Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ v và hệ điều khiển tt

Đã có khá nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng này và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ đi

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong khoảng 30 năm trở lại đây cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS – Micro-electro-mechanical System) các nghiên cứu về công nghệ y sinh, vi robot đang phát triển

và mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế Để tạo ra chuyển động có thể sử dụng nhiều hiệu ứng khác nhau như: hiệu ứng điện từ, giãn nở nhiệt, áp điện hay tĩnh điện Trong đó, hiệu ứng giãn nở nhiệt (điện nhiệt) có thể cho chuyển động với tốc độ thấp, phạm vi hoạt động hẹp nhưng lại có lực tác động và mô men lớn Đã

có khá nhiều công trình khoa học được công bố trên thế giới về các

vi động cơ ứng dụng hiệu ứng này và ứng dụng của chúng, tuy nhiên

ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung

và các vi động cơ nói riêng mới chỉ bắt đầu phát triển trong một vài năm gần đây

Một trong những xu hướng phát triển tất yếu trong thế kỷ XXI

là đưa các thiết bị, máy móc, hệ thống kỹ thuật với kích thước nhỏ tính theo đơn vị micro-mét hoặc nano-mét vào sản xuất cũng như ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày Việc nghiên cứu, phát triển các

vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của các hệ thống Với đề tài “Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển”, tác giả sẽ giải quyết trọn vẹn việc tính toán thiết kế mẫu vi động cơ hoàn toàn mới, xây dựng quy trình chế tạo, xây dựng mô hình toán học và lựa chọn thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC - Iterative learning control) cho vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt, được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ khối

Nghiên cứu về lý thuyết giãn nở nhiệt và các thông số ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong dầm mảnh Tìm hiểu các công nghệ gia công MEMS và lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với các

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo ít nhất một mẫu vi động cơ quay đường kính khoảng 23 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất cỡ vài

mW Xây dựng mô hình toán học, khảo sát, phân tích hệ thống thông qua mô hình Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu và những ràng buộc, hạn chế về công nghệ chế tạo, thực hiện mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý có tính chất tương tự như mô hình thực

Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa phân tích lý thuyết với mô phỏng kiểm chứng và thực nghiệm Thông qua nghiên cứu tổng quan để tìm ra vấn đề cần giải quyết, triển khai giải quyết vấn đề, kiểm chứng các nghiên cứu

lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm

Những đóng góp mới và ý nghĩa khoa học của luận án

- Đề tài đã tính toán, thiết kết 02 mẫu vi động cơ quay có đường kính cơ bản 2,5mm, được đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm,

có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,085 vòng/phút, tương ứng với tần số từ 130 Hz, dải công suất đầu ra từ 250 mW

- Các mẫu vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (SOI), bằng quy trình gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining), sử dụng 1 mặt nạ (single mask) phù hợp với điều kiện và các trang thiết

bị tại Việt Nam

- Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố giống nhau dọc theo chiều dài dầm, tác giả đã đưa mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V về dạng mô hình song tuyến (bilinear) Với

mô hình này rất thuận lợi cho việc phân tích hệ thống, thiết kế bộ điều khiển và khảo sát các đặc tính của bộ kích hoạt chữ V cũng như của vi động cơ

- Luận án đã xây dựng bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ Khảo sát mô phỏng đối với 2 thuật toán (PD và PID) cho cả trường hợp có nhiễu và khi không có nhiễu tác động Kết quả mô phỏng cho thấy cả 2 thuật toán đều cho đáp ứng tốt, tín hiệu ra “bám” sát tín hiệu đặt sau một số hữu hạn lần học

- Thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển trên

mô hình Simscape cho kết quả tốt Điều đó có thể khẳng định phương pháp này phù hợp với đối tượng nghiên cứu và hoàn toàn có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học: Vi động cơ được thiết kế, chế tạo thành công mở ra một hướng nghiên cứu mới về tính toán ứng dụng vi động cơ vào các hệ thống vi dẫn động, vi robot, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa… Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo rất

ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự Đồng thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại những nhận thức mới về các phương pháp mô hình hóa, áp dụng điều khiển học lặp trong các hệ thống vi cơ

*) Ý nghĩa thực tiễn: Trong giai đoạn hiện nay, Việc nghiên cứu, phát triển các vi động cơ và vi cơ cấu đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, tuổi thọ cũng như độ chính xác của các hệ thống vi cơ Trên thế giới đã có khá nhiều công trình khoa học được công bố về các vi động cơ và ứng dụng của chúng, tuy nhiên ở Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu về các hệ vi cơ điện tử nói chung và các vi động cơ nói riêng vẫn còn nhiều hạn chế Do vậy, luận án sẽ bổ sung thêm những kết quả mới trong lĩnh vực nghiên cứu về vi cơ điện tử tại Việt Nam

Bố cục luận án: Gồm 4 chương và phần kết luận chung

Chương 1: Tổng quan về vi động cơ và hệ điều khiển

Chương 2: Vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển cho vi động cơ

Chương 4: Đánh giá chất lượng bộ điều khiển thông qua mô hình vật lý Simscape

Phần kết luận và kiến nghị

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan về vi động cơ

Vi động cơ là loại động cơ có kích thước từ vài micro-mét đến vài mili-mét chuyển đổi tín hiệu vật lý (nhiệt, điện, từ…) thành tín hiệu cơ học (lực, chuyển vị, vận tốc…) dùng trong dẫn động các vi

hệ thống Vi động cơ có nhiều tiềm năng ứng dụng trong vi vận chuyển, y sinh, robot sinh học, thiết bị y tế, máy quét chất lượng cao, thiết bị chuyển mạch quang học cho mạng cáp quang, …

Các hiệu ứng chủ yếu được sử dụng trong thiết kế, chế tạo vi động cơ là hiệu ững tĩnh điện, điện từ và giãn nở nhiệt Trong đó hiệu ứng tĩnh điện lợi dụng lực hút tĩnh điện của các bản cực trái dấu

để tạo ra chuyển vị Điều đó cho thấy lực tác động của các bộ kích hoạt kiểu này nhỏ, điện áp làm việc cao; Hiệu ứng điện từ cho phép tạo ra lực tác động lớn hơn so với tĩnh điện, quá trình hoạt động cũng linh hoạt hơn tuy nhiên phải tuân thủ kết cấu của một động cơ điện truyền thống do đó khó có thể cho kích thước nhỏ gọn; Hiệu ứng giãn nở nhiệt có thể làm việc ở điện áp thấp, lực tác động là lực nhiệt

do đó lớn hơn nhiều so với lực tĩnh điện và điện từ

Phần lớn các công bố trước đây chủ yếu đưa ra các cấu trúc vi động cơ tịnh tiến, lắc 1 góc nhỏ (đặc biệt là đối với hiệu ứng giãn nở nhiệt) Trong luận án này, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo thử nghiệm vi động cơ quay toàn vòng sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt

1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ

Các thiết bị MEMS thường có kích thước nhỏ nhưng quá trình biến đổi năng lượng vẫn tương đối phức tạp, việc đo đạc, xử lý các tín hiệu lại gặp nhiều khó khăn Do đó bài toán điều khiển luôn là một thách thức lớn đối với các nhà thiết kế Việc lựa chọn kỹ thuật điều khiển phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như yêu cầu công nghệ, mạch điện tử cần thiết, động lực học của thiết bị, khả năng thu thập và xử lý tín hiệu, đặc biệt là tín hiệu phản hồi

Điều khiển vòng hở: Trong giai đoạn đầu phát triển của công

nghệ MEMS, hầu hết các thiết bị được điều khiển vòng hở bằng cách

áp dụng các đầu vào điều khiển rất đơn giản Điều này chủ yếu là do hạn chế về kích thước cũng như sự khó khăn trong việc lựa chọn các cảm biến để thu thập, xử lý tín hiệu

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng hở

Về mặt cơ bản, sơ đồ và nguyên lý điều khiển được mô tả như hình 1.1 Trong đó các đối tượng được tính toán, mô tả bằng các phương trình cân bằng năng lượng, xác định mối quan hệ vào ra



u t y t , bộ điều khiển thực chất là các bộ biến đổi tín hiệu đặt

( ) thành tín hiệu đầu vào u t( ) sao cho có được tín hiệu ra ( )

theo yêu cầu tính toán

Điều khiển vòng hở có ưu điểm là hệ thống tương đối đơn giản

do đó giá thành thấp, việc lựa chọn các tham số của bộ điều khiển chủ yếu dựa vào kết quả tính toán mối quan hệ vào ra của đối tượng

Do đó cả các phương pháp này đòi hỏi một mô hình toán học của đối tượng đầy đủ, chính xác, bao gồm cả các tham số và những tác động bên ngoài Trong thực tế, yêu cầu này không phải lúc nào cũng được thỏa mãn

Điều khiển vòng kín: Một số tác giả và nhà sản xuất đã cố

gắng tích hợp các cảm biến, trực tiếp hoặc gián tiếp xử lý tín hiệu phản hồi và thực hiện điều khiển vòng kín, hình 1.2 Các cảm biến này chủ yếu lợi dụng sự thay đổi của giá trị điện dung các tụ điện, sự

hỗ cảm của các mạch điện từ để xác định các tín hiệu phản hồi và các

bộ điều khiển về cơ bản cũng là PD hoặc PID Các bộ điều khiển này tương đối đơn giản và vẫn cho chất lượng điều khiển trong phạm vi chấp nhận được Tuy nhiên, trong các phương pháp này các tác giả thường đưa ra một số giả thiết giới hạn điều kiện biên của bài toán để đưa mô hình toán học dạng hàm truyền hoặc hệ phương trình vi phân trạng thái Điều này có thể dẫn tới việc tính toán lý thuyết, mô phỏng

sẽ cho kết quả sai khác với thực tế Nói cách khác, chất lượng điều khiển phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của mô hình toán học mà

Bộ biến đổi Đối tượng

6

điều này không phải lúc nào cũng thực hiện được đối với quá trình chuyển đổi năng lượng phức tạp trong các thiết bị MEMS

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín

Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp: Với sự phát triển

nhanh chóng của công nghệ MEMS đã cho phép tích hợp bộ phận truyền động, chuyển đổi năng lượng, các thiết bị đo đạc, mạch điều khiển trên cùng 1 chíp và dẫn đến các thiết bị MEMS nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn Một số tác giả đã tính toán, thiết kế các cơ cấu tự lựa, mạch tự động điều chỉnh nhờ sự thay đổi các thông số của các phần tử bán dẫn, các điện dung ký sinh, các nhiệt điện trở…

Nhận xét: Trong thực tế, đại đa số các thiết bị MEMS hoạt

động trong dải vận tốc, chuyển vị tương đối hẹp, do đó nhiều tác giả lựa chọn phương án điều khiển vòng hở, một số khác đã cố gắng tích hợp hệ thống cảm biến nhằm thu thập các tín hiệu phản hồi và thiết kết các bộ điều khiển có mức độ ổn định và độ chính xác cao hơn (PD, PI, PID, Feed forward…) Với các phương án điều khiển này cần thiết phải xây dựng một mô hình toán tương đối chính xác, điều này thường rất khó khăn do tính đa trường, phức tạp của các hiệu ứng trong MEMS Hơn thế nữa việc cố gắng tích hợp các cảm biến

sẽ làm cho kết cấu của linh kiện trở nên phức tạp hơn, khó khăn trong chế tạo và kích thước tăng lên đáng kể

Điều khiển học lặp (Iterative Learning Control- ILC) được biết đến là bộ điều khiển thông minh (có khả năng học) áp dụng cho các đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại và đã được ổn định hóa Với các tính chất này, nhiều đối tượng MEMS có thể phù hợp với điều khiển ILC Trong luận án này, tác giả định hướng nghiên cứu bộ điều khiển ILC, có thể thực hiện điều khiển vòng hở nhưng vẫn cho kết quả tin cậy và chất lượng điều khiển tốt

Bộ điều khiển Đối tượng

Bộ xử lý tín hiệu

(-)

CHƯƠNG 2

VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.1 Kết cấu cơ bản của vi động cơ

Kết cấu cơ bản của vi động cơ được chỉ ra trên hình 2.1, điện

áp nguồn có dạng xung chữ nhật hoặc nửa hình sin Ở kỳ dẫn động (nửa chu kỳ đầu) điện áp được đặt vào các điện cực cố định (1), dòng điện sẽ chạy qua hệ thống bốn bộ dầm chữ V (2) (được sắp xếp đối xứng), do nhiệt sinh ra làm hệ thống dầm chữ V giãn nở và sinh ra lực nhiệt đẩy hệ thống dẫn động (3) (Gồm dầm quay cổ đàn hồi (4)

và cơ cấu truyền chuyển động bằng các thanh răng cóc và lò xo đàn hồi (5)) lắc sang phải Hệ thống dẫn động kéo vành răng (6) quay thuận chiều kim đồng hồ Ở nửa chu kỳ tiếp theo (hồi vị), điện áp

8

dẫn có biên độ bằng 0, hệ thống dầm chữ V được làm nguội và trở về

vị trí cũ, nhờ lực đàn hồi của hệ dầm chữ V và dầm quay cổ đàn hồi (4), hệ thống dẫn động trở về vị trí ban đầu, nhưng vành răng (6) vẫn giữ nguyên vị trí vì có cơ cấu chống đảo (7)

Để định vị vành răng khỏi lệch tâm, ta sử dụng các vấu định vị (8) Với kết cấu này, để rotor quay được thì mỗi nửa chu kỳ dẫn chuyển vị của thanh răng (9) (cơ cấu truyền chuyển động) phải lớn hơn một bước răng cóc

Để tính toán quá trình hoạt động của vi động cơ, ta xuất phát từ phương trình vi phân truyền nhiệt trong các dầm mảnh, xác định sự phân bố nhiệt, sự giãn nở dài và lực nhiệt, tiếp đó viết các phương trình cân bằng mô men xác định được biên độ điện áp dẫn tối thiểu, cũng như các điều kiện dẫn động của vi động cơ

2.2 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ

Hình 2.2 Vi động cơ cải tiến

Đối với vi động cơ có thiết kế như trên (Hình 2.1), cơ cấu dẫn động ngoài phần răng cóc, có sử dụng các lò xo nhằm ép chặt răng cóc dẫn với vành răng bên ngoài (rotor), tuy nhiên với cấu trúc này

cơ cấu dẫn động phức tạp, các lò xo đàn hồi làm tăng khe hở và giảm vận tốc thực của động cơ Để khắc phục điều này, tác giả đề xuất thiết kế cải tiến cơ cấu dẫn động, giảm số khe hở, lực dẫn động sẽ được truyền trực tiếp từ bộ kích hoạt đến vành răng bên ngoài qua thanh răng cóc giúp giảm độ trễ do khe hở và lò xo, tức là giảm trượt vận tốc góc thực tế của vi động cơ, hình 2.2 Đồng thời với kết cấu này ta có thể tăng chiều dài của các dầm chữ V trong cơ cấu dẫn động, điều đó sẽ làm tăng chuyển vị và giảm biên độ điện áp dẫn

2.3 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ

Hình 2.3 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ

10

Vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (Silicon On Insulator–SOI wafer) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) dựa trên công nghệ MEMS tiêu chuẩn Trên hình 2.3 là sơ đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi động cơ 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), hình 2.4 và 2.5

Hình 2.4 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1

Hình 2.5 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến)

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ 3.1 Mô hình toán học của vi động cơ

Để đơn giản, ta phân tách mỗi dầm đơn thành k phân đoạn có

Hình 3.1 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn

Quá trình truyền nhiệt trong dầm đơn lúc này trở thành quá trình truyền nhiệt qua các vách có chiều dày l k và tiết diện w t b b hệ phương trình truyền nhiệt được mô tả như sau

12

Trong đó: b k( ) là nhiệt độ tại phân tố thứ k của dầm đơn (beam); s

là nhiệt độ thanh trượt (shuttle); C b và C s là nhiệt dung của các phân

tố dầm đơn và thanh trượt

1

;2

, R b p;R bb( )k ;R b s lần lượt là nhiệt trở giữa phân tố dầm

và điện cực (Beam- bond pads), giữa các phân tố dầm (Beam – beam), giữa phân tố dầm thứ k với thanh trượt (Beam – shuttle)

k bp

q  i r q     Nhiệt lượng do dòng điện i r i r i b sinh

ra trong các phân tố dầm thứ k và trong thanh trượt ( b s

b i

Với r b k( ),r s là điện trở của các phân tố dầm đơn thứ k và

thanh trượt; g a khe hở không khí giữa hệ dầm với nền; w t w t b, ,b s, s

lần lượt là chiều rộng, chiều cao của các dầm; k  s( ) là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (silic); k a là hệ số dẫn nhiệt của không khí (là