Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển

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

NGUYỄN TIẾN DŨNG

NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT

DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2020

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

Nguyễn Tiến Dũng

NGHIÊN CỨU VI ĐỘNG CƠ THEO NGUYÊN LÝ ĐIỆN NHIỆT

DẠNG DẦM CHỮ V VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Nguyễn Quang Địch

2. PGS.TS. Phạm 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 14 tháng 7 năm 2020

Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS.TS. Nguyễn Quang Địch PGS.TS. Phạm Hồng Phúc Nguyễn Tiến Dũng

LỜI CẢM ƠN

Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp

đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và

đồng nghiệp.

Qua đây tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, PGS.TS. Phạm Hồng Phúc, những người đã định hướng, tận tình

hướng dẫn chuyên môn và bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan. Xin chân thành

cám ơn các giảng viên, các nhà khoa học thuộc viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động

hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, bộ môn Điều khiển tự động (viện Điện), bộ

môn cơ sở thiết kế máy và Robot (viện Cơ khí) trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã

nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và cung cấp tài liệu tham

khảo để tác giả hoàn thành luận án này.

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 giả 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 ............................................................................ 2

7. Bố cục và nội dung của luận án .......................................................................... 3

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................. 5

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 iii

1.3 Kết luận chương 1 .......................................................................................... 27

CHƯƠNG 2 ............................................................................................................... 29

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 ............................................................................................................... 66

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 ..................................................... 80

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 ............................................................................................................... 91

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

4.3 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 mục các từ viết tắt

STT Từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Anh Ý nghĩa tiếng Việt

1 D-RIE Deep Reactive Ion Etching

Công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu

2 ECA

Electrostatic Comb-drive Actuator Bộ kích hoạt răng lược tĩnh điện

3 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

4 GCA Gap Closing Actuator Bộ kích hoạt khe hở kín

5 IC Intergrated-Circuit Mạch điện tử

6 ILC Iterative learning control Điều khiển học lặp

7 MEMS Micro-electro-mechanical Hệ thống vi cơ điện tử

System

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

11 SMA Shape Memory Alloy Hợp kim nhớ hình

12 PD Proportional Derivative Bộ điều khiển PD

13 PI Proportional Integral Bộ điều khiển PI

14 PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển PID

2. Danh mục các ký hiệu

STT Đơn vị Ý nghĩa Ký hiệu

1 J/g.0C Nhiệt dung riêng cp

d 2 µm Chuyển vị của thanh răng cóc

D 3 Kg/m3 Khối lượng riêng

E 4 Pa Modul Yuong của vật liệu silic

5 F mN Lực dẫn động

elF

6 mN Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi).

2fF

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

3fF

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

9 mN Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo

5fF

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

11 g m/s2 Gia tốc trọng trường

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

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

14 h µm Chiều cao răng cóc

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

16 mA Dòng điện chạy trong dầm đơn ib

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

18 µN/µm Độ cứng của lò xo phản kl

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

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

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

22 µN/µm Độ cứng của dầm chữ V kv

23 µm Chiều dài dầm đơn lb



l b k

24 µm Chiều dài mỗi phân tố dầm đơn

25 µm Chiều dài thanh đẩy (Shuttle) ls



l s n

vii

26 µm Chiều dài mỗi phân tố thanh đẩy ứng với 1 dầm đơn

27 g Khối lượng dầm đàn hồi m1

28 g Khối lượng của thanh răng cóc m2

29 g Khối lượng của bánh răng dẫn m3

30 g Khối lượng của bánh răng bị dẫn m4

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

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

33 p µm Bước răng cóc

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

35 W Nhiệt lượng sinh ra trong phân tố thứ k của dầm đơn qb(k)

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

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

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

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

40 Khoảng cách từ điểm đàn hồi (cổ đàn hồi) đến điểm tiếp µm r3 xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn

41 t s Biến thời gian

42 T s Chu kỳ hoạt động của quỹ đạo đặt

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

44 µm Chiều cao của dầm đơn tb

45 µm Chiều cao của thanh trượt (Shuttle) ts

46 u V Điện áp

47 x µm Biến không gian theo phương OX

48 µm Chiều rộng dầm đơn wb

viii

49 µm Chiều rộng thanh trượt (Shuttle) ws

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

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

52 µm Sự giãn nở dài của dầm đơn ∆lb

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

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

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

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

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

58 1/0C Hệ số giãn nở dài l

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

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

61 Ωmm Điện trở suất tại nhiệt độ 200C 0

62 Ωmm Điện trở suất của vật liệu silic t

63 Biến nhiệt độ 

64 Nhiệt độ môi trường 0

65 Nhiệt độ của phân tố thứ k trên dầm đơn b(k)

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

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

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

'd ........................................................................... 47

Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị

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

................................................................................................................................... 58

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 hiều 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 khiên vi động cơ....................................................... 89

Hình 4.1 Giao diện thư viên Simscape trong Simulink................................................ 92 xii

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 .................................... 94

Hình 4.4 Mô hình hóa một phân tố dầm trong Simscape ............................................. 94

Hình 4.5 Mô hình Simscape của hệ dầm chữ V .......................................................... 95

Hình 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 ............................................................................................... 96

Hình 4.7 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi không

có nhiễu tác động ........................................................................................................ 97

Hình 4.8a Đáp ứng đầu ra sau 100 lần học đối với thuật học PD không có nhiễu tác

động. .......................................................................................................................... 97

Hình 4.8b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và giá trị đặt sau 100 lần học đối với thuật học

PD không có nhiễu tác động. ...................................................................................... 98

Hình 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. ..................................................... 98

Hình 4.10a Đáp ứng đầu ra sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có

biên độ khoảng 10%. .................................................................................................. 99

Hình 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%. ............................................................ 99

Hình 4.11 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi

không có nhiễu tác động ........................................................................................... 100

Hình 4.12a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID không có nhiễu tác

động. ........................................................................................................................ 100

Hình 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. ........................................................................ 101

Hình 4.13 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi có nhiễu tác động .......................................................................................................... 101

Hình 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%..................................................................... 102

Hình 4.14b Sai lệch giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu đặt sau 54 lần học đối với thuật học

xiii

PID nhiễu ngẫu nhiên có biên độ khoảng 10%. ......................................................... 102

Hình 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. ........................................................................................................... 104

Hình 4.17 Đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt sau 50 lần học đối với thuật học PID .. 105

xiv

Hình 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 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. 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. 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.

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. Những 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 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. Bố 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 thời gian hữu hạn.

Chương 2: Tính toán thiết kế một mẫu vi động cơ quay một chiều, sử dụng bộ kích hoạt dạng 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 với đầy đủ các 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 Tổng quan về vi động cơ

1.1.1 Giới 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 loại

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 cứu 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 răng lược (ECA - comb-driver

actuator) [9]. Cho đến nay, đã có số lượng lớn các vi động cơ cũng như vi cơ cấu sử dụng bộ kích hoạt răng lược. Bộ kích hoạt răng lược có thể 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]

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 Hoạt 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 việc 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 (75V), 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 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 Cấu 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

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 Một 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 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 hình chữ V, Z, X, U… Trong đó loại hình chữ V hay còn được gọi là bộ kích hoạt Chevrol được sử dụng tương đối phổ biến [28]-[32]. Tương tự như loại hình 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 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m [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 Bộ 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 hình

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, 49Hz), cho chuyển động 2 chiều trong khoảng từ

-11,6m đến +12,8m. 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 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 hình 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 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 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 Bộ 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).

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

Tác giả

Hiệu ứng Dạng chuyển

Nguồn cấp

Thông số đầu ra

Kích thước/ Công

Nhận xét

động

nghệ gia công

1997;Tas [41]

Tĩnh điện Tuyến tính,

40V

Điện áp dẫn lớn,

Chuyển vị 15 m

Dài 400 m

dạng sâu đo

Lực: 3 N

chuyển vị và lực tác động nhỏ

2002, Richard

Tĩnh điện Tuyến tính,

33V

Chuyển vị 80m

3mm x lmm x 50m Điện áp dẫn lớn,

Yeh [11]

dạng sâu đo

công nghệ chế tạo

Lực : 160 N

phức tạp

Firas N.

Tĩnh điện Quay 2 chiều 40 V

Tỷ trọng lực 87 N/mm2 M= 2,4nNm

1mm x 1mm x 60µm

Công nghệ chế tạo

Sammoura [12]

M= 0,8 nNm

750µm x 750µm x 60µm

phức tạp, điện áp dẫn lớn

Vi cơ khối nhiều lớp

2006, Humberto

Tĩnh điện Quay 2 chiều

Đường kính 500 nm

Công suất đầu ra

.F.V [42]

đến vài mm

rất nhỏ

2011 Edin

Tĩnh điện Quay 2 chiều

60 -75V

1,4 mm

Sarajlic [18]–

±130- ±150

Vi cơ khối nhiều lớp

[19]

Điều khiển chính xác tới 1/480 Công nghệ chế tạo

phức tạp

2008 N.

Tĩnh điện Quay 2 chiều 150 V,

Đường kính rotor

Điện áp dẫn cao

=517 v/ph

(324

Ghalichechian

800Hz

14mm

mm/s), M=5,62± 0.5

[4]

µNm; P= 307 µW

2011 – S.M.

Tĩnh điện Quay 1 chiều 18- 150 V,

khoảng 100 µN ở

Gia công bề mặt

Điện áp dẫn cao,

Barnes [17]

tần số hàng

điện áp trên 100 V

nhiều lớp, phức tạp

công nghệ chế tạo

nghìn Hz

phức tạp

2012- P.H. Phúc

Tĩnh điện Quay 1 chiều 80 V, 0- 50

2,4 mm

Điện áp dẫn cao

[15], [20]

Gia công bề mặt 1 lớp

2008 C.Y.Leel

Điện từ

Tuyến tính

0,6A

2,5 x 2,5 mm

Công nghệ chế tạo

Chuyển vị 150m

[21]

phức tạp, khó đạt

được kích thước nhỏ gọn

2013; Đ. P Vinh

Điện từ

Quay 2 chiều 0,8 -1 A

2.214µNm

(3250

6 mm (4 pha)

Công nghệ chế tạo

[23]

v/ph)

phức tạp, khó đạt

1 mm (2 pha)

0,047µNm (8000 v/ph)

được kích thước nhỏ gọn

2004: Young

Hợp kim

Tuyến tính 2

3 V, 0,07mA

Tốc độ trung bình

9,5 x 50 mm

kích thước lớn, lắp

Pyo Lee [44]

nhớ hình

chiều

10mm/phút

ghép từ nhiều chi

tiết phức tạp

Điện nhiệt Tuyến tính

12V

2,1 x 2,5 mm

2003; John M Maloney [45]

6,7 mN, tốc độ 1mm/s, chuyển vị

Công nghệ chế tạo phức tạp

khoảng 40 µm

Năm

2005,

Điện nhiệt Tuyến tính 1

1 W

chuyển vị khoảng 90

2 mm/ Ăn mòn sâu

Công suất tiêu thụ

chiều

µm

khô

lớn, hiệu suất nhỏ

Chengkuo Lee [40]

2000, Jae-Sung

Điện nhiệt Tuyến tính

1 chiều: ≤1

Công nghệ chế tạo

Chuyển vị 104 m;

500–1000 m dài,

Park [46]

dạng sâu đo

V, 250 mA

phức tạp, khó đạt

lực đạt 204 N

dày 6.5 m

Xoay chiều:

được kích thước

≤1,2 V, ≤

nhỏ gọn

600mA

2012; N. T

Điện nhiệt Tuyến tính 2

5-30V

Chuyển vị 12-18

Gia công bề mặt 1

chiều

1-30 Hz

lớp

µm;  mN

Khoa Việt Nam [28]

2012, Yong Zhu

Điện nhiệt Tuyến tính 2

(±13 mA,

Chuyển vị

2 mm

[33]

chiều

49Hz

-11,6 ÷ +12,8m,

Điện nhiệt Quay 2 chiều 6-8 V

chuyển vị 20-30 m,

2010, Jae-Sung Park [29]

Chế tạo phức tạp, tốc độ thấp độ trượt

>150 N

tốc độ lớn

Năm 2012, Ali

Điện nhiệt

Quay 1 chiều Công suất

Đường kính >1,5

Chế tạo phức tạp,

Khiat [39]

Dạng chữ U

tiêu thụ 190mW, hiệu

mm Ăn mong sâu khô

hiệu suất thấp, tốc độ thấp độ trượt tốc

suất 34%

độ lớn

2007; Mathew

Điện nhiệt Lắc 2 chiều

0,6A

Công suất 60mW,

0,5 mm

Góc lắc hẹp

Momen 20 µNm

Stevenson; Canada

[38]

1.1.4 Nhận 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 Tổng 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

Đối tượng

Bộ biến đổi

[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 ( ) , bộ điều khiển thực chất là các bộ biến lượng, xác định mối quan hệ vào ra u t y t

đổi tín hiệu đặt ( )r t 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

Đối tượng

Bộ điều khiển

gián tiếp xử lý tín hiệu phản hồi và thực hiện điều khiển vòng kín, hình 1.13.

(-)

Bộ xử lý tín hiệu

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

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 lớp cấu trúc tích hợp của thiết bị (b) [66].

1.2.4 Tổng 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

hoạt điện nhiệt được điều khiển vòng hở [29], [34], [45], [53]… một phần nhỏ trong

các ứng dụng đã được thực hiện vòng kín, điển hình như trong [5] tác giả đã phân tích

quá trình truyền nhiệt của bộ kích hoạt dạng chữ V từ phương trình vi phân đạo hàm

riêng (phương trình truyền nhiệt), sau đó giả thiết sự phân bố nhiệt trong các dầm là

đồng nhất, đưa mô hình hệ dầm chữ V trở thành hệ phương trình vi phân trạng thái. Thiết kế bộ điều khiển PD với mạch phản hồi cầu H thông qua sự biến đổi của các dầm

chữ V khi biến dạng.

V-Shaped

Displacement

V

a c t

Vex+

Vb

-

a c t +

Sensing Beams

a

V

e x t

e x t +

-

b

Reference Legs

R e f e r e n c e L e g s

Va

Vex-

Reference Legs

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

Với cách thiết kế này ta có thể lấy được phản hồi vị trí nhờ vào sự thay đổi giá trị điện trở của các dầm phụ khi bộ kích hoạt làm việc. Tuy nhiên điều này dẫn đến độ cứng và kích thước của hệ dầm tăng lên đáng kể, hơn thế nữa trong phần tính toán và mô tả toán học của hệ dầm chính tác giả đã bỏ qua sự thay đổi điện trở của hệ dầm khi biến dạng, coi các dầm là đồng nhất, nhiệt độ phân bố trong các dầm là như nhau, điều này gây mâu thuẫn trong mô tả toán học của hệ dầm chính và hệ dầm phụ (cơ chế phản hồi). Để khắc phục sự gia tăng độ cứng của hệ dầm, tác giả P. Yang và các đồng nghiệp đã đề xuất việc sử dụng cảm biến điện dung [72]. Chuyển vị của bộ kích hoạt được mô tả thông qua cảm biến, điều này cho ta tín hiệu phản hồi vị trí để thực hiện các bài toán điều khiển. Các tính toán thiết kế được kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn (FEM- Finite Element Method). Bộ điều khiển PI được thiết kế với phản hồi vị trí thông qua cảm biến, các mô phỏng cho thấy đáp ứng cho kết quả tốt, đây là nền tảng để ứng dụng trong lĩnh vực MEMS.

Trong [73] tác giả sử dụng các nhiệt điện trở gắn sát với hệ thống truyền chuyển động của bộ kích hoạt. Khi có sự thay đổi về vị trí thì diện tích tiếp xúc giữa các nhiệt điện trở này với hệ dầm sẽ thay đổi, dẫn tới thay đổi giá trị các điện trở R1,

R2. Với cơ chế phản hồi này các tác giả cũng đã thiết kế các bộ điều khiển PD, PID đạt kết quả tương đối khả quan Hình 1.19.

Plant

PI Controler

(-)

Hình 1.18 Bộ kích hoạt điện nhiệt tích hợp cảm biến điện dung và sơ đồ mạch điều khiển

PI [72]

(a)

(b)

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

1.2.5 Nhận xét và định hướng nghiên cứu

Trong những năm gần đây các linh kiện MEMS được nghiên cứu, phát triển và

ứng dụng tương đối rộng rãi. Ngoài việc nghiên cứu tối ưu về kết cấu, năng lượng, khả

năng chế tạo, năng lực ứng dụng và thương phẩm… thì bài toán điều khiển nhằm nâng

cao độ chính xác, tính ổn định trong hoạt động của thiết bị MEMS cũng đã được nhiều tác giả quan tâm. 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, bao gồm cả động lực học và các tác động của nhiễu tới

đối tượng. Tuy nhiên, việc 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 (ILC - Iterative Learning Control) 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 đề tài 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.

1.3 Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã phân loại các vi động cơ theo hiệu ứng chuyển đổi năng

lượng, phân tích ưu nhược điểm của từng hiệu ứng. Dự báo xu hướng phát triển, năng lực thích ứng, khả năng ứng dụng trong thực tế đối với các vi động cơ trong tương lại

gần. Lựa chọn, giới thiệu khoảng 30 loại vi động cơ điển hình, phân tích các thông số kỹ thuật và ưu nhược điểm của từng loại, từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu của đề tài.

Tác giả cũng trình bày tổng quan về các phương pháp, hệ thống điều khiển trong các linh kiện MEMS, phân tích ưu nhược điểm, tiềm năng ứng dụng của từng phương pháp 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 thời gian hữu hạn.

Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm mẫu vi động cơ quay

sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt, với các ưu điểm nổi bật như điện áp làm việc thấp, có

thể cung cấp lực nhiệt lớn hơn nhiều so với các vi động cơ khác có cùng kích thước.

Đồng thời thiết kế bộ điều khiển phù hợp với lớp đối tượng này. Tiến hành mô phỏng

kiểm chứng thông qua mô hình toán học và mô hình vật lý.

CHƯƠNG 2

VI ĐỘNG CƠ QUAY SỬ DỤNG HIỆU ỨNG GIÃN NỞ NHIỆT

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo cơ bản của vi động cơ được chỉ ra trên Hình 2.2, Vi động cơ sử dụng

các bộ kích hoạt điện nhiệt kiểu dầm chữ V (V-shaped) có cấu trúc gồm nhiều dầm xếp

2   so với phương ox . Số cặp dầm là

6bn

song song với góc nghiêng là , mỗi

u(t)

(b)

u(t)



(2)

(3)

(1)

u(t)

(c)

(a)

dầm đơn có chiều dài bl , chiều rộng w b , chiều sâu bt (Hình 2.1).

Hình 2.1 Bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V

Điện áp ( )u t được đặt vào các điện cực cố định (1) có dạng xung vuông hoặc

nửa hình sin (Hình 2.1b, 2.1c). Ở nửa chu kỳ đầu tiên của điện áp dẫn dòng điện chạy

qua hệ dầm (2) làm cho dầm nóng lên, giãn nở và đẩy thanh trượt (Shuttle-3) dịch chuyển theo hướng oy một khoảng d . Nửa chu kỳ tiếp theo, điện áp dẫn về 0 hệ

dầm được làm nguội nhờ quá trình truyền nhiệt ra các điện cực và đối lưu tự nhiên, hệ

trở về vị trí cũ, chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo.

Hình 2.2 mô tả cấu tạo vi động cơ quay sử dụng bốn bộ kích hoạt điện nhiệt dầm chữ V dẫn động bánh răng (rotor) thông qua cơ cấu răng cóc. Các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V đẩy các dầm quay cổ đàn hồi xoay quanh điểm đàn hồi O (bề rộng 4µm). Các dầm quay cổ đàn hồi có dạng dầm ngàm một đầu và đầu kia nối với cơ cấu truyền chuyển động (hệ thống gồm thanh răng cóc và lò xo đàn hồi).

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

Hình 2.3 Cơ cấu truyền chuyển động

Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu chống đảo chiều

Hình 2.3 mô tả nguyên lý hoạt động của cơ cấu truyền chuyển động, tác động

vào lẫy cài làm cho các chân hãm vào vị trí khóa, cơ cấu lò xo luôn giữ cho các răng

cóc luôn tiếp xúc nhau. Cấu trúc chống đảo (hình 2.4) giữ cho vành răng luôn quay

theo một chiều (ngăn chiều ngược lại). Do công nghệ chế tạo không thể cho phép thanh

g  µm. 2 0

chống đảo ăn khớp ngay với vành răng mà phải tồn tại 1 khe hở tối thiểu

Tuy nhiên khe hở này sẽ bị loại bỏ bởi cơ cấu đẩy, khi ở vị trí khóa thì đỉnh của chân

chống đảo luôn tiếp xúc với vành răng cóc để duy trì cơ cấu răng cóc, điều đó làm cho

vành răng luôn quay theo một chiều (thuận chiều kim đồng hồ).

Nguyên tắc hoạt động của vi động cơ dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt với trung

tâm là bốn bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V. Khi cấp điện cho các điện cực trên

bộ kích hoạt hiệu ứng điện - nhiệt làm cho các dầm chữ V giãn nở và đẩy đỉnh hệ dầm chuyển động tịnh tiến và dầm quay cổ đàn hồi lắc thuận chiều kim đồng hồ quanh điểm đàn hồi O. Thông qua các cơ cấu truyền chuyển động được gắn trên dầm quay cổ đàn hồi sẽ đẩy thanh răng cóc di chuyển theo chiều kim đồng hồ. Khi lẫy cài vào vị trí khóa lò xo liên kết giữa thanh răng cóc và lẫy cài sẽ ép thanh răng cóc ăn khớp với răng cóc trên bánh răng dẫn. Do vậy, khi thanh răng cóc di chuyển theo chiều kim đồng hồ, nó sẽ đẩy vành răng ngoài quay sang bên phải. Khi điện áp (theo chu kỳ) về bằng không, lò xo bị nén và thanh răng cóc hồi về vị trí ban đầu nhờ lực đàn hồi ở cổ xoay và lực đàn hồi của bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V. Vành răng dẫn không thể quay ngược trở lại

do có cơ cấu chống đảo. Sau mỗi chu kỳ đẩy của hệ dầm chữ V, răng cóc dịch chuyển

p : với

10p

một đoạn i µm là bước của răng cóc, i phụ thuộc vào chuyển vị của

thanh răng cóc, tức là phụ thuộc vào độ lớn của điện áp dẫn. Chuyển động quay theo một chiều của bánh răng dẫn truyền sang bánh răng bị dẫn thông qua các răng thân

khai ăn khớp.

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

Như vậy, tốc độ của rotor sẽ phụ thuộc vào bước dịch chuyển i (phụ thuộc vào

giá trị điện áp) và phụ thuộc vào tần số điện áp dẫn f .

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



2.2.1 Tính toán vận tốc góc trung bình

Z 60.

f i .

720 f i . 60.

12 f i .

Thời gian để rotor quay được 1 vòng là phút (2.1)

Với: Z=720 là số răng cóc trên vành răng rotor; f - là tần số điện áp dẫn; i - là số răng

cóc dịch chuyển trong 1 chu kỳ điện áp dẫn

n tb

1   t

f i . 12

Như vậy, tốc độ trung bình của rotor là vòng/phút (2.2)

Từ (2.2) ta nhận thấy, tốc độ của vi động cơ phụ thuộc vào tần số f và biên độ của

điện áp dẫn (Chính là số răng cóc dịch chuyển được i sau một chu kỳ điện áp).

2.2.2 Tính toán nhiệt của dầm chữ V

Quá trình bộ kích hoạt làm việc là quá trình truyền nhiệt trong hệ dầm, ta có thể chia ra làm hai quá trình nhỏ là quá trình nóng và quá trình nguội. Ta thấy cả hai quá trình này đều cần có thời gian để các dầm nhiệt nóng lên đến trạng thái cân bằng và nguội đi đến nhiệt độ của các điện cực (tương đương nhiệt độ môi trường). Tổng thời gian nóng lên và nguội đi chính là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trễ nhiệt, ảnh hưởng đến đáp ứng của các bộ kích hoạt. Trong phần tính toán này ta giả thiết tần số làm việc của điện áp đủ nhỏ, độ rộng xung đủ lớn để trong mỗi chu kỳ hoạt động nhiệt độ trong hệ dầm đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt.

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

02 

Các dầm được sắp xếp nghiêng 1 góc

so với phương ox (hình 2.6a), vì góc nghiêng nhỏ nên ta có thể đơn giản hóa như dầm thẳng (hình 2.6b) để thuận lợi cho

việc xét quá trình truyền nhiệt và sự phân bố nhiệt độ dọc theo chiều dài dầm [30], [47],[53].

Quá trình truyền nhiệt trong dầm là một quá trình phức tạp, ta giả thiết quá trình truyền nhiệt là truyền nhiệt một chiều dọc theo phương của dầm, bỏ qua ảnh hưởng của bức xạ. Xét phân tố vô cùng bé dx dọc trên dầm, ta có phương trình tuyền nhiệt theo phương ox [53]:





)



   ( 0

q v

  t 

2   2 x 

k S a F t g b

(2.3)



)



   ( 0

q Dc  v

2   2 x 

  t 

k S a F t g b

k k – là hệ số dẫn nhiệt của silic, không khí;  – là nhiệt độ phân bố trên ,s trong đó: dầm; 0 – là nhiệt độ các điện cực (giả thiết tương đương nhiệt độ môi trường và không đổi trong quá trình làm việc); bt – là chiều cao của dầm; ag – là khe hở không khí giữa lớp cấu trúc và nền; w b – là chiều rộng của dầm; FS - là hệ số hình dạng của dầm.

Hay: (2.4)





t b w

2 g t b

  

  

vq là nhiệt lượng khối

,pc D – là nhiệt dung riêng, khối lượng riêng của vật liệu silic;



) ]

(2.5)

      0

( 

sinh ra trong dầm, được xác định theo công thức (2.6) với là

0U là biên độ điện áp dẫn.

điện trở suất của silic,



q v

2 U 0 2 l 4 t b

(2.6)

a. Bài toán truyền nhiệt ổn định

Khi vế phải của (2.4) bằng 0, ta có phương trình trạng thái truyền nhiệt ổn định

như sau:



)





   ( 0

q v

2   2 x 

k S a F t g b

(2.7)

 



  0

t g b k S a F

Để giải (2.7), ta đặt: (2.8)





2 V  2 x 

k S a F t g b

 x

 x

ta được: (2.9)



 V C e 1

C e 2

Giải phương trình (2.9), ta tìm được nghiệm như sau: (2.10)



k S a F k t g s b

 x



 x

với: (2.11)



x ( )





 0

C e 1

C e 2

t g b k S a F



(0)





Ta suy ra: (2.12)

1C và

2C là các hằng số xác định từ điều kiện biên

(2 )bl

 ;  0

 2

l  b

Trong đó

;

 

C q  1 v

q v

e ( l  2 b

( e 2  l e b

(

 1) l  2  e b

)



 1) l   2 e b

)



e (

t g b a k S a F

t g b k S a F

(2.13)

 2

l  b

x 



x 



x ( )







 0

q v

e (  l 2 b

e ( 2  l e b

(

 1) l  2  e b

)



 1) l   2 e b

)



e (

t g b a k S a F

 1  

  

Thế (2.13) vào (2.12) ta xác định được phương trình phân bố nhiệt độ trên dầm:

(2.14)

b. Bài toán truyền nhiệt không ổn định



t (0, )







*) Quá trình nóng: Giải phương trình đạo hàm riêng (2.4) ta tìm được hàm nhiệt độ ( , )x t phụ thuộc vào vị trí trên dầm x và thời gian t .

t (2 , ) l b

 0

( ,0)x

 0

Từ phương trình (2.4), điều kiện biên: ; Điều kiện đầu:

Ta đặt: A  ; B  ; C   (2.15)  0 k s Dc q v Dc k S a F t g Dc b a k S a F t g Dc b a



 B





   t

2   2A  x

Thay vào (2.4) ta được: (2.16)

( , )



x ( )





(2.17) động Ta phân tách hàm ( , )x t x t u x t : ( , ) là tổng của hàm trạng thái tĩnh ( )x và hàm trạng thái u x t ( , )

Thay (2.17) vào (2.16), ta được phương trình trạng thái tĩnh (2.18) và phương

trình trạng thái động (2.19):



 B





2   2  x

(2.18)







 u  t

 u 2  x

(2.19)

Phương trình (2.18) là phương trình biểu diễn trạng thái ổn định ta đã giải ở trên.

u x t ( , )



v x t e ( , )

Để giải phương trình (2.19) ta sử dụng phương pháp tách biến:

(2.20)





v   t

 v 2  x



v x ( ,0)

x ( )

t Điều kiện biên: (0, )

ta được: (2.21)

t (2 , ) 0 v l b

    0

; Điều kiện đầu:

v x t Sử dụng phương pháp phân ly biến số đối với ( , )



X x Y t ( ) ( )

(2.22)

Thay (2.22) vào (2.21) ta chọn được tập nghiệm độc lập gồm hai phương trình:

'( ) Y t

A Y t

 ( ) 0

(2.23)

''(x)

X x

 ( ) 0

(2.24)

( )

, với dạng Với  là một hằng số khác không bất kỳ. Nghiệm của phương trình (2.23) có Y t M e At 1M là hằng số tùy ý. Vì tại mỗi điểm cố định trên thành, nhiệt 

2 n At

Y t M e  

( )

độ ( , )x t không thể tăng lên vô cùng khi t   nên hệ số  chọn phải âm.

2    n

(2.25) Ta đặt khi đó

Nghiệm của phương trình (2.24) có dạng

X x M

( )



cos

 x M

sin

 n

(2.26)

,M M là các hệ số tùy ý. Từ (2.25) và (2.26) ta tìm được nghiệm của

Với





2  nA t

phương trình (2.22) có dạng:

v x t ( , )



cos(

)



sin(

)

A n

 n

B n

 n







 1

(2.27)

  ;

 n

A B ; n n

 



Trong đó: là các hằng số được xác định theo điều kiện biên và điều

   ; (2 , ) 0 0

A n

B n

l sin( 2 ) 0  n b

kiện đầu. Theo điều kiện biên: (0, ) 0

nB  ta cần có điều kiện:

 n

l 2 b

     n n

v l b  n 2 l b

Để tồn tại (2.28)



 n l 2 b

 A   

  

Phương trình (2.27) được viết lại như sau:

v x t ( , )



sin

B e n



 1

n  l 2 b

  

  



(2.29)

v x ( , 0)



x ( )



sin

   0

    0

 n B

 1

n  l 2 b

  

  

Theo điều kiện đầu: (2.30)

( )x

Như vậy,

  0

nB là hệ số trong khai triển thành chuỗi Fourier theo hàm sin của hàm nB được xác định như sau:

, do đó



 x ( ) sin

B n

    0



2 l 2 b

 n 2 l b

  

 x dx  

(2.31)

l b

 2

 l b

 x



 x

Với ( )x được xác định theo (2.14) ta có:

 





sin

B n

e (  l 2 b



( e  l 2 e b

(

 1) 2   l e b

)



 1)  2  l e b

)



(

2 l 2 b

t g b k S a F

 n 2 l b

 1  

  

  

 x dx  

 ) 1

(2.32)

  2





 n

B n

n  cos(  n

t g b k S a F

n  cos(  ) 1 2 2 2 2    n l 4 b

  

  

 



cos(

 n



  ) 1

B n

q v

 4

2 2 

1  n

t g b k S a F

n  2 2  l b

  

  

Ta xác định được:

 



 ) n

 1 cos(



B n

q v

2 2 l b 

2 2 

t g b a k S a F

4   2 2   l n 4 b

(2.33)



   

   







 n l 2 b

 A  

  

   

  B t  

Ta suy ra:

u x t ( , )



sin

B e n



 1

n  l 2 b

  

  

 2

l  b

x 



x 



x t ( , )







 0

q v

e (  l 2 b

( e 2  l e b

(

 1) l  2  e b

)



 1) l   2 e b

)



e (

t g b a k S a F

  

 1  







(2.34)

n  l 2 b

 A  

  

   

  B t  



sin

B e n



 1

n  l 2 b

  

  

(2.35)

vq  : 0





 ) 0

   ( c 0

  c t 

k s C 

2   c 2 x 

k S a F t g C  b a

*) Quá trình nguội: Từ phương trình (2.3), với

t (0, )





x ( )

(2.36)

 c

t (2 , ) l b

 0

 c x ( ,0)

Điều kiện biên: ; Điều kiện đầu: . Giải tương







 n l 2 b

 A  

  

   

  B t  

x t ( , )





sin

 c

 0

D e n



 1

n  l 2 b

  

  

tự như phương trình (2.4) ta tìm được nghiệm của phương trình (2.36) như sau:

(2.37)

 





 ) n

 1 cos(



D n

B n

q v

2 2 l b 

2 2 

t g b a k S a F

 4  2 2   4 l n b

Trong đó:



   

   

(2.38)

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

Công thức xác định độ dãn dài của dầm đơn:

x t ( , )



  l b

   l

0 



(2.39)

Trong đó:

l là hệ số giãn nở dài của vật liệu. Tính tích phân biểu thức (2.39) ta được:

 2

l  b





l   b

 l

q v

e ( l  2 b

1 

e ( 2  l e b

(

 1) l  2  e b

)



 1) l   2 e b

)



e (

t g b a k S a F

  

  

  







 n l 2 b

 A  

  

   

 l  b    B t  



B e n



l 2 b n 

n  2

 1

  1 cos 

  

 2

l  b

(2.40)



;



e ( l  2 b

e ( 2  l e b

(

 1) l  2  e b

)



 1) l   2 e b

)



e (







 n 2 l b

 A  

2   

   

  B t  



'  C C



  l b

 l

q v

l b

B e n

Đặt ta có







1 

l 2 b  n

 n 2

 1

  1 cos 

  

t g b a k S a F

  

  







 n 2 l b

 A  

  

' '

   

  B t  



'  C C



cos

 n



cos





  l b

 l

q v

l b







1 

 n 2

2 2 

 1

  1 1  

  

t g b k S a F

2 3  l b 2 2  l b

16  2   4



   

   

    

    



'  C C

  bl

  0





1 

t g b k S a F







 n l 2 b

  

  

   

  B t  



cos

n 



cos





l   b

q   v 0





n  2

2 2 

 1

   1 1 

  

2 3 l  b 2 2 l  b

16  2   4



   

   

    

    

Đặt: ; , ta có



(2.41)

q v

2 U 0 2 l 4 t b

với



'  C C

  l b 0

 l

q v

l b





1 

t g b a k S a F

  

  

Độ dãn dài tĩnh (khi quá trình truyền nhiệt tại trạng thái cân bằng):

(2.42)

Chuyển vị của hệ dầm theo phương thẳng đứng ( oy ): Do hệ dầm song song, nên

 sl

1 2

chuyển vị của hệ dầm chính là chuyển vị của 1 dầm đơn  yd (hình 2.7) cộng với

độ giãn nở của thanh trượt theo phương y (coi thanh trượt giãn đều về 2 phía).











 

  d y

l b

  l b

l cos b

l sin b

  d





 

(2.43)







 

l b

  l b

l cos b

l sin b

1 2

B’

lb+∆lb

∆dy

(2.44)

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



t w E b b

 l b l b

Công thức xác định lực dãn nở nhiệt của dầm đơn [43]:  F (2.45)

bn dầm chữ V song song

Với E là modul Yuong của vật liệu silic. Lực đẩy của hệ



sin



F n

n F sin b

 

n t w E b b

l  b l b

theo phương ox : (2.46)

bl từ công thức (2.41) ta có







 n l 2 b

  

  

q v

   

  B t  







cos

n 



cos





F n

n t w Esin b b b





n  2

2 2 

 1

   1 1 

  

 l 0 l b

2 3 l  b 2 2 l  b

16  2   4



   

   

     

    

q v

 



Thay





F 0

n t w Esin b b b

 l 0 l b

  n   l 2 b 









cos



cos



 n 

F n

F 0





n  2

2 2 

 1

  1 1  

  

2 3 l  b 2 2 l  b

16  2   4



   

   

    

   

Đặt: ;

(2.47)







 n 2 l b

 A  

  

   

  B t  



'  C C



cos

  l c

 l

l b





1 

2 l b  n

 n 2

 e  1

  1 

  

t g b k S a F

    

    

 Quá trình nguội:

(2.48)







cos



 n 

F c

F 0

  1 cos





n  2

2 2 

 1

  1 

  

2 3 l  b 2 2 l  b

16  2   4



   

   

   

   

(2.49)

Ứng với các thông số hình học và tính chất vật liệu Silic được cho như bảng 2.1;

được tra theo nhiệt độ tính toán hoặc xác định thông qua công thức gần đúng [33].

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

Tham số Tham số Giá trị Đơn vị

Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ký hiệu

D 2330 Kg/m3 lượng lb 320 m

Chiều dài dầm đơn Khối riêng

4,5 E 169.109 Pa wb

Chiều rộng dầm đơn m Modul Yuong của vật liệu silic

30 0,71 J/g.0C tb Nhiệt dung riêng cp m

Chiều dày của mỗi dầm

0

120 ls 125 m Ωm

Chiều dài thanh trượt Điện trở suất tại 20 0C

 1,25.10-3 1/0C

40 ws m

Chiều rộng thanh trượt Hệ số nhiệt của điện trở suất

l

30 4.10-6 1/0C ts m

Chiều dày thanh trượt Hệ số giãn nở dài

Số cặp dầm đơn 6 0,026 nb ka

Hệ số dẫn nhiệt của không khí W/m. 0C

0

4 20 Khe hở không khí ga m

Nhiệt độ môi trường

Bằng cách tính toán từng điểm, ta có bảng tính toán nhiệt độ của dầm chữ V ứng với

(V), Bảng 2.2 và các Hình 2.8-2.11. dải điện áp từ 5 25

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

STT

Nhiệt độ đỉnh dầm (0C)

Nhiệt độ trung bình trên dầm (0C)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Biên độ điện áp (V) 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25

32 53 86 129 179 236 298 364 432 503

Chuyển vị đỉnh hệ dầm ∆dy (m) 0.1 0.5 1.2 2.0 3.0 4.1 5.4 6.7 8 9.5

30 43 65 93 127 164 206 249 295 343

Nhiệt độ phân bố trên dầm

]

0 [ ộ đ

t ệ i h N

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

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

700

600

Đồ thị so sánh nhiệt độ Tmax của dầm chữ V

)

500

C

400

300

º ( ộ đ t ệ i h N

200

100

2.5

7.5

17.5

22.5

Mô phỏng Tính toán

12.5 Điện áp U (V)

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

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

Đồ thị so sánh kết quả chuyển vị của đỉnh dầm chữ V

)

m µ (

ị v

n ể y u h C

2.5

7.5

12.5

17.5

22.5

Mô phỏng Tính toán

Điện áp U (V)

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

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

a. Quá trình dẫn Hệ thống bánh răng được dẫn động bằng bốn bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V được

bố trí đối xứng (Hình 2.2). Sử dụng phương pháp tách cấu trúc, xét riêng một bộ kích

Fe

hoạt nhiệt dầm chữ V. Các lực tác dụng lên dầm như Hình 2.13b

Hình 2.13 Sơ đồ tính lực dẫn động

Phương trình cân bằng lực cho hệ dầm trên là:



 F



 0

 F

 

  

 

  F F   n

 n k d  b v

 F n

 F e

 F n

 F e

'd : Chuyển vị của đỉnh dầm chữ V theo phương ngang khi dẫn động (luôn

(2.50)

d là chuyển vị của đỉnh dầm chữ V khi tính toán);

 nF : Lực giãn nở nhiệt

bn là số cặp dầm chữ V;

 eF là lực đàn hồi của một cặp dầm chữ V;

có Với '  d

với lực đàn hồi ở cổ dầm;

của hệ dầm chữ V;  F là Nội lực xuất hiện tại mặt cắt A-A trên phần dẫn động dầm chữ V có giá trị bằng vk là độ cứng của dầm chữ V được xác định theo nguyên lý chuyển vị tương đương khi chịu một ngoại lực tác dụng lên thanh đẩy theo phương oy .

Mô hình đặt lực để xác định độ cứng tương đương của một dầm đơn như trên Hình 2.14. Trong đó, P là lực tác dụng tính trên một dầm đơn; X1, X2 lần lượt là phản lực theo phương ox và mô men phản lực liên kết được xác định theo điều kiện biên:



(l )  b bX (l )

  

( ) bl

và X( )bl

l . lần lượt là góc xoay và chuyển vị của dầm tại vị trí  b

(2.51) x Với

M x ( )



cos

 

sin

 

N x ( )



sin

 

X x 1 os



X c 1

  

Khi đó, biểu thức tính mô men uốn và lực dọc trục tại tọa độ x trên dầm như sau:

O’

(2.52)

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

y  

I 2 (12 cos

sin



)

3 Pl b  

2 Al b

Chuyển vị theo phương oy của đầu dầm nối với thanh đẩy được tính như sau:

(2.53)

I 2 (12 cos

2 AL

sin



)

Cuối cùng ta tính được độ cứng tương đương của hệ dầm theo phương oy như sau:



  3 l b

(2.54)

Thay các giá trị vào ta xác định được độ cứng của hệ n dầm:



6.233, 05



1398,3

vn k

µN/µm

Gọi d là chuyển vị của thanh răng, đơn giản hóa dầm quay để tính toán chuyển vị tại phần đặt lực dẫn động F (Hình 1.15).

   

 d d

r 1 r

Do vậy: (2.55)

r

440

µm: khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ kích hoạt hình

1040

 F F n k d



'  

F n k d



µm: là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến răng cóc. Trong đó: 1 r chữ V;

b v

r 1 r

Thế vào (2.50) ta có: (2.56)

Đối với thanh răng và vành răng dẫn động, các lực tác dụng được thể hiện trên

Hình 2.16. Trong đó:

( )u t ).

 F đóng vai trò là lực dẫn động (lực sinh để dẫn động vi động cơ khi đặt điện áp



elF : Lực đàn hồi của dầm (quanh điểm đàn hồi). 2fF : Lực ma sát giữa răng cóc dẫn và nền Si.



3fF : Lực ma sát giữa bánh răng dẫn và nền.



aF : Lực đàn hồi của cơ cấu chống đảo. 5fF : Lực ma sát giữa đỉnh của dầm chống đảo và bề mặt răng cóc.



Hình 2.16 Phân tích lực chu kỳ dẫn động

Hình 2.15 Sơ đồ tính chuyển vị

'd

Trong trường hợp răng của bánh răng dẫn được dẫn động bởi thanh răng cóc thì

(2.57) khoảng dịch chuyển d của thanh răng cóc thỏa mãn điều kiện sau: d

Với i là số nguyên i=1,2 3…, p=10 µm là bước răng cóc

Để thuận lợi, ta qui các lực trên về mô men dẫn và mômen cản. Khi đó mô men

dẫn động của vi động cơ được xác định bởi công thức sau:

M M M







M M - 4

f 4

(2.58)

Để cơ cấu có thể hoạt động được, mô men dẫn

dM phải lớn hơn các mô men cản và

mô men đàn hồi. Trong đó:

2,3,4)





dM : Mô men của lực dẫn động F fjM j (

: Mô men của các lực ma sát kể trên (tính quanh điểm đàn hồi). 

elM : Mô men đàn hồi của dầm dẫn động (quay quanh cổ đàn hồi O)



Trừ mô men của lực F đóng vai trò dẫn động trong cơ cấu, các mô men còn lại

đều là mô men cản. Các mô men được tính theo các biểu thức sau:



F r 1.

(2.59)

FM fM

f m r . .g. 2

(2.60)

fM

f m r . .g. 3 2

(2.61)

fM

f m r . .g. 4 3

(2.62)



F a

k h . r

r . os .

(2.63)

f

f F c . a

 M k d r .



(2.64)

k i p r . . . (2.65)

g

6 9,81.10

f 

0,3

Trong đó: µm/s2 là hệ số ma sát là gia tốc trọng trường;

m m m lần lượt là khối lượng của thanh răng cóc, bánh răng

giữa Silicon-Silicon;

r

2,88

khối lượng riêng của từng bộ phận);

pk

răng cóc;

6h

1220

r

vk );

dẫn và bánh răng bị dẫn (các khối lượng này được xác định gần đúng từ thể tích và 1040 µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến µN/µm là độ cứng của dầm quay cổ đàn hồi (được xác định tương µm khoảng cách từ điểm đàn hồi tự µm là chiều cao của răng cóc; 3

21,19

rk

(cổ đàn hồi) đến điểm tiếp xúc giữa bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn;

30  là góc

vk );

µN/µm là độ cứng của cơ cấu chống đảo (được xác định tương tự

r

440

1180

r

µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến đỉnh dầm bộ

µm là khoảng cách từ điểm đàn hồi đến tâm vành bánh răng

 9

0,2.10 9



0,3.0, 2.10 .9,81.10 .1040 0,612



nghiêng của răng cóc; 1 kích hoạt chữ V; 2 dẫn.Thay các các số liệu vào dễ dàng tính toán được các mô men lực cản như sau:

m 2

f m g r . . . 2

 8

m



0,3.1,55.10 .9,81.10 .1180 53,83



µNµm ( kg)

3 1,55.10

f m g r . . . 3 2

µNµm ( kg)

 9

4,27.10 9



0,3.4, 27.10 .9,81.10 .1220 15,331



m 4

f m g r . . . 4 3



r . os . 



0,3.21,19.6. os30.1220 40298,97



µNµm ( kg)

f F c . a

µNµm







M M - F

M M - 4

dM 

f 4







 

Fr M



k ip p

f 4

Thay vào (2.58) ta được:

F  



k ip p

f 4

1 r 1

  

  

(2.66)







F n

n k d b v

k ip p

r 1 r

f 4

1 r 1

  

  

Từ (2.56) và (2.66) ta có:



  F n

k ipr p

n k ip b v

f 4

r 1 r

1 r 1

  

  

(2.67)

Để vi động cơ hoạt động được thì ngoài điều kiện (2.58) cần phải đảm bảo mỗi

chu kỳ điện áp dẫn vành răng phải dịch chuyển được ít nhất 1 bước răng, tức là chuyển

     

r 1 r

r r 1

vị d ở đỉnh dầm quay phải lớn hơn 1 bước răng (2.57)

   



4, 23

(2.68)

r 1 r

440 1040

10.2,88.1040 29952



+ Với µm





173,17

µNµm, từ đó xác định được điều Từ công thức (2.44) và các phần tính toán bên trên ta xác định được giá trị biên độ điện áp tối thiểu là Umin=17,32V  k pr M k ip Mô men p

 th mal F

kiện (2.67) µN



6,3342



6334,2





173,17



 nF

Ứng với Umin=17,32V từ công thức (2.47) ta xác định được

Do dó ứng với điện áp Umin thỏa mãn điều kiện chuyển vị thì luôn thoả mãn điều

kiện về lực và mô men.

+Với i=2 ta tính toán tương tự và xác định được: Umin = 22,64V

'd khi dẫn động luôn nhỏ hơn chuyển vị d nên từ các

Do chuyển vị thực tế

điều kiện thực tế ta chọn các giá trị điện áp phù hợp.

+) Để hệ thống chuyển động được 1 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin =17,5V

+) Để hệ thống chuyển động được 2 bước răng cần điện áp tối thiểu là: Umin = 23V

b. Quá trình hồi vị

Trong chu kỳ hồi vị (khi điện áp dẫn bằng 0), do ảnh hưởng của lực đàn hồi của các

dầm, thanh răng cóc hồi về vị trí ban đầu và tác dụng một lực lên vành răng.

Hình 2.17 Sơ đồ phân tích lực trong kỳ hồi vị



 (

evF là

evF là lực đàn hồi của bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V;

n k b

Trong đó:

 F ev

 ' F  ev

phản lực đàn hồi: )

elF : phản lực đàn hồi:

 F el

 ' F  el

elF là lực đàn hồi của cổ dầm trên bộ kích hoạt ( nF là phản lực đàn hồi theo phương vuông góc với bề mặt răng của thanh răng cóc dẫn. 1fF là lực ma sát trượt giữa răng của thanh răng cóc dẫn và vành răng.

dhlxF là lực đàn hồi của lò xo theo phương oy được tính theo công thức sau:  .



dhlx

)

(2.69)

7, 43

lxk

Với:

   

  6

9, 5

3, 5

3,5





y 0

phỏng): µm ( µN/µm là độ cứng của lò xo theo phương oy (được xác định nhờ mô µm là độ nén của lò xo ban đầu lúc y



dhr

 . y r

(2.70)

2, 5

 ry

ăn khớp răng cóc) dhrF : lực đàn hồi của cổ thanh răng cóc dẫn: Với: µm là độ nén lớn nhất của thanh răng cóc dẫn khi trượt hai dãy răng

cóc.

4,88

rck

µN/µm là độ cứng của cổ thanh răng cóc (được xác địnhtheo mô phỏng).

Để hệ thống có thể hồi vị về vị trí ban đầu khi điện áp ( )u t ở nửa chu kỳ có biên độ

0U 0

thì:

F

1fF và

2fF

F el

- Ở thời điểm bắt đầu chu kỳ, lực đàn hồi thắng lực ma sát

1fF có thể tính theo công thức sau:

Lực







sin 

f F . n

' F ev

 ' f F el



(2.71)

 

sin 30

0,5



0,3f

 .sin f

 

0,3.0,5



0,15 1





  









' F ev

' F el

' F ev

' F el

F ev

F el







Ta có do: ; sin vậy từ (2.71) 

F el

F ev

Điểu này luôn thỏa mãn

- Thành phần lực Q theo phương y sẽ làm nén lò xo và tạo ra sự trượt của hai

Q F c 

. os









sin

c os  







sin 2



dãy răng cóc.

' F el

' F ev

' F el

' F ev

(2.72)







1 2

Điều kiện để rãnh răng cóc có thể hồi về vị trí ban đầu là:

Q F 



sin









sin



dhlx

dhr

dhlx

dhr

' F el

 ' f F el





sin 2





f 2 sin









 

' F el

' F ev

dhlx

dhr

(2.73)







 









' F   el

' F ev

Vậy từ (2.71) ta có: 

 ' F   el



 sin 2

dhlx 

dhr f 2 sin



dhlx 

dhr f 2 sin



 

i p . .





n k b v

r 1 r

 sin 2   sin 2

dhlx  f

dhr 2 sin



   k  

  





F 

dhlx 

 F dhr 2 sin f

  i

 2 1 sin 2 p



n k b v

 r 1 r

     

     

0,612

(2.74)

30  ;

10p





7, 43.9, 5



4,88.2, 5



82, 79

fF

dhr

dhlx

2g

1398,3

2,88

Thay µN; µN;

r

1040

440

b vn k 

pk

r 1

µm; µm; µN/µm; µN/µm; µm; µm

vào (2.74) ta được





0,612



 2 sin 2

F 

dhlx 

 F dhr 2 sin f

2.82,79 

2.0,3.sin 30

sin 60





0, 039

1 p

1 10



2,88 1398,3.



n k b v

 r 1 r

440 1040

     

     

     

     

Vậy luôn luôn thỏa mãn điều kiện (2.74).

Kết hợp cả điều kiện dẫn và điều kiện hồi vị ta có



17,5

min

+) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 1 bước răng là: V

 V 23

min

2.3 Cải tiến cơ cấu dẫn động của vi động cơ

+) Điện áp tối thiểu để hệ thống chuyển động được 2 bước răng là:

Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo vi động cơ cải tiến

Đối với vi động cơ có thiết kế và tính toán như trên (Hình 2.2), 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. 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 điện áp dẫn.

Sơ đồ cấu tạo của vi động cơ cải tiến được chỉ ra như Hình 2.18. Trong đó: (1) -

Các điện cực cố định; (2) - Hệ thống dầm chữ V; (3) - dầm đàn hồi ; (4) - Thanh răng

cóc; (5) - vành răng (Rotor); (6) - Cơ cấu chống đảo; (7) - Cơ cấu định vị rotor

Đối với các thiết kết này, ta giữ nguyên các kích thước cơ bản thì có thể tăng

được chiều dài các dầm chữ V lên đến 450m, và theo tính toán khảo sát như bên trên

thì điện áp dẫn tối thiểu là 16V (ứng với i=1) và 21,35V (ứng với i=2)

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

2.4.1 Tổng quan về công nghệ MEMS

MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) là một thuật ngữ được đưa ra tại

Mỹ vào những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ XX [74]. Thuật ngữ này dùng để chỉ tới

các thiết bị mà kích thước chiều dài của nó cỡ vài micro-mét tới vài mili-mét. Chúng là

sự kết hợp của cả các linh kiện cơ khí, điện tử được chế tạo bằng công nghệ vi gia công

[3], [6]. Ở châu Âu cùng thời gian này người ta gọi các thiết bị trên với tên gọi khác là

hệ thống vi cơ (MST-Microsystem Technology). Hình 2.19 chỉ ra kích thước của các

thiết bị MEMS so với kích thước các thiết bị khác trong thế giới vi mô và vĩ mô [74].

Các thiết bị MEMS đang là những hướng nghiên cứu cũng như ứng dụng có nhiều tiềm

năng trong thực tế.

MEMS là một công nghệ tích hợp, phát triển từ công nghiệp mạch điện tử IC

(Intergrated-Circuit) kết hợp với các qui trình vi chế tạo (Microfabrication) cấu trúc ba chiều dựa trên các kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Tất cả các thành phần gồm mạch điện, bộ nhớ, cảm biến và bộ kích hoạt đều được tích hợp trên một chíp duy nhất và hệ thống này cho phép chuyển đổi tín hiệu vào (điện, nhiệt, cơ, quang…) thành các tín hiệu vật lý khác [6]. Ví dụ về thiết bị MEMS được tích hợp trên cùng một chíp điện tử IC được chỉ ra trên Hình 2.20.

Đường kính trái đất

Đơn vị thiên văn học

Năm ánh sáng

102

104

106

108

1010

1012

1014

1016

1018

1020

Chiều tăng kích thước

Chiều giảm kích thước

10-16

10-14

10-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

Đường kính proton Đường kính nguyên tử Sợi tóc

Con người

NEMS

MEMS

Thiết bị của con người

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

Như vậy, hệ thống vi cơ điện tử - MEMS có thể nói là hệ thống tích hợp các

phần tử cơ khí, cảm biến, bộ kích hoạt và các cấu kiện điện tử, được sản xuất bằng các

công nghệ vi cơ. Các đặc trưng cơ bản của một hệ sản phẩm MEMS là kích thước nhỏ

và khối lượng nhẹ, đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc

các cấu trúc khác nhau, độ nhạy, độ tin cậy cao, có tính lặp lại và giá thành hạ do có

Cảm biến

Bộ kích hoạt

Vi mạch

thể chế tạo hàng loạt [3].

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

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

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

Nhiều loại linh kiện MEMS khác nhau đã được nghiên cứu và phát triển trên cơ sở của 3 công nghệ MEMS chính. Công nghệ vi cơ khối (bulk micromachining) dựa

trên quá trình ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng khối vật liệu Si hoặc SiO2. Công nghệ gia công bề mặt (surface micromachining) tạo cấu trúc từ các lớp màng mỏng. Công

nghệ gia công bằng tia X (LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung) dựa trên

kỹ thuật quang khắc dùng tia X, điện hóa để tạo khuôn [3]. Trong đó, phương pháp gia

công khối (Bulk-micromachining) là phương pháp truyền thống, phát triển sớm, đơn giản, chi phí thấp và được sử dụng phổ biến trong các trường đại học, viện nghiên cứu.

Trong đề tài này, tác giả lựa chọn nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo vi động cơ

bằng công nghệ vi cơ khối.

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

Để có thể tạo ra các vi cấu trúc trên bề mặt tấm silicon, việc đầu tiên cần làm là thiết kế và chế tạo mặt nạ (photo mask). Việc chế tạo mặt nạ phụ thuộc vào loại máy và điều kiện gia công. Với thiết bị thí nghiệm ở viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật

2g 0

liệu (ITIMS) có thể chế tạo khe hở nhỏ nhất µm, vì thế việc thiết kế mặt nạ tuân

theo nguyên tắc này để đảm bảo không dính các phần với nhau [16], [75],[76]. Bản thiết kế được thiết lập nhờ công cụ vẽ (CAD –Computer Aided Design) trên phần mềm

L-edit 8.3. Các vi động cơ được thiết kế đặt trên tấm SOI (Silicon On Insulator) có đường kính 100 mm, mỗi vi động cơ được thiết kế có kích thước 5x5 mm2 như Hình 2.21.

Trên Hình 2.22 là sơ đồ tóm tắt các bước chính của quy trình gia công các vi

động cơ. Có thể chia quy trình thành 5 bước chính gồm chuẩn bị, quang khắc, ăn mòn

D-RIE, cắt chíp và ăn mòn bằng hơi HF (Hydrofluoric acid) [16], [75], [76].

Hình 2.22 Tóm tắt quy trình chế tạo vi động cơ

Bước chuẩn bị

Phiến SOI được sử dụng cho quá trình gia công là phiến có lớp silic linh kiện nằm

trên lớp điện môi SiO2 (Hình 2.23). Một phiến SOI gồm có 3 lớp:

(cid:0) Lớp Si (lớp linh kiện): dày khoảng 30 – 50 µm (cid:0) Lớp SiO2 đệm: dầy khoảng 4 µm

(cid:0) Dưới cùng là đế silic: dầy khoảng 450 – 500 µm

Sau đó, phiến SOI được làm sạch bằng các hóa chất như axêtôn hoặc có thể là axit sunfuric (H2SO4) để loại bỏ các tạp chất bám trên bề mặt. Tiếp theo tiến hành sấy ở nhiệt độ khoảng 1200C để làm khô phiến SOI.

Hình 2.23 Phiến silic kép SOI

Quá trình quang khắc Quá trình quang khắc được thực hiện nhằm đưa hình ảnh của các linh kiện lên

trên bề mặt phiến SOI (Hình 2.24 - www.bs.ac/physics/fabrication).

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

Trong công nghệ vi cơ điện tử MEMS, vật liệu cảm quang (photoresist) được

sử dụng trong kỹ thuật quang khắc. Trong đó, nhiệm vụ của lớp vật liệu cảm quang là

để sao chép hình dạng các cấu trúc của linh kiện được thiết kế, vốn đã được tạo trên

mặt nạ quang (photomask). Đồng thời, lớp vật liệu cảm quang cũng đóng vai trò là lớp

bảo vệ cho các vật liệu được che phủ ở phía dưới. Vật liệu cảm quang là hợp chất hữu

cơ nhạy sáng (ánh sáng cực tím UV- Ultraviolet). Dưới tác động của ánh sáng, thành

phần hoặc cấu trúc của vật liệu cảm quang bị biến đổi dẫn đến có thể bị hòa tan (cảm quang dương) hoặc không hòa tan (cảm quang âm) trong các hóa chất thích hợp (chất

hiện hình – developer), thường là các dung dịch dạng kiềm.

Hình 2.25 Quá trình định dạng cấu trúc trên phiến SOI

Có thể chia quá trình quang khắc thành các bước chính sau:

- Phủ chất kết dính OAP để đảm bảo lớp vật liệu cảm quang liên kết tốt với bề

mặt phiến SOI.

- Phủ một lớp vật liệu cảm quang (photoresist) lên bề mặt phiến SOI bằng

phương pháp quay phủ (Hình 2.25a).

- Ủ sơ bộ làm bay hơi dung môi có trong vật liệu cảm quang.

- Thực hiện chiếu sáng bằng chùm tia cực tím cường độ lớn qua một mặt nạ có hình dạng và kích thước như thiết kế của vi động cơ xuống lớp cảm quang. Do sử dụng cảm quang dương nên phần không được mặt nạ che chắn sẽ bị phân rã (Hình 2.25b).

- Tiến hành hiện hình trong dung dịch (tetramethyl ammonium hydroxide 2%)

để nhận ảnh cấu trúc linh kiện trên bề mặt đế.

- Ủ đóng rắn lớp cảm quang để tạo lớp bảo vệ cho các bước công nghệ tiếp theo

(Hình 2.25c).

Quá trình ăn mòn ion hoạt hóa sâu D-RIE

Ăn mòn khô (Dry etching) là một trong hai kỹ thuật ăn mòn cơ bản trong công

nghệ MEMS bên cạnh kỹ thuật ăn mòn ướt (Wetetching) truyền thống sử dụng các

dung dịch dạng kiềm (KOH, TMAH …). Về cơ bản, ăn mòn khô có nguyên lý dựa trên

cơ chế vật lý (va đập của các ion), cơ chế hóa học (phản ứng của các ion/nguyên tử khí hoạt hóa), hoặc kết hợp cả hai cơ chế trên. Các ion khí được tạo ra trong môi trường

plasma gây bởi quá trình ion hóa do va chạm. Trong nghiên cứu này, để ăn mòn silic

tạo cấu trúc linh kiện, phương pháp ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu D-RIE trên cơ sở cơ

chế ăn mòn hóa lý đã được ứng dụng.

Đối với phương pháp ăn mòn khô sâu, để tạo ra các cấu trúc MEMS 3D do ăn

mòn sâu vào trong đế, chúng ta thường sử dụng quy trình gồm hai bước: ăn mòn và

phủ lớp bảo vệ. Các bước trên được lặp lại nhiều lần cho đến khi độ sâu ăn mòn đạt đến giá trị hoạch định. Khi chế tạo các vi động cơ, để thực hiện bước ăn mòn, khí SF6 (sulfur hexafluoride) đã được sử dụng. Khi plasma hình thành trong buồng phản ứng, + hay SF5 và điện tử như khí SF6 bị ion hóa hoặc phân ly thành nguyên tử Flo, ion SF5 trong phương trình dưới đây:

++ F*+2e- SF6+ e- SF5

SF6+ e- SF5+ F*+e-

Nguyên tử F* có tính hoạt hóa cao khi bay tới bề mặt đế silic sẽ phản ứng với

silic tạo ra quá trình ăn mòn hóa học:

Si (rắn)+4F (khí)  SiF4(khí)

Sản phẩm sau phản ứng hóa học SiF4 ở dạng khí sẽ bị hút ra khỏi buồng phản ứng nhờ hệ bơm chân không. Kết quả của quá trình ăn mòn là hình thành các rãnh/hốc

sâu vào trong đế silic (Hình 2.26a).

Do quá trình ăn mòn thực hiện trên cơ sở phản ứng hóa học nên có tính đẳng

hướng, nghĩa là vật liệu bị ăn mòn với tốc độ như nhau theo mọi phương. Chính vì vậy

để tạo hốc ăn mòn có kích thước ngang xác định cần phải tiến hành bước phủ lớp bảo vệ (lớp thụ động) trên bề mặt các vách của hốc ăn mòn. Trong bước này, khí C4F8 (Octafluorocyclobutane) đã được sử dụng. Trong môi trường plasma, khí C4F8 bị phân ly thành C3F6 dễ bay hơi và CF2: C4F8+ e- C3F6+ CF2+ e-

Các phân tử khí CF2 hấp thụ trên bề mặt hốc ăn mòn và bị polyme hóa dẫn tới

hình thành lớp bảo vệ có dạng giống polyme teflon (Hình 2.26b). nCF2(CF2)n + trong Lớp polyme (CF2)n sẽ được bóc đi nhờ quá trình va đập của dòng ion SFx bước ăn mòn tiếp theo. Do quá trình ăn mòn ion có tính dị hướng cao (chủ yếu theo

phương vuông góc với bề mặt phiến SOI do tác dụng của điện trường) nên tốc độ tẩy

bỏ lớp polyme ở đáy hốc ăn mòn là lớn nhất, trong khi lớp polyme ở thành hốc ăn mòn vẫn được giữ lại để bảo vệ vách. Nếu khi đó khí SF6 được đưa vào buồng phản ứng, quá trình ăn mòn sẽ được thực hiện (Hình 2.26c).

Hình 2.26 Quá trình ăn mòn khô D-RIE

Như vậy, bằng việc lặp lại nhiều lần hai bước ăn mòn và phủ lớp bảo vệ, quá trình ăn mòn thẳng đứng sâu xuống đế sẽ được thực hiện. Một đặc điểm cần chú ý là vách của hốc ăn mòn có dạng nhấp nhô như lớp vỏ sò (scalloping). Để khống chế độ

nhám bề mặt của vách ăn mòn gây bởi hiện tượng trên, cần thay đổi các thông số công

nghệ thích hợp đối với quá trình ăn mòn và phủ lớp bảo vệ. Quá trình ăn mòn tạo cấu trúc linh kiện sẽ dừng lại khi hốc ăn mòn sâu xuống chạm tới bề mặt lớp SiO2. Kết quả là ta nhận được cấu trúc linh kiện như trên hình 2.26d.

Tiếp theo, một lớp chất cảm quang được phủ lên phiến SOI bằng phương pháp quay phủ để bảo vệ các cấu trúc linh kiện đã chế tạo để tránh bị hỏng hóc trong quá

trình cắt phiến thành từng chíp nhỏ.

Sau khi cắt phiến SOI thành từng chíp, ta sẽ dùng dung dịch đặc biệt để tẩy rửa một phần lớp cảm quang rồi tẩy sạch hoàn toàn bằng dung dịch H2SO4 loãng. Cuối cùng chíp được sấy khô ở nhiệt độ khoảng 1000C trong 10÷20 phút để chuẩn bị cho quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (vapor HF etching).

Quá trình ăn mòn bằng hơi axit HF (Vapor HF etching)

Mục đích của quá trình này là ăn mòn lớp SiO2 nằm dưới các cấu trúc linh kiện được thiết kể để có thể chuyển động sau khi ăn mòn khô (D-RIE). Quá trình ăn mòn

được thể hiện thông qua phương trình phản ứng, hình 2.27.

SiO2+6HF=H2+SiF6+2H2O

Hình 2.27 Quá trình ăn mòn trong hơi axit HF

Các chíp cần ăn mòn được để lên một giá đỡ. Axit HF được đựng trong bình phía dưới. Cả giá và bình thông thường được làm từ nhựa teflon (có khả năng chống lại sự ăn mòn của HF). Axit HF nồng độ 40% được gia nhiệt lên khoảng 40 - 500C, khi đó hơi axit sẽ bốc bay mãnh liệt lên các chíp đặt ở trên giá và gây ra quá trình ăn mòn lớp đệm SiO2. Tốc độ ăn mòn SiO2 trong hơi HF khoảng 0,2 µm/phút. Các sản phẩm sau phản ứng là H2 và SiF6 sẽ được hút ra ngoài.

Sau quá trình ăn mòn trong hơi HF, các chíp được sấy khô ở nhiệt độ 100 -

Phần di động

Phần cố định

Lớp Si nền

1200C trong khoảng 10 phút và đã sẵn sàng cho các bước kiểm tra, đo đạc tiếp theo.

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

2.5 Kết quả chế tạo bước đầu

Các vi động cơ sau khi được chế tạo sẽ được chụp ảnh và khảo sát bằng kính

hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Dưới đây là một số hình

ảnh chụp của các chip vi động cơ kiểu 1 và kiểu 2. Kết quả khảo sát cho thấy các cấu

trúc linh kiện không bị dính (do chưa ăn mòn hết) hoặc bị gãy. Lớp cảm quang bảo vệ cấu trúc cũng như lớp SiO2 đệm dưới các chi tiết có thể chuyển động đã được loại bỏ hoàn toàn. Các thành phần của vi động cơ có độ sắc nét cao, hình dạng và kích thước

của các thành phần đúng như bản thiết kế ban đầu.

Trên Hình 2.29 là hình chụp SEM của vi động cơ quay kiểu 1, ngoài hệ thống

tổng thể, có thể thấy rõ các cơ cấu truyền chuyển động, cơ cấu chống đảo cũng như các

điểm đàn hồi của dầm mang hệ thống dầm chữ V và vị trí ban đầu chưa kích hoạt giữa

dầm trong cơ cấu chống đảo với các răng cóc của vành răng rotor bên ngoài. Tương tự, trên Hình 2.30 là hình ảnh vi động cơ kiểu 2 cùng các cơ cấu đi kèm. Ở kiểu 2 đã cải tiến phần thanh răng cóc với vành răng ngoài đảm bảo tiếp xúc tốt và khắc phục khe hở ban đầu trong khi chế tạo.

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

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

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

Tham số Đơn vị Giá trị

Vi động cơ kiểu 1 Vi động cơ kiểu 2

Đường kính ngoài rotor mm 2,5 2,5

Số răng cóc trên rotor răng 720 720

Chiều dài dầm chữ V µm 320 450

Biên độ điện áp dẫn tối thiểu V 17,5 16

Dải tần số làm việc Hz  30  30

Dải tốc độ quay Vòng/phút 0,085 0,085

Công suất đầu ra mmW 250 250

2.6 Kết luận chương 2

Nội dung chương 2, tác giả đã tính toán, thiết kế, chế tạo thử nghiệm 02 mẫu vi động

cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V:

 Vi động cơ thiết kế có đường kính rotor 2,5 mm được chế tạo trên các chíp có

kích thước 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. Biên độ điện áp dẫn tối thiểu U0=17,5 V chuyển vị 1 răng cóc/ chu kỳ; U0=23 V chuyển vị 2 răng cóc/ chu kỳ.

 Đối với vi động cơ cải tiến (Hình 2.30), ta giữ nguyên các kích thước cơ bản và

các thông số đầu ra thì có thể tăng được chiều dài các dầm chữ V lên đến 450 m (kiểu

cũ là 320 m) do đó giảm được biên độ điện áp dẫn tối thiểu U0=16 V chuyển vị 1 răng cóc/ chu kỳ; U0=21 V chuyển vị 2 răng cóc/ chu kỳ.

 Có thể giảm được điện áp dẫn khi giảm kích thước bước răng cóc p . Nhưng

điều này có thể dẫn đến khó khăn khi chế tạo và có thể gây ra hiện tượng trượt giữa bề mặt vành răng dẫn và răng cóc khi hoạt động. Do đó tốc độ và mô men dẫn của vi động cơ sẽ bị giảm.

 Giới thiệu tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử MEMS và các công nghệ gia

công

 Xây dựng bản vẽ chế tạo mặt nạ chủ (Mask) bằng phần mềm L-Edit. Nguyên lý xây dựng bản vẽ đã được mô tả chi tiết. Các bản vẽ hệ thống vi động cơ được xây dựng

dưới dạng mô đun và lớp, có tính kế thừa, giúp cho việc sửa chữa và cải tiến được

thuận tiện. Việc xây dựng bản vẽ tuân thủ chặt chẽ các quy trình chế tạo của công nghệ

MEMS, đảm bảo tính chính xác và khả thi cho việc làm mặt nạ.

 Thiết lập qui trình chi tiết gia công các vi động cơ sử dụng công nghệ gia công vi cơ khối (bulk micromachining) bao gồm quá trình quang khắc, ăn mòn khô ion hoạt

hóa sâu DRIE và ăn mòn bằng hơi axit HF... Đây là một qui trình chuẩn, dễ thực hiện,

dễ thành công và có độ ổn định cao, đồng thời đảm bảo độ chính xác khi chế tạo. Do chỉ sử dụng 1 mặt nạ nên tránh được sai số căn chỉnh, góp phần giảm chi phí chế tạo

các vi động cơ.

 Kết quả chế tạo bước đầu của một số mẫu vi động cơ, hình ảnh chụp SEM cho thấy độ sắc nét kết cấu và kích thước các chi tiết tương đối chính xác, phù hợp với tính toán thiết kế. Các bộ kích hoạt có cấu trúc đồng đều nhau và hoạt động tốt trong dải tần

số từ 130 Hz.

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỌC LẶP CHO VI ĐỘNG CƠ

3.1 Mô hình toán học của vi động cơ

Như đã trình bay ở mục 2.1, vi động cơ được dẫn động bởi 4 bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V. Các bộ kích hoạt này có cấu tạo, thông số giống hệt nhau, đặt

 2

lệch nhau trong không gian 1 góc và được cung cấp nguồn đồng bộ nhau (Dạng điện

áp, tần số và góc pha đầu giống nhau). Như vậy ta có thể coi vi động cơ là một hệ thống bốn cơ cấu kích hoạt, nhiệm vụ thiết kế là xây dựng bộ điều khiển cho các bộ kích hoạt làm việc đồng bộ với nhau.

Nguyên lý biến đổi năng lượng trong các bộ kích hoạt gồm hai quá trình chính: Giai đoạn chuyển đổi tín hiệu điện (dòng điện, điện áp) thành nhiệt độ đốt nóng các dầm đơn, được gọi là quá trình Điện – Nhiệt. Khi hệ dầm nóng lên, chúng giãn nở tạo ra chuyển vị và lực, được gọi là quá trình Nhiệt – Cơ (Hình 3.1).

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

3.1.1 Mô hình Điện - Nhiệt

Do hệ dầm gồm

bn dầm song song, hai đầu được nối cứng với nhau thông qua các điện cực (bond pad) và thanh trượt (shuttle) nên ta giả thiết sự phân bố nhiệt trong các dầm ở các vị trí tương tự nhau sẽ giống nhau, quá trình giãn nở nhiệt giữa các dầm bn chỉ làm tăng độ cứng và tăng lực nhiệt của hệ dầm. Quá trình truyền nhiệt, giãn nở nhiệt của các cặp dầm là như nhau, do đó mô tả toán học của hệ dầm tương tự như của 1 cặp dầm đơn.

là tương tự nhau. Do đó việc thiết kế

Quá trình chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt chính là quá trình truyền nhiệt trong dầm mảnh như mô tả bởi phương trình (2.3), chương 2. Ta có thể nhận thấy đây là phương trình vi phân bậc 2 thông số dải. Nhiệt độ  ngoài việc phụ thuộc và biến thời gian t , biến không gian x nó còn phụ thuộc và hệ số truyền nhiệt của vật liệu

( )

sk  và điện trở suất của vật liệu t  . Để đơn giản trong việc đưa mô hình về các dạng mô tả quen thuộc, ta phân tách mỗi dầm đơn thành k phân đoạn có chiều dài

l b



. Coi mỗi phân đoạn là đồng nhất, nguồn nhiệt là tập trung, hình 3.2.

Hình 3.2 Mô tả nguyên lý hoạt động của dầm đơn

(1)







(1)

 b

(2)

q b

(1)

 d b dt

1 R

1 C b

(1)

1 R b w

(2)

   

    b 

   

(2)







 b

(1)

(2)

 b

(3)

q b

(2)

 d b dt

(1)

(2)

1 R b w

(3)

   

    b 

     1  C R   b

   

Khi cấp nguồn cho hệ dầm, có dòng điện chạy qua và hệ dầm bị đốt nóng. Quá trình truyền nhiệt trong dầm đơn lúc này trở thành quá trình truyền nhiệt qua các vách có chiều dày kl và tiết diện wb bt hệ phương trình truyền nhiệt được mô tả như sau

 d









b k (



(

 s

q b k (

)

b k ( ) dt

bb k (



bb k (

)

1 R b

bb k (

)

  )   

   

 1  C R   b

   









b k (

)

 d s dt

bb k (

)

1 R b

   

    s 

 1 1  C R   s bs

   

                 

(3.1)

b k là nhiệt độ tại phân tố thứ k của dầm đơn (beam)

( )

Trong đó:

s là nhiệt độ thanh trượt (shuttle)

bC và

sC là nhiệt dung của các phân tố dầm đơn và thanh trượt



;



l t Dc C b k b

l t Dc s n s

1 2

l s



;

R lần lượt là nhiệt trở giữa phân tố dầm và điện cực (Beam-

pR R ;

k ( )

s b

(3.2)

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



;



;



bb k ( )

R bs

bb k (

)

l k  ( ) 0

t b b

l k  ( ) k

w t b b

;

bwR R là nhiệt trở giữa dầm với chất nền (Beam- substrate) và giữa thanh

s w

(3.3)



;



g a k w l S a b k

g a k w l S a s n

bS và

sS là hệ số hình học của dầm và thanh trượt:

trượt với nền (Shuttle- substrate)







g 2 t

t b w b

t s w s

  

       Nhiệt lượng do dòng điện bi sinh ra trong các

   2 i b

b r s

2 i s

r s

q b k ( )

2   r i b k ( b

);

i u

(3.5)

i b

  i s

n b

phân tố dầm thứ k và trong thanh trượt ( ; ui dòng điện ứng với biên độ

điện áp nguồn).



)

;

)

 r b k (

)

  ( t k

  r s

  ( t k

l k w

t b b

w s l t 2 n s

(3.6)

 là điện trở của các phân tố dầm đơn thứ k và thanh trượt;

 r b k

( ) ,

r s hở không khí giữa hệ dầm với nền; w , b

t b

,w , s

( )

Với

ag khe t lần lượt là chiều rộng, chiều cao của s ak là hệ số dẫn nhiệt của không

sk  là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (silic);

các dầm;

,pc D : nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của hệ dầm (silic).

khí (là hằng số);

i Hệ phương trình (3.1) có thể viết dưới dạng ma trận

2 b

Đặt





 ( ) B u

  ( ) b

 d b dt

(3.7)







1 R

(1)

1 R b w

(2)

   

   







(2)

1 R b

(1)

   

   

 ( )









1 C b



1 R b

bb k (

 1)

bb k (

)

bb k (

)

   

   





C b C R s

bb k (

)

1 R b

 1 C b  C R  s bs

  

               

               

Với:

(1)



(2)



 ( )



(3.8)



 r b C b   



)



 r b k ( C b



 r b  C  b           

            r s  C  s

(1)

(2)

u u k 



 ;



;



(3.9)

 d b dt  d b dt 

 d dt

 d

)

  b    (2) b      (k) b    s

       

       

       

( b k dt  d s dt

            

            

(3.10)



(



)







(1)



(

)









l  k l  k

l   b l k l   b l k

(2)

 0  0

 b  b

(2)

 0  0

(2)

 b  b

3.1.2 Mô hình Nhiệt - Cơ Khi các phân tố dầm bị đốt nóng, chúng sẽ giãn nở và tạo ra chuyển vị của thanh trượt. Độ chênh nhiệt giữa các phân tố dầm với nhiệt độ môi trường và sự giãn nở dài của từng phân tố dầm











)

(

 0

(k)

 0

(k)

b k ( )     0 s

        ( ) b k     s





)

 l

w ( s

   s 0

        l k    

l   b l k 1 2



và (3.11)

x  ( ) k

l   k k ( )

l 0  l k

 

x C

Đặt ta có phương xác định sự giãn nở dài của dầm đơn

(3.12)

 

l k 0 

0 0 

Với:

x  

;



 l

0 0 l 0 k    

l k



x   (1)   x   ( 2)      x   ( k )   x   s

        

0 w s 2

        

(3.13)

3.1.3 Mô hình toán học bộ kích hoạt dạng dầm chữ V Kết hợp (3.7) và (3.12) ta có hệ phương trình vi phân trạng thái mô tả quá trình





 ( ) B u

  ( ) b

truyền nhiệt và sự giãn nở dài của dầm đơn:

 b

 d  b  dt    x C 

(3.14)

 

Sự giãn nở của cả dầm đơn được xác định:

l    l b k

(1)

l   k

( 2)

l    ... k k ( )

l n

(3.15)

Chuyển vị của hệ dầm theo phương oy : Do hệ dầm song song, nên chuyển vị

 sl độ giãn nở

1 2

của hệ dầm chính là chuyển vị của 1 dầm đơn  yd (hình 2.6) cộng với





của thanh trượt theo phương y (coi thanh trượt giãn đều về 2 phía).







 

  d y

l b

  l b

l cos b

l sin b

  d





 

(3.16)







 

l b

  l b

l cos b

l sin b

1 2

(3.17)

Nhận xét:

p 

i 

ip

  d

µm, (

( )

hệ dầm được xác định phải thỏa mãn (biểu thức (2.68)). Từ hệ phương trình (3.14) ta có thể thấy đối tượng được mô tả bởi hệ song tuyến (Bilinear System), việc phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển cho những đối tượng này là tương đối phức tạp, trong khi các thiết bị MEMS thường yêu cầu các bộ điều khiển đơn giản, nhỏ gọn hơn. Như đã phân tích ở mục 2.2.4, vành răng dẫn (rotor) của vi động cơ được dẫn động bởi các răng cóc. Để vi động cơ có thể hoạt động được, ngoài việc hệ thống dẫn động phải tạo ra mô men lớn hơn các mô men cản thì trong mỗi chu kỳ điện áp dẫn, chuyển vị của thanh răng cóc phải đảm bảo lớn hơn ít nhất ) tức là chuyển vị d theo phương oy của một bước răng d 1, 2,... 1r r





 A b

Bu k

 b

 d  b  dt    x C 

Nói cách khác mô hình (3.14) luôn cần tìm nghiệm ở những điểm làm việc tương ứng, do đó bằng việc tính toán giải tích ta hoàn toàn có thể xác định được nhiệt độ phân bố tại các vị trí trên dầm ứng với các điểm làm việc này. Như vậy, các tham số sk  và t  có thể được coi là hằng số tại các vùng làm việc tính toán. Hệ phương ( ) trình (3.14) được đưa về dạng mô hình đối tượng tuyến tính tham số hằng. Việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống sẽ trở nên đơn giản hơn.

(3.18)

3.2 Giới thiệu về điều khiển học lặp

Nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều khiển có thể phân loại thành 2 dạng cơ bản đó là ổn định hóa và nâng cao chất lượng điều khiển. Đối với bài toán nâng cao chất lượng điều khiển thì tín hiệu đầu ra càng gần với quỹ đạo mong muốn càng tốt. Ở đây khái niệm “gần” được xác định nhờ các tiêu chuẩn hoặc công cụ tối ưu nào đó. Mặc dù lý

thuyết điều khiển đã cung cấp cho chúng ta nhiều bộ công cụ để giải quyết các vấn đề này. Tuy vậy, không phải lúc nào cũng cho kết quả theo yêu cầu thiết kế mong muốn. Điều này có thể do thiếu mô hình động học, các tham số của mô hình chưa chính xác, điều kiện hoạt động chưa được mô tả đầy đủ trong quá trình thiết kế hoặc thiếu kỹ thuật thiết kế cho một công nghệ cụ thể.

Đối với các phương pháp điều khiển truyền thống, cách chọn các tham số của bộ điều khiển và chất lượng điều khiển phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình toán học. Trong khi lớp đối tượng đang khảo sát có mô hình tương đối phức tạp, khi phân tích, thiết kế bộ điều khiển ta thường phải đưa mô hình về dạng gần đúng điều đó có thể dẫn tới kết quả tính toán, mô phỏng khác nhiều so với thực tế. Một khó khăn lớn nữa là khi sử dụng các bộ điều khiển thông thường để có chất lượng tốt nhất thiết phải xác định được tín hiệu phản hồi để so sánh và hiệu chỉnh hệ thống.

Điều khiển học lặp (ILC - Iterative Learning Control) là một bổ sung tương đối mới vào bộ công cụ của các nhà thiết kế điều khiển, đặc biệt khắc phục một số vấn đề liên quan đến độ chính xác của mô hình và phản hồi tín hiệu đầu ra. ILC được biết đến là bộ điều khiển thông minh (có khả năng học, ghi nhớ) áp dụng cho các đối tượng làm việc có tính chu kỳ lặp lại và đã được ổn định hóa. Trong quá trình thiết kế, không nhất thiết phải có mô hình toán chính xác vì lúc này mô hình toán chỉ dùng để khảo sát tính ổn định và lựa chọn sơ bộ các tham số ban đầu của bộ điều khiển. Bộ điều khiển vòng hở (do đó không cần tín hiệu phản hồi trực tiếp), nhưng vẫn mang tính bền vững và cho chất lượng tin cậy do nó có tính “học”, “ghi nhớ” các dữ liệu từ quá khứ.

ILC là phương pháp điều khiển hệ thống thực hiện nhiệm vụ lặp đi lặp lại nhiều lần và chất lượng được cải thiện bằng cách “học” từ các chu kỳ hoạt động trước đó (thử nghiệm, lặp lại, cải thiện) [77]. Chẳng hạn, một cầu thủ bóng rổ thực hiện cú ném từ một vị trí cố định vào lưới. Trước khi cầu thủ này ném bóng anh ta sẽ hình dung ra quỹ đạo bay của trái bóng, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quỹ đạo này rồi thực hiện luyện tập ném bóng lặp đi lặp lại nhiều lần. Trong mỗi lần ném, cầu thủ bóng rổ quan sát quỹ đạo của trái bóng và lên kế hoạch thay đổi điều chỉnh quỹ đạo chuyển động cho lần ném tiếp theo. Khi người chơi luyện tập thành thục, chuyển động chính xác được “học” và lưu vào bộ nhớ mỗi lần gặp tình huống tương tự vậy, người chơi thực hiện động tác theo phản xạ với những thông tin đã được ghi nhớ trong quá trình luyện tập.

Đặc điểm của các bộ điều khiển ILC là điều khiển vòng hở thông qua sự lặp lại, hiệu chỉnh để chất lượng được hội tụ. Chúng ta xem xét các bộ điều khiển học lặp cho các hệ thống thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại và có cùng một điều kiện hoạt động.

Đối với các hệ thống như vậy, nếu sử dụng các bộ điều khiển không có tính “học” thì lại sai lệch là như nhau cho mỗi lần lặp và sai lệch không được sử dụng để tính toán, hiệu chỉnh cho các lần thực hiện tiếp theo. Mục tiêu của ILC là cải thiện chất lượng bằng cách kết hợp dữ liệu từ thông tin sai lệch, thông tin đầu vào của các lần lặp trước để điều khiển cho các lần lặp lại tiếp theo. Với phương pháp này, chất lượng điều khiển có thể đạt được với sai lệch nhỏ mặc dù mô hình của hệ thống có thể không tường minh và có nhiễu lặp lại.

ILC khác với các phương pháp điều khiển học khác như điều khiển thích nghi, mạng nơ-ron hay điều khiển lặp (RC - Repetitive Control). Phương pháp điều khiển thích nghi là điều chỉnh thông số hoặc cấu trúc của hệ thống điều khiển để thích nghi với sự thay đổi của mô hình đối tượng, điều kiện làm việc. Trong khi đó, ILC thực hiện thay đổi tín hiệu điều khiển dựa vào sai lệch và tín hiệu đầu vào ở các chu kỳ trước [77]. Ngoài ra các bộ điều khiển thích nghi thường không sử dụng thông tin có trong các tín hiệu lặp lại.

Tương tự như vậy, mạng Nơ-ron cũng huấn luyện để sửa đổi các tham số của bộ điều khiển hơn là tín hiệu điều khiển, trong trường hợp các mạng nơ-ron phi tuyến cỡ lớn cần có dữ liệu huấn luyện nhiều và khả năng hội tụ là khó khăn [78]. Trong khi nếu áp dụng ILC có thể sẽ hội tụ chỉ trong một vài lần học.

ILC có lẽ giống nhất với phương pháp điều khiển lặp RC [79], tuy vậy RC thường dành cho các quá trình liên tục còn ILC dành cho các quá trình gián đoạn lặp lại. Ví dụ, bộ điều khiển ILC điều khiển một robot thực hiện một nhiệm vụ nào đó, sau đó đến trạng thái nghỉ và lại tiếp tục chu kỳ hoạt động tiếp theo. Trong khi đó, bộ điều khiển RC ứng dụng để điều khiển hoạt động của một đầu đọc đĩa, trong đó mỗi lần lặp là quay 1 vòng đầy đủ của đĩa, lần lặp tiếp theo sẽ bắt đầu ngay khi lần lặp trước kết thúc. Sự khác biệt giữa ILC và RC là cách thức cài đặt các giá trị đầu cho mỗi lần học [80]. Trong ILC các giá trị đầu được cài đặt giống nhau trong các lần học, trong khi đó ở RC các giá trị đầu của lần chạy tiếp theo sẽ được cài đặt dựa trên kết quả của lần học trước đó. Sự khác biệt này dẫn tới kỹ thuật xử lý và kết quả của 2 phương pháp là khác nhau [80].

Thông thường, bộ điều khiển ILC tập trung cải thiện chất lượng của các hệ thống thực hiện các công việc cụ thể lặp đi lặp lại nhiều lần. Cụ thể như các hệ thống sản xuất công nghiệp, robot, xử lý hóa học… trong đó các dây truyển sản xuất luôn có tính lặp lại. ILC đã và đang rất thành công ứng dụng trong công nghiệp robot [81]-[82], tính toán cho máy CNC [83], dịch chuyển các tấm wafer [84], máy ép – phun [85], [86], máy đúc kim loại [87], dây chuyền cán nguội [88], công nghiệp ô tô, xe máy [89],

hệ thống vận chuyển [90], van động cơ [91], xe tự hành [92], phanh khóa [93], xử lý nhiệt độ [94] [95] và lò phản ứng hóa học [97]…

ILC có thể được ứng dụng trong các hệ thống lặp lại không hoàn toàn giống nhau. Chẳng hạn như, một robot dưới nước sẽ di chuyển với quỹ đạo tương tự nhau trong tất cả các nhiệm vụ, nhưng tốc độ sẽ phụ thuộc vào từng nhiệm vụ cụ thể [96]. Những chuyển động này được xác định theo thời gian và chỉ có một bộ điều khiển ILC duy nhất cho tất cả các chuyển động. ILC cũng được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển vòng hở. Kỹ thuật này đã được sử dụng để giảm giá thành trong các bộ điều khiển cho đối tượng phi tuyến [98]. ILC cũng là 1 phần của quá trình nhận dạng, trong [99] ILC ứng dụng để xác định hệ số cản không khí của một viên đạn bay. Trong [100] ILC được đề xuất để phát triển các thiết bị vi sóng công suất lớn.

3.3 Nguyên lý học và điều khiển học

Bộ nhớ + học

Đối tượng điều khiển

Như đã trình bày ở trên, điều khiển học lặp là sử dụng thuật toán sử dụng tập hợp các tính hiệu đầu ra trong chu kỳ hoạt động trước đó, tính toán, xử lý, so sánh và hiệu chỉnh tập hợp tín hiệu đầu vào để có được sai lệch ở chu kỳ hiện tại được nhỏ hơn, tín hiệu ra tiến gần hơn tới tín hiệu đặt. Về mặt tổng quát có thể biểu diễn nguyên tắc của bộ điều khiển như hình vẽ 3.3 và 3.4.

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

Mục tiêu chính của ILC là xác định hàm học hay còn gọi là thuật toán học [77],

[101], [102]:

t ( )



 L u

 t

e k

 1

 ( 1

 ( 2

(3.19)

T

,  1 2

P u t : ( )

( )

y t , hoạt động lặp đi lặp lại trong khoảng thời gian

với (3.20)

(3.21) cho hệ thống điều khiển hữu hạn: 0  t T

Để có được sai lệch ở đầu ra so với giá trị đặt

( ) 

0  cho trước

ke t

với bất kỳ (3.22)

Sẽ được thỏa mãn sau một số lần lặp (số lần học) hữu hạn k K , trong đó chỉ



r t ( )



số k diễn tả số lần học, và sai lệch ở lần học thứ k

e t ( ) k

y t ( ) k

( )r t là giá trị đặt (tín hiệu đầu ra mong muốn) của hệ thống điều khiển y t ( )

P u t : ( )

Lần chạy thứ k

Lần chạy thứ k+1

t-1

t+1

(3.23)

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

Trình tự quá trình xây dựng bộ điều khiển được mô tả như hình 3.5. Quá trình

( )

hoạt động của sơ đồ hình 3.5 và thuật toán (3.19) được mô tả ngắn gọn như sau:

Trước tiên ta lựa chọn hàm học, các thông số ban đầu

ku t , với 0  t T của ky t . ( )

[0,



hệ thống, đưa tín hiệu đầu vào điều khiển đối tượng để có được lượng ra

T cho chu kỳ tiếp theo (

1)k

t t 1( ),



Kết thúc chu kỳ hoạt động đầu tiên, sai lệch (3.22) được xác định, từ đó xác ] theo thuật định tín hiệu đầu vào tiếp theo

học đã lựa chọn. Việc lựa chọn các thuật học phải đảm bảo sai số ở chu kỳ sau nhỏ hơn sai số ở chu kỳ trước đó (3.24), nói cách khác thuật học phải có tính hội tụ.







0,1,

e k

e t ( ) k

t 1( )



(.)

Chọn hàm học

Gán k=1

vào điều khiển

Reset trạng thái đầu

Đưa Đối tượng vào và đo

Tính Gán

Kiểm tra

Sai

Đúng

Ghi nhận N=k

Kết thúc quá trình học, đưa

vào điều khiển đối tượng

với (3.24)

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

Một hệ quả tương đối hữu ích của thuật toán (3.19) có thể áp dụng mà không

cần kiểm tra điều kiện (3.22) khi đối tượng là liên tục, đó là







u t ( ) k

 f e t ( ) L k

t 1( )



(3.25)



[0,

   ( )

nếu . Trong đó 0  t T và  l e k

)















e k

f e ( ) L k

 1

1  







f u ( p 

1  



k f p

e k

f e ( ) L k

k ( 1 p

f p

f L

f u ( p k e )( ) k

e k

Khác với những ràng buộc chung của thuật toán (3.19), thuật toán (3.25) cho phép quá trình học nhanh hơn và được ứng dụng cho hệ tuyến tính. Điều kiện (3.24) sẽ được thỏa mãn nếu







f L

(3.26)

Hoặc (3.27)

Một điều cần chú ý là các thông số của hệ thống, các điều kiện ban đầu, điều

y t .

P u t : ( )

( )



kiện biên … phải giống nhau cho tất cả các chu kỳ hoạt động



0,1,

Cuối cùng quá trình học cứ lặp đi lặp lại với cho tới khi điều

kiện (3.22) được thỏa mãn.



( )

Kể từ khi Uchiyama đề xuất những nguyên lý cơ bản của điều khiển học lặp [102], đã có số lượng lớn các công bố nghiên cứu về điều khiển học lặp và các thuật học [81], [101]-[107]. Một trong các tổng kết tương đối đầy đủ về lĩnh vực này đã được trình bày trong các tài liệu [108]-[110], ở đó nhiều thuật học được các tác giả nghiên cứu, chứng minh và áo dụng thành công trong các ứng dụng, cụ thể như:

u k

u t Ke t  ( ) k

t 1( )



(3.28)



( )

t ( )

u k

i ( ) u t Ke  k

t 1( )



t ( )



( )



Hoặc [100] [105] [107]: (3.29)

u k

u t K e t K e t ( ) ( ) k

 k

 1

Và (3.30)

Đó được gọi là thuật toán điều khiển D (3.29) và PD (3.30).

Một trong những thuật toán điều khiển học lặp tuyến tính tổng quát nhất của

(3.25) được tác giả S. Arimoto giới thiệu trong [104] được gọi là thuật toán PID:

t ( )



( )



  ( )

( )



 1

 d K e t k 3

 u t K e t K e k k

(3.31)

,K K K và

3K đều phải xác định để đảm bảo điều kiện hội tụ (3.22). Chất lượng của bộ điều khiển phụ thuộc vào thuật toán học, các hệ số và số lần học. Có thể tóm tắt một vài công thức học cơ bản như sau:

Trong mọi thuật toán học thì các hệ số



( )



r t ( )



*) Hệ không liên tục

e t ( ) k

y t ( ) k

u k

t 1( )



 u t Ke t ( ) k



( )

 1)

Với (3.32)

u k

t 1( )



 u t Ke t ( k

t K u t K e t ( ) ( ) ( )





(3.33)

u k

 1





(3.34)

u k

t 1( )



u t ( ) k

 k

t Ke t ( ) ( ) k

(3.35)

t K u t K e t ( ) ( ( )





  1)

t ( )

u k

 1

K e 3 k

 1

(3.36)



( )



*) Hệ liên tục

u k

t 1( )



 u t Ke t ( k

 k

(3.37)

t ( )





u t ( ) k

 1

i d e t ( ) k i dt

t K u t K e t ( ) ( ) ( )





(3.38)

u k

 1





(3.39)

u k

t 1( )



u t ( ) k

 k

t Ke t ( ) ( ) k

(3.40)

t ( )





d  ( )

u t ( ) k

K e t ( ) P k

 1

 K e t ( ) D k

t  K e I k 0



L s U s KE s ( ) ( )

( )



(3.41)





U s 1( )  k

(3.42)

3.4 Khả năng tồn tại của hàm học

Nhiệm vụ của quá trình học là xác định

( )Ny t tương (3.43)

r t ( )



t ( )

 với mọi



( )Nu t để có được đầu ra 0 

ứng của hệ thỏa mãn:

hỏi đặt ra là hệ phải có những tính chất gì với mọi tín hiệu đặt ( )r t sẽ tồn tại Trong đó ( )r t là tín hiệu đặt trước mà hệ thống cần phải bám theo. Như vậy, câu ku t để ( )

r t ( )

ky t ( )

có



3.4.1 Đối với hệ tuyến tính tham số hằng

( )G s



C sI A B 

 1



 x Ax Bu     y Cx

Với ma trận hàm truyền (3.44)

Là thực dương chặt (strict positive real), thì luôn tồn tại hai ma trận đối xứng

xác định dương Q và P để có

TA P PA 

  và Q

PB C

(3.45)

( )

r t ( )

du t để có

dy t ( )

. Khi đó với mọi hàm ( )r t khả vi cho trước luôn tồn tại

Những hệ này được gọi là “khả nghịch”. Đây là điều kiện cần để trở thành hệ ổn định. Do đó luôn thỏa mãn điều kiện hội tụ.

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

,..., N

g 

*) Mô hình toán là dãy gồm N giá trị hàm trọng lượng

T  ở lần học thứ k là:

Ký hiệu vector các tín hiệu đầu vào thuộc khoảng 0



(0),...,







u k

u N ( k

(3.46)

(0),...,





u 1k

 

 u Ke k k

e N ( k

e k



r i ( )

Công thức hàm học: , trong đó:

e i ( ) k

  r i

y i r ( ), k i

 k ,..., N Như vậy luôn tồn tại dãy các giá trị 0

 k  để ma trận



và



k r 0 0 k r 1 1 

k r 0 0 

 0   

k r 0 0

r  1 N

 1

r N



     

     

(3.47)

ke 



Bu t ( )

Có được tính hội tụ

( x t y t ( )

1)   

Ax t ( ) Cx t ( )

  



( )

*) Mô hình toán (3.48)

 1)

u k

t 1( )



 u t Ke t ( k



r t ( ),0

t T

Công thức học (3.49)

  khi k   nếu có

I CBK



 1

ky t ( )

Sẽ có tính hội tụ

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



Mô hình toán và công thức học

t ( )





u k

 1

u t ( ) k

i d e t ( ) k i dt

 x Ax Bu     y Cx

và (3.50)

I CA BK i



 1

Để thỏa mãn điều kiện tính hội tụ (3.27) cần

3.4.4 Đối với hệ phi tuyến mô tả bằng toán tử



( ),

 y F u t





 ( ),

  ( ),



 ( ),

 ( )



F u (

  ( ), ),

Mô hình toán tử: (3.51)



t 1( )



 f u l k

e k

 f u l k

Công thức hàm học:

1

 thỏa mãn:

  ( ), ( ) r



  ( ), ),



   (

( ), ),



    ( ) ( )



    ( ) ( ),



 f u l

F u ( k

Sẽ có được tính hội tụ nếu như tồn tại 0



f x t ( , )

B x t u ( , )

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

( , )

 x     y G x t x

Mô hình trạng thái: (3.52)





t 1( )



u t ( ) k

 e t ( ) k

 L y t ( ) k



Công thức hàm học dạng vi phân: (3.53)

Sẽ có được tính hội tụ nếu với mọi x và t luôn có

I L y G x t B x t ( , )

( , )

( )





y G x t x

( , )



(3.54)

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



0,1

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

aT 

Đối với các bộ kích hoạt nói chung và bộ kích hoạt điện nhiệt nói riêng, lực và chuyển vị là 2 thông số rất quan trọng để quyết định đến quá trình hoạt động của chúng. Như chương 2 đã tính toán, phân tích, lực trong bộ kích hoạt nhiệt thường lớn hơn nhiều so với các yêu cầu ứng dụng, điều quan trọng là kiểm soát được chuyển vị. Do đó trong bài toán này ta sẽ thực hiện điều khiển chuyển vị của đỉnh hệ dầm theo 1 quỹ đạo xác định trước trong khoảng thời gian hữu hạn T. Theo kết quả tính toán tại chương 2, ta nhận thấy thời gian quá độ để quá trình đốt nóng và nguội lạnh của hệ dầm chữ V vào khoảng 0,01 0,015 s, hình 2.8 (tương đương với tần số ngưỡng làm việc khoảng 70 100 Hz), trong khi đó các bộ kích hoạt điện nhiệt thường được khuyến cáo làm việc ở tần số dưới 30 Hz. Trong phần mô phỏng này, tác giả lựa chọn s, như vậy có thể coi trong mỗi chu kỳ làm việc thời gian đủ chu kỳ trích mẫu

để quá trình đốt nóng và nguội lạnh đạt trạng thái cân bằng, chuyển vị đầu ra lúc này chỉ phụ thuộc vào biên độ của xung nguồn điện áp hoặc xung nguồn dòng điện. Tín có thể lựa chọn biên độ của xung điện áp hoặc xung dòng điện. hiệu điều khiển ( )u t

Mô hình toán học (3.14), (3.18) của đối tượng được tiếp cận theo hướng phân chia dầm thành nhiều phân tố nhỏ (có điện trở khác nhau), nên tác giả lựa chọn tín hiệu vào là nguồn dòng

2 i . b

U 

điểm làm việc và các thông số tính toán tương ứng với biên độ điện áp dẫn

320

bl 

k 

15)

Các thông số cơ bản của hệ dầm chữ V được cho trong bảng 2.1, 2.2, lựa chọn 0 17,5 µm, số phân đoạn dọc chiều dài V, vi động cơ kiểu 1, chiều dài mỗi dầm đơn

p s

sI A ) 



, từ đó xác định được các tham số của mô hình đối tượng (3.18). Tính

bl là 15 ( ổn định của hệ đối tượng được kiểm tra từ đa thức ( ) det( Hurwitz [111]. Tính hội tụ hay khả năng tồn tại hàm học được xác định theo (3.50). Từ các phân tích như trên, có thể thấy bộ điều khiển học lặp phù hợp ứng dụng cho lớp các đối tượng đang nghiên cứu.

Bộ điều khiển học lặp

Mô hình V-Shaped

là đa thức

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





  1

 1

  K e t 1 k

  t Với các hệ số

(3.55) Trước hết ta lựa chọn thuật học PD   K e t 2 k

  u t k ,K K được lựa chọn sơ bộ từ các điều kiện đầu đảm bảo hệ ổn định K , tín hiệu đặt được và hội tụ, trong phần mô phỏng này tác giả chọn 1 giả thiết có dạng hình thang, để xác định số lần học tối ưu ta thực hiện mô phỏng và tính toán tổng bình phương sai lệch cho mỗi lần học hình 3.7. Từ kết quả mô phỏng quá trình học ta nhận thấy, sau mỗi lần học sai lệch của hệ thống giảm dần, điều đó chứng tỏ hệ thống thỏa mãn điều kiện hội tụ (3.24) với một số hữu hạn lần học. Với mỗi thuật học và các tham số được lựa chọn hệ thống sẽ cho ta một bước học hội tụ, ở đó tổng bình phương sai lệch là nhỏ nhất. Ta có thể dựa vào thông số này để kiểm tra chất lượng của hệ thống đã thỏa mãn yêu cầu hay chưa. Với thuật học (3.55) và các ,K K được lựa chọn như trên, số lần học tối ưu ta có thể xác định được là 80 tham số 1 (hình 3.7).

 0,08; 0,1 K 

Khi xác định được số lần học “hội tụ” ta thực hiện mô phỏng và thu được các kết quả như các Hình 3.8a, 3.8b. Từ kết quả mô phỏng có thể thấy rằng tín hiệu đầu ra “bám” tương đối tối với tín hiệu đặt, trung bình tổng bình phương sai lệch là (Norm=0,3013). Sai lệch ở vùng làm việc ổn định chỉ vào khoảng 0,01µm, so với biên độ giá trị đặt là 6µm (tương đương khoảng 0,17%), điều đó có thể thấy hệ thống cho sai lệch tĩnh tương đối nhỏ. Ở những “sườn dốc” của chu kỳ làm việc có sai lệch lớn

hơn, điểm có sai lệch lớn nhất có giá trị 0,28µm (tương đương khoảng 4,7% so với biên độ tín hiệu đặt).

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

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

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

Tiếp tục ta khảo sát thuật toán điều khiển khi cho nhiễu ngẫu nhiên (có biên độ

khoảng 10% so với giá trị đặt) tác động ở đầu ra. Quá trình học và lựa chọn số lần học

tối ưu được thể hiện như hình 3.9. Với kết quả này ta có thể xác định số lần học tối ưu

trong trường hợp này là 84. Các kết quả mô phỏng đáp ứng đầu ra và sai lệch được thể

hiện như hình 3.10a và 3.10b. Ta có thể nhận thấy khi có nhiễu ngẫu nhiên tác động hệ

thống vẫn “bám” tín hiệu đặt tương đối tốt, tổng bình phương sai lệch trung bình là

(Norm=0,2509). Sai lệch tĩnh ở vùng làm việc ổn định vào khoảng 0,03µm (khoảng

0,5% so với giá trị đặt), sai số lớn nhất ở “sườn dốc” cuối chu kỳ hoạt động có giá trị 0,175µm (khoảng 2,9% so với biên độ tín hiệu đặt).

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

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

độ khoảng 10%

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%



 K e t K e t 

   1

 

  t

  u t k

 1



0.08;

0.1;



Tiếp tục ta khảo sát với thuật học PID 

 K e t 1 k Tương tự như thuật học PD, ta lựa chọn sơ bộ

  1 K 1

(3.56)  0.1

, thực hiện mô phỏng tương tự như thuật toán PD bên trên, quá trình học và số lần học tối ưu khi không có nhiễu tác động được thể hiện như hình vẽ 3.11.

Kết quả mô phỏng sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động được thể hiện như hình 3.12a và 3.12b. Ta có thể nhận thấy, với cùng một mô hình, các tham số hàm học lựa chọn tương tự nhau thì quá trình học ở thuật học PID nhanh hơn và sai số cũng nhỏ hơn so với thuật học PD. Ở vùng làm việc ổn định sai số là rất nhỏ, các giá trị sai lệch lớn chủ yếu tập trung ở các “sườn dốc” của tín hiệu hình thang, giá trị sai lệch lớn nhất được xác định 0,135µm (tương đương khoảng 2,25% so với biên độ tín hiệu đặt), trong khi với thuật học PD là 0,28µm. Giá trị trung bình tổng bình phương sai lệch Norm =0,1830, trong khi với thuật học PD là Norm =0,3013.

Khi khảo sát trong trường hợp có nhiễu ngẫu nhiên tác động với biên độ khoảng 10%, quá trình học và xác định số lần học tối ưu được thể hiện như hình vẽ 3.13. Ta có thể thấy số lần học trong trường hợp này là 48 lần, các kết quả mô phỏng về đáp ứng đầu ra, sai lệch được thể hiện như hình 3.14a và 3.14b. Tín hiệu đầu ra cũng bám tương đối sát với tín hiệu đặt, sai lệch ở vùng ổn định chỉ dao động khoảng 0,33%, sai lệch dao động mạnh ở các sườn dốc và lớn nhất khoảng 2% so với biên độ tín hiệu đặt.

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

Hình 3.12a Đáp ứng đầu ra sau 65 lần học đối với thuật học PID khi không có nhiễu

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

Khảo sát với trường hợp có nhiễu tác động

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

Hình 3.14a Đáp ứng đầu ra sau 48 lần học đối với thuật học PID, nhiễu ngẫu nhiên có

biên độ khoảng 10%

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%

Nhận xét: Với cả 2 thuật học thì kết quả đầu ra đều dần “bám” giá trị đặt sau một số hữu hạn lần học, sai số lớn nhất khoảng 0,27 µm (so với biên độ giá trị đặt là 6 µm). Thuật học PID cho kết quả hội tụ nhanh hơn và sai số nhỏ hơn, sai số lớn nhất khoảng 0,13 µm (so với biên độ giá trị đặt là 6µm). Để có kết quả sai số nhỏ hơn ta có thể giảm các hệ số (cid:1837)(cid:2869), (cid:1837)(cid:2870), (cid:1837)(cid:2871) tuy nhiên khi đó quá trình học sẽ lâu hơn.

Khi khảo sát với các nhiễu ngẫu nhiên, hệ thống vẫn cho kết quả hội tụ và bám với tín hiệu đặt mong muốn, điều đó chứng tỏ bộ điều khiển ILC giúp hệ thống có khả năng kháng nhiễu tốt.

3.5.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ

Mô hình V_Shaped 1

Bộ điều khiển V_Shaped 1

Bộ điều khiển V_Shaped 2

Mô hình V_Shaped 2

Mô hình mô men

Mô hình tốc độ

Bộ điều khiển V_Shaped 3

Mô hình V_Shaped 3

Bộ điều khiển V_Shaped 4

Mô hình V_Shaped 4

Mô hình vi động cơ

Vi động cơ được cấu tạo từ 4 bộ kích hoạt dạng dầm chữ V đối xứng và đồng pha nhau. Bốn bộ kích hoạt được cấp nguồn đồng bộ nhau, về mặt lý thuyết thì sẽ cho chuyển vị và lực tác động là như nhau. Tuy nhiên trong thực tế có thể chúng cho các đáp ứng đầu ra khác nhau (Do mức độ đồng đều thiết kế cơ khí, vật liệu, tác động bên ngoài…). Trong bài toàn này, ta lựa chọn phương án sử dụng 4 bộ điều khiển khác nhau, điều khiển cho từng bộ kích hoạt và mong muốn chuyển vị đầu ra của chúng “bám” chung với 1 quỹ đạo đặt. Phần quy đổi từ chuyển vị của các hệ dầm thành lực, mô men và vận tốc được tính toán thông qua các phương trình 2.44, 2.56 và 2.2.

(3.56)

(3.18)

(2.44) và (2.56)

(2.2)

Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ

Vì các bộ kích hoạt theo thiết kế được coi là giống nhau nên ở điều kiện bình thường ta có thể dùng chung bộ điều khiển PD (3.55) hoặc PID (3.56) như đã trình bày ở mục 3.5.1.

3.6 Kết luận chương 3

Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố dọc theo chiều dài, coi các phân tố là đồng nhất (cả về điện và về nhiệt), tác giả đã mô hình hóa thành công bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V. Đây là mô hình hoàn toàn mới về bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V mà chưa từng có tài liệu nào công bố. Mô hình được đưa về dạng song tuyến có kể đến nhiều thông số ảnh hưởng tới độ chính xác của mô hình. Tùy từng điều kiện cụ thể, phương án điều khiển mà các yếu tố này có thể được lược bỏ hoặc giới hạn lại để mô hình trở nên đơn giản hơn.

Giới thiệu tổng quan về lý thuyết điểu khiển học lặp, một phương pháp không quá mới nhưng lại rất phù hợp với lớp đối tượng trong thiết bị MEMS nói chung và các bộ kích hoạt điện nhiệt nói riêng.

Với các thông số tính toán, hệ thống đã được phân tích tính ổn định, khả năng tồn tại hàm học đó là các điều kiện tiên quyết để hệ thống có thể áp dụng nguyên lý điều khiển học lặp.

Bộ điều khiển học lặp được thiết kế và mô phỏng với 02 thuật toán học (PD và PID), cả 2 thuật học đều cho đáp ứng tương đối tốt trong cả trường hợp không có nhiễu hoặc có nhiễu tác động đầu ra. Tín hiệu đầu ra đã bám được quỹ đạo đặt sau một số hữu hạn lần học. Thuật toán PID cho kết quả học nhanh hơn và sai số cũng nhỏ hơn.

Việc điều khiển vi động cơ thực chất là bài toán điều khiển bốn bộ kích hoạt làm việc đồng bộ nhau. Vì vi động cơ làm việc theo từng dải tốc độ xác định, nên việc điều khiển mô men và tốc độ của vi động cơ cũng được quy về bài toán điều khiển chuyển vị của các bộ kích hoạt đạt một giá trị xác định.

CHƯƠNG 4

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

Do nhiều hạn chế về thiết bị thí nghiệm, kết nối đồng bộ các hệ thống đo đạc, xử

lý, vào ra dữ liệu tại Việt Nam, tác giả chưa có đầy đủ thiết bị thí nghiệm để triển khai

kiểm chứng các kết quả lý thuyết đối với hệ thống thực, nên ở nội dung này tác giả

thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển dưới những điều kiện gần sát với thực tế hơn so với những mô phỏng đã được thực hiện ở mục 3.3.5, đó là sử dụng

mô hình vật lý được xây dựng bởi Toolbox Simscape của phần mềm Matlab. Công cụ

trên được phát triển và giới thiệu từ phiên bản Matlab năm 2007 và đã được nâng cấp,

hoàn thiện dần ở các phiên bản tiếp theo. Đây là công cụ được dùng để mô tả các mô

hình vật lý trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như thủy lực, khí nén, cơ khí, điện, từ trường,

nhiệt, thủy nhiệt,… với kết quả mô phỏng đáng tin cậy và tương đối sát với khi thực

hiện trên mô hình thực [112].

4.1 Giới thiệu công cụ Simscape

Simscape là một bộ công cụ mô phỏng đa trường (Điện, Từ trường, Nhiệt, Nhiệt

lỏng, Cơ khí, Thủy lực, Khí nén, tín hiệu vật lý khác…) trong Simulink, cho phép

người dùng xây dựng mô hình đối tượng dựa trên các mô hình vật lý tích hợp sẵn.

Chúng ta có thể mô hình hóa các hệ thống như động cơ điện, mạch chỉnh lưu, bộ

truyền động cơ khí, thủy lực và hệ thống nhiệt, dòng chảy… bằng cách kết nối các

thành phần cơ bản thành sơ đồ. Đặc biệt công cụ này cho phép ta xây dựng mô hình

chuyển đổi đa trường các tín hiệu vật lý trên cùng một giao diện giống như thiết kế, lặp đặt các hệ thống thực [112].

Simscape giúp người dùng phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra hoạt động vào- ra của hệ thống. Ta có thể xây dựng mô hình từ thư viện và giao diện của

Simulink, khai báo tham số trực tiếp trên các phần tử của mô hình hoặc sử dụng chương trình mfile để khởi tạo, kết nối dữ liệu và chạy mô phỏng, xử lý dữ liệu một cách dễ dàng. Simscape cũng cho phép kết nối dữ liệu đến các môi trường mô phỏng khác, hoặc kết nối tới mạch thực.

Các mô hình được xây dựng từ Simscape có thể được sử dụng phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra các chỉ tiêu theo từng bước. Bên cạnh đó, ta cũng có thể

kết hợp với các thư viện các khối khác trong Simulink để xây dựng mô hình hệ thống

mà không cần tới phương trình toán học của hệ.

Hình 4.1 Giao diện thư viên Simscape trong Simulink

Ta có thể tham số hóa mô hình với việc sử dụng các biến và các biểu diễn khác để từ đó thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình vật lý đã xây dựng ở trên trong môi trường mô phỏng của Simulink. Tuy nhiên, sự khác nhau cơ bản về mặt bản chất giữa Simscape và Simulink được thể hiện qua ba khía cạnh sau:

Trong Simulink các thực thi về mặt toán học sẽ được mô phỏng. Trong Simscape thì mô hình được xây dựng bởi các khối mang đặc trưng cho các thành phần vật lý và mối quan hệ vật lý giữa chúng. Có thể nói mô hình Simulink được xác định bởi các phương trình toán học mô tả hệ thống, nhưng trong Simscape thì hệ thống vật

lý với các đặc trưng của nó được hình thành và Simscape sẽ phân tích và giải quyết các

phương trình cấu thành của hệ thống.

Các khối trong Simulink không mang giá trị vật lý, tức là thứ nguyên các đại lượng là không có, và như vậy thì bất kỳ khối nào cũng nối tín hiệu được với nhau.

Trong Simscape các kết nối thể hiện rõ tín hiệu kết nối về mặt vật lý giữa các thành

phần trong mô hình, nói cách khác, các khối khác nhau thì có đơn vị đo khác nhau. Ví

dụ, ta có thể đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện, nhưng không thể dùng cặp nhiệt điện để kết nối với nguồn nhiệt để đo cường độ bức xạ.

Kết nối các khối trong Simscape là hai chiều tức là tín hiệu có thể mang chiều dương âm. Ví dụ: Dòng nhiệt qua một tiết diện với nhiệt độ bề mặt khác nhau, có thể

mang giá trị dương nếu dòng nhiệt đi từ nơi có nhiệt độ cao đến bề mặt có nhiệt độ

thấp và ngược lại. Trong khi đó kết nối các khối trong Simulink là vô hướng

(unidirection).

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

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

Từ nguyên lý làm việc trình bày ở mục 2.1 ta nhận thấy quá trình chuyển đổi năng

lượng trong bộ kích hoạt từ điện – nhiệt – cơ, do đó để mô tả quá trình chuyển đổi điện



– nhiệt ta sử dụng phần tử nhiệt điện trở (Thermal Resistor), để mô tả quá trình truyền nhiệt trong thanh dẫn và quá trình đối lưu nhiệt ra không khí ta sử dụng các phần tử truyền nhiệt (Conductive Heat Transfer – Ks1, Ks2...) và đối lưu (Convective Heat Transfer – Ka1, Ka2...). Dầm chữ V được phân tách thành k phần tử dọc theo phương vuông góc với phương chuyển vị của đỉnh dầm, với giả thiết mỗi phần tử (có chiều dài

và tiết diện w b bt ) là đồng nhất và nhiệt độ phân bố là giống nhau.

Như vậy ta có thể mô hình hóa mỗi phần tử của dầm chữ V như hình 4.4. Việc phân tách chiều dài dầm thành k phân tố có chiều dài kl , về mặt lý thuyết kl càng nhỏ thì mô hình càng chính xác, tuy nhiên số lượng các phần tử lớn khó khăn cho việc xây dựng

320

mô hình tổng thể và thời gian chạy mô phỏng sẽ lớn hơn. Trong bài toán này chiều dài

k 

bl 

mỗi dầm đơn là µm, nên tác giả tách mỗi dầm đơn thành 15 phần tử ( ),

hình 4.4.

Hình 4.3 Các phần tử mô tả quá trình điện nhiệt trong hệ dầm

Hình 4.4 Mô hình hóa một phân tố dầm trong Simscape

Với mô hình đối tượng được mô tả như hình 4.5, bộ kích hoạt 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. Các thông số cơ bản của đối tượng được cho trong

bảng 2.1.

Với mô hình bộ kích hoạt như hình 4.5, ta tiến hành mô phỏng với điện áp 1

chiều có biên độ U0=20V ta được đáp ứng như hình 4.6.

Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng đầu ra phản ánh đúng bản chất vật lý của hệ dầm. Nhiệt độ lớn nhất tập trung ở thanh trượt (khoảng 3650C), nhiệt độ trung bình trên các dầm đơn là 2500C, điều này phù hợp với các kết quả mô phỏng hệ dầm trên phần mềm Ansys và tính toán giải tích (Bảng 2.2 và Hình 2.8). Tác giả cũng đã thực

hiện mô phỏng với các tín hiệu vào khác nhau như xung vuông, điện áp nửa hình sin…

các kết quả đều phù hợp với tính toán giải tích và mô phỏng trên Ansys, điều đó có thể

nhận định mô hình Simscape mô tả bản chất vật lý tương đối sát với đối tượng thực.

Hình 4.5 Mô hình Simscape của hệ dầm chữ V

Hình 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

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

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

Tương tự như ở mục 3.5, ta thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm thuật toán điều

khiển PD (3.55) và PID (3.56) với cả trường hợp có nhiễu tác động và không có nhiễu

tác động. Các hệ số của hàm học, dạng tín hiệu đặt và kịch bản mô phỏng được giữ

nguyên so với thực hiện trên mô hình toán, mục 3.5.

 0.08; K  0.1 Đối với thuật học PD các hệ số được lựa chọn . Kết quả mô K 1

phỏng được thể hiện qua các hình 4.7-4.10. Từ kết quả có thể thấy trong trường hợp không có nhiễu tác động số lần học tối ưu được xác định là 100, quá trình học lâu hơn

so với mô hình toán, tuy nhiên sai số nhỏ hơn nhiều. Ở vùng làm việc ổn định tín hiệu ra gần như bám sát giá trị đặt, sai số lớn nhất, xuất hiện ở sườn xuống của tín hiệu hình thang, có giá trị 0,175µm trong khi thực hiện trên mô hình toán là 0,28µm. Trung bình tổng bình phương sai lệch Norm=0,1994, trong khi thực hiện trên mô hình toán là 0,3013. Điều đó cho thấy thuật toán điều khiển cho chất lượng tốt đối với cả hai dạng mô hình. Với mô hình Simscape cho đáp ứng tốt hơn so với mô hình toán. Sự sai khác này có thể được giải thích do mô hình toán ta đã đơn giản hóa mô hình.

Hình 4.7 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PD khi không có nhiễu tác động

Hình 4.8a Đáp ứng đầu ra sau 100 lần học đối với thuật học PD không có nhiễu tác động.

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

Hình 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.

Hình 4.10a Đáp ứng đầu ra sau 85 lần học đối với thuật học PD nhiễu ngẫu nhiên có biên

độ khoảng 10%.

Hình 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%.

Khi thực hiện mô phỏng đối tượng có tác động của nhiễu ngẫu nhiên, biên độ khoảng 10%, số lần học cho sai số nhỏ nhất là 85 lần, giá trị trung bình tổng bình phương sai lệch Norm=0,2251, trong khi thực hiện trên mô hình toán là 0,2509.  0,08; 0,1; 0,1 K   Tiếp tục ta khảo sát với thuật học PID (3.56), với , kết K 3 K 1

quả mô phỏng được thể hiện trong các hình 4.11-4.14.

Hình 4.11 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi không có nhiễu tác động

]

[ ị v n ể y u h C

Hình 4.12a Đáp ứng đầu ra sau 62 lần học đối với thuật học PID không có nhiễu tác động.

100

]

[ ) | r - y | = e ( h c ệ l i a S

Hình 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.

]

[ ị v n ể y u h C

) h c ệ l i a s g n ơ ư h p h n ì b g n ổ t ( n L

Khi không có nhiễu tác động, đáp ứng đầu ra và sai lệch được thể hiện như hình 4.12a va 4.12b. Ta có thể thấy tín hiệu đầu ra bám rất tốt với tín hiệu đặt, sai số lớn nhất chỉ bằng 0,135µm, trong khi với thuật toán PD là 0,175µm.

Hình 4.13 Quá trình học và sai lệch trong từng bước học đối với thuật học PID khi có nhiễu tác động

101

Hình 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%.

Hình 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%.

102

Nhận xét: Khi áp dụng các thuật học khác nhau với mô hình đối tượng xây dựng

từ Simscape, đáp ứng đầu ra hội tụ và dần “bám” giá trị đặt sau một số hữu hạn lần

học, tương tự như mô phỏng trên mô hình toán học

Với cùng thuật học và kịch bản mô phỏng thì mô hình Simscape cho sai số nhỏ

hơn, điều đó chứng tỏ mô hình Simscape phản ánh đầy đủ hơn bản chất vật lý của đối tượng hơn là mô hình toán. Sự sai khác này có thể được giải thích do mô hình toán ta

đã đơn giản hóa mô hình và trên thực tế ta hoàn toàn sử dụng kết quả tính toán, mô

phỏng dựa trên mô hình Simscape thay vì thực hiện trên mô hình toán.

Bộ điều khiển đáp ứng tốt các yêu cầu đề ra và có khả năng kháng nhiễu tốt. Nếu quỹ đạo đầu ra được xác định và có thể mô tả được các tín hiệu nhiễu thì hệ thống

hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu công nghệ.

4.3.2 Bộ điều khiển ILC cho vi động cơ

Trong bài toàn này, ta lựa chọn phương án sử dụng bốn bộ điều khiển khác

nhau, điều khiển cho từng bộ kích hoạt và mong muốn chuyển vị đầu ra của chúng

Bộ điều khiển V_Shaped 1

Mô hình V_Shaped 1

Bộ điều khiển V_Shaped 2

Mô hình V_Shaped 2

Mô hình mô men

Mô hình tốc độ

Bộ điều khiển V_Shaped 3

Mô hình V_Shaped 3

Bộ điều khiển V_Shaped 4

Mô hình V_Shaped 4

Mô hình vi động cơ

“bám” chung với 1 quỹ đạo đặt.

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý điều khiên vi động cơ

103

Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển cho vi động cơ được mô tả như hình 4.15, tương tự

như sơ đồ cấu trúc ở hình 3.14, chỉ khác mô hình các bộ kích hoạt bây giờ được thay

thế bằng mô hình xây dựng trên Simscape.

Để mô phỏng thuật toán điều khiển ta giả thiết 4 bộ kích hoạt có cấu trúc và mô

hình giống hệt nhau, tuy nhiên bộ 02 bị trễ so với các bộ khác 0,01s; bộ 03 bị tác động nhiễu hình sin bậc 5, biên độ khoảng 10%; bộ 4 chỉ cho đáp ứng tương đương 90% so

với tính toán, hình 4.16.

Nhiệm vụ đặt ra là các bộ điều khiển học lặp phải tìm ra quy luật cấp nguồn cho

các bộ kích hoạt khác nhau để đảm bảo quỹ đạo ra của cả 4 bộ bám theo quy đạo đặt mong muốn. Sử dụng thuật toán học lặp PID và cũng lựa chọn các hệ số



0,08;



0,1

K 1

kết quả mô phòng sau 50 lần học được thể hiện như hình vẽ

4.17 và 4.18.

Hình 4.16 Giả thiết sự sai khác đáp ứng đầu ra giữa các bộ kích hoạt khi chung tác động

đầu vào.

104

Hình 4.17 Đáp ứng đầu ra của 4 bộ kích hoạt sau 50 lần học đối với thuật học PID

Hình 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

Nhận xét: Mặc dù giả thiết các bộ kích hoạt bị tác động nhiễu khác nhau, nhưng

sau 50 lần học cả 4 bộ kích hoạt đầu cho chuyển vị đầu ra bám với tín hiệu đặt. Sai số

lớn nhất vào khoảng 0,3 µm (so với biên độ giá trị đặt là 6 µm). Đặc biệt ở vùng làm

việc ổn định, sai lệch chỉ khoảng 0,08 µm (tương đương 1,3%). Kết quả mô phỏng cho

thấy thuật toán điều khiển phù hợp với đặc tính của đối tượng.

4.3 Kết luận chương 4

Tác giả đã nghiên cứu và sử dụng công cụ Simscape để mô hình hóa hệ dầm chữ

V trên cơ sở phân tách các dầm đơn thành các phần tử dọc theo chiều dài dầm. Mỗi

phần tử được coi là đồng nhất và các thông số về điện, nhiệt là như nhau. Với mô hình

này cho phép ta khảo sát các tính hiệu vào ra tương tự như khảo sát trên các thiết bị

thực tế. Kết quả khảo sát các tín hiệu tương tự như kết quả tính toán giải tích và mô

phỏng trên Ansys, điều đó cho thấy mô hình xây dựng từ Simscape phản ánh sát bản

chất vật lý của đối tượng thực.

Mô hình đối tượng là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, xây dựng mô hình các hệ

thống khác có sử dụng bộ kích hoạt hình chữ V như: Vi tay kẹp, Vi động cơ (tuyến tính

hoặc quay), vi robot, hệ vi vận chuyển...

Tác giả cũng đã mô phỏng bộ điều khiển ILC cho mô hình vật lý Simscape. Kết

quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển phù hợp với các lớp đối tượng đang nghiên cứu.

Hệ thống làm việc ổn định, nhanh chóng đạt được các giá trị đặt theo yêu cầu với sai số

nhỏ hơn so với mô phỏng trên mô hình toán học. Hệ thống có khả năng kháng nhiễu và

xử lý tốt vấn đề đồng bộ giữa các bộ kích hoạt khác nhau.

Mô hình đối tượng và phương pháp thiết kế bộ điều khiển là cơ sở để nghiên cứu,

106

phát triển áp dụng cho các ứng dụng cụ thể hơn trong thực tế.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận án giới thiệu tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực thiết kế, chế tạo vi động cơ trong lĩnh vực MEMS, phân tích so sánh ưu nhược

điểm, tiềm năng ứng dụng của các loại vi động cơ sử dụng các hiệu ứng kích hoạt khác

nhau; Tập trung phân tích về hiệu ứng giãn nở nhiệt, từ đó định hướng thiết kế và phát triển các mẫu vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt với nhiều ưu điểm nổi

trội so với các hiệu ứng khác.

Giới thiệu tổng quan về các phương pháp điều khiển thiết bị MEMS, phân tích

ưu nhược điểm, những hạn chế và các ràng buộc trong kỹ thuật điều khiển MEMS. Lựa

chọn phương pháp điều khiển học lặp (ILC) khắc phục các hạn chế và phù hợp với lớp

các đối tượng khó xây dựng chính xác mô hình toán học, hoạt động có tính lặp lại trong

khoảng thời gian hữu hạn.

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. Đối với mẫu vi động cơ

ban đầu, theo tính toán điện áp dẫn tối thiểu là 17,5V, tuy nhiên đối với kết cấu này các

cơ cấu dẫn động có độ cứng vững kém, khả năng gây trượt lớn (khi làm việc ở tần số

cao) do sử dụng các lò xo đàn hồi. Để khắc phục các nhược điểm này, tác giả đã cải

tiến cơ cấu dẫn động và đưa ra mẫu vi động cơ thứ 2. Sau khi cải tiến điện áp dẫn tối

thiểu của vi động cơ được giảm xuống là 16V.

Vi động cơ được chế tạo từ phiến silic kép (SOI), bằng phương pháp gia công vi

cơ khối (Bulk – micromachining), sử dụng 1 mặt nạ (single mask). Kế thừa các kết quả

nghiên cứu trước đó của nhóm, bằng các thí nghiệm thực tế đề tài đã xây dựng được quy trình chế tạo chi tiết đối với các mẫu vi động cơ này. Các vi động cơ sau khi được chế tạo đã được chụp ảnh và khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope). Kết quả cho thấy các kết cấu có độ sắc nét cao, phản ánh đúng kết cấu, kích thước theo bản vẽ thiết kế.

Bằng việc phân tách các dầm đơn thành nhiều phân tố giống nhau dọc theo chiều dài dầm, tác giả đã mô hình hóa thành công bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V với nhiều tham số ảnh hưởng được xét tới. Với mô hình dạng này rất thuận lợi

107

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. Đây cũng là tính mới độc đáo của đề tài vì trên

thực tế chưa từng có công bố về việc xây dựng mô hình toán học tiếp cận theo hướng

này.

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. Đặc biệt cả 2 thuật toán đều có khả

năng kháng nhiễu. Thuật toán PID cho kết quả tốt hơn thuật toán PD (quá trình học

nhanh hơn và sai số nhỏ hơn).

Do nhiều hạn chế về điều kiện thiết bị thí nghiệm, tính đồng bộ của hệ thống

nên tác giả chưa có điều kiện kiểm nghiệm thuật toán điều khiển trên mô hình thực.

Tác giả lựa chọn kiểm nghiệm mô phỏng trên mô hình vật lý tương tự như mô hình

thực tế. Đây là phương pháp mô phỏng đã nhiều tác giả lựa chọn, độ tin cậy và tính chính xác đã được kiểm nghiệm qua nhiều công bố trước đó. Thuật toán điều khiển

ILC cũng cho kết quả tốt và tương tự như kết quả khảo sát qua mô hình toán. 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.

Trong các công trình nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu xây

dựng hệ thống thí nghiệm đồng bộ và thử nghiệm các thuật toán điều khiển trên mô

hình thực tế đồng thời đo đạc, khảo sát các đặc tính của vi động cơ. Kiểm nghiệm các

giá trị đo đạc so với tính toán và mô phỏng. Nghiên cứu tối ưu việc lựa chọn số phần tử

phân tách dầm trong mô hình toán cũng như trong mô hình vật lý Simscape đồng thời

108

nghiên cứu phương pháp lựa chọn tối ưu các tham số của hàm học (bộ điều khiển).

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

● Tạp chí quốc tế (Thuộc danh mục SCIE Journal-Q2)

[1]. Phuc Pham Hong, Lam Dang Bao, Dzung Nguyen Tien, Dich Nguyen Quang (2017), “A micro transmission system based on combination of micro elastic structures and ratchet mechanism”, Microsystem Technologies, Volume 23(2), p. 381-387.

Learning Control “Iterative

[2]. Dzung Nguyen Tien, Phuc Pham Hong, Dich Nguyen Quang, Phuoc Nguyen Doan (2019), for V-Shaped Electrothermal Microactuator”, Electronics 8(12),1410, p. 01-14, Published online 26 November 2019.

[3]. Hoang, Kien Trung, Dzung Tien Nguyen, and Phuc Hong Pham (2020); “Impact of design parameters on working stability of the electrothermal V-shaped actuator”, Microsystem Technologies, Volume 26(5), p. 1479-1487.

● Hội nghị Quốc tế (Thuộc danh mục Scopus)

[4]. Nguyen Tien Dzung, Dao Phuong Nam, Nguyen Quang Dich (2019), “Modelling and Control Design of a V-Shaped Thermal Actuator System via Partial Derivative Equation Approach”, In Proceedings of the 5th International Conference on Mechatronics and Robotics Engineering, ACM, 2019, Rome, Italy, p. 78-82.

[5]. Nguyen Tien Dzung; Hoang Trung Kien; Pham Hong Phuc (2019), “Heat Transfer Model and Critical Driving Frequency of Electrothermal V-Shaped Actuators”, In Proceedings of the International Conference on Engineering Research and Applications (ICERA-2019), Springer, Cham, 2019, p. 394-405.

● Tạp chí trong nước

[6]. Trần Văn Quân, Bùi Hữu Nam, Nguyễn Tiến Dũng (2014), “Vi động cơ nhiệt điện siêu nhỏ chế tạo bằng công nghệ MEMS”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật ĐH Thái Nguyên, tập 119, số 05, trang 141-146.

[7]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2015), “Thiết kế, chế tạo thử vi động cơ đường kính 2,5mm dựa trên công nghệ MEMS”, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, 108, tr. 26-32.

109

[8]. Nguyễn Tiến Dũng, Lê Anh Tuấn, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2016), “Phân tích quá trình va chạm trong vi động cơ điện - nhiệt dùng phương pháp mô phỏng tức thời”, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, 110, tr. 91-97.

● Hội nghị trong nước

[9]. Nguyễn Tiến Dũng, Trần Văn Quân, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2014), “Phát triển vi động cơ quay dẫn động bằng bộ kích hoạt nhiệt dựa trên công nghệ MEMS”, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Cơ học Hà Nội, 09/04/2014, trang 3-8.

[10]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc, Nguyễn Quang Địch (2015), “Cải tiến và mô phỏng vi động cơ quay kiểu điện nhiệt”, Hội nghị toàn quốc về Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa lần thứ 3 (VCCA 2015), 28-29/11/2015, Đại học Thái Nguyên, tr. 496-501.

110

[11]. Nguyễn Tiến Dũng, Phạm Hồng Phúc; Nguyễn Quang Địch (2016), “Mô hình hóa và mô phỏng bộ kích hoạt điện nhiệt dạng chữ V”, Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, ngày 7-8/10/2016, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tr. 48-51.

[1] Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao (2011), “Micro Transportation Systems: A Review”,

Modern Mechanical Engineering, Vol. 1, No. 2, pp 31-37.

[2] Dang Bao Lam, Vu Ngoc Hung, Pham Hong Phuc (2012), “Micro mechanisms in the micro robot systems: case studies of the electrostatic micro mechanisms”, Tuyển tập hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9 – Tập 4: Cơ học máy. Hà nội 8-9/12/2012. Trang 72-82. [3] Nadim Maluf, Kirt Williams (2004), “An introduction to Microelectromechanical system

engineering”, Artech House, Boston, London.

[4] Ghalichechian N. et al. (2008), "Design, Fabrication, and Characterization of a Rotary Micromotor Supported on Microball Bearings", Journal of MicroElectroMechanical System, 17(3), pp. 632-642.

[5] Robert K. Messenger (2004), "Modeling and Control of Surface Micromachined Thermal Actuators", A thesis submitted to the faculty of Brigham Young University, pp.34-39.

[6] Stephen Beeby, Graham Ensell, Michael Kraft, Neil White (2004), “MEMS mechanical

sensors”, Artech House Inc, London.

[7] Furuhata T. et al. (1993), "Outer Rotor Surface-Micromachined Wobble Micromotors",

IEEE 0-7803-0957-2/1993, pp. 161-166.

[8] Tony Sarros et al. (2002), "Investigation of Cylindrical & Conical Electrostatic Wobble

Micromotors", Journal of MicroElectronics 33, pp. 129-140.

[9] Tai, Y. C (1995), “Micromotors”, The Caltech Micromachinig Group, Electrical Engineering, California Institute of Technology; Jounal Of Microelectromechanical Systems, IEEE, pp. 8-11.

[10] Justin T. Oo, Wan Hui (2000), "Oscillatory motion driven elastic fins MEMS liner micromotor in 2-step DRIE process", Journal of Microelectromech. Syst., 6(3), pp. 234- 241.

[11] Richard Yeh, Seth Hollar, and Kristofer Pister (2002), "Single Mask, Large Force, and Journal of

Inchworm Motors",

Large Displacement Electrostatic Linear Microelectromech. Syst., 11(4), pp. 330-336. "Novel

Sammoura,

[12] Firas

Rotary

Inchworm

Motor",

robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/245/project/Sammoura.pdf, pp. 1-4.

[13] James J. Allen (2002), “An Introduction to MEMS” , Wolfson School of Mechanical and Manufacturing Engineering Loughborough University, Loughborough, LLC, Publish Online.

[14] N.R. Tas, A.H. Sonnenberg, A.F.M. Sander and M C. Elwenspoek (1997), "Surface Micromachined Linear Electrostatic Stepper Motor”, Proceedings of International Solid State Sensors and Actuators Conference Transducers 97, 2, pp 777-780.

[15] Pham Hong Phuc, Dao Viet Dung, Bui Thanh Tung, Susumu Sugiyama (2008), “A micro rotational motor based on ratchet mechanism and electrostatic comb–drive actuators”, Proceedings of the 4th International Conference on Transducers APCOT 2008, Taiwan, 22nd – 25th June 2008, pp 55-58.

111

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[16] Pham Hong Phuc (2007), “Study on Micro Transportation Systems Based on (MEMS)

Electrostatic Actuators Utilizing Micro Electro Mechanical Systems Technology”, Ph.D Thesis, Ritsumeikan University, Japan.

[17] Stephen M. Barnes, Samuel L. Miller, M. Steven Rodgers, Fernando Bitsie (2000), "Torsional Ratcheting Actuating System", Modeling and Simulation of Microsystems 2000, San Diego, CA, 27-29/3/2000, Online at http://mems.sandia.gov/

[18] Sarajlic E. et al. (2010), "Three-Phase Electrostatic Rotary Stepper Micromotor With a Flexural Pivot Bearing", Journal of MicroElectroMechanical System, 19(2), pp. 338- 349.

[19] Stranczl, M., Sarajlic, E., Krijnen, G. J., Fujita, H., Gijs, M. A., & Yamahata, C. (2011), frictionless electrostatic rotary stepper “Modal analysis and modeling of a micromotor”, In 2011 IEEE 24th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (pp. 1257-1260). IEEE

[20] Phuc Hong Pham, Dzung Viet Dao, Lam Bao Dang, Susumu Sugiyama (2012), “Single mask, simple structure micro rotational motor driven by electrostatic comb-drive actuators”, Journal of Micromechanics and Microengineering (SCI), Vol. 22, No. 1, pp 1317-1322.

[21] Chia-Yen Leel et al. (2008), "Design and Fabrication of a Novel Micro Electromagnetic

Actuator", DTIP of MEMS & MOEMS, 9_11 /4/ 2008, pp. 52-55.

[22] Ki Hoon Kim, Hyeun Joong Yoon, Ok Chan Jeong, Sang Sik Yang (2005), “Fabrication and test of a micro electromagnetic actuator”, Sensors and Actuators A 117, pp. 8–16.

[23] Đặng Phước Vinh, Ngô Thanh Nghị, Võ Như Thành (2013), “Thiết kế và chế tạo vi động cơ từ trở tích hợp cảm biến dòng điện Eddy”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013, pp 564-570.

[24] C. H. Ahn et al. (1993), "A Planar Variable Reluctance Magnetic Micro Motor with Fully Integrated Stator and Wrapped Coils", Proc. Investigation of Micro Structures Sensors, Actuators, Machines and Systems, pp. 1-6.

[25] Mei Lin Chan et al (2011), "Low friction liquid bearing mems micromotor", IEEE 24th

International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp. 1237-1240.

[26] Shutov M.V. et al. (2005), "A microfabricated electromagnetic linear synchronous

motor", Sensors and Actuators A, 121, pp. 566–575.

[27] Potekhina, A., & Wang, C. (2019), “Review of Electrothermal Actuators and Applications”. In Actuators (Vol. 8, No. 4, p. 69). Multidisciplinary Digital Publishing Institute.

[28] Nguyễn Tuấn Khoa (2011), “Mô phỏng và chế tạo Micro Linear Motor ứng dụng trong

các thiết bị số”, luận văn thạc sĩ, trường Đại học Bác khoa Hà Nội.

[29] Jae-Sung Park et al. (2001), "Bent-Beam Electrothermal Actuators - Part II: Linear and

Rotary Microengines", J. of MicroElectroMechanical Sys, 10(2), pp. 255-262.

[30] Sinclair, M. J. (2000), “A high force low area MEMS thermal actuator”. In ITHERM 2000. The Seventh Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (Cat. No. 00CH37069) (Vol. 1, pp. 127-132). IEEE

112

[31] John M Maloney, DavidSSchreiber and Don L DeVoe (2004), "Large-force electrothermal linear micromotors", JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING; J. Micromech. Microeng, 14, pp. 226–234.

[32] Y. Lai, J. McDonald, M. Kujath and T. Hubbard (2004), “Force, deflection and power measurements of toggled microthermal actuators”, J. Micromech. Microeng, 14, pp. 49- 56.

[33] Changhong Guan and Yong Zhu (2010), "An electrothermal microactuator with Z- at:

J. Micromech. Microeng. Vol.20,

online

9pp,

beams",

shaped www.stacks.iop.org/JMM/20/085014.

[34] Changhong Guan and Yong Zhu (2012), "Bidirectional Electrothermal Actuator With Z-

Shaped Beams", Sensor journal, 12(7), pp. 2508-2509.

[35] Kolesar et al. (2004), "Electrothermal MEMS Micro-engine Capable of Bi-directional

Motion", Thin Solid Film, pp. 481-488.

[36] Ho Nam Kwon et al. (2001), "A micromachined thermoelastic inchworm actuator", Proc. of American Society for Precision Engineering, Annual meeting, pp. 127-130. [37] Ho Nam Kwon et al. (2002), "Characterization of a micromachined inchworm motor with thermoelastic linkage actuators", In Technical Digest. MEMS 2002 IEEE International Conference. Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No. 02CH37266) (pp. 586-589).

[38] Mathew Stevenson et al (2007), "Development of a bidirectional ring thermal actuator",

Journal of Micromech. Microeng, 17, pp. 2049–2054.

[39] Ali Khiat et al. (2012), "Linear and rotational thermal micro-stepper motors",

Microelectronic Engineering, 98, 497-501.

[40] Chengkuo Lee J. Andrew (2005), "Development of X-beam electrothermal actuators",

Yeh,IEEE, Technical paper, pp. 550-555.

[41] Tas N.R. et al. (1997), "Surface Micromachined Linear Electrostatic Stepper Motor", Proc. of International Solid State Sensors and Actuators Conference Transducers 97, 2, pp. 777-780.

[42] Humberto Ferreira Vinhais, Paulo Henrique de Godoy, Emilio Carlos Nelli Silva (2006), “Optimized design of an electrostatic side-drive micromotor”, ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2, pp. 433-450.

[43] Ji, Q., & Scott, K. L. (2003), “First Order Modeling of Thermal Actuators in SUGAR”. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley, CA, 94720.

[44] Young Pyo Lee (2004), "Locomotive Mechanism Design and Fabrication of Biomimetic Micro Robot Using Shape Memory Alloy", Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation, pp. 5007-5012.

[45] J. Varona ...(2007), "Modeling of MEMS Thermal Actuation with External Heat Source", Fourth Congress of Electronics, Robotics and Automotive Mechanics – Canada, pp. 591-596.

113

[46] Park J. S. et al. (2000), "Long throw and rotary output electro-thermal actuators based on bent-beam suspensions", 13rd Annual International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, pp. 680-685.

[47] Ferreira, A., & Aphale, S. S. (2010), “A survey of modeling and control techniques for micro-and nanoelectromechanical systems”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part C (Applications and Reviews), 41(3), 350-364.

[48] D. J. Bell, T. J. Lu, N. A. Fleck, and S. M. Spearing, “Mems actuators and sensors: for purpose”, Journal of

observations on their performance and selection Micromechanics and Microengineering, vol. 15 (2), pp. S152 – S164, 2005.

[49] C. Chen and C. Lee (2004), “Design and modeling for comb drive actuator with enlarged static displacement”, Sensors and Actuators A, vol. 115, pp. 530 – 539. [50] W. Tang, T. Nguyen, and R. Howe (1989), “Laterally driven polysilicon resonant

microstructures”, Sensors and Actuators A, vol. 20, pp. 25 – 32.

[51] K. M. Morzinski, K. B. W. Harpsie, D. T. Gavel, and S. M. Ammons (2007), “The open-loop control of MEMS : Modeling and experimental results”, Proceedings of SPIE, vol. 6467, pp. 64 670G.1 – 64 670G.10,.

[52] B. Zhang and M. T. E. Kahn (2006), “Overview and improving fiber optic gyroscope based on MEMS/NEMS fabrication”, Proceedings of the International MEMS Conference, vol. 34, pp. 148 – 154.

[53] Zhang, Z.; Yu, Y.; Liu, X.; Zhang, X (2017), “Dynamic modelling and analysis of V- and Z-shaped electrothermal microactuators”, Microsyst. Technol., 23, 3775–3789. [54] B. D. Jensen, S. Mutlu, S. Miller, K. Kurabayashi, and J. J. Allen (2003), “Shaped comb Journal of

tailored electromechanical

force”,

IEEE

for

fingers restoring Microelectromechanical Systems, vol. 12, pp. 373 – 383.

[55] H. J. Kordlar and G. Rezazadeh (2007), “Modeling open-loop MEMS tunneling accelerometer based on circular plate”, Sensors & Transducers Journal, vol. 78(4), pp. 1083 – 1092.

[56] D. Keymeulen, M. I. Ferguson, B. Oks, C. Peay, R. Terrile, Y. Cheng, D. Kim, E. MacDonald, and D. Foor (2005), “Hardware platforms for MEMS gyroscope tuning based on evolutionary computation using open-loop and closed -loop frequency response”, Proceedings of the International Conference on Evolvable Systems, Barcelona, Spain (September 12- 14).

[57] H. Cai, J. Wu, L. Z. J, X. M. Wang, Y. X. Lu, and C. Liu (2003), “Optical MEMS switch control and packaging”, Proceedings of the 5TH Conference on Electronics Packaging Technology (December 10 -12), pp. 291 – 293.

[58] M. Vagiaa, G. Nikolakopoulos, and A. Tzesa (2008), “Design of a robust PID control switching scheme for an electrostatic micro-actuator”. Control Engineering Practice, vol. 16 (11), pp. 1321 – 1328.

[59] W.-T. Sung, S. Sung, J.-Y. Lee, T. Kang, Y. J. Lee, and J. G. Lee (2008), “Development of a lateral velocity-controlled MEMS vibratory gyroscope and its performance test” IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 18, p. 055028(13pp).

114

[60] C. Acar, S. Eler, and A. M. Shkel (2001), “Concept, implementation, and control of wide bandwidth MEMS gyroscopes” Proceedings of the American Control Conference (June 25 - 27), pp. 1229 – 1234.

[61] A. Shkel, R. Horowitz, A. Seshia, S. Park, and R. Howe (1999), “Dynamics and control of micromachined gyroscopes”, Proceedings of the American Control Conference (June 2 - 4), vol. 3, pp. 2119 – 2124.

[62] B. Borovic, C. Hong, A. Q. Liu, L. Xie, and F. L. Lewis (2004), “Control of a MEMS optical switch” Proceedings of the 43rd IEEE Conference on Decision and Control (December 14 -17), vol. 5, pp. 3039 – 3044.

[63] T. Seki, M. Murakami, J. Yamaguchi, and K. Oda (2006), “High speed mirror control technique for 3D-MEMS optical switch”, IEICE Transactions on Communications (Japanese Edition), vol. 189-B, pp. 1315 – 1317.

[64] P. Song-Hee, A. Aina, T. Denison, and K. Lundberg (2004), “Feedback control for a MEMS-based high-performance operational amplifier”, Proceedings of the American Control Conference (30 June - 2 July), vol. 1 (30), pp. 380 – 385.

[65] Qu, Hongwei

(2016), "CMOS MEMS

fabrication

technologies and devices"

Micromachines, 7(1), 14.

[66] Chen, W.C.; Fang, W.L.; Li, S.S. (2011), “A generalized CMOS-MEMS platform for micromechanical resonators monolithically integrated with circuits”, J. Micromech. Microeng, 21, 065012.

[67] M. S.-C. Lu, Z.-H. Wu, C.-E. Huang, S.-J. Hung, M.-H. Chen, and Y.-C. King (2007), “CMOS micromachined grippers with on-chip optical detection”, IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 17, pp. 482 – 488.

[68] T. Vestad, D. W. M. Marr, and J. Oakey (2004), “Flow control for capillarypumped microfluidic systems”, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 14, pp. 1503 – 1506.

[69] C. J. Easley, al…(2006 ), “A fully integrated microfluidic genetic analysis system with sample-inanswer-out capability”, Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A, vol. 103, pp. 19 272 – 19 277.

[70] R. Anderson, al…(2005), “Integrated charge and position sensing for feedback control of electrostatic MEMS”, Proceedings of the Conference on Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems (March 7 - 10), vol. 5765.

[71] S. B. Prakash, P. Abshire, M. Urdaneta, M. Christophersen, and E. Smela (2006), “A CMOS potentiostat for control of integrated MEMS actuators”, Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (May 21 - 24), pp. 5555 – 5558. [72] P. Yang, C. Mechefske, Y. Lai (2009), “Micro Thermal Actuator with Integrated in Microsystems and Nanoelectronics Research

Capacitive Position Sensor”, Conference,. MNRC 2009. 2nd, IEEE, page 25-28.

[73] Zhu, Y., Bazaei, A., Moheimani, S. R., & Yuce, M. R. (2011), “Design, modeling, and control of a micromachined nanopositioner with integrated electrothermal actuation and sensing”, Journal of Microelectromechanical Systems, 20(3), 711-719. [74] Mohamed Gad-el-Hak et al (2002), “The MEMS Handbook”, CRC Press, USA.

115

[75] Tilli, M., Paulasto-Krockel, M., Motooka, T., & Lindroos, V. (Eds.). (2015). Handbook

of silicon based MEMS materials and technologies. William Andrew.

[76] Đặng Bảo Lâm (2014), “Nghiên cứu vi động cơ kiểu tĩnh điện dựa trên công nghệ vi cơ

điện tử”, luận án tiến sĩ, trường Đại học Bác khoa Hà Nội.

[77] K.L. Moore (2012), “Iterative Learning Control for Deterministic Systems”. Springer

Science & Business Media.

[78] K.J. Hunt, D. Sbarbaro, R. Zbikowski, and P.J. Gawthrop (1992), “Neural networks for

control systems—A survey”, Automatica, vol. 28, no. 6, pp. 1083–112,.

[79] G. Hillerstrom and K. Walgama (1997), “Repetitive control theory and applications—a survey”, in Proc. 13th World Congress Vol.D: Control Design II, Optimization, pp. 1–6. [80] R.W. Longman 2000, “Iterative learning control and repetitive control for engineering

practice, Int. J. Contr., vol. 73, no. 10, pp. 930–954.

[81] S. Arimoto, S. Kawamura, and F. Miyazaki (1984), “Bettering operation of robots by

learning”, Journal of Robotic systems, 1(2), 123-140.

[82] M. Norrlof (2002), “An adaptive iterative learning control algorithm with experiments on an industrial robot”, IEEE Trans. Robot. Automat., vol. 18, no. 2, pp. 245–251. [83] D.-I. Kim and S. Kim, (1996 ), “An iterative learning control method with application

for CNC machine tools”, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 32, no. 1, pp. 66–72.

[84] D. de Roover and O.H. Bosgra (2000), “Synthesis of robust multivariable iterative learning controllers with application to a wafer stage motion system”, Int. J. Contr., vol. 73, no. 10, pp. 968–979.

[85] H. Havlicsek and A. Alleyne (1999), “Nonlinear control of an electrohydraulic injection molding machine via iterative adaptive learning”, IEEE/ASME Trans. Mechatron., vol. 4, no. 3, pp. 312–323.

[86] F. Gao, Y. Yang, and C. Shao (2001), “Robust iterative learning control with applications to injection molding process”, Chem. Eng. Sci., vol. 56, no. 24, pp. 7025– 7034.

[87] M. Pandit and K.-H. Buchheit (1999), “Optimizing iterative learning control of cyclic production processes with application to extruders”, IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 7, no. 3, pp. 382–390.

[88] S. Garimella and K. Srinivasan (1998), “Application of iterative learning control to coil- to-coil control in rolling”, IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 6, no. 2, pp. 281–293. [89] S.A. Saab, “A stochastic iterative learning control algorithm with application to an

induction motor,” Int. J. Contr., vol. 77, no. 2, pp. 144–163, 2004.

[90] A.D. Barton, P.L. Lewin, and D.J. Brown (2000), “Practical implementation of a real-

time iterative learning position controller”, Int. J. Contr., vol. 73, no. 10 pp. 992–999.

[91] W. Hoffmann, K. Peterson, and A.G. Stefanopoulou (2003), “Iterative learning control for soft landing of electromechanical valve actuator in camless engines”, IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 11, no. 2, pp. 174–184,.

[92] Y.Q. Chen and K.L. Moore (2002), “A practical iterative learning pathfollowing control

of an omni-directional vehicle”, Asian J. Contr., vol. 4, no. 1, pp. 90–98.

116

[93] C. Mi, H. Lin, and Y. Zhang (2005), “Iterative learning control of antilock braking of

electric and hybrid vehicles”, IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 54, no. 2, pp. 486–494.

[94] D.R. Yang, K.S. Lee, H.J. Ahn, and J.H. Lee, (2003 ), “Experimental application of a quadratic optimal iterative learning control method for control of wafer temperature uniformity in rapid thermal processing”, IEEE Trans. Semiconduct. Manufact, vol. 16, no. 1, pp. 36–44.

[95] D. Gorinevsky (2002), “Loop shaping for iterative control of batch processes”, IEEE

Contr. Syst. Mag., vol. 22, no. 6, pp. 55–65.

[96] S. Kawamura and N. Sakagami (2002), “Analysis on dynamics of underwater robot manipulators basing on iterative learning control and time-scale transformation”, in Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Automatic, pp. 1088–1094.

[97] M. Mezghani, G. Roux, M. Cabassud, M.V. Le Lann, B. Dahhou, and G. Casamatta (2002), “Application of iterative learning control to an exothermic semibatch chemical reactor”, IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., vol. 10, no. 6, pp. 822–834.

[98] C.V. Giessen, Q. Zou, and S. Devasia (2004), “Inversion-based precisionpositioning of

inertial reaction devices”, in Proc. Amer. Contr. Conf., pp. 3788–3793.

[99] Y. Chen, C. Wen, J.-X. Xu, and M. Sun (1998), “High-order iterative learning identification of projectile’s aerodynamic drag coefficient curve from radar measured velocity data”, IEEE Tran. Contr. Syst. Technol., vol. 6, no. 4, pp. 563–570.

[100] C.T. Abdallah, V.S. Soulian, and E. Schamiloglu (1998), “Toward “smart tubes” using iterative learning control”, IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 26, no. 3, pp. 905–911. [101] Moore, K.L.; Dahleh, M. and Bhattacharyya, S.P (1989), “Iterative learning for

trajectory control”, Proceedings of Confer, Florida 860-865.

[102] Vita,V.; Vitas,A. and Chatzarakis,G.E. (2011), “Design, implementation and evaluation of an optimal iterative learning control algorithm”, WSEAS transactions on circuits and systems, 10(2), 39-48.

[103] Uchiyama,M. (1978), “Formation of high speed motion pattern of mechanical arm by trial”, Transactions of Society of Instrumentation and Control engineer, 19(5), pp. 706- 712.

[104] 1S. Arimoto, S. Kawamura, and F.Miyazaki (1984), “Iterative learning control for robot

systems”, In Proceedings of IECON, Tokyo,Japan, p393-398.

[105] Xu,J.X. and Tan,Y (2003), “Linear and nonlinear iterative learning control” Springer

Verlag (Vol. 291).

[106] Norrloef,M (2000), “Iterative learning control: Analysis, Design and Experiment”,

Diss., No.653, Linkoepings University, Sweden.

[107] Tian, S.; Liu, Q.; Dai, X. and Zhang, J. (2016), “A PD type iterative learning control algorithm for singular discrete systems”, Advances in Difference Equations, 321 Springer.

[108] Owen, D.H.; Amann, N. and Roger, E. (1995), “Iterative learning control, an overview of recent algorithm”, Applied Mathematics and Computer Science, 5 (3) 425-438. [109] Owens, D.H. and Hatonen, J (2004), “Iterative learning control: The state of the art”,

IFACT Workshop on Periodic Control Systems, p51-62.

117

[110] Bristow,D.A.; Tharayil,M. and Alleyne,A.G (2006), “A Survey of Iterative Learning Control: A learning-based method for high-performance tracking control”, IEEE control systems magazine 26, p96-114.

[111] Nguyễn Doãn Phước (2007), “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất bản Khoa học

kỹ thuật.

[112] Getting

Simscape.

Tutorials.

MathLab

Started

with

R2019b. (https://ch.mathworks.com/help/physmod/simscape/getting-started-with-simscape.html)

118

PHỤ LỤC

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

100 mm

dày 4µm

Lớp Si dày 30µm Lớp SiO 2

Chuẩn bị hiến SOI và

Lớp Si nền dày 450µm

Rửa phiến bằng aceton trong 5phút

Rửa sạch bằng nước khử ion (DIwater) trong 5 phút

Thổi khô bằng khí nitơ

Sấy khô ở nhiệt độ khoảng 110 0C

119

1- Quy trình làm sạch

2- Quy trình quang khắc Phủ chất kết dính OAP (110 0C; 120 giây)

Phủ photoresist OFPR-80054CP (positive) bằng máy quay phủ

Quay phủ với tốc độ lần lượt: -1000v/ph trong 5 giây -4000v/ph trong 30 giây

Sấy (110 0C; 90 giây)

Nhúng phiến SOI trong dung dịch NMD3 để hiện hình trong 120 giây

Chiếu:softcontact, khoảng cách 20µm, thời gian chiếu 1,6 giây

Rửa bằng nước khử ion (DI water) trong 5 phút và thổi khô

Sấy phiến SOI tại 110 0C trong 15 phút (có hút khí)

Máy quang khắc tại ITIMS

120

Kiểm tra chiều dày photoresit

3- Ăn mòn khô sâu DRIE

MUC–21–

ProductsCo.Ltd.

Chuẩn bị máy ăn mòn

ăn mòn-Etch

;

130

phủ lớp bảo

Thiết lập thông - Khí: Thời gian: 7 - Khí: ; Thời gian: 5 +Tốc độ ăn mòn:1.8

Chuẩn bị phiến SOI và đưa vào máy để tiến hành ăn mòn khô

Kiểm tra kết quả ăn mòn kính hiển vi điện tử

khi m

121

Quá trình gia công kết chiều sâu ăn mòn đạt (chạm đến lớp

4- Cắt và làm sạch chíp

Phủ lớp photoresist 510 CP bảo vệ chíp. -Sấy ở nhiệt độ 1200C trong 2- 5 phút.

Dán lớp màng bảo vệ

-Đặt tấm SOI vào máy DAD522 và tiến hành hiệu chỉnh. -Thiết lập bước cắt 10,16mm

Thực hiện cắt và theo dõi quá trình

Làm sạch lớp photoresist: -Aceton: 10ph, nhiệt độ phòng -Rửa bằng nước DI trong 5ph -Thổi khô bằng khí

ở

DI trong 10

122

- Ngâm chip trong dung dịch nhiệt độ thường trong thời gian 30 - Rửa bằng - Thổi khô bằng khí - Sấy ở 110C trong 10

5- Ăn mòn bằng hơi HF

Chuẩn bị: Đèn60W (khoảng cách từ đèn đến giá đựng chíp 7 cm). Sấy ấm khoảng15-20 phút cho nhiệt độ đồng nhất

Đổ HF vào lọ (h=2cm-khoảng cách từ mặt axit đến đáy). Sấy ấm trong10 phút.

Để giá đựng chip lên hộp HF, bọc kín, thời gian ăn mòn HF từ 60 90 phút. Phản ứng hóa học: SiO2+6HF→ H2SiOF6+2H2O

Lấy chip để chuẩn bị tiến hành đo đạc

Sơ đồ bố trí hệ thống ăn mòn hơi HF

123

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

Máy quay phủ

Máy sấy – Baker

Hệ thống máy quang khắc

124

Hệ thống ăn mòn khô ICP - RIE 10IP

Hình ảnh 04 vi động cơ gắn trên cùng 1 chíp 3x3cm chuẩn bị cho quá trình cấp nguồn

125

Phụ lục 3: Hệ thống cấp nguồn

Sơ đồ cấp nguồn cho vi động cơ

Hệ thống cấp nguồn sử dụng hệ đo 4 đầu dò tại viện AIST

126

Hệ đo 4 đầu dò 4200-SCS của hãng Cascade Microtech (Mỹ) tại viện AIST

Hình ảnh vi động cơ qua kính hiển vi của hệ đo

127