Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI CHẤP HÀNH TĨNH ĐIỆN RĂNG LƯỢC VÀ ĐIỆN NHIỆT CHỮ V Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các bài báo khoa học được đăng trên các tạp chí uy tín trong và ngoài nước, các luận án tiến sĩ và các công trình khoa học khác đã được công bố liên quan đến nội dung của luận án. Trên cơ sở đó rút ra những điểm mạnh có thể kế thừa và phát triển, những vấn đề còn tồn tại để luận án tập trung nghiên cứu và giải quyết.1 Vi chấp hành MEMS và các ứng dụng Vi chấp hành là một loại linh kiện trong MEMS có nhiệm vụ chuyển đổi các dạng tín hiệu hoặc năng lượng như điện, nhiệt, quang, hóa, sinh… thành các đại lượng cơ học như chuyển vị, lực hoặc mô men. Nhờ đó vi chấp hành được dùng để dẫn động các thiết bị trong hệ thống vi cơ như vi động cơ, vi bơm, vi lắp ráp, vi vận chuyển hay vi rô bốt. Trong các hệ thống vi cơ cụ thể thì vi chấp hành chính là hạt nhân giúp các hệ thống có thể chuyển động được thông qua cơ năng.
Dạng năng lượng này có thể truyền qua các cơ cấu trung gian để thực hiện các nhiệm vụ trong thế giới vi mô như kẹp, đẩy, vận chuyển các vi mẫu vật hoặc cũng có thể tạo ra nguồn chuyển động để dẫn động các thiết bị khác như vi cảm biến con quay (micro gyroscope), vi cộng hưởng (micro resonator), vi chuyển mạch (micro switch). Như vậy, vi chấp hành trong thế giới micro có thể được so sánh với động cơ đốt trong trên các phương tiện giao thông vận tải (ô tô, tàu hỏa, tàu thủy) hay như động cơ điện trong các máy gia công cơ khí (máy tiện, phay, khoan, bào), các hệ thống máy móc trong nhà xưởng công nghiệp như lắp ráp ô tô, dệt may, hóa chất… Trong các lĩnh vực của đời sống, các thiết bị MEMS nói chung và các vi chấp hành nói riêng ngày càng chiếm một vị trí quan trọng. Đặc biệt là trong y học do sự tương thích cao giữa các linh kiện này với các mẫu vật và các công việc cần độ chính xác cao như bơm vi lượng thuốc, vi phẫu thuật, vi nội soi… Theo hiệu ứng vật lý, vi chấp hành MEMS được chia thành các loại như sau: - Bộ vi chấp hành kiểu tĩnh điện (micro electrostatic actuator) sử dụng lực tĩnh điện sinh ra giữa hai bản tụ tích điện trái dấu ở kích thước micro mét. - Bộ vi chấp hành kiểu điện nhiệt (micro electrothermal actuator) sử dụng sự dãn nở nhiệt của các dầm mảnh làm bằng vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn, hoặc sử dụng hiện tượng biến dạng nhiệt không đều của cặp vật liệu có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau khi có dòng điện chạy qua.
- Bộ vi chấp hành kiểu áp điện (micro piezoelectric actuator) sử dụng biến dạng của vật liệu do xuất hiện nội ứng suất khi có điện áp đặt vào. 6 luan an - Bộ vi chấp hành kiểu điện từ (micro electromagnetic actuator) sử dụng lực điện từ (lực Lorentz) sinh ra trong một cuộn dây dẫn hoặc nam châm vĩnh cửu đặt trong một từ tường của nam châm vĩnh cửu hoặc của một cuộn dây dẫn khác tương ứng. - Bộ vi chấp hành kiểu vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA - shape memory alloys) sử dụng khả năng biến dạng lớn do nhiệt sinh ra trong các vật liệu có tinh thể đặc biệt. Các loại vi chấp hành này có những ưu và nhược điểm được trình bày như trong Bảng 1.1 So sánh ưu, nhược điểm của các loại vi chấp hành [1] Hiệu ứng Ưu điểm Nhược điểm - Tốc độ đáp ứng nhanh, dải tần - Điện áp dẫn tương đối cao.
số làm việc rộng. - Lực tạo ra nhỏ. Đòi hỏi điện áp dẫn - Dễ chế tạo và tích hợp với các cao nếu muốn lực lớn. Tĩnh điện cấu trúc silic khác.
- Các bộ vi chấp hành có cấu tạo (Electrostatic) - Luật điều khiển đơn giản. - Hiệu suất cao hơn kiểu điện từ - Công suất dẫn động nhỏ. và kiểu điện nhiệt. - Dễ xảy ra hiện tượng trượt ở tốc độ - Làm việc ổn định.
- Cho lực và mômen lớn cả khi - Hiệu suất thấp, tiêu thụ nhiều năng điện áp thấp. - Cấu trúc đơn giản. - Dải tần số làm việc hẹp do hiện - Dễ chế tạo và tích hợp với các tượng trễ nhiệt. Điện nhiệt cấu trúc silic khác.
- Điều khiển phức tạp do tính phức (Electro- - Độ ổn định làm việc tốt. tạp của quá trình trao đổi nhiệt. thermal) - Chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Tham số vật liệu thay đổi phức tạp theo nhiệt độ.
- Chuyển vị nhỏ nếu không dùng cơ cấu khuếch đại. - Điện áp dẫn thấp. - Hiệu suất thấp. Chịu ảnh hưởng của Điện từ - Mạch điều khiển đơn giản, dễ từ trường xung quanh.
(Electro- tiêu chuẩn hóa. - Kích thước lớn do sử dụng nam magnetic) - Cho hành trình lớn đối với các châm, cuộn dây,… vi động cơ tịnh tiến. - Lực sinh ra nhỏ. - Hiệu suất cao ứng với mức điện - Khó tích hợp trong hệ MEMS.
- Điện áp dẫn cao hơn so với vi chấp Áp điện - Cho lực và chuyển vị lớn. hành nhiệt, điện từ hoặc SMA. (Piezoelectric) - Dải tần số làm việc lớn. - Khó chế tạo do cấu trúc phức tạp.
- Độ ổn định phụ thuộc hướng của tinh thể vật liệu. - Điện áp dẫn thấp. - Khó chế tạo và tích hợp. - Hiệu suất cao.
- Cần giải pháp tản nhiệt. Vật liệu nhớ - Phản hồi chậm. hình (SMA) - Độ ổn định không cao. Bị rão theo thời gian.
Từ những ưu, nhược điểm như phân tích ở trên có thể thấy hai loại vi chấp hành kiểu tĩnh điện và điện nhiệt đều có kết cấu đơn giản có thể chế tạo hàng loạt, dễ tích 7 luan an hợp, độ ổn định khá cao. Cụ thể là vi chấp hành tĩnh điện răng lược và điện nhiệt dạng chữ V được luận án lựa chọn để tập trung nghiên cứu. Đây cũng là hai loại vi chấp hành được ứng dụng khá phổ biến trong dẫn động các thiết bị MEMS. Các vấn đề nghiên cứu liên quan đến hai loại vi chấp hành này sẽ được trình bày kỹ hơn trong phần sau.2 Vi chấp hành tĩnh điện răng lược a) Định nghĩa và phân loại Vi chấp hành kiểu tĩnh điện hoạt động dựa trên lực tĩnh điện sinh ra tại bề mặt của hai bản tụ tích điện trái dấu.
Trong đó, lực tĩnh điện pháp tuyến có phương vuông góc với bề mặt của bản tụ, còn lực tĩnh điện tiếp tuyến có phương song song với bề mặt bản tụ. Kiểu vi chấp hành này có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, trong đó có hai dạng phổ biến là: dẫn động bằng lực pháp tuyến [2] và dẫn động bằng lực tiếp tuyến [3]. Đối với vi chấp hành dẫn động bằng lực pháp tuyến có các ưu điểm: lực dẫn lớn, điện áp dẫn nhỏ, nhưng có nhược điểm: chuyển vị rất nhỏ (bị hạn chế bởi khe hở giữa hai bản tụ), lực dẫn phi tuyến (thay đổi theo chuyển vị), dễ mất ổn định dẫn đến ngắn mạch, hệ số phẩm chất thấp. Các vi chấp hành dẫn động bằng lực tiếp tuyến có các ưu điểm như dễ điều khiển, độ ổn định cao, nhưng cần điện áp dẫn lớn và lực dẫn tương đối nhỏ.
Trong dẫn động các hệ thống như vi mô tơ quay hoặc tịnh tiến, vi vận chuyển, vi tay gắp thì vi chấp hành sử dụng lực tiếp tuyến phù hợp hơn về yêu cầu chuyển vị và điều khiển. Loại vi chấp hành này thường được thiết kế và chế tạo với cấu trúc gồm nhiều bản tụ như răng lược đặt xen kẽ nhau nhằm tăng lực dẫn, do đó chúng được gọi là vi chấp hành tĩnh điện răng lược. Như vậy, vi chấp hành tĩnh điện răng lược là một loại vi chấp hành có cấu trúc gồm nhiều bản tụ (răng lược) đặt xen kẽ nhau sử dụng lực tĩnh điện để tạo ra lực dẫn động và chuyển vị. Theo dạng chuyển động thì vi chấp hành tĩnh điện răng lược lại được chia thành hai loại: chuyển động tịnh tiến (răng thẳng) [4] và chuyển động lắc (răng cong) [5].
Theo mặt phẳng chuyển động, chúng được chia thành: chuyển động trong mặt phẳng (In-plane) [6] và chuyển động ngoài mặt phẳng cấu trúc (Out-of-plane) [7]. Đối tượng mà luận án lựa chọn nghiên cứu là vi chấp hành tĩnh điện răng lược chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng cấu trúc. Do đây là loại vi chấp hành có cấu trúc đơn giản, dễ điều khiển, ứng dụng đa dạng và dễ chế tạo hàng loạt. Vi chấp hành tĩnh điện răng lược (ECA – electrostatic comb actuator) được W.
Tang ứng dụng trong dẫn động bộ vi cộng hưởng và được giới thiệu lần đầu tiên năm 1990 [8]. Cấu trúc điển hình của bộ vi chấp hành được biểu diễn như trên Hình 1. 8 luan an Khung dọc (thanh đẩy) Răng lược y Điện cực x cố định O Khung ngang Dầm Phần cố định Phần di động Hình 1. Cấu trúc của vi chấp hành tĩnh điện răng lược Cấu tạo của ECA bao gồm hai phần chính: phần cố định và phần di động.
Trong đó, phần cố định gồm các răng lược và điện cực cố định, phần di động gồm khung ngang mang răng lược di động, khung dọc (thanh đẩy) và được treo bởi hệ dầm, đầu còn lại của dầm gắn liền với các điện cực cố định. Các bản tụ di động và cố định được đặt xen kẽ nhau và đối xứng. Khi đặt điện áp vào các điện cực của vi chấp hành, các bề mặt của răng lược cố định và di động tích điện trái dấu và tạo thành các cặp tụ điện. Trên các răng lược di động xuất hiện lực tĩnh điện kéo phần di động dịch chuyển theo phương y cho đến khi cân bằng với lực đàn hồi của hệ dầm.
Lực tĩnh điện trên phương x của các răng lược di động bị triệt tiêu do tính đối xứng của cấu trúc. Khi ngắt điện áp, phần di động dưới tác dụng của lực đàn hồi sẽ di chuyển về vị trí ban đầu. b) Tình hình nghiên cứu ngoài nước về ECA Một trong những nhược điểm lớn nhất của ECA là lực tĩnh điện khá nhỏ nên cần điện áp dẫn lớn để có thể đạt được chuyển vị như mong muốn. Điều này làm giảm khả năng ứng dụng của loại vi chấp hành này trong một số hệ thống.
Cải thiện chuyển vị và giảm điện áp dẫn cho ECA là một bài toán đặt ra cho các nhà nghiên cứu. Các công bố liên quan đến bộ ECA cũng đều hướng đến mục tiêu này.