Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems) đóng vai trò nền tảng trong các ứng dụng vi robot, thiết bị y sinh, vi chuyển mạch quang học và hệ thống vi vận tải. Trong các hệ vi cơ, vi động cơ (micro motor) và các bộ kích hoạt kích cỡ micro (micro actuator) là các cơ cấu chấp hành then chốt quyết định hiệu suất, độ chính xác và kích thước của toàn hệ thống. Để tạo chuyển động vi mô, các hiệu ứng vật lý phổ biến gồm có tĩnh điện, điện từ, áp điện, hợp kim nhớ hình (SMA) và giãn nở nhiệt (điện nhiệt).

Mặc dù hiệu ứng điện nhiệt có khả năng sinh lực tác động và mô men lớn ở mức điện áp hoạt động thấp (thường dưới $30\text{ V}$), đại đa số các công bố trên thế giới chủ yếu tập trung vào vi động cơ chuyển động thẳng (tuyến tính) hoặc lắc trong một góc hẹp. Các nghiên cứu hiện hữu phần lớn tập trung vào lựa chọn vật liệu, công nghệ vi gia công và mô phỏng kết cấu cơ học, trong khi bài toán xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh và thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động cho vi động cơ điện nhiệt quay toàn vòng chưa được giải quyết triệt để. Tại Việt Nam, lĩnh vực thiết kế và chế tạo linh kiện MEMS còn nhiều hạn chế về trang thiết bị công nghệ. Do đó, việc nghiên cứu trọn vẹn từ thiết kế kết cấu vi động cơ quay liên tục, xây dựng quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm trong nước, đến thiết lập mô hình toán học và bộ điều khiển thích hợp là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác lập 03 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ít nhất một mẫu vi động cơ quay có đường kính khoảng $2 \div 3\text{ mm}$ dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất đầu ra đạt mức vài miliwatt ($\text{mW}$).
  2. Xây dựng mô hình toán học mô tả đầy đủ các quá trình điện nhiệt và nhiệt cơ của bộ kích hoạt dạng dầm chữ V và vi động cơ; khảo sát, phân tích các đặc tính của hệ thống thông qua mô hình.
  3. Thiết kế giải pháp điều khiển phù hợp với đối tượng MEMS có tính phi tuyến, khó đo đạc phản hồi trực tiếp và bị ràng buộc bởi công nghệ chế tạo; kiểm chứng thuật toán điều khiển trên mô hình mô phỏng vật lý đa trường tương đương hệ thực.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vi động cơ quay sử dụng các bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V (V-shaped electrothermal actuator), cơ cấu truyền động răng cóc và bộ điều khiển học lặp (Iterative Learning Control - ILC).
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Quy trình chế tạo vi cơ khối (Bulk micromachining) sử dụng công nghệ ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE) và ăn mòn giải phóng cấu trúc trong hơi axit HF trên phiến silic kép (SOI) với 01 mặt nạ (single mask), thực hiện tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS) và Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
  • Phạm vi lý thuyết và điều khiển: Lý thuyết truyền nhiệt 1D trong dầm mảnh vi cơ, lý thuyết giãn nở nhiệt chất rắn, mô hình hóa trạng thái song tuyến (bilinear state-space), lý thuyết điều khiển học lặp cho hệ thống hoạt động chu kỳ trên khoảng thời gian hữu hạn, kiểm chứng mô phỏng qua phần mềm ANSYS và công cụ Simscape/Simulink.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu vi động cơ và hệ điều khiển

Luận án tổng thuật lịch sử phát triển của vi động cơ từ năm 1967 đến giai đoạn 2010–2015 qua bốn nhóm hiệu ứng chính:

  • Vi động cơ tĩnh điện: Phát triển sớm với bộ kích hoạt răng lược (Tang, 1989), động cơ bước sâu đo (N. Tas, 1997, 2002; Richard Yeh, 2002), động cơ bước 3 pha quay 2 chiều góc hẹp $\pm 13^\circ \div \pm 15^\circ$ (Edin Sarajlic và cộng sự, 2010, 2011), vi động cơ quay 1 chiều truyền động răng cóc (Phạm Hồng Phúc và cộng sự, 2012), vi động cơ Firas N. Sammoura (2006), Humberto V. (2006), N. Ghalichechian (2008), S. Barnes (2011). Nhóm này có ưu điểm kết cấu đơn giản nhưng nhược điểm là điện áp hoạt động rất cao ($33 \div 150\text{ V}$) và lực sinh ra nhỏ ($3 \div 160\text{ }\mu\text{N}$).
  • Vi động cơ điện từ: Nghiên cứu chuyển động thẳng của C. Lee (2008), M. (2006) và động cơ từ trở quay nhiều pha tích hợp cảm biến dòng xoáy Eddy của Đặng Phước Vinh và cộng sự (2013). Ưu điểm là vận tốc quay cao ($3250 \div 8000\text{ vòng/phút}$), nhưng kết cấu phức tạp, khó thu nhỏ kích thước và mô men đầu ra nhỏ ($0{,}047 \div 2{,}214\text{ }\mu\text{Nm}$).
  • Vi động cơ hợp kim nhớ hình (SMA): Nghiên cứu của Young Pyo Lee (2004), tạo lực lớn nhưng kích thước cồng kềnh ($9{,}5 \times 50\text{ mm}$) và tần số làm việc rất thấp.
  • Vi động cơ điện nhiệt: Sử dụng các bộ kích hoạt dạng dầm chữ V (John M. Maloney, 2003; N. T. Khoa, 2012), dầm chữ X (Chengkuo Lee, 2005), dầm chữ Z (Yong Zhu, 2012), dầm chữ U (Ali Khiat, 2012), cơ cấu sâu đo hoặc cơ cấu lắc (Jae-Sung Park, 2000, 2010; Mathew Stevenson, 2007). Ưu điểm là tạo lực lớn ($> 6{,}7\text{ mN}$ đến hàng chục $\text{mN}$) ở điện áp thấp ($< 30\text{ V}$), song tổn thất nhiệt lớn và đa số chỉ tạo chuyển động tịnh tiến hoặc góc quay giới hạn.
Tác giả / Năm Hiệu ứng Dạng chuyển động Điện áp / Dòng điện Lực / Chuyển vị / Mô men Kích thước / Công nghệ
N. Tas (1997) [41] Tĩnh điện Tuyến tính (sâu đo) $40\text{ V}$ $3\text{ }\mu\text{N}$ / $15\text{ }\mu\text{m}$ Dài $400\text{ }\mu\text{m}$
Richard Yeh (2002) [11] Tĩnh điện Tuyến tính (sâu đo) $33\text{ V}$ $160\text{ }\mu\text{N}$ / $80\text{ }\mu\text{m}$ $3 \times 1 \times 0{,}05\text{ mm}$
Edin Sarajlic (2011) [18], [19] Tĩnh điện Quay 2 chiều ($\pm 13^\circ \div \pm 15^\circ$) $60 \div 75\text{ V}$ Bước $1/480^\circ$ $\varnothing 1{,}4\text{ mm}$ / Vi cơ khối
P. H. Phúc (2012) [15], [20] Tĩnh điện Quay 1 chiều $80\text{ V}$, $0 \div 50\text{ Hz}$ Chuyển vị răng cóc $\varnothing 2{,}4\text{ mm}$ / Vi cơ bề mặt 1 lớp
Đ. P. Vinh (2013) [23] Điện từ Quay 2 chiều $0{,}8 \div 1\text{ A}$ $2{,}214\text{ }\mu\text{Nm}$ ($3250\text{ v/ph}$) $\varnothing 6\text{ mm}$ (4 pha)
John M. Maloney (2003) [45] Điện nhiệt Tuyến tính $12\text{ V}$ $6{,}7\text{ mN}$ / $40\text{ }\mu\text{m}$ ($1\text{ mm/s}$) $2{,}1 \times 2{,}5\text{ mm}$
Chengkuo Lee (2005) [40] Điện nhiệt Tuyến tính $1\text{ W}$ Chuyển vị $90\text{ }\mu\text{m}$ $2\text{ mm}$ / Ăn mòn sâu khô
Yong Zhu (2012) [33] Điện nhiệt Tuyến tính 2 chiều $\pm 13\text{ mA}$, $49\text{ Hz}$ $-11{,}6 \div +12{,}8\text{ }\mu\text{m}$ $2\text{ mm}$
Ali Khiat (2012) [39] Điện nhiệt Quay 1 chiều (chữ U) $190\text{ mW}$ Hiệu suất $34%$ $\varnothing > 1{,}5\text{ mm}$ / Ăn mòn sâu

Về phương diện điều khiển trong MEMS:

  • Điều khiển vòng hở: Đơn giản, chi phí thấp nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình và không triệt tiêu được nhiễu.
  • Điều khiển vòng kín: Sử dụng cảm biến điện dung (Lu, 2005; Sun, 2002) hoặc cảm biến nhiệt điện trở (Bazaz, 2011) kết hợp thuật toán PD, PID, điều khiển thích nghi. Hạn chế là làm tăng kích thước cấu trúc, tăng độ cứng dầm và phức tạp hóa chế tạo.
  • Điều khiển học lặp (ILC): Được đề xuất như một giải pháp phù hợp cho các cơ cấu MEMS hoạt động lặp lại theo chu kỳ trong khoảng thời gian xác định, cho phép bám sát quỹ đạo đặt mà không cần tích hợp cảm biến đo vị trí trực tiếp trên vi cấu trúc.

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Luận án giải quyết khoảng trống về việc chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của bộ kích hoạt điện nhiệt dầm chữ V thành chuyển động quay toàn vòng ($360^\circ$) liên tục thông qua cơ cấu răng cóc một chiều; đồng thời khắc phục sự thiếu hụt phương pháp điều khiển độ chính xác cao cho vi động cơ nhiệt bằng cách áp dụng điều khiển học lặp ILC, tương thích với cấu trúc vi cơ chế tạo đơn lớp không tích hợp cảm biến đo dịch chuyển trên chip.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  1. Lý thuyết truyền nhiệt 1 chiều trong dầm vi cơ: Phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả phân bố nhiệt độ $\theta(x, t)$ dọc theo phương $Ox$ của dầm mảnh silic có kể đến dẫn nhiệt qua không khí xuống lớp nền: $$k_s \frac{\partial^2 \theta(x,t)}{\partial x^2} - \frac{k_a S_F}{t_b g_a}[\theta(x,t) - \theta_0] + q_v(t) = D c_p \frac{\partial \theta(x,t)}{\partial t}$$ Trong đó: $k_s, k_a$ là hệ số dẫn nhiệt của silic và không khí; $\theta_0$ là nhiệt độ môi trường/điện cực; $t_b$ là chiều cao dầm; $g_a$ là khe hở không khí giữa cấu trúc và nền; $S_F$ là hệ số hình dạng; $D, c_p$ là khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của silic; $q_v(t) = \frac{U_0^2}{\rho_t l_b^2}$ là công suất nhiệt thể tích sinh ra do hiệu ứng Joule với điện trở suất phụ thuộc nhiệt độ $\rho_t = \rho_0 [1 + \xi(\theta - \theta_0)]$.

  2. Mô hình không gian trạng thái song tuyến (Bilinear State-Space): Bằng cách chia dầm đơn thành $n$ phân tố hữu hạn dọc theo chiều dài $l_b$, luận án rời rạc hóa phương trình truyền nhiệt thành hệ phương trình vi phân trạng thái phi tuyến dạng song tuyến: $$\dot{x}(t) = [A_0 + u(t) A_1] x(t) + B u(t)$$ Mô hình này mô tả đồng thời tương tác giữa biến điện áp đầu vào $u(t)$ và nhiệt độ trạng thái $x(t)$, làm cơ sở tính toán chuyển vị giãn nở nhiệt $\Delta l_b = \alpha_l \int_0^{l_b} [\theta(x) - \theta_0] dx$ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V $\Delta d = \sqrt{(l_b + \Delta l_b)^2 - l_b^2 \cos^2\theta_v} - l_b \sin\theta_v$.

  3. Lý thuyết điều khiển học lặp (ILC): Thiết kế thuật toán ILC dạng PD và PID cập nhật tín hiệu điều khiển ở lần lặp thứ $k+1$ dựa trên sai lệch bám của lần lặp thứ $k$:

    • Luật học PD-ILC: $u_{k+1}(t) = u_k(t) + K_p e_k(t) + K_d \dot{e}_k(t)$
    • Luật học PID-ILC: $u_{k+1}(t) = u_k(t) + K_p e_k(t) + K_i \int_0^t e_k(\tau) d\tau + K_d \dot{e}_k(t)$ với $e_k(t) = y_d(t) - y_k(t)$ trên đoạn thời gian chu kỳ $t \in [0, T]$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Thiết lập mô hình động học, động lực học tiếp xúc cơ cấu răng cóc, tính toán lực đàn hồi cổ xoay, lực ma sát và điều kiện cân bằng nhiệt.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn (FEM) ANSYS để phân tích phân bố nhiệt độ và trường chuyển vị; sử dụng MATLAB/Simulink và thư viện Simscape để mô hình hóa hệ thống vật lý đa miền (Điện - Nhiệt - Cơ) và kiểm chứng thuật toán ILC.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Áp dụng công nghệ vi cơ khối trên tấm silic đơn tinh thể SOI, quang khắc với 01 mặt nạ crôm, ăn mòn khô D-RIE tạo vách thẳng đứng và ăn mòn hóa ướt giải phóng cấu trúc bằng hơi axit HF tại phòng sạch Viện ITIMS. Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để kiểm tra hình thái và kích thước linh kiện sau chế tạo.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này khảo sát hệ thống hóa các loại vi động cơ và nguyên lý điều khiển trong MEMS:

  • Phân loại vi động cơ theo nguyên lý biến đổi năng lượng (tĩnh điện, điện từ, giãn nở nhiệt, hợp kim nhớ hình) và theo dạng chuyển động (tuyến tính, quay, lắc).
  • Phân tích ưu nhược điểm của từng nhóm: vi động cơ tĩnh điện có lực nhỏ ($< 1\text{ mN}$) và điện áp cao ($> 30\text{ V}$); vi động cơ điện từ khó thu nhỏ kích thước dưới $1\text{ mm}$; vi động cơ điện nhiệt có mật độ công suất lớn, lực sinh ra ở cấp mili-Newton với điện áp hoạt động thấp ($< 30\text{ V}$).
  • Tổng kết tình hình nghiên cứu các phương pháp điều khiển vi hệ thống: điều khiển vòng hở, điều khiển vòng kín với cảm biến điện dung/nhiệt điện trở tích hợp, và điều khiển trên chip.
  • Đặt ra định hướng nghiên cứu: thiết kế vi động cơ quay liên tục dùng bộ kích hoạt điện nhiệt dầm chữ V và phát triển hệ điều khiển học lặp (ILC) cho các chuyển động chu kỳ.

Chương 2: Vi động cơ quay sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế kết cấu, mô phỏng cơ nhiệt và chế tạo thử nghiệm vi động cơ:

  • Cấu tạo và nguyên lý: Vi động cơ gồm 04 bộ kích hoạt dầm chữ V đối xứng. Mỗi bộ kích hoạt gồm $n_b = 6$ cặp dầm chữ V nghiêng góc $\theta = 2^\circ$. Khi cấp xung điện áp $u(t)$, dòng điện làm nóng hệ dầm, đẩy thanh trượt (Shuttle) làm dầm quay cổ đàn hồi (bề rộng $4\text{ }\mu\text{m}$) xoay quanh điểm $O$, đẩy thanh răng cóc ăn khớp với vành răng dẫn ($Z = 720$ răng, bước răng $p = 10\text{ }\mu\text{m}$). Cơ cấu chống đảo ngăn vành răng quay ngược khi dầm hồi vị.
  • Động học và động lực học:
    • Vận tốc góc trung bình: $n_{tb} = \frac{f \cdot i}{12}\text{ (vòng/phút)}$, với $f$ là tần số xung cấp và $i$ là số bước răng dịch chuyển trong một chu kỳ.
    • Thiết lập phương trình truyền nhiệt vi phân và giải giải tích phân bố nhiệt độ trạng thái xác lập dọc theo chiều dài dầm.
    • Tính toán mô phỏng ANSYS: Tại điện áp $U = 20\text{ V}$, nhiệt độ cực đại tại đỉnh dầm đạt xấp xỉ $550^\circ\text{C}$, chuyển vị đỉnh dầm đạt $10 \div 12\text{ }\mu\text{m}$, lực đẩy đạt cấp mili-Newton. So sánh giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng ANSYS cho thấy độ trùng khớp cao về dạng phân bố nhiệt và độ lớn chuyển vị.
  • Cải tiến cơ cấu dẫn động: Đề xuất mẫu cải tiến (Kiểu 2) tối ưu hóa hình học dầm quay cổ đàn hồi và vị trí lò xo ép thanh răng cóc nhằm tăng độ cứng vững và giảm thiểu ma sát trượt dư thừa.
  • Quy trình chế tạo vi cơ khối (Bulk micromachining):
    • Sử dụng phiến SOI kích thước lớp cấu trúc silic dày $50\text{ }\mu\text{m}$, lớp oxit chôn cách điện $\text{SiO}_2$ dày $2\text{ }\mu\text{m}$ và lớp đế silic dày $432\text{ }\mu\text{m}$ (tổng độ dày $484\text{ }\mu\text{m}$).
    • Quy trình 1 mặt nạ: Quang khắc tạo mẫu $\rightarrow$ Ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE) tạo rãnh sâu $50\text{ }\mu\text{m}$ với thành vách thẳng đứng $\rightarrow$ Ăn mòn hơi axit hydrofluoric (HF vapor) để bóc tách lớp oxit hy sinh giải phóng các phần tử chuyển động.
    • Chế tạo thành công 02 mẫu vi động cơ hoàn chỉnh trên chip kích thước $5\text{ mm} \times 5\text{ mm} \times 484\text{ }\mu\text{m}$, đường kính rotor $2{,}5\text{ mm}$. Ảnh chụp kính hiển vi SEM xác nhận các khe hở $g_0 = 2\text{ }\mu\text{m}$, cổ đàn hồi $4\text{ }\mu\text{m}$ và hệ thống răng cóc $10\text{ }\mu\text{m}$ được định hình rõ nét.

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển học lặp cho vi động cơ

Chương này tập trung phát triển mô hình toán học giải tích và thiết kế thuật toán điều khiển học lặp:

  • Xây dựng mô hình toán học ghép Điện - Nhiệt - Cơ: Chia dầm thành các phân tố rời rạc, thiết lập phương trình cân bằng năng lượng và phương trình động lực học chuyển động. Mô hình toàn phần của bộ kích hoạt dầm chữ V được biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái song tuyến phi tuyến.
  • Lý thuyết và tính hội tụ của hàm học ILC: Phân tích điều kiện hội tụ của thuật toán ILC cho các lớp hệ thống: tuyến tính tham số hằng, tuyến tính rời rạc, phi tuyến toán tử và phi tuyến mô tả bằng phương trình trạng thái thỏa mãn điều kiện Lipschitz.
  • Thuật toán điều khiển học lặp PD-ILC và PID-ILC:
    • Khảo sát mô phỏng trên mô hình toán học với quỹ đạo đặt chuyển vị dạng hình thang và xung tuần hoàn chu kỳ $T$.
    • Trường hợp không có nhiễu: Thuật toán PD hội tụ sau 80 lần học; thuật toán PID hội tụ sau 65 lần học, sai số bám tiến sát 0.
    • Trường hợp có nhiễu ngẫu nhiên đầu ra biên độ $10%$ giá trị đặt: Thuật toán PD hội tụ sau 84 lần học; thuật toán PID hội tụ sau 48 lần học, triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu và đảm bảo tính bền vững của tín hiệu điều khiển.

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

Chương 4 thực hiện mô phỏng kiểm chứng thuật toán ILC trên mô hình vật lý tiệm cận điều kiện thực tế:

  • Xây dựng mô hình Simscape: Sử dụng các phần tử trong thư viện Simscape/Simulink để mô hình hóa từng phân tố dầm gồm các khối điện trở phụ thuộc nhiệt độ, nguồn nhiệt Joule, khối dẫn nhiệt chất rắn, khối truyền nhiệt đối lưu/dẫn nhiệt qua lớp không khí và khối đàn hồi cơ học.
  • Kết quả mô phỏng bộ kích hoạt dầm chữ V:
    • Đáp ứng nhiệt độ lớn nhất và trung bình trên mô hình Simscape với điện áp DC $20\text{ V}$ phản ánh chính xác hiện tượng trễ nhiệt của hệ dầm.
    • Thuật toán PD-ILC: Hội tụ sau 100 lần học khi không có nhiễu và sau 85 lần học khi có nhiễu $10%$.
    • Thuật toán PID-ILC: Hội tụ sau 62 lần học khi không có nhiễu và sau 54 lần học khi có nhiễu $10%$.
  • Mô phỏng điều khiển đồng bộ 4 bộ kích hoạt vi động cơ: Đặt giả thiết có sự sai lệch thông số chế tạo giữa 4 bộ kích hoạt dẫn động. Sau 50 lần học với thuật toán PID-ILC, đáp ứng đầu ra của cả 4 bộ kích hoạt đều bám sát hoàn toàn quỹ đạo đặt, triệt tiêu sai lệch chuyển vị giữa các nhánh dẫn động độc lập.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết lập mô hình trạng thái song tuyến cho bộ kích hoạt điện nhiệt: Rời rạc hóa dầm nhiệt thành các phân tố hữu hạn dọc theo chiều dài dầm để chuyển đổi phương trình vi phân truyền nhiệt phi tuyến thành hệ phương trình trạng thái dạng song tuyến (bilinear). Mô hình này tạo thuận lợi cho việc phân tích động học, ổn định hóa và tổng hợp bộ điều khiển.
  2. Ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển học lặp cho vi hệ thống điện nhiệt: Chứng minh tính hội tụ và khả năng ứng dụng của thuật toán ILC (PD và PID) đối với lớp đối tượng vi động cơ MEMS có tính phi tuyến, trễ nhiệt và khó tích hợp cảm biến đo trực tiếp.

Đóng góp về mặt công nghệ và thực tiễn

  1. Chế tạo thành công 02 mẫu vi động cơ quay điện nhiệt: Phát triển hoàn chỉnh 02 mẫu vi động cơ quay toàn vòng sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt với đường kính rotor cơ bản $2{,}5\text{ mm}$ trên đế chip $5\text{ mm} \times 5\text{ mm} \times 484\text{ }\mu\text{m}$.
  2. Xây dựng quy trình gia công 1 mặt nạ phù hợp điều kiện Việt Nam: Làm chủ quy trình vi cơ khối sử dụng phiến SOI kết hợp công nghệ ăn mòn khô D-RIE và giải phóng cấu trúc bằng hơi HF, tối ưu hóa cho trang thiết bị tại Viện ITIMS (Đại học Bách khoa Hà Nội).
Thông số kỹ thuật Giá trị công bố trong luận án
Đường kính cơ bản vi động cơ $2{,}5\text{ mm}$
Kích thước chip bao gói $5\text{ mm} \times 5\text{ mm} \times 484\text{ }\mu\text{m}$
Chiều dày lớp cấu trúc silic / oxit / đế $50\text{ }\mu\text{m}$ / $2\text{ }\mu\text{m}$ / $432\text{ }\mu\text{m}$
Số bộ kích hoạt / Số cặp dầm mỗi bộ 04 bộ kích hoạt / $n_b = 6$ cặp dầm chữ V
Góc nghiêng dầm chữ V ($\theta$) $2^\circ$
Bề rộng cổ đàn hồi / Khe hở công nghệ ($g_0$) $4\text{ }\mu\text{m}$ / $2\text{ }\mu\text{m}$
Số răng trên vành rotor ($Z$) / Bước răng ($p$) $720\text{ răng}$ / $10\text{ }\mu\text{m}$
Dải tần số hoạt động ($f$) $1 \div 30\text{ Hz}$
Dải vận tốc quay toàn vòng $0{,}08 \div 5\text{ vòng/phút}$
Công suất đầu ra $2 \div 50\text{ mW}$
Điện áp làm việc cực đại $\le 20 \div 30\text{ V}$

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng cấu trúc vi động cơ quay điện nhiệt vào các cơ cấu chấp hành vi robot, hệ thống vi định vị quang học và cơ cấu phân loại mẫu trong thiết bị vi chất lỏng sinh hóa.
  • Hoàn thiện mô hình Simscape đa trường làm công cụ chuẩn để thiết kế nhanh các thuật toán điều khiển cho các linh kiện MEMS khác mà không cần chế tạo thử nghiệm nhiều lần.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Tổn thất nhiệt và quán tính nhiệt: Hiệu ứng giãn nở nhiệt sinh nhiệt lượng lớn (nhiệt độ dầm có thể đạt trên $500^\circ\text{C}$), dẫn đến tiêu hao công suất nhiệt và hiện tượng trễ nhiệt làm giới hạn tần số làm việc của động cơ dưới $30\text{ Hz}$.
  • Ràng buộc công nghệ chế tạo đơn lớp: Việc sử dụng quy trình vi cơ khối 1 mặt nạ giúp giảm độ phức tạp khi gia công trong nước nhưng giới hạn khả năng tích hợp mạch cảm biến đo dịch chuyển vi mô trực tiếp tại chỗ (on-chip sensing).
  • Phạm vi thực nghiệm điều khiển: Luận án đã chế tạo thành công mẫu vi cơ và thực hiện cấp nguồn dẫn động thực tế, tuy nhiên việc kiểm chứng thuật toán điều khiển học lặp ILC chủ yếu được thực hiện thông qua mô phỏng trên mô hình toán học giải tích và mô hình vật lý Simscape đa trường.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu các giải pháp tản nhiệt cục bộ và tối ưu hóa vật liệu nhằm nâng cao tần số làm việc và hiệu suất năng lượng của hệ dầm chữ V.
  • Tích hợp vi cảm biến phản hồi vị trí trực tiếp trên phiến chíp thông qua công nghệ chế tạo nhiều lớp.
  • Triển khai phần cứng nhúng thời gian thực để thực nghiệm thuật toán ILC trực tiếp trên vi động cơ thực tế sau đóng gói.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Vật lý Kỹ thuật và Công nghệ Vi cơ điện tử (MEMS).
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ: Các nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị y sinh, vi robot, vi cơ cấu chính xác và thiết bị quang điện tử.

Các nội dung cốt lõi đáng tham khảo

  • Quy trình chế tạo vi cơ khối đơn mặt nạ: Toàn bộ thông số quy trình quang khắc, chế độ ăn mòn sâu D-RIE và bóc tách giải phóng cấu trúc bằng hơi HF trên phiến SOI tại Phụ lục 1 và Chương 2 là tài liệu thực hành có giá trị cao cho các phòng sạch tại Việt Nam.
  • Phương pháp mô hình hóa song tuyến: Cách thức biến đổi phương trình truyền nhiệt vi phân đạo hàm riêng thành hệ trạng thái song tuyến tại Chương 3 cung cấp cơ sở toán học rõ ràng để mô hình hóa các bộ kích hoạt điện nhiệt.
  • Thư viện mô hình hóa Simscape: Phương pháp xây dựng mô hình vật lý đa miền tương đương tại Chương 4 giúp rút ngắn thời gian thử nghiệm và kiểm chứng thuật toán điều khiển cho các hệ thống vi cơ điện tử phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý tạo chuyển động quay toàn vòng của vi động cơ trong luận án là gì?

Vi động cơ sử dụng 04 bộ kích hoạt điện nhiệt dầm chữ V. Khi cấp xung điện áp, hiệu ứng Joule làm dầm nóng lên và giãn nở nhiệt, đẩy dầm quay cổ đàn hồi lắc quanh điểm tựa $O$. Dầm quay mang thanh răng cóc đẩy vành răng rotor ($Z = 720\text{ răng}$) quay thuận chiều kim đồng hồ. Khi ngắt điện áp, lực đàn hồi kéo thanh răng cóc hồi vị, trong khi cơ cấu chống đảo giữ chặt vành răng không bị quay ngược. Quá trình này lặp lại liên tục tạo chuyển động quay toàn vòng $360^\circ$.

2. Vận tốc góc trung bình của vi động cơ được tính toán như thế nào?

Vận tốc góc trung bình $n_{tb}$ (đơn vị: vòng/phút) được xác định qua biểu thức: $$n_{tb} = \frac{f \cdot i}{12}$$ Trong đó $f$ là tần số xung điện áp cấp ($1 \div 30\text{ Hz}$), $i$ là số bước răng dịch chuyển được trong một chu kỳ (phụ thuộc vào biên độ điện áp dẫn $U$), và $12$ là hằng số tính từ $\frac{720\text{ răng}}{60\text{ giây}}$.

3. Tại sao luận án lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp (ILC) thay vì các bộ điều khiển vòng kín truyền thống?

Các vi cơ cấu MEMS chế tạo bằng công nghệ đơn lớp rất khó tích hợp cảm biến đo vị trí trực tiếp trên chip mà không làm tăng kích thước và độ cứng cơ học. Do vi động cơ hoạt động lặp lại theo chu kỳ trên khoảng thời gian hữu hạn $t \in [0, T]$, phương pháp điều khiển học lặp (ILC) cho phép hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển qua từng lần lặp để triệt tiêu sai số bám quỹ đạo mà không đòi hỏi vòng phản hồi đo đạc liên tục trên cấu trúc vi mô.

4. Kết quả mô phỏng thuật toán ILC cho thấy sự khác biệt nào giữa luật học PD và PID?

Kết quả mô phỏng trên mô hình toán và mô hình Simscape chỉ ra rằng:

  • Khi không có nhiễu: Cả hai thuật toán đều hội tụ về sai số gần bằng 0, trong đó PID-ILC đạt tốc độ hội tụ nhanh hơn (sau 62–65 lần học) so với PD-ILC (sau 80–100 lần học).
  • Khi có nhiễu ngẫu nhiên $10%$: PID-ILC thể hiện tính kháng nhiễu và độ ổn định vượt trội, đạt trạng thái bám sau 48–54 lần học, trong khi PD-ILC cần từ 84–85 lần học.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Tiến Dũng đã giải quyết trọn vẹn chuỗi bài toán từ tính toán thiết kế, mô phỏng cơ nhiệt, xây dựng quy trình chế tạo đến mô hình hóa và thiết kế hệ thống điều khiển cho vi động cơ quay điện nhiệt. Bằng việc làm chủ công nghệ vi cơ khối 1 mặt nạ trên phiến SOI tại phòng thí nghiệm trong nước, công trình đã chế tạo thành công 02 mẫu vi động cơ đường kính $2{,}5\text{ mm}$ có khả năng quay toàn vòng với dải vận tốc $0{,}08 \div 5\text{ vòng/phút}$ và công suất $2 \div 50\text{ mW}$. Đồng thời, việc đề xuất mô hình song tuyến và áp dụng thuật toán điều khiển học lặp (ILC) đã cung cấp giải pháp điều khiển chính xác, phù hợp với đặc thù của các vi cơ cấu MEMS hoạt động theo chu kỳ.