Luận văn thạc sĩ về microgripper cảm biến và hệ thống điều khiển PID

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet sensing microgripper with pid control systems, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Phan Huu Phu
• Người hướng dẫn: Dr. Chu Duc Trinh
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi College Of Technology
• Chuyên ngành: Electronics and Telecommunications Technology
• Đề tài: Sensing Microgripper With PID Control Systems
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• DECLARATION
• LIST OF ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Manipulation in micro-world
• 1.2. Micro-griper for micro-manipulation
• 1.2.1. Electrostatic microgripper
• 1.2.2. Piezoelectric microgripper
• 1.2.3. Electrothermal microgripper
• 1.2.4. Polymeric electrothermal microgripper
• 1.3. Micro-manipulation with a feedback system
• 1.3.1. Force sensor
• 2. CHAPTER 2: SENSING MICROGRIPPER
• 2.1. Introduction
• 2.2. Force-sensing cantilever
• 2.3. Silicon-polymer electrothermal microgripper
• 2.4. The sensing microgripper characteristics
• 2.4.1. Electrothermal actuator characteristics
• 2.4.2. Sensing cantilever beam characteristics
• 2.4.3. Response frequency of the sensing microgripper
• 3. CHAPTER 3: BUILDING PID CONTROL FUNCTION
• 3.1. Feedback loop control
• 3.2. Building a PID transfer function for the sensing microgripper system
• 3.2.1. Transfer function of sensing microgripper
• 3.2.2. Transfer function of driver circuit
• 3.2.3. Open-loop control
• 3.2.4. Proportional – Integral control
• 3.2.5. Proportional – Derivative control
• 3.2.6. Proportional – Derivative – Integral control
• 4. CHAPTER 4: ELECTRICAL DESIGN
• 4.1. System block diagram
• 4.1.1. Voltage reference generator
• 4.1.2. The high temperature detector
• 4.1.3. Bias current generator
• 4.1.4. Digital to Analog converter (DAC)
• 4.2. Process selection and simulation
• 4.2.1. Silicon-level simulation
• 4.2.2. Analog-only simulation
• 4.2.3. Mixed Analog/Digital simulation
• 4.3. Fully schematic of system and simulation results
• 5. CHAPTER 5: PHYSICAL DESIGN
• 5.1. Introduction of layout
• 5.2. MOS transistor layout
• 5.3. System floor plan
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSION & FUTURE WORKS
• 6.1. Finishing the system layout

Tóm tắt

I. Tổng quan về microgripper cảm biến và hệ thống điều khiển PID

Microgripper cảm biến là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực robotics và tự động hóa, cho phép thao tác chính xác các đối tượng nhỏ trong môi trường vi mô. Hệ thống điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được sử dụng để cải thiện độ chính xác và hiệu suất của microgripper. Nghiên cứu này sẽ khám phá các nguyên lý hoạt động, cấu trúc và ứng dụng của microgripper cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Định nghĩa và vai trò của microgripper trong robotics

Microgripper là thiết bị được thiết kế để nắm bắt và thao tác các đối tượng nhỏ, thường có kích thước dưới 1mm. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như phẫu thuật tối thiểu xâm lấn, lắp ráp vi mô và nghiên cứu tế bào sống. Việc sử dụng microgripper giúp tăng cường khả năng thao tác và độ chính xác trong các quy trình này.

1.2. Hệ thống điều khiển PID và ứng dụng của nó

Hệ thống điều khiển PID là một phương pháp điều khiển tự động phổ biến, giúp duy trì giá trị đầu ra ổn định bằng cách điều chỉnh các tham số điều khiển. Trong microgripper, PID giúp cải thiện độ chính xác trong việc nắm bắt và thao tác các đối tượng, đồng thời giảm thiểu sai số và tăng cường hiệu suất hoạt động.

II. Thách thức trong việc phát triển microgripper cảm biến

Mặc dù microgripper cảm biến mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc phát triển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như kích thước, độ nhạy và khả năng tương thích với các công nghệ hiện có là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Kích thước và độ nhạy của microgripper

Kích thước nhỏ của microgripper khiến cho việc thiết kế và chế tạo trở nên khó khăn. Độ nhạy của cảm biến cũng là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến khả năng phát hiện và điều chỉnh lực tác động lên các đối tượng nhỏ.

2.2. Tương thích với công nghệ hiện có

Việc phát triển microgripper cần phải đảm bảo tính tương thích với các công nghệ hiện có như CMOS và các hệ thống điều khiển khác. Điều này đòi hỏi sự nghiên cứu và phát triển liên tục để cải thiện quy trình chế tạo và tích hợp.

III. Phương pháp phát triển microgripper cảm biến hiệu quả

Để phát triển microgripper cảm biến hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp chế tạo tiên tiến và công nghệ điều khiển hiện đại. Các phương pháp như sử dụng vật liệu mới và tối ưu hóa thiết kế là rất quan trọng.

3.1. Sử dụng vật liệu mới trong chế tạo microgripper

Vật liệu mới như silicon-polymer và các hợp chất piezoelectric có thể cải thiện hiệu suất và độ nhạy của microgripper. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vi mô.

3.2. Tối ưu hóa thiết kế và quy trình chế tạo

Tối ưu hóa thiết kế giúp giảm thiểu kích thước và tăng cường hiệu suất của microgripper. Quy trình chế tạo cũng cần được cải tiến để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của microgripper cảm biến trong nghiên cứu

Microgripper cảm biến đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, từ y học đến công nghệ vi mô. Các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả nghiên cứu mà còn mở ra nhiều khả năng mới trong việc thao tác các đối tượng nhỏ.

4.1. Ứng dụng trong phẫu thuật tối thiểu xâm lấn

Microgripper cảm biến cho phép thực hiện các thao tác phẫu thuật chính xác mà không gây tổn thương cho mô xung quanh. Điều này rất quan trọng trong các quy trình phẫu thuật hiện đại.

4.2. Ứng dụng trong nghiên cứu tế bào sống

Việc sử dụng microgripper trong nghiên cứu tế bào sống giúp các nhà khoa học thao tác và quan sát các tế bào một cách chính xác hơn, từ đó nâng cao hiểu biết về các quá trình sinh học.

V. Kết luận và tương lai của microgripper cảm biến

Microgripper cảm biến với hệ thống điều khiển PID đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực robotics và tự động hóa. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ microgripper

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, microgripper cảm biến sẽ ngày càng trở nên tinh vi hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Tác động của microgripper đến ngành công nghiệp

Microgripper cảm biến có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp, từ sản xuất đến y tế, nhờ vào khả năng thao tác chính xác và hiệu quả của chúng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong thế giới vi mô với kích thước vật thể dưới 1 mm, các lực tương tác bề mặt như sức căng bề mặt, lực tĩnh điện và lực van der Waals chiếm ưu thế hoàn toàn so với trọng lực. Việc thao tác, kẹp giữ các hạt vi mô, linh kiện quang điện tử hay thao tác tế bào sống trong y sinh đòi hỏi các cơ cấu vi gắp (microgripper) phải đạt độ chính xác cực cao và kiểm soát lực kẹp ở cấp độ micro đến nano-Newton nhằm tránh phá hủy cấu trúc mẫu. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Điện tử và Viễn thông tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: thiết kế, mô phỏng và tích hợp toàn diện hệ thống vi tay gắp cảm biến lực hai chiều kết hợp bộ điều khiển hồi tiếp trên cùng một chip đơn (monolithic CMOS-MEMS).

Mục tiêu cụ thể của công trình là chế tạo cấu trúc vi tay gắp nhiệt - polyme có khe hở ban đầu 40 µm, tạo ra độ dịch chuyển ngàm kẹp tối đa 32 µm tại điện áp điều khiển thấp chỉ 4,5 V và tích hợp dầm cảm biến áp điện trở có khả năng đo lực kẹp lên tới 135 mN. Đồng thời, nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển vi sai - tỉ lệ (PD) và thiết kế hệ thống vi mạch tương tự - số tích hợp (Bi-CMOS 1,2 µm) hoạt động trong dải điện áp nguồn rộng từ 7 V đến 30 V. Công trình mở ra bước đột phá quan trọng trong việc nội địa hóa và làm chủ quy trình thiết kế vi cơ điện tử tích hợp mạch điều khiển (smart MEMS), ứng dụng trực tiếp trong phẫu thuật vi phẫu xâm lấn tối thiểu và tự động hóa vi lắp ráp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng và phát triển bốn nền tảng lý thuyết chuyên sâu:

• Lý thuyết nhiệt cơ Timoshenko và hiệu ứng giãn nở polymer có ràng buộc: Cơ cấu truyền động nhiệt sử dụng sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt (CTE) giữa khung silicon và vật liệu polymer SU-8. Khi bị giới hạn không gian giữa hai tấm silicon cứng vững, hệ số giãn nở nhiệt định hướng của SU-8 tăng gấp 3 lần so với trạng thái tự do, giúp tối ưu hóa góc uốn ngàm gắp.
• Hiệu ứng áp điện trở trên tinh thể bán dẫn Silicon: Cảm biến đo lực sử dụng dầm cantilever silicon với 4 điện trở áp điện định hướng theo trục [110] trên mặt phẳng tinh thể (001), ghép nối theo cấu hình cầu Wheatstone nhằm triệt tiêu trôi nhiệt bậc một và khử nhiễu đồng pha từ môi trường.
• Lý thuyết điều khiển tự động không gian tần số ($s$-domain): Mô hình hàm truyền bậc hai của cơ cấu chấp hành vi cơ học kết hợp tầng khuếch đại công suất MOSFET lái dòng nhiệt được tối ưu hóa qua hàm truyền điều khiển PID/PD.
• Lý thuyết nguồn chuẩn điện áp Bandgap và ổn áp tuyến tính Bi-CMOS: Ứng dụng kỹ thuật triệt tiêu hệ số nhiệt độ (zero TC) bằng cách cộng điện áp $V_{BE}$ có hệ số nhiệt âm (-2 mV/°C) với điện áp $V_T$ tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (PTAT), tạo nguồn điện áp chuẩn 1,245 V có độ ổn định vượt trội.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích, mô phỏng đa vật lý và kiểm nghiệm thực nghiệm trên quy mô vi cấu trúc:

• Nguồn dữ liệu và chế tạo mẫu: Cấu trúc cơ học vi gắp kích thước 490 µm × 350 µm × 30 µm được gia công dựa trên quy trình lưỡng cực DIMES kết hợp công nghệ polymer SU-8 tương thích CMOS. Mẫu vi tay gắp gồm 41 ngón răng lược silicon kết hợp điện trở nhiệt nhôm 205 Ω được kiểm tra thực tế khi gắp dây hàn vi mạch (bonding wire) đường kính 23 µm.
• Phương pháp mô phỏng vi mạch: Sử dụng bộ công cụ mô phỏng SPICE chuyên dụng ở cấp độ silicon với thư viện mô hình linh kiện Bi-CMOS 1,2 µm hai lớp poly, hai lớp kim loại. Phương pháp mô phỏng tín hiệu hỗn hợp (Mixed Analog/Digital) được lựa chọn để phân tích tương hỗ giữa mạch số 8-bit DAC, mạch khóa UVLO và mạch phản hồi tương tự.
• Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Dùng bộ khuếch đại khóa pha (lock-in amplifier) quét đáp ứng tần số từ dải DC đến 100 Hz, xác định tần số cắt 29 Hz và ghi nhận đặc tính quá độ qua hệ thống hiển thị quang học tích hợp kính hiển thị điện tử quét (SEM).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả định lượng cụ thể trên cả ba phương diện: cấu trúc vi cơ, giải thuật điều khiển và vi mạch tích hợp:

• Hiệu năng cơ nhiệt và cảm biến lực: Vi tay gắp tạo ra độ dịch chuyển cực đại 32 µm ở mức điện áp 4,5 V. Mức tiêu thụ công năng trung bình đạt khoảng 5 mW cho mỗi 1 µm dịch chuyển ngàm kẹp. Cảm biến áp điện trở có độ nhạy dịch chuyển đạt 1,5 mV/µm và độ nhạy đo lực kẹp đạt xấp xỉ 1,1 mV/mN với tầm đo lực mở rộng đến 135 mN.
• Tối ưu hóa vòng điều khiển hồi tiếp: Việc áp dụng khâu vi sai - tỉ lệ PD với các tham số tối ưu $K_P = 500$ và $K_D = 0,03$ đã loại bỏ hoàn toàn độ quá điều chỉnh (overshoot = 0%). Thời gian tăng (rise time) giảm mạnh từ 10 ms xuống còn 20 ns, và thời gian xác lập (settling time) giảm từ 25 ms xuống 50 ns, tức cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ thống nhanh hơn 500 lần so với vòng hở.
• Độ tin cậy của vi mạch điều khiển monolithic: Mạch nguồn chuẩn Bandgap cung cấp điện áp 1,245 V với hệ số suy giảm nguồn (PSRR) lên đến 97 dB và biến thiên điện áp dưới 5 mV (0,4%) trong toàn dải nhiệt độ từ -40°C đến 140°C. Mạch bảo vệ ngắt nhiệt (Thermal Shutdown) tự động kích hoạt ở 143°C và tự phục hồi khi nhiệt độ hạ xuống dưới 137°C với độ trễ trễ 6°C; mạch UVLO bảo vệ nguồn thấp xác lập ngưỡng 3,6 V với độ trễ chống rung 200 mV.

Thảo luận kết quả

Đặc tính dịch chuyển phi tuyến của cơ cấu truyền động được giải thích rõ nét qua hiện tượng chuyển pha của polymer SU-8 tại nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh $T_g = 120$°C, nơi vật liệu chuyển từ trạng thái thủy tinh sang trạng thái đàn hồi cao su. Dữ liệu thực nghiệm đo đạc dịch chuyển và nhiệt độ bám sát kết quả mô phỏng giải tích với sai số chỉ từ 5% đến 9%.

So với các vi tay gắp tĩnh điện truyền thống cần điện áp điều khiển lên tới 140 V nhưng chỉ tạo lực kẹp 380 µN, vi tay gắp nhiệt - polymer trong nghiên cứu này vượt trội về khả năng sinh lực lớn ở điện áp an toàn dưới 5 V. Các biểu đồ Bode và đồ thị đáp ứng quá độ bước nhảy chứng minh rằng việc loại bỏ thành phần tích phân $K_I$ là hoàn toàn hợp lý, giúp tối giản hóa diện tích chip silicon mà vẫn đảm bảo triệt tiêu sai số xác lập. Toàn bộ sơ đồ mặt bằng vật lý (floorplan) và bố cục linh kiện MOS đã chứng minh tính khả thi tuyệt đối để tích hợp trên tấm bán dẫn đơn.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tiến hành hoàn thiện quy trình Layout và Tape-out mẫu thử vi mạch: Các viện nghiên cứu vi cơ điện tử và doanh nghiệp bán dẫn cần phối hợp thực hiện kiểm tra luật thiết kế (DRC), đối soát sơ đồ nguyên lý (LVS) đạt 100% để chế tạo vi mạch tích hợp nguyên khối trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới.
• Nâng cấp giải thuật điều khiển thích nghi kỹ thuật số: Nhóm nghiên cứu điều khiển tự động nên nhúng thuật toán thích nghi hoặc điều khiển mờ (Fuzzy-PID) trên khối DSP/FPGA trong vòng 12 đến 18 tháng, hướng tới mục tiêu kiểm soát lực kẹp siêu mịn với độ phân giải dưới 1 µN.
• Triển khai thử nghiệm tiền lâm sàng trên mô sinh học: Các trung tâm công nghệ y sinh cần ứng dụng thiết bị để kẹp giữ noãn và tế bào sống, thiết lập ngưỡng lực an toàn dưới 50 mN trong thời gian 18 đến 24 tháng nhằm phục vụ các ca vi phẫu xâm lấn tối thiểu.
• Tối ưu hóa thiết kế cách ly nhiệt trên bề mặt chip: Đơn vị đóng gói MEMS cần bổ sung rãnh cách ly nhiệt sâu (trench isolation) xung quanh vùng transistor công suất và bộ truyền động, giảm thiểu trên 15% lượng nhiệt thất thoát truyền sang vật thể kẹp giữ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế vi mạch tích hợp (IC/ASIC Designers): Tiếp cận phương pháp thiết kế chi tiết khối nguồn chuẩn Bandgap 1,245 V, bộ ổn áp 5 V chịu áp cao đến 30 V và mạch chuyển đổi DAC 8-bit trên tiến trình Bi-CMOS 1,2 µm.
• Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ MEMS (MEMS R&D Engineers): Tham khảo quy trình chế tạo kết hợp vật liệu silicon - polymer SU-8, mô hình tính toán thanh cantilever áp điện trở 39 kΩ và kỹ thuật đo đạc vi lực hai chiều.
• Chuyên gia Tự động hóa và Kỹ thuật Điều khiển: Khai thác mô hình hàm truyền vòng kín, phương pháp lựa chọn tham số tối ưu cho bộ điều khiển PD nhằm tăng tốc độ đáp ứng hệ thống lên 500 lần.
• Học viên cao học và giảng viên ngành Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Y sinh: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về cấu trúc một công trình nghiên cứu vi cơ điện tử hoàn chỉnh từ mô phỏng vật lý, thiết kế mạch đến kiểm chứng thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

• Cơ chế cảm biến lực của vi tay gắp hoạt động như thế nào?
  Khi ngàm kẹp tiếp xúc và ép vào vật thể, dầm cantilever silicon kích thước 390 µm × 10 µm bị uốn cong, làm thay đổi trở kháng của 4 điện trở áp điện 39 kΩ bố trí dọc hướng [110]. Cầu Wheatstone chuyển đổi độ biến dạng thành tín hiệu điện áp ngõ ra tuyến tính với độ nhạy 1,1 mV/mN, cho phép đo chính xác lực tác động lên đến 135 mN.

• Tại sao nghiên cứu lựa chọn bộ điều khiển PD thay vì PID hoàn chỉnh?
  Qua phân tích hàm truyền hệ thống $H(s)$, khâu tích phân $K_I$ đòi hỏi giá trị khuếch đại cực lớn mới tạo ra chuyển biến nhưng lại làm tăng độ quá điều chỉnh và kéo dài thời gian dao động. Bộ điều khiển PD với $K_P = 500$ và $K_D = 0,03$ đã đáp ứng hoàn hảo yêu cầu triệt tiêu quá điều chỉnh và giảm thời gian xác lập xuống 50 ns mà vẫn giữ mạch điện đơn giản, tiết kiệm diện tích chip.

• Cấu trúc polymer SU-8 kết hợp khung silicon có ưu thế gì so với vi tay gắp nhiệt truyền thống?
  Polymer SU-8 có hệ số giãn nở nhiệt rất lớn. Khi được đặt xen kẽ giữa 41 ngón răng lược silicon cứng vững, hiện tượng co giãn bị cưỡng bức làm tăng độ giãn nở định hướng lên gấp 3 lần. Nhờ đó, vi gắp đạt độ dịch chuyển lớn 32 µm ở điện áp thấp 4,5 V và nhiệt độ trung bình dưới 176°C, khắc phục nhược điểm tiêu tốn năng lượng và nhiệt độ hoạt động quá cao của cấu trúc silicon thuần túy.

• Khối bảo vệ nhiệt độ và UVLO trong vi mạch có chức năng cụ thể là gì?
  Mạch cảm biến nhiệt độ tự ngắt (Thermal Shutdown) dùng transistor lưỡng cực sẽ phát tín hiệu vô hiệu hóa toàn bộ chip khi nhiệt độ bề mặt vượt ngưỡng 143°C và phục hồi khi nhiệt độ giảm về 137°C. Mạch UVLO giám sát điện áp ổn áp nội, khóa mạch khi nguồn dưới 3,6 V với độ trễ chống rung 200 mV, đảm bảo hệ thống không bao giờ rơi vào trạng thái điều khiển sai hỏng.

• Hệ thống vi tay gắp này tương thích với công nghệ CMOS như thế nào?
  Quy trình chế tạo cảm biến áp điện trở và cơ cấu chấp hành nhiệt - polymer sử dụng các bước lắng đọng, quang khắc và khắc ăn mòn tiêu chuẩn của tiến trình bán dẫn lưỡng cực DIMES. Nhờ đó, phần vi cơ MEMS có thể chế tạo tích hợp trực tiếp trên cùng một đế silicon chứa khối vi mạch điều khiển Bi-CMOS 1,2 µm mà không cần quy trình đóng gói ghép tầng phức tạp.

Kết luận

• Chế tạo thành công vi cơ điện tử nhiệt - polymer: Cấu trúc răng lược silicon kết hợp SU-8 tạo độ dịch chuyển ngàm 32 µm ở 4,5 V với công suất tiêu thụ tối ưu 5 mW/µm.
• Tích hợp cảm biến áp điện trở hai chiều: Đo lường chính xác kích thước mẫu từ 8 đến 40 µm và dải lực kẹp lên đến 135 mN với độ nhạy 1,5 mV/µm.
• Tối ưu hóa xuất sắc động học điều khiển: Bộ điều khiển PD ($K_P = 500, K_D = 0,03$) tăng tốc độ đáp ứng hệ thống lên 500 lần, đưa thời gian xác lập về mức 50 ns không độ vọt lố.
• Thiết kế hoàn chỉnh vi mạch tích hợp Bi-CMOS: Khối nguồn Bandgap 1,245 V (sai số 0,4%, PSRR 97 dB) cùng mạch bảo vệ ngắt nhiệt 143°C và khóa UVLO 3,6 V đảm bảo độ ổn định từ nguồn nuôi 7 V đến 30 V.
• Định hình tương lai thương mại hóa: Dự án đặt nền móng vững chắc cho việc sản xuất hàng loạt chip vi tay gắp thông minh trong giai đoạn 2026–2030, phục vụ đắc lực cho y học chính xác và công nghiệp chế tạo nano. Hãy liên hệ các đơn vị nghiên cứu MEMS hàng đầu để cùng hợp tác chuyển giao và ứng dụng công nghệ đột phá này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI COLLEGE OF TECHNOLOGY Phan Huu Phu SENSING MICROGRIPPER WITH PID CONTROL SYSTEMS MASTER THESIS Hanoi - 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI COLLEGE OF TECHNLOGY Phan Huu Phu SENSING MICROGRIPPER WITH PID CONTROL SYSTEMS Major: Electronics and Telecommunications Technology Concentration: Electronics Engineering Code: 60 52 70 MASTER THESIS SUPERVISOR: Dr. Chu Duc Trinh Hanoi - 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 TABLE OF CONTENTS DECLARATION.5 LIST OF ABBREVIATIONS .1 MANIPULATION IN MICRO-WORLD .2 MICRO-GRIPER FOR MICRO-MANIPULATION .4 Polymeric electrothermal microgripper .3 MICRO-MANIPULATION WITH A FEEDBACK SYSTEM .14 CHAPTER 2 SENSING MICROGRIPPER .2 FORCE-SENSING CANTILEVER.3 SILICON-POLYMER ELECTROTHERMAL MICROGRIPPER.5 THE SENSING MICROGRIPPER CHARACTERISTICS .1 Electrothermal actuator characteristics.2 Sensing cantilever beam characteristics .3 Response frequency of the sensing microgripper .27 CHAPTER 3 BUILDING PID CONTROL FUNCTION .1 FEEDBACK LOOP CONTROL .2 BUILDING A PID TRANSFER FUNCTION FOR THE SENSING MICROGRIPPER SYSTEM .1 Transfer function of sensing microgripper .2 Transfer function of driver circuit .3 Open-loop control .5 Proportional – Integral control.6 Proportional – Derivative control.7 Proportional – Derivative – Integral control .34 CHAPTER 4 ELECTRICAL DESIGN .2 PROCESS SELECTION AND SIMULATION .3 Silicon-level simulation .4 Analog-only simulation .5 Mixed Analog/Digital simulation .3 SYSTEM BLOCK DIAGRAM .1 Voltage reference generator.2 The high temperature detector: .4 Bias current generator.3 Digital to Analog converter (DAC) .5 FULLY SCHEMATIC OF SYSTEM AND SIMULATION RESULTS .62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.62 CHAPTER 5 PHYSICAL DESIGN .1 INTRODUCTION OF LAYOUT .2 MOS transistor layout .2 SYSTEM FLOOR PLAN .72 CHAPTER 6 CONCLUSION & FUTURE WORKS.1 Finishing the system layout .76 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 List of Abbreviations AFM: Atomic Force Microscope AlN: Aluminum Nitride Bi-CMOS: Bipolar junction transistors and CMOS technology CAD: Computer Aid Design CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CTE: Thermal expansion coefficient DAC: Digital-to-Analog Converter DC: Direct Current DIMES: Delft Institute of Microsystems and Nanoelectronics DOFs: Degrees(s) of Freedom DRC: Design Rules Checking ERC: Electrical Rules Check ESD: Electro Static Discharge FIB-cut: Focused ion beam-cut GDSII: Graphic Data System II IC: Integrated Circuits LSB: Least Significant Bit LSI: Large-Scale Integration LVS: Layout versus Schematic MEMS: Micro-Electro-Mechanical systems MIS: Minimally Invasive Surgery MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor NMOS: N-channel Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PID: Proportional Integral Derivative PLI: Photolithographic Invariance PMOS: P-channel Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor PSRR: Power supply rejection ratio PTAT: Proportional to Absolute Temperature PVDF: Polyvinylidene Flouride PZT: Lead Zirconate Titanate SEM: Scanning Electron Microscope SOI: Silicon on Insulator SPICE: Simulation Program Integrated Circuit Emphasis TC: Temperature Coefficients UVLO: Under Voltage Lock-Out ZnO2: Zinc peroxide LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Chapter 1 Introduction 1.1 Manipulation in micro-world The dominant physical principles in the micro-world can be quite difference from those of the macro-world. When the size of the object is less than 1mm, adhesive forces between the manipulation tool and the object such as surface tension, electrostatic and van der Waals forces can be significant compared to the gravitational force [23]. Manipulation of micro-particles can be done using several physical principles and methods.

For manipulation of a micro-structure under specific ambient conditions or liquid; suction, cryogenic, electrostatic, and friction are the most often considered methods. Friction principle is chosen for addressing the micro-manipulation of small objects presented in this thesis. Like the human hand, friction manipulation uses at least two fingers applies on two sides of a clamped object. A friction manipulator can old an object due to the friction force between the tools and the object surfaces.

This friction method is the most widely used in micro-manipulation because of size, cost, reliability, and fabrication aspect in particular.2 Micro-griper for micro-manipulation In the recent years, microgrippers have been widely researched as they are in great demand in many research and application areas, such as advanced micro-assembly, micromanipulation, micro-robotic, minimally invasive and living cell surgery. For the development of microgrippers fabricated using integrated circuits (IC) or IC compatible technology, electrostatic, piezoelectric and electro-thermal actuation are generally used.1 Electrostatic microgripper The electrostatic principle is based on the distance change between a fixed electrode and a suspended one when the voltage applied to these two electrodes changes.