Chương 1.1 Vi gắp và cảm biến dùng cho vi gắp 1.1 Định nghĩa vi gắp Vi gắp là công cụ thu nhỏ có thể thao tác, gắp, kẹp, dịch chuyển các vi vật thể có kích thước nằm trong dải micro mét. Trong hơn hai thập kỷ vừa qua, việc nghiên cứu và phát triển công cụ vi gắp thu hút được rất nhiều nguồn lực do nhu cầu phát triển quy trình sản xuất, lắp ráp và thao tác với các vi vật thể ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong các lĩnh vực đó, vi gắp đóng vai trò chính để thao tác với các đối tượng có kích thước rất bé như tế bào sống, các bộ phận của vi vật thể, v. Hay nói cách khác, công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) cho phép phát triển các công cụ thu nhỏ với kích thước cỡ mili mét để thao tác với các vi vật thể (kích thước nằm trong dải micro mét) nhằm đạt được nhiều lợi thế như kích thước nhỏ gọn, giá rẻ hay có tần suất hoạt động cao.
Nhiều hệ thống vi gắp đã được giới thiệu cho nhiều ứng dụng trong hơn hai thập kỷ vừa qua. Do sử dụng các hiệu ứng khác nhau trong cơ cấu hoạt động, từng loại vi gắp sẽ có tính chất khác nhau và phù hợp với một số ứng dụng cụ thể. Ví dụ, vi gắp điện từ với cấu trúc đơn giản có thể tạo ra chuyển vị lớn trong môi trường nhiệt độ hoạt động thấp với độ trễ không đáng kể. Đặc biệt, hai biến thể khác nhau của cấu trúc răng lược dọc và răng lược ngang có thể đáp ứng yêu cầu về độ chính xác cao và chuyển vị lớn.
Bên cạnh đó, vi gắp nhiệt điện hoạt động ở dải điện áp thấp có thể tạo ra lực kẹp và chuyển vị lớn nhờ hiệu ứng giãn nở nhiệt của các vật liệu khác nhau. Lực kẹp lớn, chuyển vị chính xác và đáp ứng nhanh cũng là các điểm mạnh của cơ cấu chấp hành áp điện. Ngoài ra, cơ cấu chấp hành điện từ và khí nén cũng có thể tạo ra lực kẹp và chuyển vị rất lớn.2 Cảm biến dùng cho vi gắp Trong thực tế, hệ thống vi gắp gồm có cả cơ cấu chấp hành và cảm biến là rất quan trọng. Các cảm biến được dùng để ghi nhận thông tin phản hồi về chuyển vị và 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lực tác động lên đối tượng được thao tác trên hệ thống vi gắp.
Chúng có thể được tích hợp trên vi gắp hoặc sử dụng song song với cấu trúc vi gắp. Những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã quan tâm nhiều tới việc phát triển cảm biến có độ phân giải và độ nhạy rất cao. Cảm biến lực và chuyển vị tích hợp như cảm biến áp điện, cảm biến áp trở và cảm biến điện dung đã được thiết kế nhằm thu thập thông tin theo thời gian thực để đạt được độ tin cậy và an toàn trong các thao tác.2 Giới thiệu các loại vi gắp 1.1 Phân loại vi gắp Các vi gắp đã và đang được nghiên cứu trong lĩnh vực vi cơ điện tử rất phong phú và đa dạng. Việc phân loại hoặc phân nhóm các loại vi gắp để khái quát, so sánh ưu và nhược điểm của chúng là điều cần thiết.
Tuy nhiên tính đến thời điểm hiện tại, chưa có một sự phân nhóm hay phân loại một cách chính thức đối với các đối tượng này. Theo tác giả, các hệ vi gắp có thể được phân loại theo các tiêu chí sau: - Phân loại theo chức năng/lĩnh vực ứng dụng: phân nhóm y sinh, phân nhóm vi rô bốt, phân nhóm vi sản xuất, v.; - Phân loại theo dải kích thước của hệ vi gắp hoặc dải kích thước của đối tượng gắp: dải micro mét, dải nano mét, v.; - Phân loại theo công suất hoạt động hoặc công suất tiêu thụ: dải nano W, dải mW, dải W, dải nW v.; - Phân loại theo giá trị lực kẹp mà vi gắp có thể tạo ra: dải nano N, dải micro N, dải mili N, v.; - Phân loại theo cơ chế phát động lực: tĩnh điện, nhiệt điện, áp điện, khí nén, v. Trong mục giới thiệu về các loại vi gắp này, tác giả lựa chọn cách phân loại theo cơ chế phát động lực.2 Vi gắp tĩnh điện Vi gắp tĩnh điện đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống MEMS. Cấu trúc của loại vi gắp này gồm nhiều răng lược xếp xen kẽ nhau có chức năng tương tự như các bản cực song song của tụ điện.
Với một bản cực được cố định và bản cực còn lại di động được, khi một điện áp đặt vào giữa chúng, một lực tĩnh điện sẽ được sinh ra và 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm di chuyển phần di động, từ đó tạo nên chuyển vị của đầu vi gắp (Xem Hình 1. Về mặt lý thuyết, tác giả Kim đã giới thiệu cấu trúc vi gắp silic điện cơ vào năm 1991 [13], tuy nhiên đến năm 1992, vi gắp tĩnh điện đó mới có thể gắp được hạt polystyrene có đường kính 2,7 μm, tế bào hồng cầu và một số vi khuẩn [14].1 Sơ đồ đề xuất của cơ cấu chấp hành tĩnh điện [30] Trong nhiều ứng dụng thì độ mở má kẹp của vi gắp rất quan trọng, nhiều nhà nghiên cứu đã giới thiệu cấu trúc cong để tăng chuyển vị của má kẹp [12-15]. Một phương pháp khác để đạt được mục đích này là tăng phạm vi di chuyển của các răng lược. Tuy nhiên, có một số vấn đề nảy sinh như dải động phi tuyến và các thông số hệ thống biến thiên theo từng thiết bị cần được khắc phục.
Từ đó, hệ thống điều khiển chủ động để ổn định cơ cấu chấp hành và cho phép bản cực di chuyển trong hầu hết khe hở giữa các răng lược đã được giới thiệu [16] như trên Hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Mô hình của một vi gắp tĩnh điện bản cực song song hay răng lược ngang [16] Nhiều nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa độ rộng khe hở của hai bản cực và điện áp đặt vào vi gắp răng lược ngang là phi tuyến. Lực tĩnh điện biến thiên theo hằng số âm và lực đàn hồi biến thiên theo hằng số dương. Khoảng cách khả dụng giữa bản cực di động và bản cực cố định bị giới hạn bởi “vùng bất ổn định pull-in” và “điện áp pull-in”.
Nếu điện áp đặt vào vượt quá ngưỡng điện áp pull-in, các bản cực sẽ chạm vào nhau. Chi tiết được mô tả tại [16-24], chuyển vị của bản cực di động sẽ mất tính đàn hồi tại vùng bất ổn định pull-in. Thí nghiệm được thực hiện bởi Chan và các đồng sự cho thấy khoảng cách di chuyển đã tăng từ 0,3 μm đến 0,6 μm trên tổng khe hở là 1,0 μm [22]. Tuy nhiên, thiết kế này không ổn định.
Do đó, các nghiên cứu tập trung vào phương pháp điều khiển điện tích [25] và điều khiển dòng điện [26]. Mặt khác, do vấn đề rò dòng điện, vị trí của cơ cấu chấp hành vượt quá điểm pull-in sẽ không duy trì được (chỉ ổn định trong vài giây) hoặc phải cấp một dòng điện nạp liên tục [16]. Để khắc phục vấn đề trên, ứng dụng của bộ điều khiển tự thích ứng đã tăng được phạm vi chuyển vị của các bản cực song song lên 4 μm trên khoảng cách tối đa 4,5 μm mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng pull-in. Do đó, tỉ lệ biên độ chuyển vị của cơ cấu chấp hành đã cải thiện từ 30% lên 80% trên tổng khe hở.
Chi tiết về cơ chế điều khiển 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com này có thể xem tại [16]. Một đề xuất khác để tăng chuyển vị cũng được trình bày tại [17].3 Các cấu trúc của cơ cấu chấp hành tĩnh điện với các hình dạng răng lược [27] Với vi gắp có cấu trúc ngang, do ràng buộc giữa lực truyền động và các bản cực là phi tuyến nên việc điều khiển vi gắp tại gần điểm pull-in rất khó. Còn cấu trúc dọc có ràng buộc tuyến tính nên việc điều khiển đơn giản hơn, do đó vi gắp tĩnh điện cấu trúc răng lược dọc được ưu tiên lựa chọn [27]. Các dạng cấu trúc dọc khác nhau dành cho vi gắp tĩnh điện được giới thiệu trên Hình 1.
Một vấn đề khác của vi gắp tĩnh điện là cần điện áp cao mới đạt được chuyển vị như mong muốn. Ví dụ, các thí nghiệm tại [27-30] cho thấy khi đặt điện áp 80 V vào các bản cực ở cấu trúc 1020 răng lược thì tạo ra chuyển vị 20 μm, còn với cấu trúc 2904 răng lược thì đạt được chuyển vị 25 μm. Do đó để thiết kế được một vi gắp có khoảng cách chuyển vị lớn ở điện áp thấp trong khi số lượng răng lược nhỏ gặp nhiều khó khăn. Một số hình dạng răng lược đã được đề xuất và kiểm chứng tại [27].
Đặc biệt, có ba hình dạng răng lược (dạng 2, dạng 3, và dạng 4) đã được chọn và so sánh với hình dạng vuông ban đầu (dạng 1). Lực phát động được xác định bằng cả hai phương pháp tính toán và mô phỏng. Kết quả thí nghiệm cho thấy hình dạng răng lược hình vuông cần điện áp 25 V để di chuyển được 6 μm. So sánh với các hình dạng khác, điện áp nhỏ nhất có thể giảm xuống giá trị 14 V với 28 răng lược mà vẫn tạo ra được 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sự chuyển vị tương đương.
Như vậy, hình dạng răng lược và hốc làm giảm điện áp hoạt động và số răng lược. Bên cạnh các nghiên cứu trên, một số sáng chế về cơ cấu chấp hành tĩnh điện đã được đăng ký bảo hộ. Ví dụ, bằng độc quyền sáng chế [31] đề xuất một vi gắp tĩnh điện gồm bản cực đầu tiên cơ động, các bản cực tiếp theo được gắn sao cho di chuyển được so với bản cực trước đó. Khi điện tích được nạp, bản cực đứng sau tạo nên lực kéo với bản cực trước đó và dẫn đến chuyển vị cho các cặp bản cực liền sau đó.
Như được mô tả ở Hình 1.4, các cấu trúc kết nối khác nhau của thiết bị có thể tạo ra chuyển vị theo các phương khác nhau. Bên cạnh đó, sáng chế [32] giới thiệu một vi gắp tĩnh điện với nhiều cặp bản cực kết nối song song như trên Hình 1. Với cơ cấu này, tổng diện tích của các bản cực có diện tích lớn, và khi chúng tích điện sẽ tạo ra lực rất lớn. Theo đó, nhờ tổng hợp chuyển vị của từng cặp bản cực thành phần, chuyển vị tổng thể của toàn bộ cơ cấu là rất lớn.