Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), các bộ vi kích hoạt và vi mô tơ đóng vai trò then chốt trong nhiều ứng dụng từ y sinh học đến tự động hóa. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của chúng vẫn còn là một thách thức lớn.

Để góp phần giải quyết vấn đề này, PGS. TS. Phạm Hồng Phúc cùng các cộng sự tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội - Bộ Giáo dục và Đào tạo đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình/động lực học tới hoạt động của vi kích hoạt và vi mô tơ MEMS”. Nghiên cứu này tập trung làm sáng tỏ ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc và động lực học, như độ cứng, khối lượng, và hệ số cản quy đổi, lên chất lượng làm việc của các bộ kích hoạt, đặc biệt là hai loại phổ biến: kiểu răng lược và kiểu dầm chữ V. Các thông số được khảo sát bao gồm biên độ chuyển vị, dải tần số hoạt động, và độ ổn định của linh kiện. Từ những phân tích này, đề tài hướng tới việc đề xuất các giải pháp thiết kế tiên tiến, nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của vi kích hoạt, đáp ứng các mục tiêu ban đầu về chuyển vị, hệ số phẩm chất và điện áp làm việc. Cuối cùng, để kiểm chứng và đánh giá tính khả thi của các kết quả nghiên cứu, một loại vi mô tơ (hoặc vi bơm) sẽ được thiết kế, chế tạo thử nghiệm và đặc tính thực tế của nó sẽ được so sánh với các kết quả tính toán lý thuyết.

Sau một thời gian triển khai, đề tài đã thu được những kết quả quan trọng, đóng góp vào việc tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu suất của các bộ vi kích hoạt và vi mô tơ MEMS.

1. Tối ưu hóa vi kích hoạt kiểu răng lược

Nghiên cứu đã đi sâu đánh giá ổn định cơ học cho vi kích hoạt răng lược có biên dạng răng hình thang cân. Đề tài đã xác định được góc nghiêng răng hợp lý khoảng 2 độ trong trường hợp cụ thể, giúp tối ưu hiệu suất. Đồng thời, đã tìm ra miền tần số giới hạn cho vi kích hoạt răng lược để đảm bảo sai số chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng tìm kiếm vật liệu mới và phương pháp gia công rẻ hơn nhằm giảm giá thành chế tạo loại vi kích hoạt này.

2. Xác định tham số động lực học và mô hình hóa nhiệt

Đề tài đã thành công trong việc xây dựng các công thức chung để tính toán các tham số tương đương (độ cứng K, khối lượng quy đổi M, và hệ số cản không khí quy đổi C) trong phương trình vi phân chuyển động của cả vi kích hoạt loại răng lược và loại chữ V. Điều này giúp tăng cường độ chính xác khi giải và xác định chuyển vị của các vi kích hoạt. Ngoài ra, một mô hình truyền nhiệt kiểu sai phân hữu hạn trên dầm mảnh đồng nhất kiểu chữ V đã được xây dựng, có kể đến tính phi tuyến của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Mô hình này cung cấp kết quả tính toán phân bố nhiệt trên dầm chính xác hơn, góp phần cải thiện độ chính xác cho bài toán tìm chuyển vị.

3. Nghiên cứu ổn định cơ và nhiệt cho vi kích hoạt điện nhiệt kiểu dầm chữ V

Đây là một trong những kết quả quan trọng nhất của đề tài. Đề tài đã nghiên cứu chi tiết ổn định cơ và nhiệt cho loại vi kích hoạt điện nhiệt kiểu dầm chữ V. Kết quả đã xác định được tần số làm việc giới hạn fC​ và hệ số phẩm chất Q theo điều kiện ổn định chuyển vị. Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã xác định được các điện áp ngưỡng Um​, Un​ cũng như bộ kích thước hình học tối ưu của dầm (L,w,theta) giúp vi kích hoạt chữ V hoạt động an toàn khi nhiệt độ thay đổi. Những phát hiện này mang ý nghĩa định hướng lớn cho các nhà thiết kế trong việc tối ưu hóa các vi chấp hành MEMS kiểu điện nhiệt, đặc biệt là loại chữ V.

4. Thực nghiệm và tối ưu hóa

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm để xác định điều kiện ổn định nhiệt cho một loại vi kích hoạt chữ V, với nhiệt độ tới hạn đạt Tmax​=1200∘C. Áp dụng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO, chúng tôi đã tìm ra bộ thông số thiết kế tốt nhất nhằm đạt được chuyển vị lớn cho vi kích hoạt chữ V mà vẫn đảm bảo điều kiện làm việc ổn định và an toàn nhiệt.

5. Ứng dụng và mở rộng tiềm năng

Bên cạnh đó, đề tài cũng thực hiện nghiên cứu số về tương tác của dòng hạt di chuyển trong các kênh dẫn dạng đối xứng trục, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các mô hình vi bơm lưu chất sau này. Nghiên cứu cũng được mở rộng thêm với một số ứng dụng điều khiển học lặp để điều khiển điện áp dẫn cho vi kích hoạt chữ V. Đặc biệt, một thiết bị đo lực sử dụng vi kích hoạt chữ V đã được đề xuất nhằm thử sức bền cho các vật liệu MEMS, làm rõ hơn tiềm năng ứng dụng của vi kích hoạt điện nhiệt chữ V trong các linh kiện vi cơ hiện nay.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài không chỉ có ý nghĩa khoa học sâu sắc mà còn mang tính ứng dụng cao trong việc chế tạo các linh kiện vi cơ trong tương lai, như vi gắp, vi động cơ, vi bơm... Đây cũng là những gợi ý và tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà thiết kế, kỹ sư và nghiên cứu sinh chuyên ngành vi cơ điện tử MEMS trong quá trình thiết kế và chế tạo các linh kiện liên quan đến hai loại vi kích hoạt đã được khảo sát. Các kết quả này đã được công bố trên nhiều tạp chí quốc tế uy tín (WoS) và các hội nghị quốc tế chuyên ngành.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21106/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)