Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 1

Trang 1

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 2

Trang 2

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 3

Trang 3

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 4

Trang 4

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 5

Trang 5

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 6

Trang 6

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 7

Trang 7

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 8

Trang 8

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 9

Trang 9

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử trang 10

Trang 10

Tải về để xem bản đầy đủ

pdf 28 trang nguyenduy 25/02/2024 220
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

Tóm tắt nội dung tài liệu: Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử

Tóm tắt Luận án Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ điện tử
m) đều gồm phần thân, phần tử áp điện và khối 
quán tính (inertial weight). Chuyển động tịnh tiến được tạo ra khi điều khiển 
điện áp dẫn tăng nhanh và giảm chậm hoặc ngược lại. Tiêu biểu là các thiết kế 
của Jih-Lian Ha [71], Takuma Nishimura [73], Hunstig [74-75] và Martin 
Špiller [76]. 
1.4.2 Các vi động cơ quay kiểu áp điện 
Vi động cơ quay dẫn động bằng sóng âm: Cheng [82] và Suzuki Y. [83] giới 
thiệu động cơ quay sử dụng sóng âm có các phần tử trên bề mặt stator dao động 
theo quỹ đạo dạng elip tạo ra ma sát thông qua các viên bi để đẩy rotor quay. 
Vi động cơ quay dạng sâu đo: Bexell M [84] dùng stator của vi động cơ gồm 
sáu chân, mỗi chân là một cấu trúc áp điện bimorph đa lớp kép. Bằng việc đặt 
điện áp thích hợp, đĩa rotor phía trên có thể quay với vận tốc lớn nhất 4 
vòng/phút và tạo ra mômen xoắn với trị số lớn nhất 1,4 mNm. 
1.5 Vi động cơ kiểu hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloy - SMA) 
Hoạt động với điện áp dẫn thấp, có tỷ lệ giữa công suất với kích thước, khối 
lượng của hệ thống vào loại cao nhất, nhưng nhược điểm của dẫn động bằng 
SMA là chuyển vị nhỏ. Có thể kể ra tiêu biểu như vi động cơ của Young Pyo 
Lee[86], Peirs J. [87] và Qin Yao [88]. 
Chương 2. Bộ kích hoạt tĩnh điện răng lược và ảnh hưởng của hiệu ứng 
viền 
2.1. Hiệu ứng tĩnh điện 
2.1.1. Tụ điện 
Xét một tụ điện gồm hai điện cực đặt song song và cách nhau một khoảng là δ. 
Điện dung của tụ điện C được tính: 
0. .AC  
 
 (2.2) 
Khi đó giữa hai bản tụ sẽ sinh ra lực pháp tuyến Fn hút hai bản tụ lại với nhau 
và lực tiếp tuyến Ft đẩy hai bản tụ chuyển động tương đối với nhau theo 
phương song song nhau. 
2.1.2. Lực pháp tuyến 
Hai bản tụ đặt song song, cách nhau một khoảng δ và phần diện tích chồng nhau 
chiếu lên mặt phẳng OZY là hình chữ nhật có kích thước b×a0. Đặt vào hai bản 
tụ một điện áp V, giả thiết khi đó bản tụ di động dịch chuyển theo phương X 
một đoạn x do lực Fn gây ra. Lực pháp tuyến được tính: 
6
20 0
2
. . . .1
2n
b a V
x
F  
 (2.11) 
Lực pháp tuyến Fn hút bản tụ di động về phía bản tụ cố định. 
2.1.3. Lực tiếp tuyến 
Đặt điện áp V giữa hai bản tụ. Giả thiết lực tiếp tuyến Ft gây ra chuyển động 
một đoạn ∆y của bản tụ di động theo phương song song với bản tụ cố định 
(phương OY). Lực tiếp tuyến được tính: 
20. .1
2t
b VF  
 
 (2.18) 
Lực tiếp tuyến không phụ thuộc khoảng chồng lên nhau a và tỉ lệ nghịch với 
khoảng hở δ và có xu hướng kéo bản tụ di động theo phương làm tăng diện tích 
chồng nhau. 
2.2. Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
Trong hình 2.5, ta thay thế dầm 
đàn hồi bởi lò xo có độ cứng k. 
Khi đặt điện áp V vào bộ kích 
hoạt thì lực tiếp tuyến Ft tạo ra 
hút răng lược di động sang phía 
phải, nhờ lực đàn hồi giữ cần 
bằng bản tụ di động. Độ dịch 
chuyển của phần di động theo 
phương y là: 
20. . . .
.
n by V
k
 
 
(2.21) 
Trong đó : n là số lượng răng lược di động, k là độ cứng dầm đàn hồi theo 
phương chuyển động Oy. 
2.3. Hiệu ứng viền 
Phân bố điện trường giữa hai bản tụ cho thấy càng gần trung tâm tụ điện thì 
đường điện trường càng tuyến tính, phần ngoài cạnh tụ điện (edge) đường điện 
từ dạng đường cong. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng viền (“fringe effect” hay 
“edge effect”). Với bề rộng của bản tụ là b, chiều dài a và khoảng cách giữa hai 
bản tụ là δ, điện dung hai bản tụ khi không kể đến hiệu ứng viền: 
0. . .
tb
a bC  
 
(2.27) 
Điện dung của tụ điện khi kể đến hiệu ứng viền là: 
Hình 2.5 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
Ftk
Phần cố định
Phần di động
x
y
O
z
7
0 0 01 ln 1 ln 1 1 ln 1 ln 1e
ab b aa a b b
C      
   
    
(2.30) 
Chuyển vị tính toán, mô phỏng và đo đạc của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
được thể hiện trên hình 2.17. Đường cong lý thuyết chuyển vị khi xét hiệu ứng 
viền gần đường chuyển vị đo đạc hơn so với trường hợp không xét hiệu ứng 
viền thể hiện trên hình 2.17a. Hình 2.17b chỉ ra sai số giữa chuyển vị lý thuyết 
và đo đạc là tương đối nhỏ (lớn nhất là 11%) khi kể đến hiệu ứng viền. Sai số 
này tăng lên nhiều khi bỏ qua hiệu ứng viền (lớn nhất là 27,5%). Vì thế chuyển 
vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược chịu ảnh hưởng lớn của hiệu ứng viền 
và cần lưu ý đến hiệu ứng này trong quá trình tính toán và thiết kế các kết cấu 
dẫn động bằng hiệu ứng tĩnh điện. 
Chương 3. Thiết kế các vi động cơ quay 
3.1. Vi động cơ kiểu 1 
3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
Hình 3.1 chỉ ra cấu tạo của vi động cơ quay (MRM) gồm có bốn bộ kích hoạt 
tĩnh điện răng lược liên kết với các cơ cấu truyền động, vành răng cóc và bốn cơ 
cấu chống đảo. Khi đặt một điện áp giữa hai điện cực cố định  và điện cực di 
động  của bộ kích hoạt tĩnh điện dạng răng lược, do lực tĩnh điện tiếp tuyến, 
phần di động (gồm có dầm và các răng lược di động) quay phải quanh điểm đàn 
hồi . Thông qua cơ cấu truyền , chuyển động quay của bộ kích hoạt được 
truyền ra vành răng  và quay theo chiều kim đồng hồ. Khi điện áp giảm tới 0, 
các dầm cùng với răng lược và cơ cấu truyền động hồi vị về vị trí ban đầu nhờ 
lực đàn hồi. Nhờ cơ cấu chống đảo , vành răng không xoay theo chiều ngược 
lại. Vận tốc góc của vành răng phụ thuộc vào tần số của điện áp đặt vào các điện 
cực. Để đảm bảo vành răng có thể quay được, chuyển vị trong mỗi bước di 
chuyển của thanh răng cóc dẫn  phải lớn hơn một bước răng cóc. 
Hình 2.17 Đánh giá chuyển vị của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
a) Chuyển vị của bộ ECA 
b) Sai số lý thuyết và đo đạc 
 Điện áp (V) 
S
ai
 s
ố 
(%
) 
Điện áp (V) 
 bỏ qua h/ứ viền 
có h/ứ viền 
mô phỏng 
đo đạc 
 Ch
uy
ển
 v
ị (
μm
) bỏ qua h/ứ viền 
có h/ứ viền 
8
Hình 3.1 Cấu tạo mô tơ một chiều 
Hình 3.2 thể hiện bộ ECA và cơ cấu truyền động. Các răng lược quay quanh 
điểm đàn hồi  có bề rộng 4m. Bề rộng của mỗi răng lược là 3m, khe hở 
giữa hai răng lược là 2m, tổng số răng lược của phần di động là 76. Phần di 
động của bộ kích hoạt là dầm  được cố định một đầu và đầu còn lại được liên 
kết với thanh răng dẫn  thông qua lò xo và hệ thống stoppers . 
Hình 3.2 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược và cơ cấu truyền chuyển động 
4
1
2
3
5
1. Điện cực cố định
2. Điện cực di động
3. Cơ cấu chống đảo chiều
4. Cơ cấu truyền chuyển động
5. Vành răng ngoài
3
6
7
8
9
1
θ
6. Cổ đàn hồi
7. Thanh răng dẫn
8. Lò xo 
9. Hệ thống stopper 4μm
2
4μm

9
Ở kỳ hồi vị, khi điện áp dẫn giảm về 0, thanh răng cóc dẫn hồi vị về vị trí ban 
đầu, lò xo  bị nén, các răng của thanh răng cóc dẫn trượt trên các răng cóc của 
vành răng ngoài. Bốn cơ cấu chống đảo  được sử dụng để đảm bảo vành răng 
ngoài không thể quay theo chiều ngược lại. 
3.1.2 Phân tích lực và mô phỏng 
a. Kỳ dẫn động (Khi thanh răng cóc dẫn động vành răng ngoài) 
Hình 3.5 Phân tích lực trong kỳ dẫn động 
Các lực trên răng cóc dẫn và răng cóc của vành răng ngoài được phân tích trong 
nửa chu kỳ dẫn (hình 3.5). Trong đó, Fes là lực tĩnh điện sinh ra từ các bản tụ 
răng lược, Fel là lực đàn hồi cổ đàn hồi, Ff2 là lực ma sát giữa thanh răng cóc 
dẫn và lớp nền, Ff3 là lực ma sát của vành răng ngoài và lớp nền, Fa là lực đàn 
hồi của lẫy chống đảo, Ff4 là lực ma sát giữa chân hãm và các răng cóc. 
Khi không kể đến hiệu ứng viền 
3
2 4
min
0
. ( . )
4
. . .
f
p f f
F
k i p F F
V
n b
  
 
 (3. 13) 
Từ (3.13), nếu số bước răng cóc i = 1 thì điện áp nhỏ nhất Vmin = 57,26 (V) và 
nếu i = 2 thì Vmin = 76,45 (V). 
Khi kể đến hiệu ứng viền 
3
2 4
min
1
( . )
4
f
p f f
n
e j
j j
F
k i p F F
V
C y
y 



 (3. 15) 
Từ (3.15), khi tính tới ảnh hưởng của hiệu ứng viền, nếu i = 1 thì điện áp nhỏ 
nhất Vmin = 53,26 (V) và nếu i = 2 thì Vmin = 71,48(V). 
b. Kỳ hồi vị (Thanh răng dẫn trượt trên vành răng ngoài về vị trí ban đầu) 
10 
Hình 3.7 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị 
Dưới tác dụng của lực đàn hồi của dầm, thanh răng cóc dẫn hồi vị về vị trí ban 
đầu và trượt trên vành răng ngoài (hình 3.2). Fs là lực đàn hồi lớn nhất của lò xo 
được tính: Fs = ks.h (3.18) 
Với ks là độ cứng của lò xo theo phương y, h là chiều cao răng cóc. 
Lực Q theo phương y nén lò xo và làm cho hai răng cóc trượt trên nhau được 
tính: '1 2 2
1.cos ( ).sin .cos ( ).sin 2
2n el f el f
Q F F F F F (3.19) 
Với α = 30° là góc nghiêng của răng cóc (hình 3.7). Điều kiện để thanh răng cóc 
dẫn có thể hồi vị về vị trí ban đầu là: sFQ (3.20) 
Kết hợp các phương trình (3.19) và (3.20) ta được: 
2
1 .( . ) .sin 2 . 14.22 ( )
2 p f s
k i p F k h N   (3.21) 
Chỉ có giá trị i = 2 thỏa mãn điều kiện (3.21), điều này nghĩa là mỗi bước dẫn 
của cơ cấu kích hoạt đẩy vành răng được 2 bước răng. Vậy, để đảm bảo vành 
răng có thể quay được, từ (3.13) và (3.15) có giá trị điện áp dẫn nhỏ nhất Vmin = 
76,45 (V) khi không xét đến hiệu ứng viền và Vmin = 71,48 (V) khi xét đến hiệu 
ứng viền. Để đảm bảo khả năng chế tạo trong thực tế luôn tồn tại khe hở giữa 
thanh răng cóc dẫn và vành răng cóc bên ngoài (θ 2 µm để thực hiện được quá 
trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu DRIE trong gia công MEMS) dẫn tới việc ăn 
khớp “hở”. Điều đó có thể dẫn tới hiện tượng trượt khi động cơ làm việc. 
O
y
xChiều hồi vị
F’el – Ff2Fel - Ff2 
Fn1
Q
Fs
Ff1
α
p=10m
α h=
6
m
Ff2
11 
3.2. Vi động cơ kiểu 2 
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
Hình 3.8 Cấu tạo vi động cơ kiểu 2 
Về cơ bản cấu tạo của vi động cơ quay một chiều kiểu 2 tương tự như động cơ 
kiểu 1, tuy nhiên phần cơ cấu dẫn động được thiết kế thêm cơ cấu lẫy cài-lò xo. 
Từ vị trí ban đầu sau khi chế tạo phần thanh răng cóc dẫn sẽ được đẩy lên bởi 
đầu kim có đường kính đủ nhỏ (cỡ 50 μm) sang vị trí hoạt động. 
Hình 3.9 Cơ cấu truyền động (vị trí làm việc) 
Hai lẫy được đẩy lên vào hai gờ và cố định vị trí đó trong suốt quá trình làm 
việc. Cơ cấu này có tác dụng làm cho thanh răng cóc dẫn luôn tỳ lên vành răng 
cóc nhờ lò xo  luôn bị nén, nhờ đó triệt tiêu khe hở dẫn động. 
Để đảm bảo vành răng có thể quay được, chuyển vị trong mỗi bước di chuyển 
của thanh răng cóc dẫn  phải lớn hơn một bước răng cóc. 
1
1
1
12
5
3
4
V
Dầm ECA
6
7
9
12 
3.2.2 Phân tích lực và mô phỏng 
a. Kỳ dẫn động (Khi thanh răng cóc dẫn động vành răng ngoài) 
Hình 3.12 Phân tích lực trong kỳ dẫn động 
Điều kiện của lực dẫn Fd: 
dkFF
F
FFF pelf
f
fesd .4 4
3
2 (3.23) 
Khi không kể đến hiệu ứng viền 
3
0 2 4
min
0
( )
4
. . .
f
p f f
F
g k ip F F
V
n b
  
 
(3.25) 
Từ (3.25), nếu i = 1 thì Vmin = 52,50 (V) và nếu i = 2 thì Vmin = 72,95 (V). 
Khi kể đến hiệu ứng viền 
3
2 4
min
1
( )
4
f
p f f
n
e j
j j
F
k ip F F
V
C y
y 



 (3.27) 
Từ (3.27) khi tính tới ảnh hưởng của hiệu ứng viền, nếu i = 1 thì Vmin = 48,90V 
và nếu i = 2 thì Vmin = 68,26V. 
b. Kỳ hồi vị (Thanh răng dẫn trượt trên vành răng ngoài về vị trí ban đầu) 
Fes
Ff3/4
Răng cóc 
thanh răng dẫn
Răng cóc 
vành răng 
ngoài
Hướng di 
chuyểnFel
Ff2
Ff4
Fa
Đỉnh chân hãm
13 
Hình 3.13 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 
Lực Q theo phương y nén lò xo và làm cho hai răng cóc trượt trên nhau: 
'
1 2 2
1.cos ( ) sin cos ( ) sin 2
2n el f el f
Q F F F F F (3.31) 
Với α = 30° là góc nghiêng của răng cóc (hình 3.13) 
Để thanh răng cóc dẫn có thể hồi vị về vị trí ban đầu: sFQ (3.32) 
Kết hợp các phương trình (3.10) và (3.11) ta thu được: 
2
1 ( ) .sin2 . 14,3
2 p f s
k ip F k h  (μN) (3.33) 
Chỉ có giá trị i = 2 thỏa mãn điều kiện (3.33). Vậy, để đảm bảo vành răng có thể 
quay được, giá trị điện áp dẫn nhỏ nhất khi không kể đến hiệu ứng viền Vmin = 
72,95 (V) và khi kể tới hiệu ứng viền thì Vmin = 68,26 (V). 
Chiều hồi vị
F’el – Ff2Fel - Ff2 
Fn1
Q
Fs
Ff1
α
p=10m
α h=
6
m
Ff2
14 
3.3 Vi động cơ kiểu 3 
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
Hình 3.15 Cấu tạo vi động cơ kiểu 3 
Cấu tạo của vi động cơ quay kiểu 3 được thể hình 3.15. Điểm chính trong thiết 
kế này là thay đổi trong cơ cấu truyền chuyển động. Thanh răng cóc dẫn luôn 
nối trực tiếp với bộ kích hoạt/chấp hành răng lược thông qua dầm có cổ đàn hồi. 
Điều này làm giảm độ trễ trong quá trình truyền động từ bộ kích hoạt/chấp hành 
đến vành răng ngoài. Hình 3.18 mô tả quá trình hoạt động của vi động cơ. 
V#0 V=0 
Hình 3.18 Hoạt động của ECA và cơ cấu truyền chuyển động 
5
6
1
1
1
12
3
4 V
15 
3.3.2 Phân tích lực và mô phỏng 
a. Kỳ dẫn động: Điều kiện để thanh răng cóc dẫn làm quay được vành răng 
ngoài là: 
3
2 4 .4
f
d es f f el p
F
F F F F F k d 
(3.34) 
Khi không kể đến hiệu ứng viền: 
3
2 4
min
0
4
. . .
f
p f f
F
k ip F F
V
n b
 
  
(3.36) 
Với i = 1, 2, 3 từ (3.36) điện áp dẫn tối thiểu Vmin lần lượt là 61,95 (V); 86,52 
(V); 105,52(V). 
Khi kể đến hiệu ứng viền 
3
2 4
min
1
4


f
p f f
n
e j
j j
F
k ip F F
V
C y
y
 (3.38) 
Từ (3.38) khi tính tới ảnh hưởng của hiệu ứng viền, điện áp dẫn tối thiểu Vmin 
lần lượt là 57,71 (V); 80,96 (V); 98,73(V). 
b. Kỳ hồi vị : 
Trong chu kỳ hồi vị khi điện áp dẫn giảm về 0, thanh răng dẫn trượt trên răng 
cóc của vành răng ngoài về vị trí ban đầu. Điều kiện để thanh răng dẫn có thể 
hồi vị là lực Q (theo phương y) lớn hơn tổng của lực đàn hồi lò xo Fs1 và lực 
đàn hồi tại cổ đàn hồi thanh răng dẫn Fs2: 
Hình 3.19 Các lực trong quá trình dẫn 
FesFel
Ff2
Ff3/4
Răngcóc của
thanh răngdẫn
Răngcóc của
vành răng
ngoài
Hướng di
chuyển
16 
Hình 3.20 Phân tích lực trong kỳ hồi vị 
1 2s sQ F F (3.39) 
Lần lượt tính lực Q từ phản lực đàn hồi của dầm ECA, tính lực đàn hồi của lò 
xo Fs1, lực đàn hồi của thanh răng Fs2 đề kiểm tra điều kiện (3.39) sẽ thu được 
Fs1 = 21,2 µm, Fs2 = 9,52 µm và: 
Bảng 3.1. Liên hệ giữa lực Q với số bước răng cóc trong một lần dẫn động 
Số bước răng đi được i 1 2 3 
Lực Q (µN) 15,94 31,88 47,83 
Có thể thấy lực Q lớn hơn tổng của lực đàn hồi lò xo Fs1 và lực đàn hồi lò xo 
thanh răng dẫn Fs2 chỉ khi số bước răng di chuyển trong chu kỳ i = 2 hoặc i = 3. 
Từ đó có thể kết luận rằng điện áp dẫn tối thiểu là Vmin= 86,52 (V) nếu i=2 và 
nếu i = 3 thì Vmin = 105,52 (V). Khi xét hiệu ứng viền thì điện áp này lần lượt là 
80,96 (V) và 98,73(V). 
Bảng 3.2 So sánh điện áp dẫn nhỏ nhất Vmin (V) giữa các loại vi động cơ 
Hiệu ứng viền 
Loại động cơ 
Bỏ qua Kể đến 
i = 1 i = 2 i = 1 i = 2 
Loại 1 57,26 76,45 53,26 71,48 
Loại 2 52,50 72,95 48,90 68,26 
Loại 3 61,95 86,52 57,71 80,96 
O
y
x
F’el - Ff2
Fn1Q
FS1 –FS2 Ff1
α
p =7 m
α h 
=4
 
m
Fel – Ff2
Chiều hồi vị
17 
CHƯƠNG 4. CHẾ TẠO VÀ ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM 
4.1 Giới thiệu 
Trong chương 4, tác giả trình bày qui trình thiết kế các loại vi động cơ trên phần 
mềm L-Edit và quá trình chế tạo động cơ sử dụng công nghệ quang khắc (photo 
lithography), ăn mòn ion hoạt hóa sâu (Deep Reactive Ion Etching – DRIE), ăn 
mòn bằng hơi axit HF (Hydrofluoric acid). Công nghệ được sử dụng trong chế 
tạo các vi động cơ là công nghệ gia công vi cơ khối sử dụng chỉ một mặt nạ 
(mask). Các kết quả chế tạo, đo đạc và các đánh giá cũng được trình bày. 
4.2 Thiết kế mặt nạ để chế tạo các vi mô tơ 
Chiều dày tối đa 
Trong quá trình chế tạo vi động cơ, để giảm thời gian ăn mòn bằng hơi axit HF 
cũng như giảm khối lượng khi hoạt động, các phần di động (như các bộ kích 
hoạt/chấp hành răng lược, dầm, khung di động) đều được thiết kế dạng lưới 
với bề rộng của các nan không quá 8 µm. 
Khe hở tối thiểu 
Khi thiết kế mặt nạ phải luôn đảm bảo nguyên tắc khe hở nhỏ nhất giữa các bề 
mặt gần nhau là 2 µm, là khe hở tối thiểu để đảm bảo khí có thể ăn mòn tạo ra 
khe hở giữa các phần khác nhau trong quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu. 
4.3 Thiết lập quy trình gia công 
Trên hình 4.7 là lưu đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi 
động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bước chính gồm chuẩn bị, quang khắc, 
ăn mòn DRIE, cắt chíp và ăn mòn bằng hơi HF. 
4.4 Xử lý, đánh giá kết quả 
4.4.1 Kết quả thu được 
Các chip sau khi được chế tạo sẽ được chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi 
điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Trong các hình từ 4.17 đến 
4.19 là kết quả ảnh chụp các chip vi động cơ một chiều kiểu 1, kiểu 2 và kiểu 3. 
Kết quả khảo sát cho thấy các cấu trúc linh kiện không bị dính (do chưa ăn mòn 
hết) hoặc bị gãy. Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc cũng như lớp SiO2 đệm dưới 
các chi tiết có thể chuyển động đã được loại bỏ hoàn toàn. Hình 4.21 là hình ảnh 
chụp từ video hoạt động của động cơ (video-captured image) kiểu 1. 
18 
Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các vi động cơ 
Lớp Si dày 30µm
Lớp SiO2 4µm
Đế Si nền
Chuẩn bị
Lớp cảm
quang
Đế Si
Tấm kính
Tia UV bị giữ lại
Tia UV xuyên qua
pattern
Quang khắc
Ăn mòn 
khô D-RIE
Mặt nạ cảm quangLớp SiO2
Lớp Si
Đế Si
V
Phần cố định Ăn mòn bằng 
hơi HF
Phần di độngĐế Si
Cắt chip
①
②
③
④
⑤

Chip được cắt từ phiến
Phiến SOI 
19 
Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1 Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2 
Hình 4.19 Vi động cơ quay kiểu 3 
Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 1 
4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ 
a. Tính vận tốc góc lý thuyết của vi động cơ 
20 
Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor của vi động cơ quay một vòng được là: 
740 37
60. . 60. . 3. .
zt
i f i f i f
 (phút) (4.7) 
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 bước càng lớn). Trong trường hợp đang xét có i=2, do đó vận tốc góc 
của động cơ là: 
1 3. . 6 ( / )
37 37
i f fn v ph
t
 (4.8) 
b. Đánh giá đặc tính 
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 
ngoài, 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 toán khi tần số dòng điện dẫn vượt quá 40 
Hz. Cũng có thể thấy, tuy có cải thiện trong kết cấu, nhưng 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 lược không được truyền 
trực tiếp để dẫn động vành răng bên ngoài. Điều này góp phần gây nên hiện 
tượng trượt giữa các răng ở các tần số dẫn lớn. Phương án vi động cơ kiểu 3 với 
thanh răng cóc dẫn liên kết trực tiếp với dầm chính của bộ kích hoạt/chấp hành 
được thiết kế nhằm khắc phục nhược điểm đó. 
Hình 4.25 Vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80V) 
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
V
ận
 tố
c 
gó
c 
(v
/p
h)
Tần số (Hz)
Vận tốc góc lý thuyết
Vận tốc góc mô tơ kiểu 1
Vận tốc góc mô tơ kiểu 2
21 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
KẾT LUẬN 
Luận án bao gồm bốn chương, tập trung lần lượt vào các nội dung về các vi 
động cơ, lý thuyết tĩnh điện, tính toán thiết kế bốn loại vi động cơ quay hoạt 
động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và thiết lập 
quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các vi động cơ. 
Trong luận án, các vi động cơ được được hệ thống hóa dựa trên hoặc dạng 
chuyển động đầu ra (động cơ quay hoặc động cơ tịnh tiến), hoặc hiệu ứng được 
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 ưu nhược điểm của các loại động cơ, tác giả lựa chọn đối tượng 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 lược. 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 lược được tiến 
hành dựa trên cơ sở lý thuyết tĩnh điện. Hiệu ứng viền (fringe effect) và ảnh 
hưởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện cũng được 
phân tích làm rõ. Có thể thấy rằng dưới ảnh hưởng của hiệu ứng viền, lực tĩnh 

File đính kèm:

  • pdftom_tat_luan_an_nghien_cuu_vi_dong_co_kieu_tinh_dien_dua_tre.pdf