Vi mô tơ nhiệt - điện siêu nhỏ chế tạo bằng công nghệ MEMS

Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 VI MÔ TƠ NHIỆT - ĐIỆN SIÊU NHỎ CHẾ TẠO BẰNG CÔNG NGHỆ MEMS Trần Văn Quân1, Bùi Hữu Nam2*, Nguyễn Tiến Dũng2 1Viện Cơ khí, trường ĐH Bách khoa Hà Nội 2Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ MEMS, các vi mô tơ đang đƣợc nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng ngày càng phổ biến. Bài báo trình bày thiết kế và mô phỏng một mẫu vi mô tơ quay sử dụng bộ kích hoạt nhiệt điện dạng chữ V. Vi mô tơ có kích thƣớc ngoài 2,4mm, hoạt động với điện áp dẫn tối thiểu Umin=19V trong dải tần số hàng trăm Hz. Ƣu điểm nổi bật của loại vi mô tơ này là tiêu thụ năng lƣợng ít (điện áp dẫn động thấp), hệ thống điều khiển đơn giản, có thể chế tạo hàng loạt dễ dàng dựa trên công nghệ vi cơ khối (Bulk - micromachining). Từ khóa: Vi mô tơ quay; Bộ kích hoạt nhiệt điện; Công nghệ vi cơ khối GIỚI THIỆU các vi mô tơ này có cấu trúc và công nghệ chế Cùng với sự phát triển của nhiều công nghệ tạo tƣơng đối phức tạp. sản suất mới lan rộng trong MEMS (Micro Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất một Electro Mechanical System), các bộ vi kích mẫu vi mô tơ quay một chiều ứng dụng hiệu hoạt, vi mô tơ đã đƣợc nghiên cứu, khai thác ứng giãn nở nhiệt có thể chế tạo bằng công và ứng dụng rất rộng rãi [1,2]. Hiệu ứng vật nghệ vi cơ khối chỉ sử dụng một mặt nạ giúp lý ứng dụng trong MEMS cũng rất đa dạng, giảm giá thành khi gia công hàng loạt và tăng mà điển hình là hiệu ứng giãn nở nhiệt. Khác độ chính xác. Bốn bộ kích hoạt hệ dầm chữ V với các hiệu ứng khác, hiệu ứng giãn nở nhiệt kết hợp với hệ thống thanh răng có để dẫn có thể cho chuyển vị và lực lớn ở điện áp nhỏ. động vành răng bên ngoài, cùng với đó là Một vài loại vi mô tơ tuyến tính sử dụng các bốn cơ cấu chống đảo giữ vành răng trong bộ kích hoạt nhiệt điện nhƣ bộ kích hoạt hình quá trình hồi vị. Mẫu vi mô tơ này có kết cấu chữ V [3-9], chữ Z [10-11], hay dầm ”nóng- đơn giản, tỷ trọng công suất lớn, điện áp dẫn lạnh” [12-14] .., chẳng hạn có thể sử dụng 5 tƣơng đối nhỏ... bộ kích hoạt nhiệt điện để tạo ra chuyển động CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT 2 chiều của vi mô tơ dạng sâu đo [15]. Cũng ĐỘNG CỦA VI MÔ TƠ có thể tạo ra chuyển động 2 chiều của vi mô tơ bằng việc sắp xếp các bộ kích hoạt giống Cấu tạo của vi mô tơ đƣợc thể hiện trên hình 1. nhƣ các bánh lái bên ngoài [16]. Nói chung, 5 6 1 4 2 2 3 O Điểm đàn hồi w = 4 m Hình 1: Cấu tạo vi mô tơ* * Tel: 0913 4483030 141 Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 Nguyên lý hoạt động của vi mô tơ dựa trên lý Trong đó J là mật độ dòng điện, là điện thuyết giãn nở nhiệt với trung tâm là bốn bộ trở suất của dầm, k là hệ số dẫn nhiệt. kích hoạt nhiệt dầm chữ V (1). Khi cấp điện Giải phƣơng trình (1) ta thu đƣợc phƣơng cho các điện cực trên bộ kích hoạt, các dầm trình phân bố nhiệt bên trong dầm chữ V: của bộ kích hoạt giãn nở và đẩy đỉnh dầm B Ax Ax chuyển động tịnh tiến làm cho thanh (3) quay T() x TS C12 e C e (2) A2 quanh cổ đàn hồi O. Thông qua các cơ cấu U 2 truyền chuyển động (4) đƣợc gắn trên thanh Trong đó: B , AB2 và lL2 ; lk2 (3) sẽ đẩy bánh răng dẫn (5) quay thuận chiều 0 2AL e 1 2AL kim đồng hồ. Khi điện áp dẫn bằng không, 1 ; 1 e 1 ; C1 C nhờ lực đàn hồi ở cổ dầm O và lực đàn hồi ee22AL AL 2 ee22AL AL của bộ kích hoạt nhiệt (1), thanh răng cóc dẫn 0 TC20 ; 0 là điện trở suất tại TS (nhiệt độ (6) hồi về vị trí ban đầu. Bánh răng dẫn không S quay ngƣợc trở lại nhờ cơ cấu chống đảo (2). môi trƣờng xung quanh) và là hệ số nhiệt Sau mỗi chu kỳ đẩy của bộ kích hoạt nhiệt độ tuyến tính. Từ (2) ta có độ giãn dài của (1), răng cóc dịch chuyển một đoạn ip: với dầm đơn: L B CC p là bƣớc của răng cóc ứng với chiều cao L( T ) T ( x ) T dx L12 eAL 1 e AL 1 S A2 AA răng cóc h , i phụ thuộc vào chuyển vị của 0 thanh răng cóc, tức là phụ thuộc vào độ lớn và (3) tần số của điện áp dẫn. Lực đẩy của dầm theo phƣơng dịch chuyển là: L Bài báo trình bày tính toán, thiết kế vi mô tơ Fther mal 2 nAE sin (4) quay có kích thƣớc ngoài 2,5mm sử dụng bộ L kích hoạt nhiệt dạng chữ V dẫn động với các Trong đó: n: là số cặp dầm của mỗi bộ kích hoạt; A: là tiết diện mặt cắt ngang của dầm thông số kích thƣớc chính: số cặp dầm: n 6 , 2 chiều dài mỗi dầm đơn Lm300 , chiều đơn (µm ); E: mô đun đàn hồi của vật liệu rộng bm5 , chiều sâu hm30 , góc Silicon (Pa). nghiêng của dầm so với phƣơng dịch chuyển Tính chuyển vị Dcủa đỉnh dầm chữ V của đỉnh dầm 2 (nhƣ hình 2). Chuyển vị D đƣợc tính theo công thức sau: D B'' H BH AB22 AH BH L L22 Lcos L sin (5) H A B L Hình 2. Mô hình dầm nhiệt chữ V D L+ L B' TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ CHUYỂN VỊ CỦA DẦM CHỮ V Hình 3. Sơ đồ tính chuyển vị của đỉnh dầm chữ V Tính phân bố nhiệt và lực đẩy của dầm Ứng với các giá trị U=15 25(V), n=6, A=5x30 µm2, E=169.109 Pa, L=300 µm, chữ V -6 -1 -3 Phƣơng trình truyền nhiệt dạng thu gọn: αT=4.10 K , λ=1,25.10 , ρo=1200 Ω.m, 4 -1 -1 dT2 k 1,56.10 Wμm K (tại 300K). Ta thu kJ2 0 (1) đƣợc bảng thông số (bảng 1). dx2 Bảng 1: Bảng thông số tính toán nhiệt và chuyển vị của dầm chữ V Điện áp  L (μm) TC() Dm() Fther mal () mN U(V) max 15 0,1188 200,92 2,9795 4,2 17,5 0,1796 278,28 4,2741 6,4 19 0,2315 334,38 5,2948 8,2 22,5 0,3936 494,52 8,1249 13,9 24 0,47 578,59 9,3189 16,6 25 0,5495 659,83 10,4903 19,4 142 Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 PHÂN TÍCH LỰC TRONG HỆ THỐNG VI Trong đó: F đóng vai trò là lực dẫn động MÔ TƠ Fel là lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi); F là lực ma sát giữa răng cóc dẫn và Quá trình dẫn f 2 nền Si; F là lực ma sát giữa bánh răng dẫn Vi mô tơ đƣợc dẫn động bằng bốn bộ kích f 3 hoạt nhiệt dầm chữ V đối xứng (hình 4.a). và nền; Fa là lực đàn hồi của cơ cấu chống d đảo; Ff 5 là lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng cóc. Trong trƣờng hợp này, khoảng dịch chuyển d Fthermal r của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: A Fe F F d i. p g . Trong đó: i là số nguyên i=1,2, A r 1 p=10 m, g=2 m là khe hở ban đầu giữa các răng của thanh răng cóc dẫn và vành răng O (xem hình 1). Hình 4.a Hình 4.b Hình 4.c Mômen dẫn động của vi mô tơ đƣợc xác định bởi công thức sau: Hình 4. Sơ đồ tính lực dẫn động M f 3 Xét riêng một bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V. MMMMMd F---- f2 f 4 f 5 (8) 4 Các lực tác dụng lên dầm nhƣ hình vẽ 4.b Để cơ cấu có thể hoạt động đƣợc, mô men FFFFFFther mal e0 th er mal e dẫn M d phải lớn hơn Mel : MMd el (9) F F n.. k (6) ther mal Trong đó: M là mô men dẫn động F; Với: là chuyển vị của đỉnh dầm chữ V (luôn d Mifi ( 2,3,4) là các mô men ma sát (tính có D ; Fthermal là lực giãn nở nhiệt của quanh điểm đàn hồi O). Chúng đƣợc tính theo một cặp dầm chữ V; n là số cặp dầm; Fe là lực đàn hồi của một cặp dầm; F là nội lực các biểu thức: M f... m G r M f... m G r xuất hiện tại mặt cắt A-A trên phần dẫn MF F. r1 ; f 22; f 3 3 2 ; động dầm; k233,05 N / m là độ cứng Mf 4 f... m 4 G r 3 ; Far k. h ; Mfa5 f. F . c os . r ; của một cặp dầm. Mel k p. d . r k p .( i . p g ). r (10) Gọi d là chuyển vị của thanh răng, đơn giản Trong đó: G là gia tốc trọng trƣờng hóa dầm dầm quay để tính toán chuyển vị ( G9,81.1062 ( m / s ) ); f 0,3 là hệ số ma tại phần đặt lực dẫn động F (hình 4.c). sát giữa Silicon-Silicon; m2,, m 3 m 4 lần lƣợt là Trong đó: rm1 440 là khoảng cách từ điểm khối lƣợng của thanh răng cóc, bánh răng dẫn đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt dạng chữ và bánh răng bị dẫn; kp 2,88 N / m là độ V. rm1040 là khoảng cách từ điểm đàn hồi cứng của dầm quay cổ đàn hồi; hm6 là đến răng cóc.Thế vào (6) ta có: chiều cao của răng cóc; rm3 1220 : khoảng r1 F Fther mal n..... k F th er mal n k d (7) cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm r tiếp xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị Đối với thanh răng và vành răng dẫn động, dẫn; k21,19 N / m là độ cứng của cơ cấu các lực tác động đƣợc thể hiện trong hình 5: r chống đảo; 30 : góc nghiêng của răng Ff 4 F a cóc; rm2 1180 là khoảng cách từ điểm đàn F 4 f 3 hồi đến tâm vành bánh răng dẫn. F Răng cóc f 5 bánh dẫn F Dựa vào (8), (9) và (10) ta có: F el M r 1 f 3 1 (11) Đỉnh cơ cấu chống đảo F Fther mal M f 2 M f 4 M f 5 kipgrnkipg p .( . ). . .( . ). m f 2 μ rr4  1 30 h=6 r 440 p=10μm (i . p g ).1 12. 5,07 m Vậy: i 1 r 1040 (12) Thanh răng cóc F5,2 mN Hình 5. Phân tích lực quá trình dẫn động ther mal 143 Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 '' r1 440 F f. F f F F F sin (14) (i . p g ). 22. 9,3 m f12 n el ev f (13) i 2 r 1040 Vì f .sin 0,3.0,5 0,15 1 vậy từ (14) ta có Fther mal 9,452 mN '' FFFFFFf12 f ev el ev el Do chuyển vị thực tế khi dẫn động luôn Thành phần lực Q theo phƣơng y sẽ làm nén nhỏ hơn chuyển vị D vậy từ (12) và (13) tra lò xo và tạo ra sự trƣợt của hai dãy răng cóc: bảng 1, kết quả tính toán chuyển vị và lực đẩy 1 của dầm chữ V ta có kết luận nhƣ sau: Q F. c os F'''' F F sin c os F F F sin 2 n el ev f222 el ev f + Để hệ thống chuyển động đƣợc 1 bƣớc răng (15) cần điện áp tối thiểu là: Umin =19V Điều kiện để rãnh răng cóc có thể hồi về vị trí + Để hệ thống chuyển động đƣợc 2 bƣớc răng ban đầu là: ' ' 2 cần điện áp tối thiểu là: Umin = 24V Q Fdhr F f12sin F dhr f F el F el F f sin Quá trình hồi vị (16) Sơ đồ phân tích lực quá trình hồi vị nhƣ hình Từ (15) và (16) ta có: 2F vẽ 6. Trong quá trình hồi vị (khi điện áp dẫn dhr F 1 sin 2 2f sin 2 f 2 bằng 0), do ảnh hƣởng của lực đàn hồi của ig0,19 r các dầm, thanh răng cóc hồi về vị trí ban đầu p 1 kp n.. k và tác dụng một lực lên vành răng. r F Vậy luôn luôn thỏa mãn (16) dhr F f 1 Tóm lại: + Điện áp tối thiểu để hệ thống '' FFFel ev f 2 FFFel ev f 2 chuyển động đƣợc 1 bƣớc răng là: Umin 19 V Q Fn + Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động đƣợc 2 bƣớc răng là: U 24 V y min O x MÔ PHỎNG NHIỆT VÀ CHUYỂN VỊ CỦA BỘ KÍCH HOẠT NHIỆT Hình 6. Sơ đồ phân tích lực quá trình hồi vị Điều kiện biên: hai đế (2 cực) của bộ kích Trong đó: Fev là lực đàn hồi của bộ kích hoạt ' hoạt nhiệt dầm chữ V đặt rằng buộc ngàm và nhiệt dầm chữ V: Fev n.. k ( Fev : phản lực    thiết lập nhiệt độ (TCS 20 ). Tiến hành mô ' đàn hồi: FFev ev ); Fel là lực đàn hồi của cổ phỏng bằng phần mềm Ansys và so sánh với   ' ' dầm O ( Fel : phản lực đàn hồi: FFel el ); Fn kết quả tính toán trên phần mềm Matlab ứng là phản lực đàn hồi theo phƣơng vuông góc với dải điện áp biến thiên từ 15 25V, ta thu với bề mặt răng của thanh răng cóc dẫn; Ff 1 là đƣợc các các kết quả nhƣ hình 7, 8. Từ đó ta lực ma sát trƣợt giữa răng của thanh răng cóc nhận thấy: dẫn và vành răng; - Nhiệt độ lớn nhất xuất hiện ở đỉnh dầm chữ Fdhr k rc. y r là lực đàn hồi của cổ thanh răng V. Kết quả này tƣơng đối sát với kết quả tính cóc dẫn; với ymr 2,5 là độ nén lớn nhất toán. Tại 25V sai số lớn nhất Tmax=12,05% của thanh răng cóc dẫn khi trƣợt hai dãy răng - Ở điện áp càng cao (hay nhiệt độ cao) thì sai cóc, k4,88 N / m là độ cứng của cổ rc số giữa kết quả tính toán và mô phỏng càng thanh răng cóc dẫn. lớn có thể đƣợc giải thích do trong phần tính Để hệ thống có thể hồi vị về vị trí ban đầu khi ngừng cấp điện áp U thì: toán, để đơn giản các tác giả bỏ qua tổn thất Ở thời điểm bắt đầu quá trình hồi vị, lực đàn nhiệt do bức xạ và đối lƣu và cũng không xét hồi FFel ev thắng lực ma sát Ff 1 và Ff 2 ; Lực đến sự thay đổi theo nhiệt độ của hệ số giãn Ff 1 có thể tính theo công thức sau: nở nhiệt αT và độ dẫn nhiệt k. 144 Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 Đồ thị so sánh nhiệt độ Tmax của dầm chữ V 800 700 600 ) C º 500 400 300 Nhiệt độ Tmax( Nhiệt 200 Mô phỏng 100 Tính toán 0 15 17.5 20 22.5 25 Điện áp U (V) Hình 7:a. Nhiệt độ phân bố trên dầm ứng với U=19V; b. Đồ thị so sánh nhiệt độ Tmax trên dầm chữ V Đồ thị so sánh kết quả chuyển vị của đỉnh dầm chữ V 14 12 10 m) μ 8 D ( D 6 4 Chuyển vị vị Chuyển Mô phỏng 2 Tính toán 0 15 17.5 20 22.5 25 Điện áp U (V) Hình 8: a. Chuyển vị của đỉnh dầm chữ V ứng với U=19V; b. Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V KẾT LUẬN Modern Mechanical Engineering,Vol.1, No.2,pp 31-37. Bài báo đã trình bày nguyên lý hoạt động, 2. Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung, Pham Hong tính toán chuyển vị và động lực học cấu trúc, Phuc, “Micro mechanisms in the micro robot mô phỏng một mẫu vi mô tơ quay, dẫn động systems: case studies of the electrostatic micro bằng các bộ kích hoạt dầm chữ V. Vi mô tơ mechanisms”, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ có thể hoạt động với điện áp dẫn tối thiểu IX, 2012 Umin=19V trong dải tần số hàng trăm Hz. Các 3. A Geisberger, D Kadylak and M Ellis (2006), kết quả mô phỏng trên phần mềm Ansys “A silicon electrothermal rotational micro motor tƣơng đối sát với kết quả tính toán. Sai số lớn measuring one cubic millimeter”, J. Micromech. nhất giữa tính toán và mô phỏng là 12,05% tại Microeng., 16, pp. 1943–1950. điện áp dẫn 25V. 4. Baker M. et al. (2007), “Design and Reliability of a MEMS Thermal Rotary Actuator”, Proc. Ƣu điểm nổi bật của vi mô tơ là điện áp dẫn TEXMEMS IX, September 17, 2007, Lubbock, TX. thấp, đơn giản trong thiết kế và điều khiển, sử 5. Jae-Sung Park et al. (2001), “Bent-Beam dụng công nghệ chế tạo vi cơ khối đơn giản Electrothermal Actuators - Part II: Linear and với chỉ một mặt nạ. Trong tƣơng lai, vi mô tơ Rotary Microengines”, J. of này có thể đƣợc tích hợp vào trong các khớp MicroElectroMechanical Sys., Vol. 10, No. 2, pp. quay của vi robot hoặc trong các hệ thống vận 255-62. chuyển/lắp ráp micro nằm trên chip. 6. Jinkui C. et al. (2011), “A novel SU-8 electrothermal microgripper based on the type TÀI LIỆU THAM KHẢO synthesis of the kinematic chain method and the 1. Phuc Hong Pham,Dzung Viet Dao (2011), stiffness matrix method” , Journal of Micromech. “Micro Transportation Systems: A Review”, Microeng., Vol. 21, 15pp. 145 Trần Văn Quân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 120(06): 141 – 146 7. Park J. S. et al. (2000), “Long throw and rotary 12. Kolesar et al. (2004). “Electrothermal MEMS output electro-thermal actuators based on bent- Micro-engine Capable of Bi-directional Motion”, beam suspensions‟: 13rd Annual International Thin Solid Film, pp. 481-488. Conference on Micro Electro Mechanical 13. Johnstone R.W., Parameswaran M. (2005), Systems, pp. 680-685. “Deflection response of electro-thermal actuators to 8. Byron Shay, Ted Hubbard, Marek Kujath voltage and power”, Canadian Conference on (2008), “Linear frictional micro-conveyors”, Electrical and Computer Engineering, pp. 478-481. Sensors and Actuators A 148, pp. 290–298. 14. Ang Beng Seng et al. (2009). “Design and 9. Nguyen Tuan Khoa. Et al (2012), “Design ang Analysis of Thermal Microactuator”, European fabrication of micro bi-directional motor driven Journal of Scientific Research, pp. 281-292. by electro-thermal actuators”, Hội nghị Cơ học 15. Ho Nam Kwon et al. (2001): “A toàn quốc lần thứ IX, Hà Nội, Việt Nam micromachined thermoelastic inchworm 10. Changhong Guan and Yong Zhu (2010), “An actuator”, Proc. of American Society for electrothermal microactuator with Z-shaped Precision Engineering, 2001 Annual meeting, pp. beams”, J. Micromech. Microeng. Vol.20, 9pp. 127-130. 11. Changhong Guan and Yong Zhu (2012), 16. Mathew Stevenson et al. (2007), “Bidirectional Electrothermal Actuator With Z- “Development of a bidirectional ring thermal Shaped Beams”, Sensor journal. Vol.12, 7, pp. actuator”, Journal of Micromech. Microeng. Vol. 2508-9. 17, pp. 2049–2054. SUMMARY ELECTRO - THERMAL MICRO-MOTOR FABRICATED BY MEMS TECHNOLOGY Tran Van Quan1, Bui Huu Nam2*, Nguyen Tien Dzung2 1School of Mechanical Engineering, Ha Noi University of Science and Technology, 2College of Technology - TNU Micro-motors based on MEMS technology are recently researched and developed world-wide. This paper presents design, simulation of a micro-motor using V-shaped electro-themal actuator. This motor has cover diameter of 2.4mm, can operate with minimum applying voltage Umin = 19V and driving frequency ranging from 1 to hundreds Hz. Advantages of this motor are lower driving voltage, simple control and batch fabrication based on bulk-micromachining technology. Keywords: Micromotor; Electro-thermal Actuator; Bulk-micromachining Technology Ngày nhận bài:28/2/2014; Ngày phản biện:10/3/2014; Ngày duyệt đăng: 09/6/2014 Phản biện khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN * Tel: 0913 4483030 146