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

Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và điều khiển Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và điều khiển Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và điều khiển luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LU ẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Nguy ễn Quang Địch

2 PGS.TS Ph ạm Hồng Phúc

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và các nhà khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố

Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2020

T ập thể hướng dẫn khoa học Nghiên c ứu sinh

PGS.TS Nguy ễn Quang Địch PGS.TS Ph ạm Hồng Phúc Nguy ễn Tiến Dũng

Tác giả xin cám ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hỗ trợ

về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số quy trình thực nghiệm của luận án

Tác giả cũng xin cám ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình

Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới vợ, hai con và toàn thể gia đình, bạn bè

đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này

Tác gi ả luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Những đóng góp mới của luận án 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Bố cục và nội dung của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN 5

1.1 Tổng quan về vi động cơ 5

1.1.1 Giới thiệu chung về vi động cơ (micro motor) 5

1.1.2 Phân loại 5

1.1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5

1.1.4 Nhận xét và định hướng nghiên cứu 19

1.2 Tổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ 19

1.2.1 Điều khiển vòng hở 20

1.2.2 Điều khiển vòng kín 21

1.2.3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp 23

1.2.4 Tổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt 24

1.2.5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu 27

1.3 Kết luận chương 1 27

CHƯƠNG 2 VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT 29

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 29

2.2 Tính toán động học và động lực học cho vi động cơ 33

2.2.1 Tính toán vận tốc góc trung bình 33

2.2.2 Tính toán nhiệt của dầm chữ V 33

2.2.3 Tính toán chuyển vị và lực nhiệt của hệ dầm chữ V 38

2.2.4 Phân tích lực trong trong quá trình hoạt động của vi động cơ 45

2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ 52

2.4 Xây dựng quy trình và chế tạo thử nghiệm vi động cơ 53

2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS 53

2.4.2 Thiết kế chế tạo vi động cơ bằng công nghệ vi cơ khối 54

2.5 Kết quả chế tạo bước đầu 62

2.6 Kết luận chương 2 64

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ 66

3.1 Mô hình toán học của vi động cơ 66

3.1.1 Mô hình Điện - Nhiệt 66

3.1.2 Mô hình Nhiệt - Cơ 70

3.1.3 Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V 70

3.2 Giới thiệu về điều khiển học lặp 71

3.3 Nguyên lý học và điều khiển học 74

3.4 Khả năng tồn tại của hàm học 78

3.4.1 Đối với hệ tuyến tính tham số hằng 78

3.4.2 Đối với hệ không liên tục tuyến tính (ổn định) 79

3.4.3 Đối với hệ liên tục tuyến tính (ổn định) 79

3.4.4 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử 79

3.4.5 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái 80

3.5 Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ 80

3.5.1 Bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V 80

3.5.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ 89

3.6 Kết luận chương 3 90

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ILC THÔNG QUA MÔ HÌNH VẬT LÝ SIMSCAPE 91

4.1 Giới thiệu công cụ Simscape 91

4.2 Mô hình hóa bộ kích hoạt dạng dầm chữ V bằng Simscape 94

4.3 Mô phỏng bộ điều khiển học lặp với mô hình Simscape 96

4.3.1 Mô phỏng bộ điều khiển ILC cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V 96

4.3.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ 103

4.4 Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

PHỤ LỤC 119

Phụ lục 1: Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ 119

Phụ lục 2: Giới thiệu một số trang thiết bị cơ bản tại viện ITIMS 124

Phụ lục 3: Hệ thống cấp nguồn 126

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1 Danh m ục các từ viết tắt

STT T ừ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

1 D-RIE Deep Reactive Ion Etching Công nghệ ăn mòn ion hoạt

3 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

4 GCA Gap Closing Actuator Bộ kích hoạt khe hở kín

6 ILC Iterative learning control Điều khiển học lặp

7 MEMS Micro-electro-mechanical

8 LIGA Lithgraphie Galvanofruning und

Abformung

Công nghệ chế tạo vi cơ sử dụng tia X

9 SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

10 SOI Silicon-on-Insulator Phiến silic kép

12 PD Proportional Derivative Bộ điều khiển PD

14 PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển PID

2 Danh m ục các ký hiệu

1 cp J/g.0C Nhiệt dung riêng

2 d µm Chuyển vị của thanh răng cóc

4 E Pa Modul Yuong của vật liệu silic

5 F mN Lực dẫn động

6 F el mN Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi)

7 F f2 mN Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền silic

8 F f3 mN Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền silic

9 F a mN Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo

10 F f5 mN Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng

cóc

11 g m/s2 Gia tốc trọng trường

12 g0 µm Khe hở không khí nhỏ nhất giữa các cấu trúc

13 ga µm Khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và nền

15 i răng Số răng cóc dịch chuyển được sau 1 chu kỳ điện áp nguồn

16 ib mA Dòng điện chạy trong dầm đơn

17 ka W/m.0C Hệ số dẫn nhiệt của không khí

18 kl µN/µm Độ cứng của lò xo phản

19 kp µN/µm Độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi

20 kr µN/µm Độ cứng của cơ cấu chống đảo

21 ks W/m.0C Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu silic

= µm Chiều dài mỗi phân tố dầm đơn

25 ls µm Chiều dài thanh đẩy (Shuttle)

27 m1 g Khối lượng dầm đàn hồi

28 m2 g Khối lượng của thanh răng cóc

29 m3 g Khối lượng của bánh răng dẫn

30 m4 g Khối lượng của bánh răng bị dẫn

31 n - Chỉ số tính toán khi khai triển các chuỗi

32 nb Cặp Số cặp dầm của hệ dầm dạng chữ V

34 qv W/m3 Nhiệt lượng khối sinh ra trong mỗi phân tố dầm

36 qs W Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thanh trượt (shuttle)

37 r µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc

38 r1 µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt

hình chữ V

39 r2 µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng dẫn

40 r3 µm Khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp

xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn

42 T s Chu kỳ hoạt động của quỹ đạo đặt

43 Ta s Chu kỳ trích mẫu trong quá trình chạy mô phỏng

45 ts µm Chiều cao của thanh trượt (Shuttle)

50 ∆d µm Chuyển vị của đỉnh hệ dầm theo phương OY

51 ∆dy µm Chuyển vị của dầm đơn theo phương OY

52 ∆lb µm Sự giãn nở dài của dầm đơn

53 ∆lk µm Sự giãn nở dài của mỗi phân tố dầm đơn ứng với lk

54 ∆ln µm Sự giãn nở dài của mỗi phân tố thanh trượt ứng với ln

55 ∆rb Ω Điện trở của mỗi phân tố dầm đơn ứng với l k

56 ∆rb Ω Điện trở của mỗi phân tố thanh trượt ứng với l n

57 α Độ Góc nghiêng của hệ dầm so với phương OX

58 αl 1/0C Hệ số giãn nở dài

59 αρ 1/0C Hệ số nhiệt của điện trở suất

60 β Độ Góc nghiêng của răng cóc (β=300)

61 ρ0 Ωmm Điện trở suất tại nhiệt độ 200C

62 ρt Ωmm Điện trở suất của vật liệu silic

64 τ0 0C Nhiệt độ môi trường

65 τb(k) 0C Nhiệt độ của phân tố thứ k trên dầm đơn

66 ∆rb(k) Ω Điện trở của phân tố thứ k trên dầm đơn

67 ∆rs Ω Điện trở của các phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các thông số của một số vi động cơ 16

Bảng 2.1 Các thông số hình học và tính chất vật liệu cơ bản của bộ kích hoạt 41

Bảng 2.2 Kết quả tính toán nhiệt độ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V 42

Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của vi động cơ được thiết kế, chế tạo 64

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13] 6

Hình 1.2 Hoạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14] 7

Hình 1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ bước 3 pha [18] 8

Hình 1.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18] 8

Hình 1.5 Cấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15] 9

Hình 1.6 Một loại vi động cơ điện từ tuyến tính [26] 10

Hình 1.7 Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ [23] 11

Hình 1.8 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ X [40] 12

Hình 1.9 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ Z [34] 13

Hình 1.10 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V (V-shaped actuator) [30] 14

Hình 1.11 Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V [31] 14

Hình 1.12 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng hở 20

Hình 1.13 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín 21

Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển cảm biến gia tốc [59] 22

Hình 1.15 Hình ảnh chụp SEM của vi công tắc chuyển mạch cáp quang [62] 23

Hình 1.16 Sơ đồ cấu trúc và mạch điều khiển của bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF) (a) và các lớp cấu trúc tích hợp của thiết bị (b) [66] 24

Hình 1.17 Nguyên lý hoạt động và cơ chế phản hồi của bộ kích hoạt dạng dầm chữ V [5] 25

Hình 1.18 Bộ kích hoạt điện nhiệt tích hợp cảm biến điện dung và sơ đồ mạch điều khiển PI [72] 26

Hình 1.19 Nguyên lý phản hồi (a) và ảnh chụp SEM bộ kích hoạt (b) [73] 26

Hình 2.1 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V 29

Hình 2.2 Cấu tạo vi động cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V 30

Hình 2.3 Cơ cấu truyền chuyển động 30

Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu chống đảo chiều 31

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cấp nguồn cho vi động cơ 32

Hình 2.6 Mô hình đơn giản hóa dầm chữ V để xác định nhiệt độ phân bố trên dầm 33

Hình 2.7 Mô tả tính toán chuyển vị của đỉnh hệ dầm chữ V 40

Hình 2.8 Sự phân bố của nhiệt độ trên dầm theo thời gian và không gian 42

Hình 2.9 Nhiệt độ phân bố trên dầm ứng với điện áp U=20V khi mô phỏng bằng ANSYS 43

Hình 2.10 Đồ thị so sánh nhiệt độ của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng ANSYS 43

Hình 2.11 Chuyển vị của hệ dầm ứng với biên độ điện áp U=20V khi mô phỏng ANSYS 44

Hình 2.12 Đồ thị so sánh chuyển vị của đỉnh dầm chữ V giữa tính toán và mô phỏng bằng ANSYS 44

Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động 45

Hình 2.14 Mô hình xác định chuyển vị tương đương của một dầm đơn 46

Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị ∆d' 47

Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động 47

Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị 50

Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến 52

Hình 2.19 Kích thước của thiết bị MEMS trong tương quan đơn vị mét [74] 54

Hình 2.20 Chíp tích hợp các thiết bị MEMS [74] 54

Hình 2.21 Thiết kế tổng thể mặt nạ và các mẫu vi động cơ 55

Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ 56

Hình 2.23 Phiến silic kép SOI 57

Hình 2.24 Quá trình quang khắc - www.bs.ac/physics/fabrication 57

Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI 58

Hình 2.26 Quá trình ăn mòn khô D-RIE 60

Hình 2.27 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 61

Hình 2.28 Linh kiện thu được sau quá trình ăn mòn trong hơi axit HF 62

Hình 2.29 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 1 63

Hình 2.30 Hình ảnh chụp SEM của vi động cơ kiểu 2 (cải tiến) 63

Hình 3.1 Mô hình bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V 66

Hình 3.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn 67

Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển học lặp (ILC) 74

Hình 3.4 Ví dụ về thuật toán xác định tín hiệu điều khiển trong ILC 75

Hình 3.5 Trình tự quá trình xây dựng bộ điều khiển ILC 76

Hình 3.6 Sơ đồ khối bộ điều khiển cho bộ kích hoạt dạng dầm chữ V 81

Hình 3.7 Quá trình học đối với thuật học PD khi không có nhiễu 82

Hình 3.8a Đáp ứng đầu ra sau 80 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu 82

Hình 3.8b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 80 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu 83

Hình 3.9 Quá trình học đối với thuật học PD khi có tác động của nhiễu đầu ra với biên độ khoảng 10% giá trị đặt 84

Hình 3.10a Đáp ứng đầu ra sau 84 lần học đối với thuật học PD, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 84

Hình 3.10b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 84 lần học đối với thuật học PD, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 85

Hình 3.11 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có nhiễu 86

Hình 3.12a Đáp ứng đầu ra sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu 86 Hình 3.12b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động 87

Hình 3.13 Quá trình học đối với thuật học PID khi không có tác động của nhiễu đầu ra với biên độ khoảng 10% giá trị đặt 87

Hình 3.14a Đáp ứng đầu ra sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 88

Hình 3.14b Sai lệch giữa tín hiệu ra và tín hiệu đặt sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 88

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiển vi động cơ 89

Hình 4.1 Giao diện thư viện Simscape trong Simulink 92

Hình 4.2 Các phần tử cơ bản thuộc lĩnh vực điện của thư viện Simscape 93

Hình 4.3 Các phần tử mô tả quá trình điện nhiệt trong hệ dầm 94Hình 4.4 Mô hình hóa một phân tố dầm trong Simscape 94Hình 4.5 Mô hình Simscape của hệ dầm chữ V 95Hình 4.6 Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình của hệ dầm chữ V với điện

áp 1 chiều biên độ 20V 96Hình 4.7 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi không

có nhiễu tác động 97Hình 4.8a Đáp ứng đầu ra sau 100 lần học đối với thuật học PD khi không có nhiễu tác động 97Hình 4.8b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và giá trị đặt sau 100 lần học đối với thuật học

PD khi không có nhiễu tác động 98Hình 4.9 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi có nhiễu tác động với biên độ khoảng10% giá trị đặt 98Hình 4.10a Đáp ứng đầu ra sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 99Hình 4.10b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra với giá trị đặt sau 85 lần học đối với thuật học

PD nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 99Hình 4.11 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động 100Hình 4.12a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động 100Hình 4.12b Kết quả và sai lệch sau 62 lần học đối với thuật học PID, tín hiệu đặt dạng hình thang, không có nhiễu tác động 101Hình 4.13 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi có nhiễu tác động 101Hình 4.14a Đáp ứng đầu ra sau 54 lần học đối với thuật học PID khi có tác động của nhiễu ngẫu nhiên, biên độ khoảng 10% 102Hình 4.14b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt sau 54 lần học đối với thuật học PID nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10% 102Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ 103

Hình 4.16 Giả thiết sự sai khác đáp ứng đầu ra giữa các bộ kích hoạt khi chung tác động đầu vào 104Hình 4.17 Đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt sau 50 lần học đối với thuật học PID 105Hình 4.18 Sai số giữa đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt với tín hiệu đặt sau 50 lần học đối với thuật học PID 105

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp 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 Các bộ kích hoạt/chấp hành kích cỡ micro (micro actuator), các vi động cơ (micro motor) cùng với các vi robot là những thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ thống vận chuyển, phân loại và lắp ghép những vi mẫu trong các hệ vi vận tải, hệ vi phân tích tổng hợp, hệ phân tích sinh hóa hay các vi chuyển động trong nhiều lĩnh vực khác 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, hoạt động trong phạm vi 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 Cho đến nay, đại

đa số các nghiên cứu chỉ tập trung vào phân tích, lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công, tính toán, mô phỏng và thiết kế chế tạo nhằm phục vụ cho các đối tượng với những ứng dụng cụ thể Rất ít các đối tượng MEMS được thiết kế, chế tạo và giải quyết triệt để các bài toán trong ứng dụng, đặc biệt bài toán điều khiển đối với các vi kết cấu này chưa nhận được những quan tâm thích đáng 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 dựa trên các trang thiết bị và điều kiện thí nghiệm tại Việt Nam; xây dựng mô hình toán học và lựa chọn thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng nghiên cứu

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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 trang thiết bị, điều kiện thực tiễn của một số phòng thí nghiệm, viện nghiên cứu tại Việt Nam

Phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp áp dụng cho lớp các đối tượng khó xây dựng mô hình toán đầy

đủ, chính xác đồng thời khó xác định các tín hiệu phản hồi trực tiếp

3 M ục 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

4 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

5 Nh ững đóng góp mới của luận án

- Đề tài đã phát triển được 02 mẫu vi động cơ quay có đường kính cơ bản 2,5mm Động cơ có thể quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,08÷5 vòng/phút - tương ứng với tần số từ 1÷30 Hz Công suất đầu ra từ 2÷50 mW Mỗi vi động cơ được đặt trên các chíp 5 mm x5 mm x484 µm và được chế tạo từ phiến silic kép (SOI) theo quy trình gia công vi cơ khối (Bulk – micromachining) sử dụng 1 mặt nạ (single mask) phù hợp với 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 dạng 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

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

*) Ý nghĩa khoa học

Từ cách tiếp cận phân tích tổng quan những công bố trong khoảng 30 năm trở

lại đây về các loại vi động cơ, đánh giá ưu nhược điểm của từng loại và định hướng nghiên cứu thiết kế các mẫu vi động cơ mới, khắc phục một số khó khăn, hạn chế của các vi động cơ trước đó 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…

Kết quả luận án đã giải quyết tương đối đầy đủ các bước thiết kế, phân tích hệ thống (từ tính toán thiết kế, chế tạo, mô hình hóa, phân tích và thiết kế bộ điều khiển) 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

7 B ố cục và nội dung của luận án

Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Đánh giá tình hình nghiên cứu, chế tạo, tiềm năng ứng dụng của các

vi động cơ trong nước và trên thế giới Dự báo xu hướng phát triển trong thời gian tới

và năng lực thích ứng, khả năng ứng dụng các vi động cơ sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt trong tương lại gần Phân tích ưu nhược điểm, khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển đối với các linh kiện MEMS qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển

học lặp cho các đối tượng MEMS làm việc ổn định và có tính chu kỳ lặp lại trong khoảng thời gian hữu hạn

Chương 2: Tính toán thiết kế một mẫu vi động cơ quay một chiều, sử dụng bộ kích hoạt dạng dầm chữ V Đưa ra sơ đồ nguyên lý, các tính toán cơ bản, phân tích các

ưu nhược điểm và đề xuất mẫu vi động cơ cải tiến Xây dựng quy trình chế tạo dựa trên quy trình chế tạo các thiết bị MEMS tiêu chuẩn và các trang thiết bị hiện có tại Viện Đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Đại học Bách khoa Hà Nội

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học cho vi động cơ có xét đến nhiều tham số ảnh hưởng, làm cơ sở để phân tích, thiết kế hệ điều khiển và tiếp tục khảo sát các đặc tính của vi động cơ Giới thiệu về điều khiển học lặp và thiết kế bộ điều khiển cho vi động cơ

Chương 4: Tìm hiểu và kiểm nghiệm mô phỏng thuật toán điều khiển trên mô hình Simscape tương tự như mô hình thực tế

Phần kết luận đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả nghiên cứu Đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế và đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐỘNG CƠ VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN

1.1 T ổng quan về vi động cơ

1.1.1 Gi ới thiệu chung về vi động cơ (micro motor)

Động cơ là một thiết bị cung cấp năng lượng và dẫn động hệ thống Động cơ được sử dụng rộng rãi trong các máy móc như ô tô, máy công cụ gia công, thiết bị văn phòng…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 Hiện nay vi động cơ đã và đang được nghiên cứu với 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, …

1.1.2 Phân lo ại

Có nhiều cách phân loại vi động cơ và cũng đã có nhiều tác giả đưa ra các quan điểm, tiêu chí khác nhau để phân loại [1] Tuy nhiên đại đa số các tác giả đồng ý phân loại theo các tiêu chí cơ bản như [2]:

+ Theo hiệu ứng kích hoạt ta có vi động cơ tĩnh điện, áp điện, điện từ, giãn nở nhiệt, sử dụng hợp kim nhớ hình hoặc phối hợp nhiều hiệu ứng khác nhau

+ Theo chuyển động ta có vi động cơ tuyến tính (chuyển động thẳng), vi động

cơ quay (chuyển động quay một chiều hoặc hai chiều) và động cơ phối hợp các chuyển động trên

1.1.3 Tình hình nghiên c ứu trong và ngoài nước

Lần đầu tiên vi động cơ tĩnh điện (Electrostatic motor) được công bố vào năm

1967 [3] Nhưng những động cơ này đã không thu hút được sự nghiên cứu của các nhà khoa học cho đến thập niên 80 của thế kỷ XX, khi họ bắt đầu chế tạo các thiết bị với kích thước cỡ micro-mét Trong khoảng 20 năm trở lại đây, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System), các

bộ vi kích hoạt, vi động cơ đã được nghiên cứu, khai thác và ứng dụng rất rộng rãi Kích thước và kết cấu ngày càng nhỏ gọn, đơn giản trong khi lực tác động, vận tốc và hiệu suất ngày càng được nâng cao

a Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện

Các vi động cơ ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện được phát triển sớm và chiếm ưu thế trong lĩnh vực thiết kế, ứng dụng trong giai đoạn đầu phát triển của thiết bị MEMS Động cơ bước tĩnh điện truyền thống với rotor chuyển động tự do quanh trục stator là các điện cực cố định đã được đề cập đến trong các tài liệu [4]-[6] Một kiểu kích hoạt tĩnh điện khác, đó là tạo các dao động điều hòa được sử dụng trong các động cơ lắc (rung) [7], [8] ở đó rotor liện hệ (tiếp xúc) với stator bởi các điểm lăn (điểm tỳ) Năm

1989, Tang công bố một nghiên cứu về bộ kích hoạt kiểu răng lược (ECA - driver actuator) [9] Cho đến nay, đã có số lượng lớn các vi động cơ cũng như vi cơ cấu

comb-sử dụng bộ kích hoạt kiểu răng lược Bộ kích hoạt kiểu răng lược có thể comb-sử dụng cho cả

vi động cơ tuyến tính [9]-[11] và vi động cơ quay [12]-[17] Nói chung, các cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt tĩnh điện có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và dễ tích hợp với các cơ cấu silíc khác Nhược điểm cơ bản là điện áp làm việc lớn nên vấn đề cách điện cũng như tích hợp các nguồn nuôi gặp nhiều khó khăn Một vài mẫu vi động cơ điển hình có thể kể đến như trong [13]- [20]

Nhiều động cơ tĩnh điện tuyến tính được thiết kế dựa vào nguyên lý hoạt động của bộ kích hoạt kiểu răng lược Bộ kích hoạt này gồm nhiều răng đặt song song và cách đều nhau giống như các bản tụ điện nối song song nhau, chúng gồm phần cố định

và phần chuyển động Khi đặt điện áp vào các điện cực, lực tiếp tuyến hoặc pháp tuyến giữa các bản tụ tạo ra chuyển động tịnh tiến của động cơ Hình 1.1 thể hiện ứng dụng của của bộ kích hoạt này trong dẫn động các chuyển động thẳng [13]

Hình 1.1 Bộ kích hoạt kiểu răng lược và ứng dụng [13]

Phần cố định

Phần chuyển động

N.R Tas [14] đã đề xuất một loại vi động cơ bước dựa trên hiệu ứng tĩnh điện, nguyên lý hoạt động được thể hiện trên Hình 1.2

Trong pha chuyển động đầu tiên, bộ kích hoạt kẹp (clamp actuator) chuyển động ngược chiều trục OY kẹp thanh trượt (rotor) Sau đó bộ kích hoạt kéo (pull actuator) kéo thanh trượt chuyển động sang phải (theo phương OX) Trong pha chuyển động tiếp theo, cặp kích hoạt kẹp-đẩy phía dưới phối hợp nhau tạo ra chuyển vị tịnh tiến tiếp theo sang phải Cứ như vậy thanh trượt chuyển động từng bước nhỏ trên đường thẳng nên gọi là động cơ bước tuyến tính (hay động cơ sâu đo)

Hình 1.2 Ho ạt động của vi động cơ bước tuyến tính [14]

Năm 2010, tác giả Edin Sarajlic và các đồng nghiệp đã thiết kế, chế tạo thành công loại động cơ tĩnh điện 3 pha dạng động cơ bước, ứng dụng trong các đầu đĩa đọc ghi, ổ đĩa cứng, máy ghi âm [18] … Cấu tạo và nguyên lý của loại động cơ này cũng sử dụng hiệu ứng tĩnh điện tương tự như các động cơ đã trình bày ở trên

Rotor và stator đều có kết cấu dạng cực lồi, vị trí cực của rotor và stator được sắp xếp lệch nhau và số cực được tính toán theo một tỉ lệ nhất định Các cực phía rotor được nối với điện cực âm, hệ thống điện cực phía stator được thiết kế là 3 pha đối xứng Khi cấp nguồn điện áp lần lượt vào các pha, lực điện từ giữa các điện cực sẽ kéo rotor quay, tùy theo thứ tự cấp nguồn cho các pha mà rotor có thể quay thuận hoặc ngược

Hình 1.3 Nguyên lý làm vi ệc của động cơ bước 3 pha [18]

Vi động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối và ăn mòn sâu khô (Hình 1.4), đường kính động cơ là 1,4 mm có thể quay 2 chiều với góc quay là ±130 và có thể điều khiển chính xác tới 1/480 Loại vi động cơ này đã được ứng dụng rộng rãi trong các ổ đĩa đọc ghi, thiết bị ổ cứng, máy ghi âm…

Ưu điểm của động cơ này là có thể điều khiển quay 2 chiều chính xác, nguyên lý

và luật điều khiển tương đối đơn giản Nhưng nhược điểm là điện áp sử dụng tương đối cao (75 V), góc quay hẹp (±130 ) nên việc mở rộng khả năng ứng dụng còn hạn chế

Hình 1.4 Hình ảnh chế tạo của động cơ bước 3 pha [18]

Một thời gian sau nhóm tác giả đã cải tiến loại động cơ này để mở rộng góc quay (±150 ) và giảm thấp điện áp làm việc (60 V) [19]

Năm 2012, tác giả Phạm Hồng Phúc cùng các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế vi

động cơ quay truyền động dạng răng cóc (micro Ratcheting Transmission Systems) sử

dụng cơ cấu răng cóc truyền động một chiều [15], [20]

Hình 1.5 là cấu hình của động cơ này, trong đó phần cố định (1) và (2) được đặt làm hai điện cực khi vi động cơ làm việc Do tích chất của bộ kích hoạt kiểu răng lược dạng răng cong, lực tiếp tuyến giữa các bản điện cực sẽ đẩy bốn thanh dầm dẫn động

quay theo chiều kim đồng hồ quanh điểm đàn hồi có bề dày nhỏ (4µm) nối giữa thanh dầm dẫn động và cực (2) Thông qua hệ thống truyền động (4) mà chuyển động này được truyền sang vành răng (5) và chuyển động được dẫn động ra ngoài Chú ý rằng khi thanh dầm dẫn động chuyển động ngược lại vị trí ban đầu thì hệ thống cóc hãm (3) lúc ấy đóng vai trò cản trở sự di chuyển ngược chiều kim đồng hồ của vành răng ngoài

Động cơ này có ưu điểm chế tạo đơn giản (một lớp), mạch điều khiển đơn giản Tuy nhiên động cơ chỉ quay một chiều và có trượt khi tần số hoạt động tăng lên, dải tần

số làm việc tin cậy là từ 0÷30 Hz

Hình 1.5 C ấu tạo vi động cơ quay một chiều sử dụng hiệu ứng tĩnh điện [15]

b Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng điện từ

Bộ kích hoạt điện từ có thể cho tỷ trọng công suất cao hơn và chuyển động trơn hơn các bộ kích hoạt tĩnh điện Phần lớn các bộ kích hoạt điện từ sử dụng để tạo chuyển động thẳng [21], [22] vì nó phù hợp với các hệ thống vi cơ dài và cũng đã có một số nghiên cứu về các loại vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng điện từ [23]-[25] Ưu điểm của những loại động cơ này là có kết cấu, nguyên lý điều khiển giống với các động cơ điện thông thường, có thể áp dụng nhiều luật điều khiển khác nhau cho chất

1 Cực cố định

2 Cực di động

3 Cơ cấu chống đảo

4 Cơ cấu truyền động

5 Vành răng (rotor)

lượng và độ chính xác cao Nhược điểm là khó có thể đạt được kích thước nhỏ gọn do phải tuân thủ kết cấu và các vật liệu cơ bản của một động cơ điện

Hình 1.6 trình bày nguyên lý một vi động cơ từ tuyến tính được nghiên cứu và phát triển bởi M.V Shutov [26] Trong động cơ này, (1) là phần nền, (2) là thanh thẳng chứa các lõi dẫn từ 3 pha Khi kích từ cho phần (2), từ trường theo đường zic-zac trên thanh sẽ tương tác với từ tính vĩnh cửu trên phần động (rotor-3) tạo ra lực dẫn nó chuyển động theo đường ray định hướng

Ưu điểm của loại động cơ này là có kết cấu và mạch điều khiển tương đối đơn giản Song nhược điểm là tốc độ chuyển động và độ lớn lực phụ thuộc vào bản chất của vật liệu từ và chịu ảnh hưởng nhiều của bão hòa mạch từ Hơn nữa kích thước lớn và khó có thể đạt tốc độ cao

Hình 1.6 M ột loại vi động cơ điện từ tuyến tính [26]

Một trong những ứng dụng tiêu biểu của hiệu ứng điện từ đó là động cơ từ trở Chúng có kết cấu đơn giản và cấu tạo chắc chắn được sử dụng nhiều ở những ứng dụng với nhiều mức điện áp, nhiều cấp tốc độ dưới nhiều loại có hình dáng và kết cấu hình học khác nhau Tại hội nghị VCCA-2013, tác giả Đặng Phước Vinh- Đại học Bách khoa Đà Nẵng và các đồng nghiệp đã đưa ra thiết kế một số mẫu vi động cơ từ trở có tích hợp cảm biến dòng Eddy (dòng xoáy) để lấy phản hồi trong quá trình giám sát và điều khiển [23] Kết cấu và nguyên lý làm việc được mô tả trên Hình 1.7 Nhóm tác giả

đã thiết kế, mô phỏng và chế tạo thành công mẫu vi động cơ 4 pha, đường kính 6 mm

và mẫu vi động cơ 2 pha, đường kính 1 mm

Loại động cơ này có nguyên lý làm việc và điều khiển đơn giản, tốc độ cao 3250 vòng/phút (đối với động cơ 4 pha) và 8000 vòng/phút (đối với động cơ 2 pha), có thể làm việc với tần số lớn, đặc biệt đã tích hợp được cảm biến dòng Eddy để lấy phản hồi phục vụ giám sát và điều khiển Tuy nhiên nhược điểm là kết cấu phức tạp, momen đầu

ra nhỏ 2,214 µNm (đối với động cơ 4 pha), 0,047 µNm (đối với động cơ 2 pha)

Hình 1.7 Vi động cơ 4 pha ứng dụng hiệu ứng điện từ [23]

c Vi động cơ ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt

Một loại tương đối phổ biến khác của vi động cơ là ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt (điện nhiệt) Khác với các bộ kích hoạt tĩnh điện và điện từ, để tạo ra chuyển vị lớn chúng cần có điện áp cao, bộ kích hoạt điện nhiệt có thể tạo ra lực và chuyển vị lớn với điện áp nhỏ hơn nhiều so với các hiệu ứng khác [27] Một vài loại bộ kích hoạt điện nhiệt cơ bản như bộ kích hoạt dạng dầm chữ V, Z, X, U… Trong đó loại dầm chữ

V hay còn được gọi là bộ kích hoạt Chevrol được sử dụng tương đối phổ biến [28]-[32] Tương tự như loại dầm chữ V, loại chữ Z, chữ X cũng được nghiên cứu, ứng dụng nhưng khó sinh ra lực lớn, độ cứng vững về cơ khí cũng kém hơn [33], [34] Bộ kích hoạt dầm chữ U cũng được ứng dụng cho cả vi động cơ tuyến tính và quay [35] Trong các tài liệu [36], [37], các tác giả sử dụng 5 bộ kích hoạt nhiệt điện để tạo ra chuyển động 2 chiều của vi động cơ dạng sâu đo Trong tài liệu [38], các tác giả tạo ra chuyển động 2 chiều của vi động cơ bằng việc sắp xếp các bộ kích hoạt giống như các bánh lái bên ngoài Năm 2012, Ali Khiat đã thiết kế và công bố mẫu vi động cơ bước tuyến tính

và quay [39]

Vi động cơ sử dụng các bộ kích hoạt nhiệt dựa vào sự giãn nở của chất rắn hoặc chất lỏng theo sự thay đổi của nhiệt độ Sự giãn nở nhiệt của các vi cấu trúc khi nhiệt

độ tăng sẽ tạo ra một chuyển vị nhỏ nhưng lực tác động lại lớn hơn so với lực tĩnh điện hay điện từ Nhược điểm của các loại vi động cơ này là nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống và tổn thất nhiệt lớn Phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số kết cấu vi động cơ điện nhiệt điển hình đã được thiết kế và ứng dụng

Năm 2005, Chengkuo Lee và các đồng nghiệp đã công bố 1 kết cấu mới của bộ kích hoạt điện nhiệt, sử dụng dầm chữ X Bộ kích hoạt được chế tạo bằng công nghệ ăn mòn khô sâu, có kích thước cỡ 2 mm, góc nghiêng của các dầm là 50, chuyển vị đạt được là 95 µm [40] Ưu điểm của cơ cấu này là cho chuyển vị tương đối lớn, lực phân

bố đều trên 1 dầm tự do có chiều dài L, do đó phù hợp trong các cơ cấu nâng đỡ, không yêu cầu lực tập trung

Hình 1.8 B ộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ X [40]

Hình 1.9 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ Z [34]

Năm 2012, tác giả Yong Zhu công bố loại vi động cơ sử dụng bộ kích hoạt dầm chữ Z (Hình 1.9) Động cơ có kết cấu và nguyên lý tương đối đơn giản, sử dụng nguồn

và công suất tương đối nhỏ (±13 mA, 49 Hz), cho chuyển động 2 chiều trong khoảng

từ -11,6 µm đến +12,8 µm Nhược điểm của loại động cơ này là chuyển vị đầu ra bị hạn chế hơn so với bộ kích hoạt hình chữ V

Kết cấu bộ kích hoạt tiêu biểu sử dụng trong động cơ nhiệt là bộ kích hoạt dạng dầm chữ V (V-shaped actuator) ở Hình 1.10 [30] Bộ kích hoạt này sử dụng các dầm được cố định cả hai đầu Khi đặt điện áp vào hai điện cực dòng điện chạy qua hệ dầm

sẽ sinh nhiệt, sự giãn nở nhiệt sẽ đẩy đỉnh của dầm chữ V di chuyển về phía trước

John M Maloney [31] đã công bố một thiết kế tương đối đơn giản (Hình 1.11) ứng dụng bộ kích hoạt dầm chữ V để dẫn động thanh trượt (slider) Khi cấp xung điện

áp vào hai bộ kích hoạt chữ V, được thiết kế nghiêng 450 so với thanh trượt, hai bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V sẽ tì vào thanh trượt và đẩy nó chuyển động tiến lên phía trước Đầu của đỉnh chữ V có thể dạng phẳng và truyền chuyển động nhờ ma sát, nó

Polysilicon Heater Nickel beams

cũng có thể có dạng răng để dẫn động ổn định hơn Vi động cơ được thiết kế có kích thước 2,1 x 2,5 mm, làm việc ở điện áp 12 V có thể cho chuyển vị 40 µm, lực đầu ra đạt 6,7 mN, tốc độ khoảng 1 mm/s

Hình 1.10 B ộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V (V-shaped actuator) [30]

Hình 1.11 Vi động cơ tuyến tính sử dụng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V [31]

Ưu điểm của động cơ này là lực và chuyển vị lớn Lực dẫn động có thể lên tới hàng chục mili newton và chuyển vị có thể đạt hàng chục micro - mét tùy vào chiều dài của dầm dẫn động và điện áp cấp Loại động cơ nhiệt này hoạt động ở điện áp thấp nên khá an toàn (thường nhỏ hơn 30 V) Tuy nhiên nhiệt độ lớn (có thể lên tới vài trăm 0C) tổn thất do nhiệt sinh ra cũng lớn so với các loại động cơ khác

Ứng dụng của loại động cơ nhiệt tuyến tính này có thể thấy ở các loại vi tay kẹp (micro-gripper) hay trong nhiều loại vi dẫn động tuyến tính Hiệu ứng giãn nở nhiệt đang được nghiên cứu thiết kế và ứng dụng trong việc dẫn động các chuyển động thẳng

và quay nhờ các ưu điểm nổi trội về kết cấu đơn giản, lực tác động lớn, nguồn nuôi thấp hơn so với các hiệu ứng khác

Có thể thấy mỗi hiệu ứng được sử dụng trong MEMS đều có những ưu nhược điểm nhất định, ta có thể khảo sát, so sánh một vài tiêu chí thông qua bảng tổng hợp dưới đây (Bảng 1.1)

B ảng 1.1 So sánh các thông số của một số vi động cơ

Tác gi ả Hi ệu ứng D động ạng chuyển Ngu ồn cấp Thông s ố đầu ra Kích thước/ Công

2002, Richard

Yeh [11] Tĩnh điện Tuyến tính,

dạng sâu đo 33 V

Chuyển vị 80 µm Lực : 160 µN

Tỷ trọng lực 87 µN/mm2

3 mm x l mm x 50

µm

Điện áp dẫn lớn, công nghệ chế tạo phức tạp

Vi cơ khối nhiều lớp

Đường kính rotor 14

2011 – S.M

Barnes [17] Tĩnh điện Quay 1 chiều

18- 150 V, tần số hàng nghìn Hz

khoảng 100 µN ở điện áp trên 100 V

Gia công bề mặt nhiều lớp, phức tạp

Điện áp dẫn cao, công nghệ chế tạo phức tạp

2012- P.H Phúc

[15], [20] Tĩnh điện Quay 1 chiều 80 V,

0- 50 Hz

2,4 mm Gia công bề mặt 1

2013; Đ P Vinh

[23] Điện từ Quay 2 chiều 0,8 -1 A

2.214µNm (3250 v/ph)

0,047µNm (8000 v/ph)

6 mm (4 pha)

1 mm (2 pha)

Công nghệ chế tạo

phức tạp, khó đạt được kích thước

nhỏ gọn 2004: Young

Pyo Lee [44]

Hợp kim nhớ hình

Tuyến tính 2 chiều 3 V, 0,07 mA

Tốc độ trung bình 10 mm/phút 9,5 x 50 mm

kích thước lớn, lắp ghép từ nhiều chi

tiết phức tạp 2003; John M

Maloney [45] Điện nhiệt Tuyến tính 12 V

6,7 mN, tốc độ 1mm/s, chuyển vị khoảng 40 µm

2,1 x 2,5 mm Công nghệ chế tạo

phức tạp Năm 2005,

Công suất tiêu thụ lớn, hiệu suất nhỏ

Công nghệ chế tạo phức tạp, khó đạt

Xoay chiều:

≤1,2 V, ≤ 600

mA

được kích thước nhỏ gọn

Chuyển vị 12-18 µm; ∼ mN

Gia công bề mặt 1 lớp

2012, Yong Zhu

[33] Điện nhiệt Tuyến tính 2

chiều

(±13 mA, 49Hz

Chuyển vị -11,6 ÷ +12,8 µm, 2 mm

1.1.4 Nh ận xét và định hướng nghiên cứu

Từ những phân tích như trên, có thể thấy các hiệu ứng chủ yếu được sử dụng trong thiết kế, chế tạo vi động cơ là hiệu ứng 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 Hiệu ứng này cũng rất phù hợp đối với những ứng dụng yêu cầu chuyển động trong phạm vi hẹp, tốc độ thấp nhưng lực và mô men lớn

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 T ổng quan về các bộ điều khiển cho vi động cơ

Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật (khoa học vật liệu, khoa học tính toán, mô phỏng, công nghệ chế tạo…) các linh kiện MEMS nói chung và các vi động cơ nói riêng đã được nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Đại đa số các nghiên cứu chỉ tập trung vào phân tích, lựa chọn vật liệu, công nghệ gia công, tính toán, mô phỏng và thiết kế chế tạo Bài toán điều khiển đối với các vi kết cấu này chưa nhận được những quan tâm thích đáng Đa số các bộ điều khiển đã công bố trước đây chủ yếu điều khiển vòng hở, on-off và một vài bộ điều khiển truyền thống như PD (Proportional Derivative), PID (Proportional Integral Derivative) được giới thiệu trong các công bố gần đây

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 gặp nhiều khó khăn Do

đó bài toán điều khiển luôn là một thách thức lớn đối với các nhà thiết kế Trong tài liệu [47] đã tổng kết sơ bộ về các bộ điều khiển trong MEMS, theo đó có thể phân loại

cơ bản gồm điều khiển vòng hở, điều khiển vòng kín, điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp…

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 Ở phần tiếp theo, tác giả sẽ giới thiệu tổng quan về một vài phương pháp điểu khiển đã ứng dụng trong MEMS

1.2.1 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 Mặc dù cũng đã có nhiều tiến bộ trong công nghệ cảm biến và thiết bị truyền động để có thể chế tạo các cảm biến đạt đến độ chính xác cỡ micro-mét, nano-mét nhưng việc tích hợp các cảm biến này trong MEMS vẫn là một thách thức lớn [48] Một số mạch điều khiển vòng hở điển hình đã được ứng dụng, cụ thể như bộ kích hoạt tĩnh điện [49], [50]; vi gương [51]; sợi quang [52]; giãn nở nhiệt [45], [29], [53]

Hình 1.12 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 vẽ 1.12 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 y t( ) theo yêu cầu tính toán

Trong những giai đoạn tiếp theo, cùng với sự tiến bộ của khoa học tính toán, các bộ điều khiển vòng hở cũng đã được cải tiến để mang lại hiệu suất, chất lượng tốt hơn bằng cách phân tích và mô hình hóa chính xác động lực học của đối tượng, cụ thể như trong [54]-[56] tác giả đã mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho cảm biến gia tốc ứng dụng trong MEMS

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 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 do tính đa trường, phức tạp của các thiết bị MEMS Hơn nữa, các vấn đề về tính phi tuyến hoặc khả năng kháng nhiễu của hệ thống là chưa thể được giải quyết

1.2.2 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 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ mô tả các bộ điều khiển vòng kín

Các kỹ thuật điều khiển tiêu chuẩn như PD, PID đã được một số tác giả thực hiện để điều khiển và sản xuất hàng loạt các cảm biến gia tốc hoặc công tắc MEMS dựa trên hiệu ứng tĩnh điện [57], [58] Mạch điều khiển vòng kín điển hình được ứng dụng để điều khiển độ chính xác của cảm biến gia tốc, với tín hiệu phản hồi là sự thay đổi giá trị điện dung khi có sự dịch chuyển của các bản tụ di động [59] Tiếp đó trong [60], [61] các tác giả cũng nỗ lực cải thiện chất lượng bằng các phương pháp điều khiển thích nghi bù tín hiệu đầu ra khắc phục những sai số do tính không đồng đều của các kết cấu khi chế tạo Trong [62]-[64] các tác giả cũng đã phân tích xây dựng mô hình toán học, nghiên cứu các phương pháp điều khiển nhằm điều khiển chính xác hoạt động của công tắc chuyển mạch trong mạng cáp quang Nhờ lấy tín hiệu phản hồi từ việc thay đổi điện dung của các tụ điện, từ đó các tác giả có thể thực hiện các bộ điều khiển PD, PID, thích nghi cho chất lượng điều khiển đáp ứng tốt yêu cầu đóng cắt của

vi công tắc

Có thể nhận thấy điều khiển vòng kín trong MEMS 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 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 đối tượng về 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 điều này không

Bộ xử lý tín hiệu

(-)

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

Hình 1.14 Sơ đồ điều khiển cảm biến gia tốc [59]

Hình 1.15 Hình ảnh chụp SEM của vi công tắc chuyển mạch cáp quang [62]

1.2.3 Điều khiển vòng kín phản hồi trên chíp

Trong những năm gần đây, các công nghệ chế tạo thiết bị MEMS đã có nhiều tiến bộ vượt bậc Điều đó cho phép tích hợp bộ phận truyền động, chuyển đổi năng lượng, các thiết bị đo đạc, mạch điều khiển trên cùng 1 chíp [65]-[67] và dẫn đến các thiết bị MEMS nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn Một trong những vấn đề chính trong sự tích hợp này là nguồn nuôi trên chíp và hệ thống cách điện giữa các thành phần với nhau, đảm bảo cách ly giữa các mạch mà không ảnh hưởng đến truyền động hoặc gây nhiễu Một trong những ứng dụng điển hình của công nghệ này, các tác giả đã thiết kế, chế tạo và thương phẩm thành công ứng dụng trong các bộ thu phát không dây [66]

Vi chất lỏng là một lĩnh vực cho phép ta thực hiện các phản hồi với thời gian thực, trong [68] và [69] các tác giả điều khiển dòng chảy liên tục bằng cách sử dụng cảm biến lưu lượng để theo dõi vi bơm trên cùng 1 chíp với điều khiển phản hồi để điều chỉnh lưu lượng của chất lỏng Do cấu trúc nhỏ gọn, chế tạo đơn giản, khả năng tạo ra lực lớn và mức tiêu thụ năng lượng thấp nên các vi bơm này đã trở nên phổ biến trong các ứng dụng vi chất lỏng

Hiệu ứng tĩnh điện và hiệu ứng điện từ cũng đã được nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng điều khiển trên chíp vì nó có thể sử dụng các thành phần mạch tích hợp nội

bộ làm cảm biến, không làm tăng kích thước của thiết bị và có ảnh hưởng không đáng

kể đến động lực học của thiết bị [70], [71] Tuy nhiên, để chế tạo các thiết bị MEMS có tính tích hợp cao thường yêu cầu công nghệ chế tạo tương đối phức tạp, thậm chí phải

phối hợp nhiều công nghệ gia công khác nhau Đặc biệt vấn đề nguồn nuôi, xử lý nhiễu

và cách điện giữa các kết cấu gặp nhiều khó khăn

(a)

(b) Hình 1.16 Sơ đồ cấu trúc và mạch điều khiển của bộ chuyển đổi tần số vô tuyến (RF) (a) và

các l ớp cấu trúc tích hợp của thiết bị (b) [66]

1.2.4 T ổng quan về điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt

Như đã trình bày ở trên, do những hạn chế khác nhau việc thiết kế bộ điều khiển cho các thiết bị MEMS gặp nhiều khó khăn Đặc biệt đối với các thiết bị sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt Việc tích hợp các bộ phận để xác định nhiệt độ, lực nhiệt hay chuyển vị sẽ dẫn đến kết cấu và kích thước của thiết bị tăng lên đáng kể Trong thực tế, tùy vào mục tiêu ứng dụng của từng thiết bị nhiều tác giả cũng đã nỗ lực nâng cao chất lượng, tính ổn định của thiết bị bằng các bộ điều khiển đơn giản Đại đa số các bộ kích