BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Văn Đường

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
LÒ XO VI TREO KIỂU DẦM CONG
KẾT CẶP CƠ VÀ CHẾ TẠO MŨI DÒ QUÉT
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHẮC
CÁC CẤU TRÚC NANO PLASMONIC

Ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số: 9440122

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Năm - 2023
1


2


Cơng trình được hồn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Chu Mạnh Hoàng

Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Thanh Tùng
Phản biện 2: PGS.TS. Trần Đức Tân
Phản biện 3: PGS.TS. Ngô Quang Minh

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 8 giờ 30, ngày 31 tháng 08 năm 2023

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

3


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong vài thập kỷ qua, công nghệ nano phát triển đã mở ra cho các
nghiên cứu và ứng dụng phục vụ cuộc sống. Ngày nay có nhiều ứng dụng
dành cho cảm biến quang học với độ chọn lọc cao được sử dụng. Từ đó, đặt
ra bài toán về sản xuất hàng loạt tạo ra các sản phẩm thương mại có giá
thành cạnh tranh và hiệu suất chế tạo cao.
Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo cấu trúc nano: Kỹ thuật quang
khắc, khắc chùm điện tử, chùm ion. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược
điểm ứng dụng hàng loạt sản xuất công nghiệp.
Để đáp ứng về mặt kích thước cấu trúc, cũng như hiệu suất chế tạo cao
thì kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét đã và đang thể hiện cho thấy điều đó.
Tạo ra các cấu trúc nano mũi dị qt có thể khắc trực tiếp khơng sử dụng
mặt nạ khắc trực tiếp bề mặt mẫu một cách cơ học với một đầu dị đã được
định hình cấu trúc. Độ phân giải của cấu trúc nano phụ thuộc vào kích
thước của mũi dò và độ sâu của mẫu khắc. Để tối ưu cho kỹ thuật khắc sử
dụng mũi dò quét cần quan tâm tới kích thước, hình dạng mũi dị qt và hệ
vi cơ điều khiển lực khắc của mũi dò lên mẫu. Vì vậy nghiên cứu sinh lựa

chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống lò xo vi treo kiểu dầm cong kết
cặp cơ và chế tạo mũi dò quét định hướng ứng dụng khắc các cấu trúc
nano plasmonic”.
2. Mục đích nghiên cứu
+ Phát triển hệ lò xo vi cơ ưu tiên dao động theo phương vng góc với
mặt phẳng đế chế tạo (trục z).
+ Thiết lập quy trình chế tạo mũi dị khắc có kích thước nano sử dụng
kỹ thuật quang khắc và vi cơ khối ướt truyền thống.
+ Thiết lập quy trình chế tạo đế có cấu trúc nano plasmonic bằng kỹ
thuật dập khuôn 3D.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Bộ chấp hành trục z có nhiễu chéo thấp, có độ dịch chuyển lớn và tần
số hoạt động trong phạm vi rộng.
+ Công nghệ vi cơ khối ướt đơn giản.
+ Công nghệ in dập khuôn 3D chế tạo cấu trúc nano plasmonic.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
+ Luận án đã đề xuất hệ vi cơ hoạt động theo phương vng góc với
mặt phẳng (trục z) và giảm ảnh hưởng của dao động nhiễu.
1


+ Đề tài đã đề xuất quy trình và chế tạo thành cơng mũi dị khắc có kích
thước nano dựa trên kỹ thuật quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt.
+ Luận án đã thiết lập được quy trình chế tạo các cấu trúc nano plasmonic
dựa trên công nghệ in dập khn 3D sử dụng mảng mũi dị được chế tạo.
+ Kết quả nghiên cứu của đề tài không những có ứng dụng trong chấp
hành mũi dị qt trong khắc các cấu trúc nano, mà cịn có thể ứng dụng

trong các linh kiện vi cơ điện tử khác như các cảm biến và các bộ vi dịch
chuyển có độ chính xác cao.
b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
Đề tài được thực hiện nhằm xây dựng, phát triển các cơng cụ chế tạo cấu
trúc nano có độ chính xác và hiệu suất cao dựa trên khắc cơ học. Quy trình
chế tạo mũi dị có kích thước nano sử dụng kỹ thuật khắc quang học truyền
thống và công nghệ vi cơ khối ướt với chi phí thấp, hồn tồn được thực hiện
ở trong nước. Đây sẽ làm cơ sở cho việc ứng dụng trong phát triển các hệ
thống khắc cho chế tạo các cấu trúc nano với hiệu suất khắc cao.
6. Tính mới của đề tài:
Tính mới của đề tài nghiên cứu được thể hiện tại 3 điểm sau đây:
- Nghiên cứu thiết kế cấu trúc vi treo lò xo vi cơ kết cặp cơ khắc phục độ
lệch biên của lò xo vi cơ treo truyền thống, hạn chế dao động nhiễu lân cận và
có độ dịch chuyển lớn.
- Đề tài đã nghiên cứu và chế tạo thành công mũi dị qt có kích thước ở
thang nano dựa trên cơng nghệ quang khắc truyền thống và vi cơ khối ướt.
- Đề tài cũng đã thiết lập được quy trình chế tạo mảng các cấu trúc nano
plasmonic dựa trên kỹ in dập khuôn 3D cho hiệu suất khắc cao và lặp lại tốt.
7. Nội dung luận án
Chương 1: Công nghệ khắc cơ học sử dụng mũi dò quét.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm.
Chương 3: Thiết kế bộ vi dịch chuyển mũi dò quét.
Chương 4: Chế tạo mũi dò quét dựa trên kỹ thuật khắc quang học và vi
cơ khối ướt.
Kết luận chung.
Chương 1. CÔNG NGHỆ KHẮC CƠ HỌC SỬ DỤNG MŨI DỊ QT

1.1. Tổng quan cơng nghệ khắc sử dụng mũi dò quét
1.1.1. Lịch sử của khắc đầu dị qt
Năm 1988 kính hiển vi lực ngun tử (AFM) thăm dò bề mặt của mẫu

bằng một mũi dò nhọn. AFM có hai chế độ hoạt động, chế độ tiếp xúc và
chế độ khơng tiếp xúc. AFM tiếp xúc có nguy cơ làm biến dạng bề mặt
mẫu do lực tiếp xúc giữa lò xo vi cơ treo đẩy mũi dò vào bề mặt mẫu. Và
chính nhược điểm này cũng là tiền đề cho một ứng dụng khác của mũi dò
quét. Kỹ thuật này được gọi là nanolithography.
2


1.1.2. Thành phần cơ bản của đầu dò khắc
Gồm 3 thành phần: Lò xo vi cơ, mũi dò, bộ chấp hành Hình 1.4.

Hình 1.4 Các thành phần cấu tạo đâu dò khắc
1.1.3. Các phương pháp chấp hành mũi dò quét và khắc cơ học
1.1.3.1 Phương pháp chấp hành nhiệt
1.1.3.2 Phương pháp chấp hành áp điện
1.1.3.3 Phương pháp chấp hành tĩnh điện
Dạng cấu trúc bản cực của chấp hành tụ điện phổ biến.

Hình 1.11 Cấu trúc dầu dị và chấp hành tĩnh điện song song.

1.1.4. Kỹ thuật khắc sử dụng mũ dò chế tạo cấu trúc nano
. Khắc sử dụng mũi dị nhúng
. Quang khắc trường gần
Oxi hóa vùng (Local Oxidation)
. Khắc cơ học (Mechanical Scratching)
Kỹ thuật khắc cơ học sử dụng mũi dò quét và một lực cơ học làm thay
đổi bề mặt mẫu tạo ra cấu trúc cần thiết bằng các ấn hoặc cào xước bề mặt.

1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới


1.2.1. Mũi dò quét và phương pháp chế tạo
1.2.1.1 Sử dụng quang khắc kết hợp ăn mịn hóa học
1.2.1.2 Kỹ thuật khắc bằng chùm điện tử
1.2.1.3 Kỹ thuật khắc trực tiếp bằng chùm tia laser (laser direct writing)
1.2.2. Cấu trúc lò xo vi cơ và vấn đề còn tồn tại
1.2.2.1 Cấu trúc lò xo vi cơ thẳng
Hiện nay hầu hết lò xo vi cơ trong các hệ vi cơ của các nghiên cứu về kỹ
thuật khắc đầu dò quét được thiết kế và chế tạo dựa trên lò xo vi cơ thẳng
với một đầu cố định, đầu cịn lại tự do có gắn mũi dị
1.2.2.2 Vấn đề tồn tại của lò xo vi cơ thẳng
Do cấu trúc lò xo vi cơ thẳng cố định một dầu dẫn đến đầu còn lại hoạt
động bất đối xứng nên khi thanh dầm uốn cong sẽ tạo ra sự lệch bi
3


. Độ lệch biên dọc trục của lò xo vi cơ thẳng
Mũi dị lệch so với vị trí cân bằng một khoảng ∆l như Hình 1.18.

Hình 1.18 Sự lệch biên của thanh dần cố định một đầu

. Sự xoắn ngang lị xo vi cơ thẳng

Hình 1.19 Mơmen xoắn ngang lị xo vi cơ thẳng

Lị xo vi cơ chữ V

Hình 1.20 Lị xo vi cơ hình chữ

Lị xo vi cơ hình chữ V được sử dụng và đã chó thấy sự cải thiện giảm
ảnh hưởng sự xoắn ngang

1.2.3. Hiệu suất khắc đầu dị
Đầu dị có đơn mũi dị có hiệu xuất chế tạo thấp, để nâng cao hiệu xuất
thì giải pháp phổ biến là tăng số lượng mũi dị khắc. Có hai xu hướng thiết
kế mảng mũi dò: mảng mũi dò tích cực và mảng mũi dị thụ động.
1.2.4. Một sớ nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dò quét
Đã có nhiều cơng bố trên thế giới việc tạo ra đầu dò khắc sử dụng mũi
dò quét và chế tạo được các cấu trúc nano có độ phân giải cỡ 10 nm.

1.3. Tình hình nghiên cứu kỹ thuật khắc sử dụng mũi dị qt trong
nước
Hiện tại chỉ có nhóm nghiên cứu và phát triển vi hệ thống tại Viện Đào
tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Đại học Bách Khoa Hà Nội
nghiên cứu về lĩnh vực này. Bên cạnh đó hướng nghiên cứu đầu dị qt
định hướng ứng dụng trong chế tạo cấu trúc nano cũng phù hợp với điều
kiện công nghệ tại Việt Nam.
Nhằm mở rộng phạm vi dịch chuyển ngồi mặt phẳng và giảm kích
thước của hệ vi cơ trong luận án của tiến sĩ Đặng Văn Hiếu đề xuất lị xo vi
cơ gấp khúc Hình 1.32. Hệ có tần số dao động khoảng 25 kHz. Khả năng
hạn chế dao động nhiễu các mode khác ảnh hưởng tới mode-z của hệ lò xo
vi cơ đạt khoảng 50 % và kết quả tốt nhất khi khảo sát thay đổi thơng số
của dầm lị xo vi cơ là 73.6 %

4


Hình 1.32 Hệ lị xo vi cơ gấp khúc càng cua

1.4. Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày quá trình phát triển của đầu dò quét, ứng dụng
của đầu dò qt trong thiết bị kính hiển vi đầu dị để chế tạo các cấu trúc

nano. Một số ứng dụng chế tạo cấu trúc nano sử dụng mũi dò quét và các
kỹ thuật chế tạo cấu trúc nano sử dụng đầu dị qt đã được tổng quan. Từ
đó, kỹ thuật khắc cơ học sử dụng mũi dò quét đã được lựa chọn làm định
hướng nghiên cứu của luận án. Bên cạnh đó, các phương pháp chấp hành
đang được ứng dụng hiện nay để điều khiển mũi dò khắc đã được nghiên
cứu và đánh giá.
Nghiên cứu các cấu trúc vi cơ hoạt động theo phương z vng góc với
mặt phẳng của các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã cơng bố. Các hệ vi cơ
ứng dụng trong cảm biến gia tốc, vi gương, công tắc điện tử và đặc biệt hệ
vi cơ ứng dụng trong cơng nghệ khắc sử dụng mũi dị quét. Các công bố và
ứng dụng cho thấy tần số làm việc trong khoảng vài kHz cho đế vài trăm
kHz, biên độ dịch chuyển từ mài μmm đến vài chục μmm tuy theo ứng dụng
của cấu trúc vi cơ.
Xác định được vấn đề còn tồn tại của các cấu trúc chấp hành được cơng
bố, từ đó đề xuất các cấu trúc riêng của luận án: Đề xuất cấu trúc vi cơ dịch
chuyển theo phương vng góc với mặt phẳng có kích thước hệ thống được
thu nhỏ, khắc phục độ lệch biên, tăng độ dịch chuyển, chống nhiễu kết cặp
mode, tăng hiệu suất khắc các cấu trúc nano. Ngoài ra, luận án cũng hướng
tới đề xuất quy trình chế tạo mũi dò quét và hệ thống đầu dò khắc dựa trên
cơ sở thiết bị thực nghiệm truyền thống bằng kỹ thuật quang khắc và ăn
mòn ướt.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. Cơ sở lý thuyết

2.1.1. Tính toán độ cứng của lò xo
2.1.1.1 Lò xo vi cơ lò xo vi cơ thẳng (Mơ hình lý thuyết 1)
Lị xo vi cơ thẳng là dạng dầm cơng xơn có cơng thức tính độ cứng:

K z=


3 EI
l3

1.1.1.1 Lị xo vi cơ Saggitta (Mơ hình lý thuyết 2)
Lị xo vi cơ Saggitta sử dụng một cặp lò xo vi cơ đối xứng.
5

(2.1)


(a)

(b)

Hình 2.2 Lị xo vi cơ Saggitta; a)Cấu trúc 3D lị xo vi cơ Saggitta; b) Sơ đồ phân
tích tính độ cứng.

Độ cứng trục z được tính tốn theo biểu thức:

(

K z=l 2 / 12

2

6 ( l 3−2 c ) sin2 α +2(l 1 +2 l 2 sin α ) [ l 1 cos α + ( 2l 2 cos α +l 3−2 c ) sin α ] c

[


G It
(2.2)

1.1.1.2 Lị xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính (Mơ hình lý thuyết 3)
Lị xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính theo góc quay β . Độ cứng lị xo
vi cơ Serpentine dầm tuyến tính K z:

i. w c √ l IB l 2i
G.h
K z=1/ ∑ 60 n
l +3 l IB
li t
G . h EI i
i=1

[ √
3

[( )

]]

(2.4)

Hình 2.3 Lị xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính tương đương.

1.1.1.3 Lị xo vi cơ càng cua (Mơ hình lý thuyết 4)

Hình 2.4 Cấu trúc lò xo vi cơ càng cua.


Độ cứng Kz có thể được tính theo cơng thức:

K z=

F
1
=
z 2
2
|∆ z| (l¿¿ 1−k 2) l 2 l 1+l32 +3 k 2z l1 (k 2z−l1 )
+
¿
G It
3 EI

1.1.1.4 Lò xo vi cơ cung trịn (Mơ hình lý thuyết 5)
Cấu trúc lị xo vi cơ cung trịn góc quay α và bán kính R.

6

(2.15)


Hình 2.5 Mơ hình 3D lị xo vi cơ cung tròn.

Độ cứng của lò xo vi cơ cung tròn được xác định bởi công thức (2.16):

K z=

4

2
α−sin2
α
6
α −8 sinα +sin 2 α
R3 (
+
)
G It
EIy

(2.16)

2.1.2. Tính toán tần số riêng
2.1.2.1 Tần số dao động riêng của cấu trúc vi treo sử dụng hai lò xo vi cơ gấp khúc
Cấu trúc bao gồm lò xo vi treo kết nối với một tấm trung tâm độ dày là
t. Tần số riêng dao động theo trục z:

f=

1
2π

√

K
m

(2.17)


ở đây m là khối lượng quy đổi của cấu trúc tính theo cơng thức:

m=m plate +

13
13
m beam ⇔ m=ρVV p+ ρVV s
35
35

(2.18)

2.1.3. Điện dung của cấu trúc
Khi chịu lực tĩnh điện F, bản cực tự do dịch chuyển một khoảng z, lúc
này điện dung và lực tĩnh điện được xác định:

ε ε0 A V 2
F=
2(g−z )2

(2.23)

2.1.4. Điện áp làm việc ổn định của chấp hành tĩnh điện
Cấu trúc lị xo vi cơ treo có độ cứng K gắn vào bản cực tự do của tụ
điện. Trạng thái cân bằng giữa lực đàn đồi của lò xo vi cơ treo phương z
(Kz) và lực tĩnh điện của tụ điện F như phương trình cân bằng sau:

K z=

ε ε0 A V 2

2

2( g−z )

2 K z ( g−z)2
2 K z (g−z)2
hay V =
V =
ε ε0 A
ε ε0 A

√

2

(2.24)
(2.25)

Xác định điện áp ngưỡng (hút chập) ổn định là:

8 K z g3
V hút chập=
27 ε ε 0 A

√

7

(2.27)



2.1.5. Tính toán độ dịch chuyển của cấu trúc
Tấm điện cực mang mũi dò dịch chuyển dưới tác dụng của lực động
trong mơi trường khơng khí. Điện áp kích thích cộng hưởng có hai thành
phần Vdc đóng vai trị điều khiển biên độ, Vac tạo dao động.
Độ dịch chuyển đạt được bằng cách giải phương trình (2.37) là:

z=ε ε 0

A
V dc V ac βcos ⁡(ωtt −θ)
K z g2

(2.29)

2.1.6. Hệ số phẩm chất của bộ vi chấp hành
. Hệ số cản
Hệ số của lực cản khơng khí giữa hai bản cực hình trịn:

c=

3 μm . π . r 4
g3
(2.29)

Trong đó m khối lượng tương đương của bộ truyền động, μm là hệ số
nhớt của khơng khí, ở áp suất thường μm0 =18,5 x 10−5 Pa . s .
. Hệ số phẩm chất
Hệ số Q cho biết khả năng cấu trúc lưu trữ năng lượng dao động cơ học
trong thời gian bao lâu trước khi nó bị giảm dần do các yếu tố cản. Hệ số

phẩm chất Q càng cao thì sự phản ứng của cấu trúc với kích thích bên
ngồi tác động vào càng nhanh:

Q= √

K .m
c

(2.33)

Tỷ lệ suy hao
Tỷ lệ suy hao ζ là đại lượng vô hướng tỷ lệ nghịch với hệ số phẩm chất
Q được xác định bằng công thức:

1
c
=
2Q 2 m. ωt0
2.2. Cơ sở mô phỏng phương pháp phần tử hữu hạn
ζ=

2.2.1. Khái quát phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.1.2 Dạng phần tử hữu hạn
2.2.1.3 Quy tắc chia phần tử
2.2.2. Phần mềm mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn
Phầm mềm phân tích phần tử hữu hạn Comsol Multiphysics.

8


(2.34)


2.3. Cơ sở thực nghiệm

2.3.1. Kỹ thuật quang khắc
2.3.1.1 Mặt nạ và chất cảm quang
2.3.1.2 Quy trình quang khắc
2.3.2. Ăn mịn hóa học
2.3.2.1 Kỹ thuật khắc ướt silic đẳng hướng
2.3.2.2 Kỹ thuật khắc ướt silic dị hướng

1.2. Kết luận
Chương này nghiên cứu một số mơ hình lị xo vi cơ đã được ứng dụng
và cơng bố như: Mơ hình lý thuyết lò xo vi cơ dầm thẳng, lò xo vi cơ càng
cua, lị xo vi cơ Serpentine dầm khơng đổi, lị xo vi cơ Serpentine dầm
tuyến tính, lị xo vi cơ Saggitta, lị xo dầm cong. Các mơ hình lý thuyết lị
xo có tính tương đồng với mơ hình lị xo vi cơ đề xuất trong luận án. Từ
các mô hình lý thuyết đó phân tích và tìm là thơng số cần thay đổi để thiết
kế hệ lò xo vi cơ có được tần số và độ dịch chuyển mong muốn. Cơ sở lý
thuyết đánh giá hệ số phẩm chất của hệ lị xo vi cơ và là thơng số quan
trọng để đánh giá tốc độ phản ứng của cấu trúc vi cơ khi nhận kích thích từ
bên ngồi. Khi xây dựng được mơ hình lị xo vi cơ thực hiện khảo sát tính
chất cơ của cấu trúc bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn với sự hỗ
trợ của phần mềm comsol trên máy tính. Tiếp đến, để chế tạo cấu trúc vi
cơ, mũi dò đề tài nghiên cứu những kiến thức, kỹ thuật thực nghiệm liên
quan tới quy trình chế tạo mà hướng nghiên cứu sử dụng trong quy trình.
Từ đó trang bị những kiến thức, cơ sở cần thiết để tiến hành thiết kế mô
phỏng và thực nghiệm. Đặc biệt là cơ sở thực nghiệm của kỹ thuật quang
khắc và công nghệ vi cơ khối ướt với các trang thiết bị có tại phịng thí

nghiệm tại viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu ITIMS, Đại học Bách
khoa Hà Nội
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ VI DỊCH CHUYỂN MŨI DỊ QT

1.3. Mơ hình đầu dị khắc sử dụng chấp hành tĩnh điện
3.1.1. Mơ hình cấu trúc hệ lị xo vi cơ treo đầu dị khắc
Mơ hình cấu trúc hệ lị xo vi cơ bao gồm một đế trịn có bán kính Rp,
được treo bằng hai lị xo vi cơ gấp khúc đối xứng.

(a)

(b)

Hình 3.1 Hệ lò xo vi cơ; a) Đơn mũi dò, b) Mảng mũi dò

9


1.4. Nghiên cứu thiết kế hệ lò xo vi cơ treo đĩa tâm gắn mũi dò sử
dụng vi lò xo vi cơ gấp khúc khơng kết cặp
Hai hệ lị xo vi cơ gồm một tấm trịn bán kính Rp, hai lị xo vi cơ gấp
khúc đối xứng. Góc mở của lò xo vi cơ α. Bề dày lò xo vi cơ là t. Hệ lò xo
vi cơ 1 (Hệ 1) sử dụng thanh lò xo vi cơ thẳng, hệ lò xo vi cơ 2 (Hệ 2) sử
dụng lò xo vi cơ cong.

(a)

(b)

Hình 3.2 Cấu tạo của lị xo vi cơ gấp khúc có dạng lị xo vi cơ thẳng a) và dạng

cung tròn b) g là khoảng cách giữa các cung tròn của lò xo vi cơ.

1.4.1. Kết quả tính toán mơ hình
1.4.1.1 Lị xo vi cơ gấp khúc lị xo vi cơ thẳng

Hình 3.3 Mơ hình 3D của lị xo vi cơ gấp khúc với các lò xo vi cơ thẳng (a), lò xo
vi cơ gấp khúc được chia thành các lò xo vi cơ càng cua cơ bản nối tiếp (b) và mơ
hình lị xo vi cơ nối tiếp tương đương (c).

Để tính tổng độ cứng Ktsb của lò xo vi cơ gấp khúc với các lò xo vi cơ
thẳng, nguyên lý của lò xo vi cơ nối tiếp được sử dụng.

K tsb =

2

n

∑ k1
i=1

(3.6)

sb i

1.4.1.2 Lò xo vi cơ gấp khúc lò xo vi cơ cong
Tổng độ cứng Ktcb của lò xo vi cơ gấp khúc với hệ lị xo vi cơ cung trịn,
sử dụng ngun lí lò xo vi cơ mắc nối tiếp được xác định là:

K tcb=


2

n

∑ k1
i=1

cb i

(3.7)

1.4.2. Kết quả mô phỏng
Mode hoạt động được quan
tâm dao động theo phương trục z
(mode-z), mode dao động dọc
theo trục x (mode-x), mode thứ
ba là mode xoắn (mode-tor)
10


quanh trục x. Các tham: đĩa tâm Rp = 70 μmm, khoảng cách các lò xo vi cơ g
= 20 μmm, chiều rộng w = 10 μmm, độ dày t = 10 μmm, và góc mở α = 600.
Hai hệ lị xo vi cơ có số lị xo vi cơ gấp khúc n = 3.
Hình 3.5 Ba mode đầu tiên được mơ phỏng: lị xo vi cơ gấp khúc với các chùm lò
xo vi cơ thẳng (a)-(c) và lò xo vi cơ gấp khúc với các cung tròn (d)-(f).

1.4.2.1 So sánh kết quả tính tốn và mơ phỏng
fssb_i: tần số hệ lò xo vi cơ thẳng bằng phương pháp mơ phỏng.
fscb_i: tần số hệ lị xo vi cơ cung trịn bằng phương pháp mơ phỏng.

fcclm_i: tần số hệ lị xo vi cơ tính theo mơ hình lý thuyết 4 (lò xo vi cơ
càng cua).
fccsm_i: tần số hệ lò xo vi cơ tính theo mơ hình lý thuyết 5 (lị xo vi cơ
cung tròn).
fs_i: sự chênh lệch giữa fssb_i và fcclm_i.

fs=
i

f cclm −f ssb
100 %
f ssb
i

i

(3.11)

i

fc_i: sự chênh lệch giữa fscb_i và fccsm_i.

fc=
i

f ccsm −f scb
100 %
f scb
i


i

(3.12)

i

i = 1, 2 và 3 tương ứng với số cung tròn hoặc lị xo vi cơ thẳng.
Nhìn chung, kết quả tính tốn phương pháp càng cua gần với dữ liệu mô
phỏng hơn.
. Số lò xo vi cơ lò xo vi cơ n = 1

Hình 3.6 Tần số hoạt động của hai hệ lò xo vi cơ với n = 1 được khảo sát bằng cả
tính tốn lý thuyết và mơ phỏng dưới dạng hàm của w (a), t (b) và α(c). Sự khác
biệt giữa kết quả được tính tốn và mơ phỏng được khảo sát dưới dạng hàm của w
(d), t (e) và α (f).

11


. Số lò xo vi cơ lò xo vi cơ n = 2 và n = 3
Với n = 2 và n = 3 được thể hiện trên Hình 3.7a-c, Hình 3.7d-f. Nhìn
chung, kết quả tính tốn lị xo vi cơ càng cua phù hợp hơn với dữ liệu mơ
phỏng.

Hình 3.7 Tần số hoạt động của hai hệ lò xo vi cơ được khảo sát bằng cả tính tốn
lý thuyết và mô phỏng dưới dạng hàm của w, t và α với n = 2 (a)-(c) và n = 3 (d)(f). Sự khác nhau giữa tần số tính tốn và mô phỏng khảo sát theo các tham số
chiều w (g), t (h), và α(i).α(i).i).).

Sự sai khác khi so sánh tần số (fc) được thể hiện trong Hình 3.8a-c cho
n = 1, 2 và 3. Khi n tăng thì sự chênh lệch tính tốn của hai mơ hình giảm

đi.

Hình 3.8 fc được tính bởi hai mơ hình dưới dạng hàm của w (a), t (b) và (c) với
n = 1, 2 và 3. f cho hai hệ lò xo vi cơ được khảo sát dưới dạng hàm của w (d), t
(e) và (f) với n = 3.

Để so sánh hiệu suất của hai hệ lò xo vi cơ cần đánh giá khớp nối mode
bằng cách khảo sát sự khác biệt ( f tính bằng %) giữa tần số mode hoạt
12


fff(kHz)
(kHz)
(kHz)

ff (kHz)
(kHz)
fff(kHz)
(kHz)
(kHz)

fff(kHz)
(kHz)
(kHz)

fff (kHz)
(kHz)
(kHz)

(kHz)

fff(kHz)
(kHz)

động (fssb_i, fccsm_i) và tần số mode gần nhất khơng mong muốn (fssb_2i, fccsm_2i)
cho hai hệ lị xo vi cơ, Hệ 1 và Hệ 2.

(deg)
⍺⍺ (deg)

⍺⍺ (deg)
(deg)

Hình 3.9 Sự phụ thuộc tần số của mode-z, mode-x và mode-tor đã khảo sát một
hàm của n = 1, 2 và 3: (a)-(c) đối với hệ 1 và (d)- (f) đối với hệ 2.

Đối với các ứng dụng, mode-z là mode hoạt động có tần số thấp nhất
ln được ưu tiên. Để đảm bảo mode hoạt động là mode đầu tiên, n và 
cần được thay đổi theo xu hướng tăng lên.

1.5. Hệ lò xo vi cơ chuyển động theo phương z dạng lò xo vi cơ
cong
1.5.1. Hệ lò xo vi cơ kết cặp với các lò xo vi cơ cong
Hệ lò xo vi cơ kết cặp được thiết kế gồm 6 lị xo gấp khúc cong xếp đối
xứng từng đơi đều nhau tạo thành hệ lò xo vi cơ dạng trịn, Hình 3.10 gọi là
hệ lị xo vi cơ kết cặp A (Hệ A).

(a)

(b)


Hình 3.10 Hệ lị xo vi cơ kết cặp với các thanh lò xo vi cơ cong (cung trịn) và các
hằng số thiết kế: (a) mơ hình ba chiều và (b) hình chiếu đứng.

w là chiều rộng, t và chiều dày của cung lò xo vi cơ, lIB là chiều dài nối
giữa các cung gấp khúc, lIS là chiều dài nối giữa các lò xo vi cơ gấp khúc
cong và r0 = 50(µm) là bán kính tấm trung tâm gắn mũi nhọn.

13


1.5.2. Hệ lị xo vi cơ khơng kết cặp với các lò xo vi cơ cong
Để khảo sát ảnh hưởng của kết cặp tới hoạt động của hệ lò xo vi cơ, hai
hệ lị xo vi cơ tương tự khơng có sự kết cặp để so sánh như Hình 3.11 là hệ
lò xo vi cơ B (Hệ B) và hệ lị xo vi cơ C (Hệ C).

(a)

(b)

Hình 3.11 Hệ lị xo vi cơ dạng B đối xứng trục (a) và dạng C đối xứng quay (b) sử
dụng lò xo vi cơ lò xo vi cơ gấp khúc gồm các thanh lị xo vi cơ cong dạng cung
trịn.

1.5.3. Xây dựng mơ hình tính toán độ cứng hệ lị xo vi cơ kết cặp
1.5.3.1 Hệ lò xo vi cơ thẳng tương đương
Độ cứng của hệ lò xo vi cơ được xác định bởi:

K t =6 K b

( 3.0)


Kb là độ cứng của thanh lị xo vi cơ gấp khúc như được tơ màu màu cam.
n

1
1
=∑
K b i=1 K i

(a)

( 3.0)

(b)

Hình 3.12 Mơ hình hệ lị xo vi cơ tương đương gồm các lò xo vi cơ thành phần
ghép nối tiếp nhau: (a) mơ hình kết cấu cơ tương đương để đánh giá độ cứng và
(b) mơ hình lị xo vi cơ tương đương gồm các thành phần lò xo vi cơ mắc nối tiếp.

1.5.3.2 Hệ lò xo vi cơ Saggitta tương đương
K 3 sss là độ cứng tổng của hệ lò xo vi cơ trong Hình 3.13b:

1
1
1
1
=
+
+
K 3 sss K 1 s K 2 s K 3 s


K i Độ cứng của lị xo vi cơ Siggitta thứ i theo cơng thức (2.2):

14

( 3.0)


Hình 3.13 Hệ lị xo vi cơ Saggitta tương đương.

1.5.3.3 Hệ lị xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính tương đương
Độ cứng của hệ lị xo vi cơ trong mơ hình này được tính bởi:
Kts = 6x K zs

( 3.0)

Độ cứng của mỗi lò xo vi cơ Serpentine dầm tuyến tính thành phần K zs
được xác định theo cơng thức (2.4).
1.5.4. Kết quả mô phỏng và so sánh
hoạt động của các dạng lò xo vi
cơ
Mode-z là mode dao động ưu tiên, xét
sai khác tần số δf giữa mode hoạt động:
mode-z ( f Mode z) và mode-2 ( f Mode 2).

δf =

f mode−2−f mode− z
100 % 
f mode−z


Để ngăn cản sự ảnh hưởng của các dao
động khác tới mode dịch chuyển theo
phương z δf > 60%.
Hình 3.15 (a)-(c) Mode dao động ngồi mặt phẳng mode-z, (d)-(f) mode-2

Trong trường hợp này, các hằng số của bộ chấp hành như sau: r0 = 50
µm, w = 20 µm, t = 10 µm, lIB = 20 µm và lIS = 10 µm.
1.5.4.1 Khảo sát tần số f phụ thuộc vào kích thước của hệ lị xo vi cơ
a. Thay đổi w từ 2µm tới 20µm, thơng số khác được giữ khơng đổi

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 3.16 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) là δf
của ba dạng lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều rộng của thanh lò xo vi cơ lò xo
vi cơ.

Tần số của ba hệ lò xo vi cơ có thể được thay đổi từ 70 kHz tới 260 kHz
đối với hệ A và từ 55 kHz tơi 220 kHz đối với hệ B và C.
15


b. Thay đổi t từ 2 µm đến 20 µm và giữ ngun các thơng số khác


(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 3.17 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của
ba dạng lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dày của thanh lò xo vi cơ lò xo vi cơ.

δf của hệ A tăng khá tuyến tính từ 75% tới 90% khi t tăng dần từ 2 µm
tới 20µm. δf của hệ B và C xu hướng giảm từ khoảng 65% tới 5%.
c. Thay đổi lIB từ 2 µm đến 20 µm và giữ nguyên các thơng số khác

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 3.18 (a) Đồ thị tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của
ba dạng lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dài của thanh lò xo vi cơ kết nối.

Tần số dao động riêng của cả 3 hệ lò xo vi cơ có xu hướng giảm. Hệ A
có δf >60%. Khoảng kết cặp δf của hệ B, C luôn thấp hơn 60%.
d. Thay đổi lIS từ 2 µm đến 20 µm và giữ nguyên các thông số khác


(a)

(b)

16


(c)

(d)

Hình 3.19 (a) tần số mode-z, (b) mode-2, (c) độ cứng mode-z và (d) δf của ba dạng
lò xo vi cơ được khảo sát theo chiều dài của thanh kết nối các lò xo vi cơ.

Tần số dao động riêng của cả 3 hệ lị xo vi cơ có xu hướng tăng. Hệ A
có δf >75%. Khoảng kết cặp δf của hệ B, hệ C có xu hướng giảm.
1.5.5. Đánh giá kết quả mô phỏng và tính toán
Trong nghiên cứu này sử dụng 3 mơ hình tính tốn: Cách 1: Mơ hình lý
thuyết lị xo vi cơ thẳng tương đương; Cách 2: Mơ hình lý thuyết hệ lị xo
vi cơ Saggitta; Cách 3: Mơ hình lý thuyết hệ lị xo vi cơ Serpentine dầm
tuyến tính
a. Khảo sát tần số phụ thuộc vào t

(a)

(b)

Hình 3.20 Tần số dao động mode-z khi thay đổi t

Phương pháp mô phỏng hệ A (mode-zA) gần đúng với phương pháp tính

tốn 1 và 2 cho hệ A. Phương pháp mô phỏng hệ B (mode-z B) và hệ C
(mode-zC) gần đúng với phương pháp tính 1 cho hệ B và hệ C.
b. Khảo sát tần số phụ thuộc vào w

(a)

(b)

Hình 3.21 Tần số dao động mode-z khi thay đổi w

Phương pháp mô phỏng hệ A (mode-zA) gần đúng với phương pháp tính
tốn 2 cho hệ A. Phương pháp mô phỏng mô phỏng hệ B và hệ C gần đúng
với phương pháp tính tốn 1 cho hệ B và hệ C.
c. Khảo sát tần số phụ thuộc vào lIB

(a)

(b)

17