Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến chất lượng làm việc của bộ vi chấp hành MEMS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TẠO ĐẾN CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA BỘ VI CHẤP HÀNH MEMS KIỂU TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Hồng Phúc 2. Vũ Công Hàm Hà Nội - 2021 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ.

Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 TM. Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS. Phạm Hồng Phúc Hoàng Trung Kiên i luan an LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình.

Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS. Phạm Hồng Phúc, PGS. Vũ Công Hàm, những người đã định hướng, tận tình hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan.

Xin chân thành cám ơn các giảng viên, các nhà khoa học bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, viện Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và cung cấp tài liệu tham khảo để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này.

Tác giả luận án Hoàng Trung Kiên ii luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU.

xi DANH MỤC HÌNH VẼ. xii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết. Mục tiêu của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án .1 Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn. Phương pháp nghiên cứu của luận án. Những đóng góp của luận án.

Bố cục của luận án. 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V .1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng .2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược.3 Vi chấp hành kiểu điện nhiệt .4 Thảo luận và đánh giá .5 Kết luận chương 1. 25 Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC .1 Lý thuyết tĩnh điện .1 Lực tĩnh điện pháp tuyến .2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến. 28 iii luan an 2.2 Các tham số động lực học tương đương .1 Phương trình vi phân chuyển động tổng quát .2 Độ cứng tương đương .3 Khối lượng quy đổi .4 Cản quy đổi của không khí .3 Xác định đáp ứng của vi chấp hành tĩnh điện răng lược .1 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung vuông .2 Trường hợp điện áp dẫn có dạng xung hình sin.3 Ảnh hưởng của tần số dẫn đến chuyển vị .4 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng lược hình thang cân đến lực dẫn và chuyển vị và điều kiện ổn định .1 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến lực tĩnh điện .2 Ảnh hưởng của góc nghiêng bề mặt răng đến chuyển vị của vi chấp hành .3 Kết quả đo đạc thực nghiệm .4 Điều kiện ổn định của vi chấp hành răng lược hình thang cân .5 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q .6 Kết luận chương 2.

61 Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V .1 Mô hình truyền nhiệt và phương trình vi phân chuyển động .1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc.2 Mô hình truyền nhiệt dạng giải tích .3 Mô hình truyền nhiệt dạng sai phân hữu hạn .4 Lực dãn nở nhiệt của vi chấp hành điện nhiệt chữ V .5 Phương trình vi phân chuyển động .2 Khảo sát chuyển vị của vi chấp hành điện nhiệt dạng chữ V .1 Kiểm chứng kết quả tính toán chuyển vị tĩnh .2 Tần số tới hạn của vi chấp hành điện nhiệt chữ V .3 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến tần số tới hạn .4 Ảnh hưởng của kích thước dầm đến hệ số phẩm chất Q. 82 iv luan an 3.5 Kết luận chương 3. 84 Chương 4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỢP LÝ CỦA VI CHẤP HÀNH ĐIỆN NHIỆT CHỮ V ĐẢM BẢO ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH VÀ AN TOÀN 86 4.1 Điều kiện bền nhiệt của dầm và điện áp dẫn giới hạn .2 Điều kiện ổn định dọc trục dầm và điện áp giới hạn .1 Điều kiện ổn định dọc trục dầm (ổn định cơ) .2 Điện áp giới hạn theo điều kiện “ổn định cơ” .3 Điều kiện đảm bảo an toàn cho vi chấp hành chữ V .4 Xác định kích thước tối ưu của dầm chữ V cho chuyển vị lớn nhất bằng thuật toán bầy đàn (PSO) .1 Ảnh hưởng của các thông số kích thước dầm đến chuyển vị .2 Bài toán tối ưu, kết quả tối ưu bằng thuật toán PSO.5 Kết luận chương 4. 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 111 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 119 Phụ lục 1 Quy trình chế tạo vi chấp hành dựa trên công nghệ vi cơ khối MEMS. 119 Phụ lục 2 Hệ thống thiết bị đo.

125 Phụ lục 3 Chương trình thuật toán tối ưu bầy đàn. 126 v luan an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt tắt Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa 1 DRIE Deep Reactive Ion Etching sâu Electrostatic Comb-drive Bộ chấp hành răng lược tĩnh 2 ECA Actuator điện Electrothermal V-shape Bộ chấp hành điện nhiệt dạng 3 EVA Actuator chữ V 4 GA Gen Algorithm Thuật toán di truyền Micro-electro-mechanical 5 MEMS Hệ thống vi cơ điện tử System Particle Swarming 6 PSO Thuật toán tối ưu bầy đàn Optimation Rectangular Electrostatic Bộ chấp hành tĩnh điện răng 7 RECA Comb Actuator lược hình chữ nhật Scanning Electron 8 SEM Kính hiển vi điện tử quét Microscope 9 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình 10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép Trapezoidal Electrostatic Bộ chấp hành tĩnh điện răng 11 TECA Comb Actuator lược hình thang cân 2. Danh mục ký hiệu TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 a µm Khoảng chồng giữa hai bản tụ 2 A µm2 Diện tích mặt cắt dầm Khoảng chồng ban đẩu của răng lược di động và răng lược 3 a0 µm cố định 4 Abt µm2 Diện tích mặt đáy của thanh đẩy 5 AC µm2 Diện tích bề mặt chịu cản nhớt 6 Ae µm Diện tích chồng nhau của hai bản tụ 7 Amb µm2 Diện tích mặt bên của thanh đẩy 8 At µm2 Diện tích mặt trên của thanh đẩy 9 b µm Chiều rộng của bản tụ Lần lượt là chiều dài đáy lớn, đáy nhỏ của răng lược hình 10 Bc, bc µm thang cân 11 Bi - Hệ số Biot 12 C µN.s/µm Hệ số cản không khí quy đổi vi luan an TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 13 C1 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại mặt đáy của thanh đẩy 14 C2 µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí tại bề mặt răng lược Hệ số cản nhớt không khí tại mặt bên và mặt trên của thanh 15 C3 µN.s/µm đẩy Hệ số cản trên diện tích của thanh đẩy vuông góc với 16 C4 µN.s/µm phương vận tốc Hệ số cản nhớt không khí tương đương tại mặt đáy của 17 C5 µN.s/µm một dầm đơn Hệ số cản trên diện tích của dầm đơn vuông góc với 18 C6 µN.s/µm phương Y 19 Cd µN.s/µm Hệ số cản nhớt không khí 20 Ce pF Điện dung của tụ điện 21 Cp pJ/kg.K Nhiệt dung riêng 22 CV µN.