyển động kiểu 3 ........................................................ 70 Hình 3.17 Cơ cấu truyền động sau khi chân lẫy đƣợc “khóa” ............................................ 70 Hình 3.18 Hoạt động của ECA và cơ cấu truyền chuyển động .......................................... 71 Hình 3.19 Các lực trong quá trình dẫn ................................................................................ 72 Hình 3.20 Phân tích lực trong kỳ hồi vị .............................................................................. 73 Hình 3.21 Mô phỏng độ cứng của lò xo và cổ dầm dẫn động ............................................ 74 Hình 4.1 Thiết kế vi động cơ kiểu 1 ................................................................................... 79 Hình 4.2 Cơ cấu chống đảo................................................................................................. 80 Hình 4.3 Thiết kế vi động cơ kiểu 2 ................................................................................... 80 Hình 4.4 Thiết kế vi động cơ kiểu 3 ................................................................................... 81 Hình 4.5 Vành răng cóc dạng lƣới các nan có chiều dày tối đa wmax=8µm ....................... 81 Hình 4.6 Khe hở tối thiểu ................................................................................................... 82 Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các mô tơ .................................................................... 83 Hình 4.9 Quá trình quang khắc ........................................................................................... 84 Hình 4.8 Phiến silic kép SOI .............................................................................................. 84 Hình 4.10 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI ..................................................... 85 Hình 4.11 Quá trình ăn mòn khô D-RIE ............................................................................. 87 Hình 4.12 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF................................................................... 88 Hình 4.13 Linh kiện thu đƣợc sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF.............................. 88 Hình 4.14 Hệ thống máy quang khắc tại đại học Ritsumeikan.......................................... 91 Hình 4.15 Hệ thống máy quang khắc tại ITIMS ................................................................ 91 Hình 4.16 Sơ đồ bố trí hệ ăn mòn hơi HF.......................................................................... 94 Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1 ..................................................................................... 95 Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2 ..................................................................................... 96 Hình 4.19 Vi động cơ quay kiểu 3 ..................................................................................... 96 Hình 4.20 Chip đƣợc kích điện, đo đạc và quay phim thông qua kính hiển vi.................. 97 Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 1 ........................................... 98 Hình 4.22 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 1 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) ............................................................................................................................................. 99 Hình 4.23 Hình chụp từ video hoạt động của động cơ kiểu 2 ......................................... 100 xii Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc góc động cơ kiểu 2 và tần số dòng điện dẫn (Vpp = 80V) ........................................................................................................................................... 100 Hình 4.25 So sánh vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80V) ........................................................................................................................................... 101 Hình 5.1 Cấu tạo vi động cơ quay hai chiều ..................................................................... 106 Hình 5.2 Cơ cấu truyền chuyển động ............................................................................... 106 xiii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, Vi Cơ Điện tử - MEMS là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển mạnh mẽ. Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ (micro motor) cùng với các micro robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu đƣợc dùng để vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ vi phân tích tổng hợp (-TAS), hệ phân tích sinh hóa… Để tạo ra chuyển động, có thể sử dụng nhiều hiệu ứng nhƣ hiệu ứng từ, nhiệt, áp điện và tĩnh điện... Trong đó, hiệu ứng tĩnh điện có thể tạo ra chuyển động đẳng hƣớng một cách đơn giản và hiệu quả nhất. Đã có khá nhiều công trình khoa học đƣợc công bố trên thế giới về các vi động cơ kiểu tĩnh điện và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở nƣớc ta, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài năm gần đây. Một trong những xu hƣớng phát triển tất yếu trong thế kỷ 21 là đƣa các thiết bị, máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thƣớc nhỏ tính theo đơn vị micro hoặc nano vào nghiên cứu, sản xuất cũng nhƣ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính của các thành phần chính của các vi hệ thống nhƣ vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hƣởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng nhƣ độ chính xác của toàn bộ hệ thống. Tuy nhiên cho đến nay, đa phần các công trình nghiên cứu về các vi cơ cấu cũng nhƣ các vi động cơ đều đƣợc tiến hành rải rác, chƣa có hệ thống, chủ yếu chỉ trong các trƣờng hợp cụ thể nhằm phục vụ cho các đối tƣợng cụ thể. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ Vi Cơ Điện tử” để thực hiện luận án. Đối tượng nghiên cứu Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện (rotational electrostatic micro motors) đƣợc chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micro machining technology). Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu một cách có hệ thống về các loại vi động cơ có khả năng ứng dụng trong các hệ micro robot, hệ vi vận tải và vi lắp ghép… từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc (electrostatic comb-drive actuators). 1 Thiết kế và chế tạo các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện. Đo đạc, đánh giá đặc tính một số động cơ từ các thiết kế đƣợc chọn. Phạm vi nghiên cứu - Lý thuyết tĩnh điện nói chung và hiệu ứng viền nói riêng, ứng dụng trong thiết kế các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc. - Các vi động cơ kiểu tĩnh điện có khả năng ứng dụng trong các vi robot hoặc các hệ vận tải, lắp ghép kích thƣớc micro. Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng là kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết và thực nghiệm công nghệ. Để đạt đƣợc các mục tiêu đề ra, các bƣớc nghiên cứu, tính toán, thiết kế sau sẽ đƣợc tiến hành: - Vận dụng các kiến thức về cơ học, vật lý, lý thuyết cơ cấu, thiết kế máy … để tính toán, thiết kế các vi động cơ. - Sử dụng các phần mềm thiết kế chuyên dụng nhƣ AutoCad, L-Edit để thực hiện thiết kế sơ bộ. Bản thiết kế đƣợc hoàn thiện, các kích thƣớc đƣợc kiểm nghiệm bằng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS. - Các vi động cơ đƣợc chế tạo bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn và thông dụng nhƣ công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học … - Đo đạc, đánh giá đặc tính của các sản phẩm đƣợc chế tạo. Phân tích, so sánh với các kết quả tính toán và mô phỏng. Ý nghĩa của luận án Nghiên cứu một cách có hệ thống về các vi động cơ, qua đó lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu phù hợp với tình hình nghiên cứu, phát triển của ngành Công nghệ Vi cơ điện tử tại Việt Nam. Tính toán, thiết kế và chế tạo thành công các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lƣợc. Thiết lập quy trình chế tạo cho các vi động cơ, trong đó chỉ sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn. 2 Những kết quả mới 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 cũng nhƣ trong các vi động cơ có sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành đó. Thiết kế, chế tạo thử ba loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều, cũng nhƣ đề xuất vi động cơ kiểu tĩnh điện - nhiệt điện có thể quay hai chiều. Các vi động cơ đều đƣợc chế tạo với cùng một quy trình, sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn. Việc ứng dụng công nghệ gia công vi cơ khối trên phiến silic kép (SOI wafer) cho phép tăng tính chính xác, giảm giá thành khi chế tạo, đồng thời tăng công suất truyền lực của các vi động cơ so với các vi động cơ đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp vi cơ bề mặt. Luận án đƣợc trình bày trong bốn chƣơng, tập trung lần lƣợt vào các nội dung về nghiên cứu tổng quan về các vi động cơ, lý thuyết tĩnh điện và hiệu ứng viền, tính toán, thiết kế ba loại vi động cơ quay hoạt động dựa trên các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng lƣợc và thiết lập quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các sản phẩm. Nội dung cụ thể của các chƣơng nhƣ sau: Chương 1 trình bày tổng quan về vi động cơ. Tác giả đƣa ra các phƣơng pháp phân loại một cách có hệ thống các vi động cơ, đồng thời, cũng đƣa ra các nhận xét, đánh giá để từ đó lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu phù hợp. Chương 2 trình bày vắn tắt về lý thuyết tĩnh điện và ứng dụng trong các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lƣợc. Ảnh hƣởng của hiệu ứng viền lên hoạt động của các bộ vi kích hoạt/chấp hành đƣợc phân tích cụ thể thông qua các minh chứng thu đƣợc từ tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế. Chương 3 giải quyết các bài toán về cấu trúc, động học và lực của các loại vi mô tơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc có khả năng ứng dụng trong các hệ vi robot, hệ vi vận tải và lắp ghép…, nhằm thỏa mãn các tiêu chí sau: độ chính xác cao, kích thƣớc nhỏ gọn, có tính mođun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, có thể sản xuất hàng loạt, tiêu hao ít năng lƣợng. Trong các vi động cơ đƣợc thiết kế, có thể coi các vi động cơ kiểu hai và kiểu ba là phiên bản hoàn thiện của vi động cơ quay một chiều kiểu thứ nhất. Chương 4 có phần đầu trình bày việc xây dựng bản vẽ chế tạo bộ mặt nạ (MASK) bằng phần mềm L-Edit. Các bản vẽ hệ thống 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 3 tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của công nghệ MEMS. Qui trình chế tạo vi động cơ bằng phƣơng pháp gia công vi cơ khối là một qui trình chuẩn, dễ làm và độ ổn định cao, đồng thời đảm bảo độ chính xác. Sau khi chế tạo thành công, tác giả cũng tiến hành phân tích, đánh giá đặc tính của một số vi động cơ. Phần cuối cùng là kết luận và kiến nghị của luận án. Trong đó, ngoài việc trình bày các kết quả thu đƣợc, tác giả đƣa ra đề xuất thiết kế vi động cơ với rotor có thể quay hai chiều hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lƣợc và các bộ kích hoạt/chấp hành nhiệt điện chữ V (V-shaped electrothermal actuator). 4 CHƢƠNG 1. VI ĐỘNG CƠ 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay trong nghiên cứu, sản xuất cũng nhƣ đời sống, một trong những xu hƣớng tất yếu là chế tạo, ứng dụng các máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thƣớc nhỏ tính theo đơn vị mili, micro hoặc nano mét. Các hệ thống với kích thƣớc nhỏ có thể thực hiện những công việc mà hệ thống thông thƣờng không thực hiện đƣợc (nhƣ phẫu thuật vi xâm lấn trong y tế…), đồng thời kích thƣớc nhỏ gọn giúp tăng tính linh hoạt và tiện dụng của các sản phẩm (nhƣ các máy tính bảng, điện thoại di động thông minh…). Nhờ sự phát triển của khoa học, những công nghệ mới cho phép chúng ta có thể chế tạo hàng loạt các linh kiện, hệ thống kích thƣớc micro hoặc nano với giá thành rẻ, độ chính xác cao. Do đó, Vi cơ điện tử (MEMS – Micro Electro-mechanical System) - tên gọi đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới trong đó có Việt Nam, Mỹ, hoặc Công nghệ vi hệ thống (MST - Microsystems Technology) – tên gọi đƣợc sử dụng ở Đức và một số nƣớc châu Âu khác [1-3], đang là một trong những lĩnh vực công nghệ phát triển nhanh nhất hiện nay trên thế giới. Hệ thống vi cơ điện tử đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “Hệ thống vi cơ điện tử - MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp các vi cảm biến (sensors), bộ vi kích hoạt/chấp hành (actuators) và các vi mạch điện tử (micro electronic circuits)” [4] Hoặc theo Lyshevski [5]: “Hệ thống vi cơ điện tử là hệ thống tích hợp có kích cỡ micro được sản xuất hàng loạt (batch-fabricated) với các phần tử là các bộ vi kích hoạt/chấp hành, các bộ vi cảm biến, các bộ vi mạch điều khiển và xử lý tín hiệu (controlling/processing IC), các thiết bị truyền năng lượng kích cỡ micro (radiating energy microdevices) để: 1. chuyển đổi các tín hiệu điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu vào thành các tín hiệu điện, nhiệt, cơ, hóa hay quang học đầu ra và ngược lại; 2. thực hiện các chức năng như cảm biến, kích hoạt … 3. đảm nhận nhiệm vụ điều khiển, phân tích dự báo, xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu thông qua các phần tử điện cơ, điện tử, quang học và sinh học kích cỡ micro. Chúng ta có thể gặp những ứng dụng của công nghệ Vi cơ điện tử - MEMS ngày càng nhiều trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Trong công nghiệp, các sản phẩm Vi cơ điện tử 5 đƣợc ứng dụng trong robot, các hệ thống sản xuất linh hoạt, các thiết bị đo lƣờng, kiểm tra… Trên hình 1.1 là đồ thị về độ chính xác đo đạc và gia công theo mốc thời gian [6]: Độ chính xác (µm) Gia công Đo đạc Thời gian (năm) Hình Độ chính xácđạc đo đạc giacông công theo theo mốc gian Hình 1.1 Độ1.1 chính xác đo và và gia mốcthời thời gian (Micromechatronics – Uchino K., Giniewicz J.) Trên đồ thị 1.1 có thể thấy cùng với độ chính xác đo đạc, độ chính xác trong gia công cũng ngày một tăng cao, từ khoảng milimét trong những năm đầu thế kỷ 20, đến đầu thế kỷ 21, các sản phẩm đƣợc gia công đôi khi có độ chính xác đến hàng thập phân của micromét. Đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, số lƣợng các cảm biến MEMS nhƣ các cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến đo áp suất… đƣợc trang bị trong một chiếc ô tô hiện đại ngày càng tăng [7]. Trong lĩnh vực viễn thông, có thể gặp các sản phẩm MEMS trong các thiết bị di động, hệ thống ra đa … Các sản phẩm MEMS cũng có ảnh hƣởng lớn đến ngành công nghiệp chế tạo vũ khí cũng nhƣ thám hiểm vũ trụ. Một trong các địa chỉ ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự hoặc dân sự. Công nghệ vi cơ điện tử cũng đƣợc sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày nhƣ trong các thiết bị nghe nhìn, máy tính, máy in … Công nghệ y sinh cũng là lĩnh vực không thể thiếu khi nhắc đến ứng dụng của công nghệ vi cơ điện tử. Lý do chính là vì sự tƣơng thích về kích cỡ của các linh kiện MEMS với các mẫu hay vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng, nghiên cứu trong y học cũng nhƣ sinh học. Công nghệ MEMS thƣờng đƣợc sử dụng trong các thiết bị đo huyết áp, thiết bị nội soi, cũng nhƣ trong các hệ phân tích máu và các mẫu sinh học kích cỡ micro khác… Sản phẩm tiêu biểu 6