ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phan Hữu Phú MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA VI GẮP CÓ CẢM BIẾN DÙNG ĐỂ THAO TÁC VỚI CÁC VI VẬT THỂ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2015 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH PGS.TS VŨ NGỌC HÙNG Phản biện: Phản biện: Phản biện: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội Chương 1.1 TỔNG QUAN Vi gắp, hệ thống chấp hành cảm biến Công nghệ vi điện tử (MEMS) cho phép phát triển công cụ thu nhỏ với kích thước cỡ mili mét để thao tác với vi vật thể (kích thước nằm dải micro mét) nhằm đạt nhiều lợi kích thước nhỏ gọn, giá rẻ hay có tần số hoạt động cao Nhiều hệ thống vi gắp cảm biến giới thiệu hai thập kỷ vừa qua 1.2 Giới thiệu loại vi gắp Phần giới thiệu phát triển loại vi gắp phổ biến đặc điểm chúng Vi gắp điện từ với cấu trúc đơn giản tạo chuyển vị lớn môi trường nhiệt độ hoạt động thấp mà độ trễ không đáng kể Đặc biệt, hai biến thể khác cấu trúc lược dọc lược ngang đáp ứng tốt cho yêu cầu độ xác cao chuyển vị lớn Bên cạnh đó, cấu chấp hành nhiệt điện hoạt động dải điện áp thấp tạo lực kẹp chuyển vị lớn nhờ hiệu ứng giãn nở nhiệt vật liệu khác Mặt khác, lực kẹp lớn, chuyển vị xác đáp ứng nhanh điểm mạnh cấu chấp hành áp điện Ngoài ra, cấu chấp hành điện từ khí nén tạo lực kẹp chuyển vị lớn 1.3 Giới thiệu loại cảm biến dùng cho vi gắp Cảm biến lực chuyển vị cần thiết hệ thống vi gắp Phần giới thiệu tổng quan loại cảm biến nghiên cứu sử dụng rộng rãi cho hệ thống vi gắp, gồm cảm biến quang học, cảm biến lực áp trở cảm biến lực điện dung Trước cảm biến lực chuyển vị áp dụng, phương pháp giám sát quang học nghiên cứu rộng rãi Trong năm gần đây, nhà nghiên cứu quan tâm nhiều tới việc phát triển cảm biến có độ phân giải độ nhạy cao Để đạt độ tin cậy an toàn thao tác, cảm biến lực chuyển vị tích hợp cảm biến áp điện, cảm biến áp trở cảm biến điện dung phát triển nhằm thu thập thông tin theo thời gian thực 1.4 Vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện silic-polyme Trong loại vi gắp hệ thống cảm biến giới thiệu, cấu trúc có ưu nhược điểm riêng Vi gắp nhiệt điện silicpolyme tích hợp cảm biến áp trở với nhiều ưu điểm giới thiệu, chế tạo đo đạc [11] Cấu trúc vi gắp sản xuất dựa công nghệ vi khối, công nghệ polyme, hoàn toàn tương thích với công nghệ CMOS Các thông số vi gắp cho thấy thao tác với vi hạt hiệu hơn, xác so với vi gắp phát triển trước Chuyển vị vi gắp lên tới 32 μm nhiệt độ hoạt động trung bình 176 oC điện áp 4,5 V Vi gắp thao tác với vi hạt có kích thước từ đến 40 μm tích hợp cảm biến áp trở xác định chuyển vị lực kẹp Với ưu điểm kể trên, vi gắp lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu cho luận án Để thuận tiện cho nghiên cứu trình bày luận án, chi tiết vi gắp cảm biến nhiệt điện silic-polyme trình bày phần 1.5 Cấu trúc luận án Luận án gồm có ba chương Chương 1: Giới thiệu hướng nghiên cứu, thiết kế vi chấp hành loại cảm biến sử dụng cho vi gắp Từ nêu lý chọn vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện silicon-polyme để nghiên cứu phát triển tiếp Giới thiệu kết nghiên cứu có vi gắp Chương 2: Trình bày nâng cấp mô hình mô phỏng, phân tích tổng quát phân bố nhiệt độ cấu chấp hành, chuyển vị lực kẹp phương pháp học cổ điển mô hình truyền nhiệt Tiếp theo đề cập đến bước điều chỉnh thiết kế vi gắp cảm biến nhiệt điện cấu trúc phân bố lại nguồn nhiệt để đạt hiệu suất làm việc cao hơn, nhiệt độ hoạt động thấp giữ chuyển vị lực kẹp phiên Chương 3: Trình bày chế điều khiển, hàm điều khiển PID để tối ưu hoạt động vi gắp Mô hình hóa vi gắp mặt đáp ứng điện để tính toán mô hệ thống điều khiển vòng đóng Mô thiết kế vi mạch điều khiển tích hợp cho hệ thống vi gắp nói Cuối kết luận đề xuất hướng nghiên cứu Chương MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU CẤU TRÚC VI KẸP NHIỆT ĐIỆN SILIC-POLYME 2.1 Giới thiệu Đầu tiên, mô hình mô cho hệ thống vi gắp thực Tiếp theo, phân bố nhiệt độ vi gắp trạng thái hoạt động cân tính toán dựa mô hình dẫn nhiệt đối lưu nhiệt Chuyển vị lực tác động lên đối tượng tính toán cách lấy kết từ phân tích nhiệt đặt vào mô hình học cổ điển Phương pháp chuyển vị trực tiếp sử dụng để tìm phương trình chuyển vị lực kẹp Cuối thay đổi nhỏ cấu trúc phân bố lại nguồn nhiệt cấu chấp hành vi gắp để giảm nhiệt độ công suất hoạt động xuống cho phù hợp với ứng dụng lĩnh vực có yêu cầu khắt khe thao tác với tế bào sống, mặt khác không làm thay đổi chuyển vị lực kẹp so với phiên 2.2 Mô hình mô Hoạt động vi gắp dựa hai chuyển đổi lượng chính: điện thành nhiệt sau chuyển nhiệt thành (chuyển vị lực kẹp) Trong mô hình mô đầu tiên, tác giả lập mô hình chuyển đổi từ nhiệt sang năng, nhiệt lượng ước tính đưa vào chương trình mô thông số khởi tạo [11] Bên cạnh đó, mô hình dạng hai chiều (2D), tức thể cấu trúc vi gắp mặt phẳng Chương trình COMSOL sử dụng để nâng cấp, xây dựng mô hình mô hoạt động cho hệ vi gắp Cấu trúc ba chiều (3D) thiết lập với kích thước thông số vật lý lớp vật liệu phiên chế tạo Các điều kiện môi trường xung quanh vi gắp đưa vào (mặc định môi trường không khí nhiệt độ phòng) Chuyển đổi lượng mô hình thể hai giai đoạn đề cập Hay nói cách khác, với mô hình độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, công suất tiêu thụ, chuyển vị, lực kẹp xác định cấp giá trị điện áp vào hai đầu sợi nhôm 2.3 Phân tích mặt nhiệt học Có ba cấu chuyển động nhiệt lượng cấu trúc vi gắp hoạt động, truyền dẫn, đối lưu phát xạ nhiệt Vi gắp hoạt động môi trường không khí nên hai chế truyền dẫn đối lưu cần phải đề cập đến Vì nhiệt độ hoạt động hệ thống thấp 250 oC nên phát xạ nhiệt bỏ qua [104] Hình 2.2 Hình chiếu ngang hình chiếu đứng vi gắp để phân tích đặc tính nhiệt Hình 2.2 mô tả chi tiết hình chiếu ngang hình chiếu đứng vi gắp nhiệt điện silic-polyme để phân tích đặc tính nhiệt học môi trường không khí Nhiệt truyền từ cấu chấp hành vào giá đỡ thông qua phần tiếp giáp chúng Một phần nhiệt khác truyền vào giá đỡ thông qua dầm cảm biến Ngoài chế truyền dẫn, nhiệt lượng bị thất thoát phần đối lưu không khí bao quanh cấu vi gắp Xuất phát từ trạng thái cân hệ thống áp dụng điều kiện biên, với công suất tỏa nhiệt cấu chấp hành, phương trình phân bố nhiệt độ cấu chấp hành thu được: ( )= Với + + + (2.18) = √(2 / ) (2.16) (2.17) Hình 2.3 hiển thị kết tính toán phân bố nhiệt độ tương ứng với vị trí (độ dài) cấu chấp hành Phân bố nhiệt độ cấu chấp hành biến thiên theo dạng parabol, cảm biến tuyến tính Nhiệt độ đầu kẹp xấp xỉ 200 oC điểm cực đại khoảng 210 oC Hình 2.3 Kết tính toán phân bố nhiệt độ cấu chấp hành 2.4 Phân tích học vi kẹp nhiệt điện Hình 2.4 Mô hình hệ để phân tích vi kẹp cảm biến Mô hình sử dụng để phân tích vi kẹp cảm biến thay đổi nhiệt độ cấu chấp hành thể Hình 2.4 Đoạn thẳng AB, CD EF biểu diễn cho cấu trúc ngăn xếp silic-polyme, xương silic cảm biến lực áp trở Các dầm cố định đầu nối với cứng BDF đầu lại Eij, Aij Iij môđun đàn hồi Young vật liệu, diện tích mặt cắt ngang momen quán tính mặt cắt ngang ứng với dầm ij Chiều dài đoạn AB tăng cấp điện áp (do ngăn xếp silic-polyme giãn nở) Giá trị thông số tương đương AB công nhận [89, 102] Trong phương pháp này, giả sử thay đổi nhiệt độ trung bình AB CD ΔT 2.4.1 Phân tích chuyển vị Hình 2.5 Biến dạng cấu trúc Hình 2.5 biểu diễn biến dạng hệ nhiệt độ thay đổi dầm AB CD Trong hình, Z1 Z2 xác định chuyển vị xoay chuyển vị thẳng chưa biết cứng BDF Giãn nở theo chiều dọc dầm EF không đáng kể bỏ qua Để tính toán chuyển vị lực kẹp, phương pháp chuyển vị trực tiếp sử dụng [1, 3] Khi nhiệt độ thay đổi đại lượng ΔT, phương trình chủ đạo hệ: Κ Ζ (T )  R (T ), (2.19) đó, (2.20) K, Z, R ma trận độ cứng hệ thanh, vectơ chuyển vị vectơ ứng lực Từng bước giải phương trình (2.19), ta được: Hình 2.10 biểu diễn phân bố nhiệt độ cấu chấp hành cảm biến phương pháp tính toán mô Do hạn chế phương pháp đo nên không thu nhiệt độ vị trí cụ thể cấu chấp hành cảm biến [11, 89] Vì vậy, kết thực nghiệm để so sánh với kết tính toán mô Có thống đáng kể giá trị mô tính toán, không phương pháp toán học mà mô hình mô xác nhận phù hợp Hình 2.10 Phân bố nhiệt độ hoạt động cấu chấp hành vi gắp 2.6 Tối ưu vi gắp Tại vị trí đầu kẹp có nhiệt độ cao hoạt động (gần 200 °C) dẫn đến hạn chế ứng dụng vi gắp lĩnh vực có yêu cầu cao thao tác với tế bào sống Yêu cầu tối ưu cấu trúc vi gắp để nhiệt độ hoạt động thấp 100 °C đưa ra, mặt khác thay đổi phải không ảnh hưởng tới cấu trúc giảm độ chuyển vị lực kẹp so với cấu trúc ban đầu 11 2.6.1 Tối ưu mặt cấu trúc Đồ thị biểu diễn kết mô tính toán phân bố nhiệt cấu chấp hành vi gắp cho thấy ngăn xếp silic-polyme gần phía đầu kẹp có nhiệt độ cao, khối gần giá đỡ có nhiệt độ thấp Mặc dù kích thước sợi nhôm nhiệt lượng tỏa ngăn xếp đồng Nguyên nhân nhiệt lượng truyền dẫn vào giá đỡ Vì vậy, chuyển vị đầu kẹp chủ yếu ngăn xếp silic-polyme nằm gần đầu kẹp giãn nở tạo nên, đóng góp khối gần giá đỡ không đáng kể Sử dụng phương pháp thử sàng lọc kết quả, Hình 2.11 cách cắt bỏ phần silic vùng tiếp giáp để giảm chế truyền nhiệt Hình 2.11 Các phương án thay đổi cấu trúc cấu chấp hành Phương án D có kết tốt theo phương diện giảm nhiệt độ hoạt động (nhiệt độ cao giảm xuống 82 C so với 155 C cấu trúc ban đầu – giảm 47%) Thêm vào đó, chuyển vị đầu kẹp tăng lên 30% (từ 3,02 µm đến 4,05 µm) 2.6.2 Tối ưu mặt nhiệt độ Thay đổi nhỏ cấu trúc chấp hành vi gắp khắc phục phần phân bố nhiệt độ không đồng đều, nhiên nhiệt độ có xu hướng cao phía đầu kẹp Trong phần này, mô ban 12 đầu riêng rẽ khối ngăn xếp silic-polyme cấp nguồn nhiệt với điều kiện giống hệt để tìm chuyển vị đầu kẹp So sánh số liệu chuyển vị xác định vị trí cấp nhiệt hiệu chuyển vị cấu chấp hành Cấu trúc vi gắp thay đổi phần tiếp giáp với giá đỡ (cấu trúc D) lựa chọn để sử dụng mô Cơ cấu chấp hành gồm 40 ngăn xếp silic-polymer đánh số từ đến 40 tính từ phần tiếp giáp với giá đỡ phía đầu kẹp Kết mô cho thấy “tắt/mở” nhiệt lượng số vị trí khắc phục vấn đề phân bố nhiệt độ cấu chấp hành So sánh kết mô phương án đề xuất, kết tốt giảm 15% nhiệt độ cực đại phân bố nhiệt độ cấu chấp hành đồng chuyển vị đầu kẹp không đổi So sánh với cấu trúc vi gắp nguyên bản, phân bố nhiệt độ cấu chấp hành khắc phục đáng kể Nhiệt độ cực đại giảm 65%, chuyển vị đầu kẹp không thay đổi công suất tiêu thụ giảm 50% 2.6.3 Kết hợp tối ưu Tác giả đề xuất kéo dài má kẹp thêm 50 µm để giảm nhiệt độ má kẹp Hình 2.17 biểu diễn phân bố nhiệt độ cánh tay vi gắp nhờ thay đổi Khi kết hợp giải pháp cấu trúc kết thu tốt So với cấu trúc ban đầu, nhiệt độ cao giảm nửa, nhiệt độ đầu má kẹp tương đương với nhiệt độ phòng giữ nguyên chuyển vị đầu kẹp 13 Hình 2.17 Kết mô cấu trúc 2.7 Kết luận chương Chương trình bày việc xây dựng nâng cấp mô hình mô hệ vi gắp Mô hình 3D với hai chuyển đổi lượng thiết lập điều kiện mô trường bao quanh hệ vi gắp Tiếp đến phân tích, tính toán tổng quát cho hệ thống vi gắp cảm biến nhiệt điện: theo mô hình nhiệt học mô hình học cổ điển So sánh kết cho thấy phù hợp đo đạc thực nghiệm, mô tính toán Thực tối ưu cấu trúc vi gắp, thay đổi không ảnh hưởng nhiều tới đăc điểm khí hay đáp ứng vi gắp Nhiệt độ hoạt động cấu trúc giảm 65%, nhiệt độ má kẹp tương đương với nhiệt độ phòng chuyển vị đầu kẹp không đổi so với cấu trúc Mặt khác, công suất tiêu thụ vi gắp giảm 50% 14 Chương 3.1 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP Giới thiệu Chương trình bày chế điều khiển vi gắp thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp cho vi gắp cảm biến nhiệt điện silicpolyme từ tổng thể đến chi tiết mạch chức Nhằm tận dụng tối đa ưu điểm quy trình chế tạo hệ vi gắp tương thích với công nghệ CMOS Trang bị hệ điều khiển tích hợp công nghệ chế tạo có nhiều ưu điểm Việc tích hợp cho phép thu nhỏ kích thước hệ thống vi gắp cách tối đa, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao độ xác độ tin cậy hoạt động 3.2 Thiết lập hàm điều khiển PID cho hệ thống Một hệ điều khiển vòng đóng PID cần thiết cho hệ thống vi gắp Từng bước xác định hàm truyền thành phần hệ đánh giá đáp ứng chế điều khiển riêng rẽ điều khiển tỉ lệ (P), điều khiển tỉ lệ tích phân (PI), điều khiển tỉ lệ đạo hàm (PD) hệ điều khiển PID cho hệ thống, hàm truyền tối ưu cho hệ thống PD có phương trình: (3.12) Đáp ứng hệ thống điều khiển thể Hình 3.7 so sánh với điều khiển mở Với chế điều khiển vòng đóng PD, thời gian đáp ứng thời gian thiết lập lối giảm khoảng 500 lần so với không sử dụng chế điều khiển (thời gian đáp ứng giảm từ 10 ms xuống 20 ns, thời gian thiết lập cân giảm từ 25 ms xuống 50 ns) Bên cạnh đó, hệ thống đảm bảo ổn định mà giao động lối 15 Hình 3.7 Đáp ứng hệ thống PD so sánh với hệ điều khiển mở 3.3 Lựa chọn công nghệ chế tạo chương trình mô mạch điện Mạch điều khiển tích hợp phải bao gồm mạch tương tự mạch tín hiệu số, điện áp cao dòng tiêu thụ lớn Công nghệ BiCMOS 1,2 µm tiêu chuẩn nhà sản xuất TSMC lựa chọn Công nghệ có nhiều ưu điểm phù hợp với hệ vi gắp có linh kiện hoạt động dải điện áp cao (lên đến 40 V) linh kiện hoạt động dải điện áp thấp (5 V) Mặt khác, công nghệ kiểm chứng có độ ổn định, lớp mặt nạ giá thành sản xuất phù hợp Mô hình mô linh kiện công nghệ cung cấp xây dựng thành thư viện đầy đủ tin cậy Bên cạnh thông số vật lý hoàn chỉnh, biến thiên kích thước, tính hoạt động điều kiện khác tích hợp vào mô hình Chương trình chuyên dụng để mô vi mạch bán dẫn HPICE lựa chọn để mô mỏng hoạt động mạch điều khiển 16 3.4 Mô hình hóa vi gắp theo thông số điện Để thiết kế mô hệ thống điều khiển cho hệ thống học cảm biến phản hồi, cần phải thiết lập mô hình điện cho toàn cấu vi gắp hệ cảm biến Mô hình vi gắp cần đảm bảo yếu tố sau: (a) Đáp ứng tần số; (b) Liên hệ điện áp lối vào điện áp lối cảm biến; (c) công suất với đo đạc thực nghiệm Từ tiêu chí sử dụng linh kiện có sẵn công nghệ Bi-CMOS 1,2 µm, mô hình điện cho hệ vi gắp cảm biến thiết lập 3.5 Sơ đồ khối toàn hệ thống Mục tiêu đặt hệ thống điều khiển có vòng điều khiển đóng theo hàm truyền PD thiết lập để hoạt động ổn định độc lập Hệ thống hoạt động với thông tin đầu vào giá trị điện áp tương tự tín hiệu số bit tương ứng với chuyển vị Việc điều khiển vi gắp đến vị trí định trước cần có tốc độ nhanh xác Do điều khiển cần phải giám sát tín hiệu phản hồi từ hệ cảm biến tín hiệu tham chiếu cách liên tục Phần điều khiển lựa chọn thiết kế hoàn toàn theo điện tử tương tự với nhiều ưu điểm: đáp ứng nhanh, sai số, mạch đơn giản, tiết kiệm diện tích kích thước cho hệ thống Hình Hình 3.9 sơ đồ khối hệ thống điều khiển, gồm vòng điều khiển kín với đệm tín hiệu từ cảm biến, tạo điện áp chuẩn tham chiếu, tạo điện áp nguồn nội bộ, mạch điều khiển công suất cho cấu chấp hành, chuyển mạch logic khối chức nhận lệnh chuyển vị cho đầu kẹp Trong khối chức kể trên, tạo điện áp tham chiếu chuẩn tạo điện áp 17 nguồn nội thiết kế để có khả hoạt động với dải điện áp vào lớn (từ 5V đến 40V), khối lại hoạt động với điện áp thấp cấp nguồn từ tạo điện áp nguồn nội Khối chức nhận giá trị chuyển vị đầu kẹp thiết kế để nhận lệnh tín hiệu tương tự tín hiệu số bit Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống vi gắp cảm biến nhiệt điện mạch điều khiển 3.6 Thiết kế mạch chi tiết Chi tiết mạch chức hệ thống điều khiển tính toán, thiết kế mô theo tiêu chí cụ thể đặt Các điều kiện môi trường thay đổi, sai số ảnh hưởng đến tính linh kiện chế tạo dây chuyền công nghệ thay đổi điện áp nguồn cân nhắc thiết kế mô Mục đích đảm bảo hệ thống sau chế tạo hoạt động mong muốn 18 3.7 Thiết kế chi tiết kết mô toàn hệ thống Các mạch chức kết nối tạo thành hệ điều khiển hoàn chỉnh Hệ thống hoạt động với dải điện áp nguồn rộng, từ đến 40 V người dùng cần đặt giá trị chuyển vị tín hiệu chọn chế độ để hệ thống vi gắp hoạt động Vị trí chuyển vị đầu vi gắp xác định hai cách thức, thứ thông qua tín hiệu tương tự vào chân C0 đặt tín hiệu MODE trạng thái cao; cách thức thứ hai thông qua cổng bit (C0, C1, …C8) đặt tín hiệu MODE trạng thái thấp Chúng ta gọi hai cách thức chế độ tương tự chế độ số Hệ thống hoạt động tín hiệu EN=1 thả nổi; giá trị tín hiệu DAV=1 để báo cho hệ thống biết số liệu cổng bit tín hiệu số sẵn sàng; tín hiệu STA=1 để bắt đầu tiến hành gắp vật thể STA=0 nhả vật thể Tất chân tín hiệu nối với khối ESD nhằm bảo vệ hệ thống mạch bên khỏi phá hủy điện tích tĩnh Kết mô hoạt động hệ thống trình bày Hình 3.28 với điện áp nguồn 12 V, chuyển vị đặt theo chế độ tương tự với giá trị V, tín hiệu khởi động kích hoạt 100 µs sau nguồn cấp Từ đồ thị biểu diễn tín hiệu hệ thống, ta thấy cần 10 µs để ổn định trạng thái từ cấp nguồn; khoảng thời gian để mạch tạo điện áp nguồn chuẩn tham chiếu, mạch tạo điện áp nguồn nội khởi động đạt trạng thái cân Ngoài có xung điện áp không mong muốn khoảng thời gian Tuy nhiên có chế bảo vệ nên hệ thống không rơi vào trạng thái lỗi 19 Hình 3.28 Kết mô toàn hệ thống Khi tín hiệu STA đặt mức cao, điều khiển vòng đóng bắt đầu hoạt động, cho phép transistor công suất mở tối đa lúc điện áp đặt vào hai đầu sợi nhôm cấu chấp hành với điện áp nguồn Cơ cấu vi gắp cấp nguồn bắt đầu dịch chuyển, tương đương với tín hiệu phản hồi từ cảm biến bắt đầu tăng lên Vòng lặp tiếp tục thực điện áp phản hồi tiệm cận với điện áp định sẵn, điện áp điều khiển transistor giảm tương ứng theo đạt mức cân (điện áp phản hồi điện áp tham chiếu) Quá trình từ bắt đầu kích hoạt đạt đích chuyển vị khoảng 500 µs Nếu tăng điện áp nguồn lên giá trị cao khoảng thời gian giảm đi, ví dụ mức điện áp nguồn 30V thời gian đáp ứng 200 µs Như vậy, với diện mạch điều khiển, cần đặt tín hiệu lệnh hệ thống tự hoạt động đạt vị trí mong muốn đầu kẹp Ngoài ra, với dải điện áp nguồn nuôi 20 mở rộng, hệ hoạt động với điện áp khoảng từ đến 40 V Thời gian đáp ứng vi gắp giảm nhiều lần so với điều khiển 3.8 Kết luận chương Hàm truyền điều khiển cho hệ thống tính toán thiết lập cho hệ vi gắp Cụ thể hệ điều khiển PD, kết mô cho thấy đáp ứng lối (chuyển vị từ lúc xuất phát đến vị trí mong muốn) tăng gấp 500 lần so với hệ điều khiển vòng đóng Công nghệ lựa chọn để thiết kế mạch điều khiển tích hợp Bi-CMOS 1,2 µm tiêu chuẩn TSMC Với công nghệ này, hệ thống hoạt động dải điện áp từ đến 40 V Mô hình linh kiện công nghệ cung cấp đầy đủ sử dụng chương trình mô chuyên dụng HSPICE để hỗ trợ thiết kế mạch điều khiển Hệ vi gắp tích hợp cảm biến mô hình hóa mạch điện tương đương với đáp ứng tần số, công suất tiêu thụ, điện áp lối cảm biến theo điện áp nguồn đặt vào phiên chế tạo Thiết kế hệ thống điều khiển từ sơ đồ khối tổng thể đến chi tiết mạch chức Với thiết kế này, hệ thống hoạt động độc lập nhận tín hiệu điều khiển chuyển vị mong muốn thông qua giá trị điện áp tương tự qua cổng tín hiệu số bít Kết mô cho thấy, hệ thống hoạt động ổn định thời gian đáp ứng giảm xuống 200 µs điện áp nguồn nuôi 30 V, có nghĩa giảm thời gian đáp ứng vi gắp 120 lần (25 ms) so với hệ điều khiển 21 KẾT LUẬN Từ vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện silic-polyme thiết kế, chế tạo đo đạc đánh giá ban đầu với nhiều ưu điểm bật điện áp hoạt động thấp, kích thước nhỏ gọn, biên độ dịch chuyển lớn, tích hợp cảm biến chuyển vị cảm biến lực kẹp v.v đặc biệt công nghệ chế tạo tương thích với công nghệ CMOS Tuy nhiên, việc đo đạc đánh giá vi gắp gói gọn khuôn khổ thực nghiệm định Cơ chế hoạt động, tính chất cần nghiên cứu cách kỹ lưỡng mặt toán học Bên cạnh cấu trúc tồn số nhược điểm cần tối ưu tích hợp hệ điều khiển Với yêu cầu đề ra, luận án thực điểm sau: - Nâng cấp xây dựng mô hình mô hoàn chỉnh cho hệ thống vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện silic-polymer với cấu trúc 3D mô hình chuyển đổi lượng qua hai giai đoạn từ điện thành nhiệt từ nhiệt thành hoạt động thực tế vi gắp - Tính toán tổng quát cho hệ thống vi gắp theo mô hình nhiệt học mô hình học cổ điển Kết so sánh với kết phương pháp mô đo đạc thực nghiệm phiên vi gắp chế tạo So sánh số liệu cho thấy phù hợp ba phương pháp - Tối ưu cấu trúc vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện với số thay đổi nhỏ cấu trúc chế phân bố nhiệt Kết cho thấy giảm 65% nhiệt độ điểm cực đại giảm 50% công suất tiêu thụ, giữ nguyên giá trị chuyển vị so với cấu trúc ban đầu Đặc biệt, nhiệt độ đầu kẹp giảm xuống gần với 22 nhiệt độ phòng, có nghĩa vi gắp phù hợp với ứng dụng y tế - Thiết lập hàm truyền điều khiển PD cho hệ cấu vi gắp Với hàm truyền này, kết mô cho thấy đáp ứng hệ thống giảm 500 lần so với hệ điều khiển - Thiết kế hệ điều khiển tích hợp để tăng tốc độ thi hành, tăng độ tin cậy xác cho vi gắp Hệ thống hoạt động với dải điện áp nguồn rộng (từ đến 40 V) điều khiển vị trí chuyển vị thông qua tín hiệu tương tự tín hiệu số bit Với việc tích hợp mạch điều khiển, hệ vi gắp dễ dàng kết nối với lớp điều khiển cao qua tín hiệu số hoạt động độc lập qua tín hiệu điều khiển tương tự Kết mô cho thấy hệ thống hoạt động tốt giảm thời gian đáp ứng nhiều lần so với hệ điều khiển Từ việc xây dựng mô hình mô có độ tin cậy công thức tính toán tổng quát cho cấu trúc cho hệ thống vi gắp cảm biến silic-polyme, việc thiết kế lại hay sửa đổi cấu trúc cho phù hợp với ứng dụng cụ thể tương lai dễ dàng Tùy thuộc vào tiêu chí cụ thể ứng dụng, thông số định hình qua công thức tổng quát, thiết kế mô xác nhận trước đưa vào chế tạo Việc tích hợp hệ thống vi gắp cảm biến silic-polyme với hệ thống điều khiển lên đế công nghệ chế tạo cho phép hệ hoạt động nhanh, tin cậy xác hơn, giá thành sản phẩn rẻ Bên cạnh đó, đặc tính khác hệ thống kích thước, dải điện điện áp nguồn nhiệt độ hoạt động mở rộng tới ứng dụng môi trường chất lỏng ứng dụng có yêu cầu cao thao tác với tế bào sống 23 DỰ KIẾN TIẾP THEO Mặc dù đạt số kết đáng kể mô phỏng, tối ưu cấu trúc thiết kế mạch điều khiển tích hợp cho hệ thống vi gắp cảm biến nhiệt điện silic-polyme này, nhiều hạng mục công việc cần tiếp tục hoàn thiện để đưa hệ thống hoàn chỉnh Các công việc đề xuất sau: - Hoàn tất layout hệ thống điều khiển tích hợp, bao gồm mô mặt layout để phù hợp với design rule công nghệ chế tạo, tránh can nhiễu sai lệch thông số điện hệ thống hoạt động - Ghép nối phần vi mạch tích hợp với cấu trúc vi gắp cảm biến lên đế Từ gửi thiết kế chế tạo thử nghiệm Hiện Việt Nam chưa có sở đủ khả để chế tạo hệ thống nên cần phải tìm kiếm hỗ trợ từ sở nghiên cứu khác nước Giai đoạn phải thiết lập hay định dạng quy trình công nghệ kết nối hai phần chế tạo thiết bị MEMS phần vi mạch bán dẫn CMOS lại với - Kiểm tra, đo đạc đánh giá thông số phiên chế tạo thử nghiệm Từ xác nhận tính đắn mô hình tính toán mô hình mô phải chỉnh sửa mô hình cho phù hợp 24 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Phan Huu Phu, Chu Duc Trinh (2011), Temperature profile optimization for Silicon-Polymer Electrothermal Microgripper, International Conference on Advance Technologies for Comunications, Danang, Vietnam, pp.311-314 Phan Huu Phu, Chu Duc Trinh (2011), Thermal profile optimization and mechanical analysis for a silicon polymer electrothermal sensing microgripper, International Workshop on Nanotechnology and Application, Vung Tau, Vietnam, pp 403-407 Nguyen Ngoc Viet, Nguyen Minh Ngoc, Phan Huu Phu, Chu Duc Trinh (2012), Optimized heater source silicon-polymer electrothermal microgripper, The 6th Vietnam Conference on Mechatronics, pp.853-857 Phan Huu Phu, Nguyen Ngoc Viet, Nguyen Minh Ngoc, Vu Ngoc Hung, Chu Duc Trinh (2012), Simulation and Optimization of a SiliconPolymer Bimorph microgriper, Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol 34, No 4, pp 247 – 259 Phan Huu Phu, Chu Duc Trinh (2013), Control circuit design for a sensing microgripper, International Conference on Advances in Materials Science and Engineering, Adv Sci Lett 19, pp 1001-1006, ISSN: 19366612 Phan Huu Phu, Nguyen Ngoc Viet, Nguyen Minh Ngoc, Chu Duc Trinh (2015), Analytical modeling of a silicon-polymer electrothermal microactuator, Microsystem Technologies, DOI :10.1007/s00542-0152700-7, ISSN: 0946-7076 [...]... ở các điều kiện khác nhau đã được tích hợp vào mô hình này Chương trình chuyên dụng để mô phỏng vi mạch bán dẫn là HPICE được lựa chọn để mô mỏng hoạt động của mạch điều khiển 16 3.4 Mô hình hóa vi gắp theo các thông số điện Để có thể thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển cho hệ thống cơ học và cảm biến phản hồi, đầu tiên cần phải thiết lập được mô hình điện cho toàn bộ cơ cấu vi gắp và hệ cảm biến. .. trên cơ cấu chấp hành và thanh cảm biến [11, 89] Vì vậy, không có kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả tính toán và mô phỏng Có sự thống nhất đáng kể giữa giá trị mô phỏng và tính toán, và do đó không chỉ phương pháp toán học mà cả mô hình mô phỏng được xác nhận là phù hợp Hình 2.10 Phân bố nhiệt độ hoạt động trên cơ cấu chấp hành vi gắp 2.6 Tối ưu vi gắp Tại vị trí đầu kẹp có nhiệt độ khá cao... đầu kẹp 13 Hình 2.17 Kết quả mô phỏng của các cấu trúc 2.7 Kết luận chương 2 Chương này trình bày vi c xây dựng và nâng cấp mô hình mô phỏng của hệ vi gắp Mô hình 3D với hai sự chuyển đổi năng lượng được thiết lập cùng các điều kiện mô trường bao quanh hệ vi gắp Tiếp đến là phân tích, tính toán tổng quát cho hệ thống vi gắp cảm biến nhiệt điện: theo mô hình nhiệt học và mô hình cơ học cổ điển So sánh... dụng vi gắp trong lĩnh vực có yêu cầu cao như thao tác với các tế bào sống Yêu cầu tối ưu cấu trúc vi gắp này để nhiệt độ hoạt động thấp hơn 100 °C được đưa ra, mặt khác thay đổi này phải không ảnh hưởng tới cấu trúc cơ bản và giảm độ chuyển vị và lực kẹp so với cấu trúc ban đầu 11 2.6.1 Tối ưu về mặt cấu trúc Đồ thị biểu diễn kết quả mô phỏng và tính toán phân bố nhiệt trên cơ cấu chấp hành của vi gắp. .. khiển vi gắp và thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp cho vi gắp cảm biến nhiệt điện silicpolyme từ tổng thể đến chi tiết từng mạch chức năng Nhằm tận dụng tối đa ưu điểm của quy trình chế tạo hệ vi gắp này tương thích với công nghệ CMOS Trang bị một hệ điều khiển tích hợp và cùng một công nghệ chế tạo có rất nhiều ưu điểm Vi c tích hợp này cho phép thu nhỏ kích thước của cả hệ thống vi gắp một cách tối. .. biến Mô hình này của vi gắp cần đảm bảo các yếu tố sau: (a) Đáp ứng tần số; (b) Liên hệ giữa điện áp lối vào và điện áp lối ra cảm biến; và (c) công suất đúng với đo đạc thực nghiệm Từ những tiêu chí trên và sử dụng các linh kiện có sẵn trong công nghệ Bi-CMOS 1,2 µm, mô hình điện cho hệ vi gắp và cảm biến đã được thiết lập 3.5 Sơ đồ khối toàn hệ thống Mục tiêu đặt ra đối với hệ thống điều khiển là có. .. so với khi không có hệ điều khiển Từ vi c xây dựng được mô hình mô phỏng có độ tin cậy và công thức tính toán tổng quát cho cấu trúc cho hệ thống vi gắp cảm biến silic-polyme, vi c thiết kế lại hay sửa đổi cấu trúc cho phù hợp với từng ứng dụng cụ thể trong tương lai sẽ dễ dàng hơn Tùy thuộc vào tiêu chí cụ thể của từng ứng dụng, các thông số được định hình qua công thức tổng quát, thiết kế và mô phỏng. .. tạo có thể hoạt động đúng như mong muốn 18 3.7 Thiết kế chi tiết và kết quả mô phỏng toàn hệ thống Các mạch chức năng được kết nối tạo thành một hệ điều khiển hoàn chỉnh Hệ thống có thể hoạt động với dải điện áp nguồn rộng, từ 7 đến 40 V và người dùng chỉ cần đặt giá trị chuyển vị cùng các tín hiệu chọn chế độ để hệ thống vi gắp hoạt động Vị trí chuyển vị của đầu vi gắp có thể được xác định bằng hai cách... thực hiện được các điểm mới như sau: - Nâng cấp và xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho hệ thống vi gắp tích hợp cảm biến nhiệt điện silic-polymer với cấu trúc 3D và mô hình chuyển đổi năng lượng qua hai giai đoạn là từ điện năng thành nhiệt năng và từ nhiệt năng thành cơ năng đúng như hoạt động thực tế của vi gắp - Tính toán tổng quát cho hệ thống vi gắp theo mô hình nhiệt học và mô hình cơ học... hệ sử dụng để xác định lực chấp hành Hình 2.8 được dùng để tính lực tương tác giữa đầu kẹp với đối tượng Tuân theo các bước, ta thu được kết quả của lực kẹp: (2.34) 2.5 So sánh kết quả tính toán, đo lường và mô phỏng Các thông số của vi gắp cảm biến nhiệt điện silic-polyme đã được báo cáo tại [89] được so sánh với các kết quả mô phỏng và tính toán mới đã được thực hiện trong chương này Vi c so sánh