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

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội -2014 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.
- Việc nghiên cứu, nắm rõ đặc tính của các thành phần chính của các vi hệ thống như vi động cơ và vi cơ cấu có ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác.
- 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 hoạt động một chiều hoặc hai chiều, được chế tạo bằng công nghệ gia công vi cơ khối.
- 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 microrobot, từ đó đề xuất cấu trúc các vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược.
- 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 được 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 lược.
- Các vi động cơ kiểu tĩnh điện ứng dụng trong các vi robot hoặc các hệ vận tải, lắp ghép kích thước micro.
- 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.
- Các vi động cơ được chế tạo bằng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn và thông dụng như công nghệ quang khắc (lithography), công nghệ ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (DRIE), công nghệ ăn mòn hóa học … 2 Đo đạc, đánh giá đặc tính của các sản phẩm được chế tạo.
- Ý nghĩa của luận án  Nghiên cứu một cách có hệ thống về các vi động cơ, cũng như ảnh hưởng của hiệu ứng viền trong các vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược.
- 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 lược.
- Thiết lập quy trình chế tạo cho các vi động cơ, trong đó chỉ sử dụng các công nghệ MEMS tiêu chuẩn.
- Những kết quả mới của luận án  Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng viền (fringe effect) trong các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược cũng như 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 như đề xuất vi động cơ kiểu tĩnh điện có thể quay hai chiều.
- Các vi động cơ đều được 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) với chỉ một mặt nạ cho phép tăng tính chính xác, giảm giá thành khi chế tạo, đồng thời, các vi động cơ cũng có công suất truyền lực lớn hơn các vi động cơ được chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt.
- Luận án được trình bày trong bốn chương, nội dung của các chương được tóm tắt như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về vi động cơ.
- Tác giả đưa ra các phương pháp phân loại một cách có hệ thống các vi động cơ, đồng thời, cũng đưa ra các nhận xét, đánh giá để từ đó lựa chọn đối tượng 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 lược.
- Ảnh hưởng của hiệu ứng viền lên hoạt động của các bộ vi kích hoạt/chấp hành được phân tích cụ thể thông các minh chứng thu được từ tính toán lý thuyết, mô phỏng và đo đạc thực tế.
- Chương 3 giải các bài toán về cấu trúc, động học và lực của các loại vi động cơ quay sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược, nhằm thỏa mãn các tiêu chí sau: độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, có tính mô đun hóa cao, kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, có thể sản xuất hàng loạt, tiêu hao ít năng lượng.
- Chương 4 Thiết lập quy trình chế tạo vi động cơ bằng phương pháp gia công vi cơ khối.
- Sau khi chế tạo thành công, tác giả cũng tiến hành đo đạc, phân tích, đánh giá đặc tính của các vi động cơ.
- Vi động cơ Để nghiên cứu tổng quan về các vi động cơ, tác giả kết hợp hai phương pháp phân loại dựa trên kiểu chuyển động mà vi động cơ tạo ra và phân loại dựa trên hiệu ứng dùng để dẫn động vi động cơ.
- Hình 1.1 Phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng dẫn động 1.1 Vi động cơ kiểu tĩnh điện (Electrostatic micro motor) 1.1.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu tĩnh điện Vi động cơ bước tịnh tiến kiểu tĩnh điện:Sarajlic E.
- [13] giới thiệu vi động cơ bước 3 pha kiểu tĩnh điện, với hành trình của thanh trượt là 52 m.
- Vi động cơ tịnh tiến kiểu trượt (shuffle motor): Tas [14] và Sarajlic [15]thiết kế vi động cơ điều khiển giữ cố định hoặc thả chân phía trước và phía sau bản cực di động.
- Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: Richard Yeh [16] sử dụng các bộ vi kích hoạt/chấp hành dạng răng lược ECA để tạo ra các cơ cấu kẹp và đẩy thanh trượt, thanh trượt có thể chuyển động với hành trình 80 m.
- Vi động cơ tịnh tiến dạng bóp kẹp: Trong [20] Phuc P.H.
- giới thiệuvi động cơ với các bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược ECA qua các thanh răng cóc tác động lên các cánh của thanh trượt để tạo ra chuyển động.
- 1.1.2 Các vi động cơ quay kiểu tĩnh điện Vi động cơ bước kiểu tĩnh điện: Y.
- Tai [9, 21] giới thiệu vi động cơ bước quay đầu tiên năm 1989.
- Loại động cơ này được chia thành dẫn động mặt trên (top-drive), dẫn động mặt cạnh (side-drive) và dẫn động mặt cạnh dạng điều hòa (harmonic side-drive).
- Vi động cơ tĩnh điện kiểu rotor lắc (wobble motor): Tony Sarros [28] làm rotor quay bằng cách lần lượt kích hoạt điện áp giữa rotor và bốn cực của stator.
- Các vi động cơ dạng này có các ưu điểm như cường độ điện trường cao, ma sát nhỏ hơn so với các vi động cơ bước tĩnh điện thông thường.
- Vi động cơ sử dụng bộ vi kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược: Động cơ của Sammoura [43] chuyển động theo nguyên lý sâu đo (inchworm) Vi động cơĐiện từTĩnh điệnÁp điệnNhiệt điệnSMAHiệu ứng khác 4với 8 bộ vi kích hoạt/chấp hành kiểu GCA (gap closing actuator) được bố trí bên ngoài đĩa rotor với đường kính 200 m, trong đó 4 bộ GCA đóng vai trò kẹp và 4 bộ còn lại để đẩy rotor quay với mômen xoắn 2,4 nNm.
- Nhìn chung, các vi động cơ tĩnh điện có ưu điểm là có tính tương thích cao, có thể sinh ra lực cũng như mômen lớn.
- Đây là nhóm động cơ được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ MEMS.
- 1.2 Vi động cơ kiểu điện từ (Electromagnetic micro motor) 1.2.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu điện từ Các vi động cơ kiểu này đều có stator là đường dẫn và con trượt hay thanh trượt chuyển động trên đường dẫn đó.
- 1.2.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ C.
- Hiệu ứng điện từ cũng được S.
- Động cơ có đường kính 10 mm, ứng với dòng 240 mA có mômen xoắn đầu ra 350 Nm.
- 1.3 Vi động cơ kiểu nhiệt điện (Electrothermal micro motor) 1.3.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu nhiệt điện Vi động cơ có thanh trượt chuyển động do ma sát: Byron Shay [56] và Ali Khiat [57] sử dụng ba bộ vi kích hoạt/chấp hành chữ V, thanh trượt với chiều dài 550 -750 m trong động cơ có thể di chuyển với vận tốc 250 m/s và tạo ra lực đẩy lớn hơn 14 N.
- Vi động cơ tịnh tiến dạng sâu đo: John Maloney [58] sử dụng hai cặp các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V để kẹp và đẩy.
- 1.3.2 Các vi động cơ quay kiểu nhiệt điện A Geisberger [66] giới thiệu mô tơ có khả năng quay hai chiều, kích thước ngoài 1 mm3, hai bộ vi kích hoạt/chấp hành sẽ làm việc lệch pha để đẩy rotor quay.
- Động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối trên tấm silic kép, và dưới điện áp dẫn 24 V, đạt mômen xoắn 0,14 Nm và công suất 76 mW.
- [67] dùng các bộ vi kích hoạt/chấp hành nhiệt dạng chữ V kết hợp cùng với cơ cấu răng cóc để đạt được chuyển động quay một chiều của rotor.
- 51.4 Vi động cơ kiểu áp điện (Piezoelectric micro motor) 1.4.1 Các vi động cơ tịnh tiến kiểu áp điện Vi động cơ dẫn động bằng quán tính: Các vi động cơ dẫn động bằng xung IDM (Impact Drive Mechanism) đều gồm phần thân, phần tử áp điện và khối quán tính (inertial weight).
- 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.
- 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.
- Bộ kích hoạt tĩnh điện răng lược và ảnh hưởng của hiệu ứng viền 2.1.
- Hiệu ứng tĩnh điện 2.1.1.
- 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.
- 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.
- (2.27) Điện dung của tụ điện khi kể đến hiệu ứng viền là: Hình 2.5 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược FtkPhần cố địnhPhần di độngxyOz 70 0 01 ln 1 ln 1 1 ln 1 ln 1eab b aa a b bC.
- (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.
- 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.
- chuyển động quay của bộ kích hoạt được truyền ra vành răng  và quay theo chiều kim đồng hồ.
- 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) Sai số.
- 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 412351.
- 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 32 4min0.
- 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  32 4min1.
- 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).
- 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).
- (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: 21.
- (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.
- Điều đó có thể dẫn tới hiện tượng trượt khi động cơ làm việc.
- 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.
- 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.
- (3.23) Khi không kể đến hiệu ứng viền 30 2 4min0( )4.
- Khi kể đến hiệu ứng viền  32 4min1( )4fp f fne jjjFk ip F FVC yy.
- (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.
- (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: 21.
- 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 vịF’el–Ff2Fel- Ff2 Fn1QFsFf1αp=10mαh=6mFf2 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.
- 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 561111234V

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt