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 .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 .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 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 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 15 C3 µN.s/µm thanh 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.s/µm Hệ số cản không khí quy đổi về vị trí thanh đẩy của EVA 23 d µm Khoảng cách giữa bề mặt bị cản và nền 24 d0 µm Khe hở giữa hai bản tụ 25 Da kg/µm3 Khối lượng riêng của không khí 26 de µm Khoảng cách giữa hai điện tích điểm 27 Ds kg/µm3 Khối lượng riêng của silic 28 E MPa Mô đun đàn hồi của vật liệu 29 EB pJ Nội năng của nguồn 30 EC pJ Năng lượng điện trường giữa hai bản tụ 31 F µN Lực dãn nở nhiệt của EVA 32 f Hz Tần số của điện áp dẫn Lần lượt là lực tĩnh điện theo phương pháp tuyến, tiếp 33 F2n, F2t µN tuyến của bề mặt răng lược hình thang cân Lần lượt là lực tĩnh điện trên phương x, y của răng lược 34 F2x, F2y µN hình thang cân 35 Fb µN Lực dãn nở nhiệt dọc theo trục của một dầm đơn 36 fC Hz Tần số ngưỡng/tần số tới hạn 37 Fcb µN Tổng lực cản nhớt không khí tại mặt đáy của một dầm đơn 38 Fd µN Lực cản nhớt không khí Tổng lực cản không khí trên diện tích của dầm đơn vuông 39 Fdb µN góc với phương chuyển động Y 40 Fe µN Tổng lực tĩnh điện pháp tuyến 41 Fe1 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung vuông 42 Fe2 µN Hàm lực tĩnh điện khi điện áp dạng xung hình Sin 43 Fet µN Tổng lực tĩnh điện của TECA 45 Fh µN Lực tĩnh điện giữa hai chất điểm vii TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 46 Fn µN Lực tĩnh điện pháp tuyến 47 Fo - Hệ số Fourier 48 Ft µN Lực tĩnh điện tiếp tuyến 49 Fy µN Tổng lực tĩnh đện trên phương y của ECA 50 g0 µm Khe hở giữa bề mặt răng lược cố định và di động Lần lượt là khe hở ban đầu, khe hở khi làm việc của răng 51 g02, g2 µm lược hình thang cân 52 ga µm Khe hở giữa lớp cấu trúc và nền 53 Gbest - Vị trí tối ưu toàn cục 54 G - Giá trị "phạt" 55 gs - Vec tơ hàm ràng buộc bất đẳng thức 56 h µm Chiều dày dầm 57 hr - Vec tơ hàm ràng buộc đẳng thức 58 I kg.µm4 Mô men quán tính diện tích 59 Imax - Số vòng lặp lớn nhất 60 K µN/µm Độ cứng quy đổi của hệ dầm 61 k µN/µm Độ cứng quy đổi của một dầm đơn 62 ka W/m.K Hệ số truyền nhiệt của không khí 63 ks W/m.K Hệ số truyền nhiệt của silic 64 L µm Chiều dài dầm 65 lc µm Chiều dài răng lược 66 Lf µm Chiều dài khung ngang 67 Ls µm Chiều dài thanh đẩy của EVA 68 M kg Khối lượng quy đổi 69 mb kg Khối lượng của một dầm đơn 70 ms kg Khối lượng của thanh đẩy 71 N răng Số răng lược di động 72 n cặp Số cặp dầm đơn 73 Nb µN Phản lực dọc trục dầm 74 Nd đoạn Số phân đoạn dầm 75 nvar - Số biến thiết kế 76 P - Số điểm tìm kiếm của thuật toán PSO 77 Pbest - Vị trí tối ưu cục bộ 78 Pcr µN Lực giới hạn ổn định dọc trục dầm 79 Pt µN Lực tác dụng lên đầu dầm tại vị trí nối với thanh đẩy 80 Q - Hệ số phẩm chất 81 q1 C Điện tích của vật mang điện 1 82 q2 C Điện tích của vật mang điện 2 83 QC C Điện tích trong một tụ điện viii TT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 84 qcd pJ Nhiệt lượng truyền qua phân tố dầm Nhiệt lượng sinh ra trong một phân tố dầm khi có dòng 85 qe pJ điện Nhiệt lượng truyền từ phân tố dầm đến nền qua khe hở 86 qls pJ không khí. 87 qst pJ Nhiệt lượng tích trữ trong một phân tố dầm 88 r - Tỉ số lực của răng lược hình thang cân và hình chữ nhật. 89 S - Hệ số hình dạng truyền nhiệt của dầm 90 T ºC Vec tơ phân bố nhiệt độ trên dầm chữ V 91 T0 ºC Nhiệt độ môi trường 92 TC s Chu kỳ tới hạn 93 tC s Thời gian cấp điện tới hạn 94 Tcr ºC Nhiệt độ ngưỡng an toàn 95 Tmax ºC Nhiệt độ lớn nhất trên dầm 96 U V Điện áp giữa hai bản tụ 97 U0 V Giá trị trung bình của biên độ điện áp dẫn xung hình sin 98 UC V Điện áp ngưỡng theo điều kiện chập của TECA 99 Um V Điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định cơ 100 Un V Điện áp giới hạn theo điều kiện bền nhiệt 101 w µm Chiều rộng dầm 102 W - Hệ số quán tính của thuật toán PSO 103 w0 µm Chiều dày răng lược 104 ws µm Chiều rộng thanh đẩy của EVA 105 X1 µN Phản lực liên kết 106 X2 µN.