Tóm tắt Luận án 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. Vũ Ngọc Hùng 
 PGS.TS. Phạm Hồng Phúc 
Phản biện 1: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh 
Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Chúc 
Phản biện 3: PGS.TS. Đinh Văn Dũng 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp 
Trường, họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Vào hồi.giờ, ngày, tháng.,năm . 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết 
Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ 21 là đưa các thiết bị, 
hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro hoặc nano vào sản 
xuất cũng như ứng dụng trong cuộc sống. 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. 
2. 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. 
3. 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. 
4. 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. 
5. Phương pháp nghiên cứu 
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa mô phỏng lý thuyết và 
thực nghiệm công nghệ. Để đạt được các mục tiêu đề ra, các bước nghiên cứu, 
tính toán, thiết kế sau sẽ được tiến hành: 
 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. 
 Sử dụng các phần mềm thiết kế chuyên dụng như AutoCad, L-Edit để thực 
hiện thiết kế sơ bộ. Bản thiết kế được hoàn thiện, các kích thước được kiểm 
nghiệm bằng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS. 
 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. Phân tích, so sánh 
với các kết quả tính toán và mô phỏng. 
6. 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. 
7. 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. 
3
NỘI DUNG TÓM TẮT 
Chương 1. 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. C. Tai [9, 21] giới thiệu vi động cơ bước 
quay đầu tiên năm 1989. Một số thiết kế tiêu biểu như của H. Vinhais [22], M. 
Mehregany [23]. 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 cơ
Điện từ
Tĩnh điện
Áp điện
Nhiệt điện
SMA
Hiệu ứng khác
4
với 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. James J. Allen [48] và Haiwei Lu [51-52] giới 
thiệu động cơ tịnh tiến đồng bộ LSM (linear synchronous motor) với stator gồm 
các cuộn dây tạo thành lõi dẫn từ 3 pha. Khi kích từ cho stator, từ trường sẽ 
tương tác với nam châm vĩnh cửu trên con trượt và tạo ra chuyển động tịnh tiến 
của con trượt. 
1.2.2 Các vi động cơ quay kiểu điện từ 
C. H. Ahn [53] thiết kế với các cuộn cảm điện từ được cuốn để tạo thành stator 
và dẫn động rotor với đường kính 500 m và vận tốc tối đa 500 vòng/phút, 
mômen xoắn là 1,2 Nm. Hiệu ứng điện từ cũng được S. De Cristofaro [54] ứng 
dụng để thiết kế vi động cơ có rotor lắc (wobble motor). 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. Làm việc ở mức điện áp 
dẫn 12 V, rotor có vận tốc lên đến 1 mm/s, tạo được lực 6,7 mN và đạt được 
hành trình 2000 m. 
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. 
Baker M. [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. 
5
1.4 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). Chuyển động tịnh tiến được tạo ra khi điều khiển 
điện áp dẫn tăng nhanh và giảm chậm hoặc ngược lại. Tiêu biểu là các thiết kế 
của Jih-Lian Ha [71], Takuma Nishimura [73], Hunstig [74-75] và Martin 
Špiller [76]. 
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. Bằng việc đặt 
điện áp thích hợp, đĩa rotor phía trên có thể quay với vận tốc lớn nhất 4 
vòng/phút và tạo ra mômen xoắn với trị số lớn nhất 1,4 mNm. 
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. [87] và Qin Yao [88]. 
Chương 2. Bộ kích hoạt tĩnh điện răng lược và ảnh hưởng của hiệu ứng 
viền 
2.1. Hiệu ứng tĩnh điện 
2.1.1. Tụ điện 
Xét một tụ điện gồm hai điện cực đặt song song và cách nhau một khoảng là δ. 
Điện dung của tụ điện C được tính: 
0. .AC  
 
 (2.2) 
Khi đó giữa hai bản tụ sẽ sinh ra lực pháp tuyến Fn hút hai bản tụ lại với nhau 
và lực tiếp tuyến Ft đẩy hai bản tụ chuyển động tương đối với nhau theo 
phương song song nhau. 
2.1.2. Lực pháp tuyến 
Hai bản tụ đặt song song, cách nhau một khoảng δ và phần diện tích chồng nhau 
chiếu lên mặt phẳng OZY là hình chữ nhật có kích thước b×a0. Đặt vào hai bản 
tụ một điện áp V, giả thiết khi đó bản tụ di động dịch chuyển theo phương X 
một đoạn x do lực Fn gây ra. Lực pháp tuyến được tính: 
6
20 0
2
. . . .1
2n
b a V
x
F  
 (2.11) 
Lực pháp tuyến Fn hút bản tụ di động về phía bản tụ cố định. 
2.1.3. Lực tiếp tuyến 
Đặt điện áp V giữa hai bản tụ. Giả thiết lực tiếp tuyến Ft gây ra chuyển động 
một đoạn ∆y của bản tụ di động theo phương song song với bản tụ cố định 
(phương OY). Lực tiếp tuyến được tính: 
20. .1
2t
b VF  
 
 (2.18) 
Lực tiếp tuyến không phụ thuộc khoảng chồng lên nhau a và tỉ lệ nghịch với 
khoảng hở δ và có xu hướng kéo bản tụ di động theo phương làm tăng diện tích 
chồng nhau. 
2.2. 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. Độ dịch 
chuyển của phần di động theo 
phương y là: 
20. . . .
.
n by V
k
 
 
(2.21) 
Trong đó : n là số lượng răng lược di động, k là độ cứng dầm đàn hồi theo 
phương chuyển động Oy. 
2.3. Hiệu ứng viền 
Phân bố điện trường giữa hai bản tụ cho thấy càng gần trung tâm tụ điện thì 
đường điện trường càng tuyến tính, phần ngoài cạnh tụ điện (edge) đường điện 
từ dạng đường cong. 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. . .
tb
a bC  
 
(2.27) 
Điện dung của tụ điện khi kể đến hiệu ứng viền là: 
Hình 2.5 Bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
Ftk
Phần cố định
Phần di động
x
y
O
z
7
0 0 01 ln 1 ln 1 1 ln 1 ln 1e
ab b aa a b b
C      
   
    
(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. 
Chương 3. 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 . Thông qua cơ cấu truyền  ...  lượng khi hoạt động, các phần di động (như các bộ kích 
hoạt/chấp hành răng lược, dầm, khung di động) đều được thiết kế dạng lưới 
với bề rộng của các nan không quá 8 µm. 
Khe hở tối thiểu 
Khi thiết kế mặt nạ phải luôn đảm bảo nguyên tắc khe hở nhỏ nhất giữa các bề 
mặt gần nhau là 2 µm, là khe hở tối thiểu để đảm bảo khí có thể ăn mòn tạo ra 
khe hở giữa các phần khác nhau trong quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu. 
4.3 Thiết lập quy trình gia công 
Trên hình 4.7 là lưu đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi 
động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bước chính gồm chuẩn bị, quang khắc, 
ăn mòn DRIE, cắt chíp và ăn mòn bằng hơi HF. 
4.4 Xử lý, đánh giá kết quả 
4.4.1 Kết quả thu được 
Các chip sau khi được chế tạo sẽ được chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi 
điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Trong các hình từ 4.17 đến 
4.19 là kết quả ảnh chụp các chip vi động cơ một chiều kiểu 1, kiểu 2 và kiểu 3. 
Kết quả khảo sát cho thấy các cấu trúc linh kiện không bị dính (do chưa ăn mòn 
hết) hoặc bị gãy. Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc cũng như lớp SiO2 đệm dưới 
các chi tiết có thể chuyển động đã được loại bỏ hoàn toàn. Hình 4.21 là hình ảnh 
chụp từ video hoạt động của động cơ (video-captured image) kiểu 1. 
18 
Hình 4.7 Tóm tắt quy trình chế tạo các vi động cơ 
Lớp Si dày 30µm
Lớp SiO2 4µm
Đế Si nền
Chuẩn bị
Lớp cảm
quang
Đế Si
Tấm kính
Tia UV bị giữ lại
Tia UV xuyên qua
pattern
Quang khắc
Ăn mòn 
khô D-RIE
Mặt nạ cảm quangLớp SiO2
Lớp Si
Đế Si
V
Phần cố định Ăn mòn bằng 
hơi HF
Phần di độngĐế Si
Cắt chip
①
②
③
④
⑤

Chip được cắt từ phiến
Phiến SOI 
19 
Hình 4.17 Vi động cơ quay kiểu 1 Hình 4.18 Vi động cơ quay kiểu 2 
Hình 4.19 Vi động cơ quay kiểu 3 
Hình 4.21 Hình chụp từ video hoạt động của vi động cơ kiểu 1 
4.5.3 Xử lý các dữ liệu đo đạc của vi động cơ 
a. Tính vận tốc góc lý thuyết của vi động cơ 
20 
Theo lý thuyết, thời gian để vành rotor của vi động cơ quay một vòng được là: 
740 37
60. . 60. . 3. .
zt
i f i f i f
 (phút) (4.7) 
Với z = 740 là số răng cóc của vành răng, f tần số của dòng điện dẫn và các số 
nguyên i = 1, 2, phụ thuộc vào thanh răng cóc dẫn (điện áp càng lớn thì 
chuyển vị bước càng lớn). Trong trường hợp đang xét có i=2, do đó vận tốc góc 
của động cơ là: 
1 3. . 6 ( / )
37 37
i f fn v ph
t
 (4.8) 
b. Đánh giá đặc tính 
Từ đồ thị 4.25 có thể thấy nhờ các thay đổi trong cơ cấu truyền chuyển động với 
mục tiêu đảm bảo trạng thái tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn và vành rotor bên 
ngoài, vi động cơ kiểu 2 hoạt động tốt hơn so với vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo 
đạc chỉ bắt đầu lệch với kết quả tính toán khi tần số dòng điện dẫn vượt quá 40 
Hz. Cũng có thể thấy, tuy có cải thiện trong kết cấu, nhưng vẫn tồn tại khe hở 2 
µm mỗi bên giữa cấu trúc liên kết với dầm chính của bộ ECA và cấu trúc liên 
kết với thanh răng cóc dẫn trong cơ cấu truyền chuyển động của động cơ kiểu 2, 
do đó chuyển động của bộ kích hoạt/chấp hành răng lược không được truyền 
trực tiếp để dẫn động vành răng bên ngoài. Điều này góp phần gây nên hiện 
tượng trượt giữa các răng ở các tần số dẫn lớn. Phương án vi động cơ kiểu 3 với 
thanh răng cóc dẫn liên kết trực tiếp với dầm chính của bộ kích hoạt/chấp hành 
được thiết kế nhằm khắc phục nhược điểm đó. 
Hình 4.25 Vận tốc góc động cơ kiểu 1 và 2 với vận tốc góc lý thuyết (Vpp = 80V) 
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
V
ận
 tố
c 
gó
c 
(v
/p
h)
Tần số (Hz)
Vận tốc góc lý thuyết
Vận tốc góc mô tơ kiểu 1
Vận tốc góc mô tơ kiểu 2
21 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
KẾT LUẬN 
Luận án bao gồm bốn chương, tập trung lần lượt vào các nội dung về các vi 
động cơ, lý thuyết tĩnh điện, tính toán thiết kế bốn loại vi động cơ quay hoạt 
động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện răng lược và thiết lập 
quy trình chế tạo, đo đạc, đánh giá các vi động cơ. 
Trong luận án, các vi động cơ được được hệ thống hóa dựa trên hoặc dạng 
chuyển động đầu ra (động cơ quay hoặc động cơ tịnh tiến), hoặc hiệu ứng được 
sử dụng để dẫn động (hiệu ứng tĩnh điện, điện từ, nhiệt điện, áp điện, hợp kim 
nhớ hình và một số loại đặc biệt khác). Qua phân tích về cấu trúc, quy trình chế 
tạo và ưu nhược điểm của các loại động cơ, tác giả lựa chọn đối tượng nghiên 
cứu là các vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng tĩnh điện , cụ thể là các bộ kích 
hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược. Công nghệ chế tạo đi kèm là công 
nghệ vi cơ khối, sử dụng một mặt nạ để gia công trên phiến silic kép SOI. 
Việc thiết kế các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện dạng răng lược được tiến 
hành dựa trên cơ sở lý thuyết tĩnh điện. Hiệu ứng viền (fringe effect) và ảnh 
hưởng của hiệu ứng viền trong bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện cũng được 
phân tích làm rõ. Có thể thấy rằng dưới ảnh hưởng của hiệu ứng viền, lực tĩnh 
điện sinh ra trong bộ kích hoạt/chấp hành sẽ tăng lên đáng kể về mọi hướng. 
Các kết quả tính toán, mô phỏng cũng được so sánh với kết quả đo đạc trong 
một trường hợp điển hình của bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược ECA. 
Phân tích cho thấy các kết quả tính toán khi xét đến hiệu ứng viền sẽ tiệm cận 
sát hơn các kết quả mô phỏng cũng như đo đạc thực tế so với các kết quả không 
xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng viền. 
Cùng với cơ cấu răng cóc, các bộ kích hoạt/chấp hành tĩnh điện răng lược là 
thành phần chính của các vi động cơ quay – đối tượng nghiên cứu của luận án. 
Trong ba phương án được đề xuất, vi động cơ kiểu 1 do chỉ sử dụng một lo xò 
trong cơ cấu truyền chuyển động để đảm bảo tiếp xúc giữa thanh răng cóc dẫn 
và vành răng bên ngoài, nên khi hoạt động với các tần số dẫn lớn, lò xo sẽ 
không kịp đáp ứng. Điều đó dẫn tới hiện tượng trượt, cũng như vận tốc quay 
của động cơ sẽ không đạt được giá trị tính toán lý thuyết. 
Các phương án động cơ kiểu 2 và động cơ kiểu 3 được đề xuất nhằm khắc phục 
nhược điểm của phương án thứ nhất. Trong phương án hai, ngoài lò xo đảm bảo 
tiếp xúc, có thêm hai lò xò phụ được bố trí để sau khi gài lẫy sẽ tạo thành lực ép 
đảm thanh răng cóc dẫn luôn tiếp xúc với vành rotor bên ngoài. Phương án thứ 
ba ngoài nhiệm vụ cải thiện trạng thái tiếp xúc còn tiếp tục khắc phục khe hở 
giữa thành phần liên kết với dầm ECA và thành phần liên kết với thanh răng cóc 
dẫn trong cơ cấu truyền chuyển động (stoppers gap) vốn tồn tại vì lý do thiết kế. 
Để đánh giá, kiểm nghiệm các kết quả tính toán lý thuyết, công việc tất yếu là 
chế tạo thử nghiệm một số vi động cơ. Quy trình chế tạo các loại động cơ đã 
22 
được thiết lập. Quy trình bao gồm các bước tiến hành với các công nghệ Vi cơ 
điện tử tiêu chuẩn như quang khắc, ăn mòn ion hoạt hóa sâu, ăn mòn khí HF  
Ưu điểm của quy trình chế tạo này là chỉ sử dụng một mặt nạ. Điều này giúp 
tăng khả năng chế tạo thành công, giảm giá thành, nguyên công chế tạo. Đây là 
những điểm rất quan trọng, phù hợp với hoàn cảnh nghiên cứu về Vi cơ điện tử 
hiện tại ở Việt Nam. Các loại vi động cơ được kiểm định qua kính SEM 
(scanning electron microscope). Kết quả chế tạo cho thấy các động cơ đều đạt 
các kích thước, yêu cầu thiết kế đặt ra ban đầu. 
Hai kiểu mô tơ đầu tiên đã được đo đạc, kiểm nghiệm. Kết quả đối với kiểu 1 
cho thấy các số liệu đo đạc khớp với số liệu tính toán lý thuyết và mô phỏng. 
Tuy nhiên khi tần số dẫn tăng lên đến trên 30 Hz đối với vi động cơ kiểu 1, và 
trên 40 Hz đối với vi động cơ kiểu 2, bắt đầu có hiện tượng trượt xảy ra, các kết 
quả đo đạc thu được thấp hơn so với kết quả lý thuyết. Nguyên nhân, như đã 
trình bày, là do lò xo trong cơ cấu truyền động không kịp đáp ứng với chuyển 
động ở các tần số lớn, cũng như còn tồn tại khe hở trong cơ cấu truyền chuyển 
động. Đối với phương án cải tiến thứ hai, đồ thị thu được chỉ ra các giá trị đo 
đạc đã tiệm cận gần hơn các giá trị tính toán. 
Một số kết quả 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. Khi xét đến ảnh hưởng của 
hiệu ứng viền, các lực tĩnh điện trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lược đều 
đạt giá trị lớn hơn khi không xét đến hiệu ứng này. 
o Với khoảng chồng ban đầu giữa các bản cực là 5 µm, lực tĩnh điện tiếp 
tuyến khi xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng viền sẽ có giá trị lớn hơn 20% 
so với khi không xét đến hiệu ứng. 
o Với khoảng cách giữa hai bản cực là 11 µm, lực tĩnh điện pháp tuyến 
khi xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng viền sẽ có giá trị lớn hơn 50% so 
với khi không xét đến hiệu ứng. 
o Chuyển vị trong bộ kích hoạt/chấp hành răng lược khi kể đến ảnh hưởng 
của hiệu ứng viền có giá trị sát với kết quả mô phỏng và đo đạc thực 
nghiệm hơn so với giá trị tính toán không kể đến ảnh hưởng của hiệu 
ứng này. 
 Nên xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng viền khi tính toán thiết kế những vi 
hệ thống có sử dụng bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh điện dạng răng 
lược. 
 Thiết kế, chế tạo ba loại vi động cơ quay kiểu tĩnh điện quay một chiều với 
một số các ưu điểm sau: 
o Nguyên lý hoạt động đơn giản. 
o Có các bộ kích hoạt/chấp hành cũng như các cơ cấu dẫn động bố trí ở 
phía trong vành rotor, do đó có thể dễ dàng truyền chuyển động quay 
đến các vi cơ cấu khác. 
23 
o Được chế tạo với chỉ một mặt nạ và bằng các công nghệ MEMS tiêu 
chuẩn. 
o Do có chiều dày lớp linh kiện lớn hơn so với chiều dày các lớp linh kiện 
được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt, nên các vi động cơ được 
thiết kế có công suất truyền lực lớn hơn. 
 Xét ảnh hưởng của hiệu ứng viền khi tính toán điện áp dẫn tối thiểu cho các 
vi động cơ. Kết quả cho thấy điện áp dẫn trong cả ba kiểu động cơ đều giảm 
xuống rõ rệt khi kể đến hiệu ứng viền (bảng 3.2). 
 Các vi động cơ kiểu 2 và kiểu 3 được thiết kế để khắc phục hiện tượng trượt 
xảy ra trong vi động cơ kiểu 1. Kết quả đo đạc thực nghiệm của vi động cơ 
kiểu 2 cho thấy vận tốc góc của động cơ này bám sát các giá trị tính toán lý 
thuyết hơn so với vận tóc góc của vi động cơ kiểu 1 (đồ thị 4.25). 
Một số vấn đề có thể tiếp tục nghiên cứu: 
 Tiếp tục đo đạc, đánh giá vi động cơ kiểu 3. 
 Nghiên cứu ứng dụng các bộ kích hoạt/chấp hành nhiệt điện hoạt động với 
các điện áp dẫn thấp thay cho các bộ kích hoạt/chấp hành dạng tĩnh điện. 
 Nghiên cứu, thiết kế vi động cơ quay hai chiều. 
KIẾN NGHỊ 
Với mục tiêu chế tạo vi động cơ có khả năng quay hai chiều, tác giả đề xuất 
phương án vi động cơ hoạt động dựa trên các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu tĩnh 
điện kết hợp với các bộ kích hoạt/chấp hành kiểu nhiệt điện như trên hình 5.1. 
Hình 5.1 Cấu tạo vi động cơ hai chiều 
10 
11 
Điểm 
đàn 
hồi 
7 
24 
Các cơ cấu truyển chuyển động , ,  và  có khả năng tạo ra chuyển động 
theo cả hai chiều của vành răng ngoài . Bốn cơ cấu chống đảo hoạt động theo 
từng cặp ,  và ,  có tác dụng giúp vành rotor luôn quay theo chiều đã 
định. Mỗi cụm dẫn động bao gồm bộ kích hoạt/chấp hành răng lược bên phải 
, bên trái và cơ cấu truyền chuyển động (hình 5.1). 
Để đảm bảo vành răng  quay theo chiều kim đồng hồ, ta kích hoạtcáccơ cấu 
chống đảo  và , đồng thời sử dụng các bộ kích hoạt/chấp hành răng lược 
bên phải  để dẫn động. Các cơ cấu chống đảo thực chất là các bộ kích 
hoạt/chấp hành nhiệt điện dạng chữ V. Sau khi được kích hoạt vào trạng thái 
“BẬT”, dầm của cơ cấu ,  được đẩy lên do biến dạng nhiệt và đỉnh của nó 
chạm vào răng cóc của vành răng ngoài. Vị trí này đảm bảo vành rotor  không 
quay được theo chiều ngược lại (chiều ngược chiều kim đồng hồ). Điểm khác 
biệt với các vi động cơ kiểu 1, 2 và 3 với vành răng cóc là răng trên vành rotor 
 của vi động cơ hai chiều có dạng tam giác cân. Để vành rotor quay theo chiều 
ngược lại (ngược chiều kim đồng hồ), trước hết dừng kích hoạt cặp cơ cấu 
chống đảo  và , kích hoạt cặp  và  sang trạng thái “BẬT”,đồng thời đặt 
điện áp lênbộ kích hoạt/chấp hành răng lược ở bên trái . 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
[1] Vũ Ngọc Hùng, Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc (2010) Thiết kế và chế 
tạo hệ thống Mini-robot với các Micro-container dựa trên công nghệ Vi Cơ 
Điện tử (MEMS), Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Tập 26, Số 2, 
trang 83-88. 
[2] Pham Hong Phuc, Dang Bao Lam, Nguyen Tuan Khoa (2010) Design and 
Fabrication of Micro Linear Motor (MLM) Based on MEMS Technology, Tạp 
chí Khoa học và Công nghệ (Journal of Science and Technology),Tập 48, số 
2A, trang 759-764. 
[3] Pham Hong Phuc, Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung (2010) A Micro 
Rotational Comb-Drive Actuator and its Applications in Microgearing”, 
Proceeding of the 5th Vietnam Conference on Mechatronics (VCM2010) – 
TPHCM 22, 23rd Oct. 2010, pp 115-118 
[4] Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Tuấn Khoa ,Vũ Ngọc Hùng 
(2010) Ảnh hưởng sai số tiết diện đến chuyển vị của cấu trúc dầm trong các linh 
kiện MEMS, Proceeding of the National congress on Solid Mechanics – 
Thainguyen 12,13th November 2010, trang 391-397. 
[5] Phuc Hong Pham, Dang Bao Lam, Hung Ngoc Vu (2010) Micro robot 
system with moving micro-car driven by electrostatic comb-drive actuators, 
Microsystem technologies (SCI), Springer verlag, vol.16, no.4, pp. 505-510. 
[6] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Nguyen Tuan Khoa, Pham Hong Phuc, 
Vu Ngoc Hung (2012) A NovelBi-directional Micro Rotational Motor driven by 
V-shaped Electrothermal Actuators, Tạp chí Khoa học & Công nghệ,Vol. 88, 
trang 73-78. 
[7] Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao, Lam Bao Dang, S. Sugiyama (2012) 
Single mask,simple structure micro rotational motor driven by electrostatic 
comb-drive actuators, Journal of Micromechanics and Microengineering (SCI), 
Vol. 22, No. 1, 7 pp. 
[8] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Nguyen Tuan Khoa, Pham Hong Phuc, 
Vu Ngoc Hung (2012) A novel bi-directional micro rotational motor based on a 
combination of the electrostatic and electrothermal actuators, Tuyển tập công 
trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 – VCM2012, Hà Nội, pp 
802-807. 
[9] Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung, Pham Hong Phuc (2012) Micro 
mechanisms in the micro robot systems: Case studies of the electrostatic micro 
mechanisms, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 
9, tập 4, pp 72-82. 
[10] Dang Bao Lam, Dinh Khac Toan, Pham Hong Phuc, Vu Ngoc Hung (2012) 
Assessment of Influence of the Fringe Effect on the Forces and Displacements 
in the Electrostatic Comb-drive Actuator, Proceeding of the International 
Conference on Advanced materials and Nanotechnology – ICAMN2012, Hanoi, 
Vietnam (Dec. 2012), pp 220-225. 
[11] Phuc Hong Pham, Toan Khac Dinh, Lam Bao Dang*, Khoa Tuan Nguyen, 
Dzung Viet Dao (2014) Micro cam system driven by electrostatic comb-drive 
actuatorsbased on SOI-MEMS technology, Microsystem technologies (SCI), 
Springer verlag, DOI 10.1007/s00542-014-2086-y, 8 pp. 
[12] Đặng Bảo Lâm, Phạm Hồng Phúc, Vũ Ngọc Hùng, Trịnh Quang Thông 
(2014) Micro mô tơ dẫn động bằng các bộ kích hoạt tĩnh điện quay, Tạp chí 
Khoa học và Công nghệ, tập 52, số 1A, pp 127-135.