Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu vi động cơ theo nguyên lý điện nhiệt dạng dầm chữ V và hệ điều khiển" do nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Quang Địch và PGS. Phạm Hồng Phúc, hoàn thành năm 2020 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, tập trung giải quyết bài toán tích hợp liên ngành giữa thiết kế vi cơ điện tử (MEMS), công nghệ vi chế tạo và thuật toán điều khiển tự động.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), các hệ thống vi robot, hệ thống y sinh, vi vận tải và vi phân tích sinh hóa đòi hỏi các cơ cấu chấp hành và vi động cơ có kích thước micro-mét đến mili-mét với khả năng tạo lực và mô-men lớn. Trong các nguyên lý chuyển đổi năng lượng (tĩnh điện, điện từ, áp điện, hợp kim nhớ hình, giãn nở nhiệt), hiệu ứng điện nhiệt cho phép làm việc ở mức điện áp thấp và tạo ra lực dẫn động lớn hơn đáng kể trong phạm vi không gian hẹp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra gồm:

  • Đại đa số các nghiên cứu MEMS trong và ngoài nước tập trung vào lựa chọn vật liệu, tính toán kết cấu và công nghệ gia công cho các chuyển động thẳng hoặc dao động góc hẹp; rất ít công trình phát triển vi động cơ nhiệt quay liên tục toàn vòng.
  • Các bài toán điều khiển tự động cho vi cơ cấu nhiệt chưa nhận được sự quan tâm thỏa đáng. Việc đo lường và tích hợp cảm biến phản hồi trực tiếp trên chíp gặp nhiều rào cản về kích thước, công nghệ chế tạo phức tạp và hiện tượng đa trường vật lý.
  • Tại Việt Nam, nghiên cứu về thiết kế, mô hình hóa và chế tạo vi động cơ MEMS còn nhiều hạn chế, đặc biệt là quy trình chế tạo hoàn chỉnh dựa trên điều kiện trang thiết bị phòng thí nghiệm trong nước.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án bao gồm:

  1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm ít nhất một mẫu vi động cơ quay có đường kính khoảng 2 ÷ 3 mm dựa trên nguyên lý giãn nở nhiệt, công suất đầu ra cỡ vài mW.
  2. Xây dựng mô hình toán học giải tích phản ánh đầy đủ các thông số ảnh hưởng và quá trình truyền nhiệt đa trường trong dầm vi cơ; khảo sát và phân tích đặc tính hệ thống thông qua mô hình.
  3. Thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC - Iterative Learning Control) phù hợp với đối tượng MEMS có tính chất chuyển động lặp lại theo chu kỳ trong thời gian hữu hạn, khắc phục các ràng buộc về cảm biến đo lường phản hồi.
  4. Thực hiện mô phỏng và kiểm chứng thuật toán điều khiển trên mô hình vật lý đa miền Simscape có đặc tính tương đương với mô hình thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vi động cơ quay sử dụng 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 (ILC).
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Thiết kế vi cơ cấu trên diện tích chíp kích thước 5 mm × 5 mm × 484 µm; quy trình chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ khối (Bulk-micromachining) trên phiến silic kép (SOI - Silicon-on-Insulator) với 1 lớp mặt nạ (single mask) 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 thuật toán: Khảo sát truyền nhiệt 1D dọc theo dầm chữ V; xây dựng mô hình song tuyến (bilinear); thiết kế và đánh giá thuật toán ILC dạng PD và PID trong điều kiện lý tưởng và khi có tác động của nhiễu ngẫu nhiên 10%.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Luận án đã tổng hợp và phân loại các công trình nghiên cứu về vi cơ cấu chấp hành và vi động cơ trên thế giới và tại Việt Nam theo các nhóm nguyên lý chính:

  1. Vi động cơ tĩnh điện: Được công bố lần đầu từ năm 1967, sau đó phát triển mạnh từ thập niên 1980. Động cơ bước tĩnh điện truyền thống với rotor quay quanh stator được phát triển bởi nhiều nhóm tác giả. Tang (1989) phát triển bộ kích hoạt răng lược (ECA) ứng dụng cho chuyển động thẳng và quay. N. Tas (1997) đề xuất vi động cơ bước tuyến tính dạng sâu đo (40 V, chuyển vị 15 µm, lực 3 µN). Richard Yeh (2002) phát triển động cơ sâu đo (33 V, lực 160 µN). Firas N. Sammoura phát triển vi động cơ quay hai chiều (40 V, mô-men 0,8 ÷ 2,4 nNm). Edin Sarajlic cùng các cộng sự (2010, 2011) chế tạo vi động cơ bước tĩnh điện 3 pha đường kính 1,4 mm (60 ÷ 75 V, góc quay ±13° đến ±15°, độ phân giải 1/480°). N. Ghalichechian (2008) chế tạo động cơ quay hai chiều (150 V, 800 Hz, vận tốc 517 vòng/phút). Phạm Hồng Phúc cùng cộng sự (2012) phát triển vi động cơ quay một chiều truyền động răng cóc (80 V, tần số 0 ÷ 50 Hz, đường kính 2,4 mm). Động cơ tĩnh điện có ưu điểm kết cấu đơn giản nhưng đòi hỏi điện áp làm việc cao và lực sinh ra nhỏ.
  2. Vi động cơ điện từ: C. Leel (2008) chế tạo vi động cơ từ tuyến tính (0,6 A, chuyển vị 150 µm). Đặng Phước Vinh cùng cộng sự (2013) chế tạo động cơ từ trở 4 pha đường kính 6 mm (3250 vòng/phút, mô-men 2,214 µNm) và 2 pha đường kính 1 mm (8000 vòng/phút, mô-men 0,047 µNm) tích hợp cảm biến dòng xoáy (Eddy current). Động cơ điện từ cho mô-men tốt hơn nhưng cấu tạo phức tạp, khó thu nhỏ kích thước.
  3. Vi động cơ hợp kim nhớ hình (SMA): Young Pyo Lee (2004) phát triển cơ cấu tuyến tính 2 chiều (3 V, 0,07 mA, vận tốc 10 mm/phút, kích thước 9,5 mm × 50 mm), có hạn chế về kích thước lớn và cấu trúc lắp ghép phức tạp.
  4. Vi động cơ điện nhiệt: Chengkuo Lee cùng cộng sự (2005) phát triển bộ kích hoạt dầm chữ X (1 W, chuyển vị 95 µm). Yong Zhu (2012) chế tạo cơ cấu dầm chữ Z (nguồn ±13 mA, tần số 49 Hz, chuyển vị -11,6 ÷ +12,8 µm). Jae-Sung Park (2000, 2010) phát triển vi động cơ tuyến tính (chuyển vị 104 µm, lực 204 µN) và động cơ quay hai chiều (6 ÷ 8 V, chuyển vị 20 ÷ 30 µm, lực >150 µN). John M. Maloney (2003) thiết kế cơ cấu đẩy tuyến tính dùng dầm chữ V (12 V, lực 6,7 mN, vận tốc 1 mm/s, chuyển vị 40 µm). N. T. Khoa (2012) nghiên cứu vi động cơ điện nhiệt tuyến tính 2 chiều tại Việt Nam (5 ÷ 30 V, tần số 1 ÷ 30 Hz, chuyển vị 12 ÷ 18 µm). Ali Khiat (2012) chế tạo vi động cơ quay dạng dầm chữ U (190 mW, đường kính >1,5 mm). Mathew Stevenson (2007) thiết kế vi động cơ lắc 2 chiều (0,6 A, 60 mW, đường kính 0,5 mm, mô-men 20 µNm).
Tác giả / Năm Hiệu ứng Dạng chuyển động Nguồn cấp Thông số đầu ra Kích thước / Công nghệ Nhận xét
N. Tas (1997) Tĩnh điện Tuyến tính sâu đo 40 V Chuyển vị 15 µm; Lực 3 µN Dài 400 µm Điện áp dẫn lớn; lực tác động nhỏ
Richard Yeh (2002) Tĩnh điện Tuyến tính sâu đo 33 V Chuyển vị 80 µm; Lực 160 µN 3 mm × 1 mm × 50 µm Chế tạo phức tạp; áp cao
Edin Sarajlic (2011) Tĩnh điện Quay 2 chiều 60 ÷ 75 V Góc quay ±13° ÷ ±15° 1,4 mm; Vi cơ khối nhiều lớp Điều khiển chính xác 1/480°; áp cao
Phạm Hồng Phúc (2012) Tĩnh điện Quay 1 chiều 80 V; 0 ÷ 50 Hz Vành răng truyền động 2,4 mm; Gia công bề mặt 1 lớp Điện áp dẫn cao (80 V)
Đặng Phước Vinh (2013) Điện từ Quay 2 chiều 0,8 ÷ 1 A 2,214 µNm (3250 v/p); 0,047 µNm 6 mm (4 pha); 1 mm (2 pha) Momen nhỏ; chế tạo phức tạp
Young Pyo Lee (2004) Hợp kim nhớ hình Tuyến tính 2 chiều 3 V; 0,07 mA Vận tốc 10 mm/phút 9,5 mm × 50 mm Kích thước lớn; lắp ráp phức tạp
John M. Maloney (2003) Điện nhiệt Tuyến tính 12 V Lực 6,7 mN; Vận tốc 1 mm/s 2,1 mm × 2,5 mm Chuyển vị 40 µm; áp thấp
Chengkuo Lee (2005) Điện nhiệt Tuyến tính 1 chiều 1 W Chuyển vị 90 µm 2 mm; Ăn mòn sâu khô Công suất tiêu thụ lớn
Jae-Sung Park (2010) Điện nhiệt Quay 2 chiều 6 ÷ 8 V Chuyển vị 20 ÷ 30 µm; Lực >150 µN Vi cơ Độ trượt tốc độ lớn; chế tạo phức tạp
Ali Khiat (2012) Điện nhiệt Quay 1 chiều chữ U 190 mW Hiệu suất 34% Đường kính >1,5 mm Vận tốc thấp; độ trượt lớn
N. T. Khoa (2012) Điện nhiệt Tuyến tính 2 chiều 5 ÷ 30 V; 1÷30 Hz Chuyển vị 12 ÷ 18 µm Gia công bề mặt 1 lớp Nghiên cứu tại Việt Nam

Khoảng trống luận án giải quyết

Phần lớn các bộ kích hoạt điện nhiệt trước đây chỉ tạo chuyển động tịnh tiến hoặc quay lắc góc hẹp. Luận án giải quyết trọn vẹn việc thiết kế và chế tạo vi động cơ quay liên tục toàn vòng dựa trên hệ dầm chữ V, đồng thời áp dụng phương pháp điều khiển học lặp (ILC) nhằm tối ưu hóa chuyển động lặp lại mà không cần gắn thêm cảm biến đo lường phản hồi phức tạp trên chíp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  1. Lý thuyết truyền nhiệt vi mô trong dầm mảnh: Quá trình điện - nhiệt được mô tả qua phương trình vi phân đạo hàm riêng truyền nhiệt 1D dọc trục dầm silic, có tính đến sự dẫn nhiệt qua vật liệu silic ($k_s$), đối lưu/dẫn nhiệt qua lớp không khí ($k_a$) xuống đế và tỏa nhiệt Joule: $$k_s \frac{\partial^2 \theta}{\partial x^2} - \frac{k_a S_F}{t_b g_a}(\theta - \theta_0) + q_v = D c_p \frac{\partial \theta}{\partial t}$$ Trong đó: $\theta(x, t)$ là nhiệt độ phân bố; $\theta_0$ là nhiệt độ môi trường/điện cực; $t_b, w_b$ là kích thước tiết diện dầm; $g_a$ là khe hở không khí tới đế; $S_F$ là hệ số hình dạng; $c_p, D$ là nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của silic; $q_v$ là mật độ công suất nhiệt sinh ra do điện trở.
  2. Mô hình song tuyến (Bilinear Model): Bằng kỹ thuật phân chia dầm đơn thành $n$ phân tố hữu hạn giống nhau dọc theo chiều dài, mô hình toán học của bộ kích hoạt dầm chữ V được chuyển đổi từ hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng sang hệ phương trình vi phân trạng thái song tuyến, hỗ trợ quá trình phân tích và tổng hợp bộ điều khiển.
  3. Lý thuyết điều khiển học lặp (ILC): Ứng dụng nguyên lý học qua các chu kỳ lặp lại đối với các hệ thống làm việc trong khoảng thời gian hữu hạn $[0, T]$. Hàm điều khiển $u_{k+1}(t)$ ở chu kỳ thứ $k+1$ được cập nhật từ tín hiệu điều khiển chu kỳ trước $u_k(t)$ kết hợp với sai lệch bám $e_k(t) = y_d(t) - y_k(t)$ thông qua các thuật toán PD-type và PID-type ILC.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích và tính toán cơ học: Phân tích động học, động lực học tiếp xúc cơ cấu răng cóc, lực ma sát, lực đàn hồi cổ xoay và lực đẩy nhiệt.
  • Phương pháp mô phỏng số:
    • Phân tích phần tử hữu hạn (FEM) bằng phần mềm ANSYS để kiểm chứng phân bố nhiệt độ và chuyển vị đỉnh dầm chữ V dưới các mức điện áp khác nhau (điện áp $U = 20\text{ V}$).
    • Mô phỏng hệ thống vật lý đa miền bằng công cụ Simscape trong môi trường MATLAB/Simulink để kiểm nghiệm các thuật toán điều khiển ILC trong miền thời gian thực.
  • Phương pháp thực nghiệm vi chế tạo:
    • Sử dụng công nghệ vi cơ khối (Bulk-micromachining) trên phiến silic kép (SOI: lớp cấu trúc $40\ \mu\text{m}$, lớp oxit chôn $2\ \mu\text{m}$, lớp đế $400\ \mu\text{m}$) với quy trình 1 lớp mặt nạ.
    • Các công đoạn chế tạo gồm: Quang khắc tạo hình, ăn mòn ion hoạt hóa sâu (D-RIE), và ăn mòn hóa học giải phóng kết cấu chuyển động trong pha hơi axit hydrofluoric (HF vapor).
    • Đánh giá hình thái cấu trúc bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa các nguyên lý chuyển đổi năng lượng trong vi động cơ, phân tích ưu nhược điểm của từng loại và tổng quan các chiến lược điều khiển trong MEMS.

  1. Đánh giá các cơ chế dẫn động:
    • Động cơ tĩnh điện cho tốc độ cao nhưng đòi hỏi điện áp lớn ($>30 \div 150\text{ V}$) và lực sinh ra nhỏ (cỡ $\mu\text{N}$).
    • Động cơ điện từ cho mô-men tốt nhưng khó thu nhỏ kích thước dưới mức milimét và công nghệ chế tạo cuộn dây vi mô phức tạp.
    • Động cơ điện nhiệt hoạt động ở mức điện áp thấp ($<30\text{ V}$), mật độ lực và chuyển vị tạo ra lớn, phù hợp cho vi dẫn động tốc độ thấp nhưng mô-men tải lớn.
  2. Tổng quan các cấu trúc điều khiển trong MEMS:
    • Điều khiển vòng hở: Kết cấu đơn giản, giá thành thấp nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của mô hình và không triệt tiêu được sai số do phi tuyến và nhiễu.
    • Điều khiển vòng kín (PD, PID, thích nghi): Yêu cầu cảm biến đo lường (thường dựa trên biến thiên điện dung hoặc hiệu ứng áp điện), làm tăng kích thước và độ phức tạp chế tạo.
    • Điều khiển phản hồi trên chíp: Xu hướng tích hợp mạch xử lý và cảm biến nguyên khối, gặp thách thức lớn về cách ly điện và nguồn nuôi.
    • Điều khiển bộ kích hoạt điện nhiệt: Các giải pháp đo lường phản hồi vị trí thông qua dầm đo phụ hoặc cảm biến điện dung gây tăng kích thước và độ cứng hệ dầm. Luận án lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp (ILC) nhằm đảm bảo bám chính xác quỹ đạo chuyển động lặp lại mà không yêu cầu cảm biến phản hồi thời gian thực trên chíp.

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

Chương 2 trình bày chi tiết thiết kế kết cấu, tính toán động học, động lực học nhiệt - cơ, cải tiến cơ cấu dẫn động và quy trình chế tạo vi động cơ.

  1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
    • Vi động cơ gồm 4 bộ kích hoạt điện nhiệt dạng dầm chữ V bố trí xung quanh rotor vành răng. Mỗi bộ kích hoạt gồm $n_b = 6$ cặp dầm nghiêng góc $\theta = 2^\circ$, liên kết với thanh đẩy (shuttle).
    • Thanh đẩy tác động lên dầm quay cổ đàn hồi (chiều rộng cổ xoay $4\ \mu\text{m}$) xoay quanh điểm đàn hồi O, truyền lực đẩy qua thanh răng cóc để dẫn động vành răng rotor có $Z = 720$ răng cóc (bước răng $p = 10\ \mu\text{m}$).
    • Cơ cấu chống đảo chiều giữ cho vành răng chỉ quay theo chiều kim đồng hồ; khe hở công nghệ $g_0 = 2\ \mu\text{m}$ được khắc phục nhờ cơ cấu đẩy lò xo đàn hồi.
    • Vận tốc góc trung bình của rotor được xác định qua biểu thức: $$n_{tb} = \frac{f \cdot i}{12}\quad (\text{vòng/phút})$$ Trong đó $f$ là tần số xung kích hoạt (Hz), $i$ là số bước răng dịch chuyển được trong một chu kỳ xung điện áp.
  2. Tính toán phân bố nhiệt và chuyển vị:
    • Giải phương trình truyền nhiệt trạng thái tĩnh xác định phân bố nhiệt độ cực đại tại đỉnh dầm chữ V.
    • Giải bài toán truyền nhiệt trạng thái động bằng phương pháp tách biến cho hai giai đoạn: quá trình cấp xung đốt nóng và quá trình ngắt xung làm nguội tự nhiên qua dẫn nhiệt ra các điện cực.
    • So sánh kết quả tính toán giải tích với mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS ở mức điện áp $U = 20\text{ V}$ cho thấy sự phù hợp về biên độ nhiệt độ đỉnh dầm và chuyển vị dọc trục $Oy$.
  3. Cải tiến cơ cấu và chế tạo thử nghiệm:
    • Luận án đề xuất cấu trúc cải tiến (kiểu 2) nhằm tối ưu hóa điểm đặt lực của cổ xoay đàn hồi, tăng hiệu suất truyền lực và giảm nguy cơ kẹt cơ cấu răng cóc.
    • Thiết kế mặt nạ quang khắc và thực hiện quy trình chế tạo vi cơ khối 1 lớp mặt nạ trên phiến SOI tại ITIMS và AIST:
      • Quang khắc tạo hình vi cơ cấu trên lớp silic dẫn điện dày $40\ \mu\text{m}$.
      • Ăn mòn sâu khô D-RIE tạo vách thẳng đứng với tỷ số hình học cao.
      • Ăn mòn lớp oxit chôn $\text{SiO}_2$ dày $2\ \mu\text{m}$ bằng hơi axit HF (HF vapor) để giải phóng các dầm chữ V, dầm cổ xoay và vành răng chuyển động mà không bị dính ướt cấu trúc (stiction).
    • Ảnh chụp SEM xác nhận hình học các chi tiết dầm chữ V, cổ xoay đàn hồi $4\ \mu\text{m}$ và vành răng $Z = 720$ răng được chế tạo hoàn chỉnh.

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

Chương 3 tập trung xây dựng mô hình toán học giải tích toàn diện và thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC) cho hệ thống vi động cơ.

  1. Xây dựng mô hình toán học:
    • Mô hình Điện - Nhiệt: Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng trên từng phân tố dầm đơn có xét đến sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ: $\rho_t = \rho_0 [1 + \xi(\theta - \theta_0)]$.
    • Mô hình Nhiệt - Cơ: Tính toán chuyển vị giãn nở nhiệt dọc trục của hệ dầm $\Delta d$ và lực đẩy nhiệt tác dụng lên thanh đẩy.
    • Chuyển đổi mô hình toàn phần của bộ kích hoạt chữ V về dạng song tuyến (bilinear state-space model), làm cơ sở cho thiết kế thuật toán điều khiển.
  2. Tổng hợp thuật toán điều khiển học lặp (ILC):
    • Phân tích các điều kiện hội tụ và khả năng tồn tại của hàm học cho hệ thống phi tuyến mô tả bằng không gian trạng thái.
    • Thiết kế thuật toán học lặp PD-type: $$u_{k+1}(t) = u_k(t) + K_P e_k(t) + K_D \frac{d e_k(t)}{dt}$$
    • Thiết kế thuật toán học lặp PID-type: $$u_{k+1}(t) = u_k(t) + K_P e_k(t) + K_I \int e_k(t) dt + K_D \frac{d e_k(t)}{dt}$$
  3. Kết quả mô phỏng trên mô hình toán học:
    • Trường hợp không có nhiễu: Thuật toán PD đạt bám sát quỹ đạo đặt sau 80 lần học; thuật toán PID đạt trạng thái hội tụ với sai số triệt tiêu sau 65 lần học.
    • Trường hợp có tác động của nhiễu ngẫu nhiên đầu ra biên độ 10% giá trị đặt: Thuật toán PD đạt hội tụ sau 84 lần học; thuật toán PID đạt hội tụ sau 48 lần học. Cả hai thuật toán đều thể hiện tính bền vững và khả năng lọc nhiễu lặp lại.

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

Chương 4 thực hiện việc mô hình hóa hệ thống vi cơ điện nhiệt trên công cụ Simscape (MATLAB/Simulink) nhằm kiểm chứng thuật toán ILC trên mô hình đa trường vật lý tương đương phần cứng thực tế.

  1. Mô hình hóa hệ thống trên Simscape:
    • Xây dựng các khối phần tử đa miền kết nối trực tiếp các miền vật lý: miền điện (nguồn áp, điện trở phi tuyến), miền nhiệt (dẫn nhiệt, nhiệt dung, đối lưu nhiệt qua không khí) và miền cơ học (khối lượng, độ cứng lò xo dầm đàn hồi, ma sát).
    • Mô phỏng đáp ứng nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cực đại của hệ dầm chữ V khi kích thích bởi điện áp một chiều $U = 20\text{ V}$.
  2. Kết quả mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển ILC trên Simscape:
    • Bộ kích hoạt dầm chữ V đơn lẻ:
      • Thuật toán PD không nhiễu: Sai số bám giảm nhanh và ổn định sau 100 lần học; khi có nhiễu ngẫu nhiên 10%, hệ thống hội tụ sau 85 lần học.
      • Thuật toán PID không nhiễu: Đạt bám chính xác quỹ đạo hình thang sau 62 lần học; khi có nhiễu ngẫu nhiên 10%, hệ thống hội tụ ổn định sau 54 lần học.
    • Hệ thống vi động cơ tích hợp 4 bộ kích hoạt:
      • Khảo sát trường hợp 4 bộ kích hoạt dầm chữ V có sự sai lệch tham số vật lý do dung sai chế tạo.
      • Áp dụng thuật toán PID-ILC điều khiển đồng bộ 4 bộ kích hoạt, đáp ứng đầu ra của cả 4 bộ kích hoạt đều bám sát quỹ đạo dịch chuyển đặt với sai số hội tụ về lân cận 0 sau 50 chu kỳ học.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về thiết kế và chế tạo vi cơ cấu:
    • Phát triển thành công 02 mẫu vi động cơ quay liên tục sử dụng bộ kích hoạt điện nhiệt dầm chữ V với đường kính cơ bản 2,5 mm, đặt trên phiến chíp kích thước 5 mm × 5 mm × 484 µm.
    • Động cơ có khả năng quay toàn vòng với dải vận tốc từ 0,08 đến 5 vòng/phút (tương ứng với dải tần số kích thích 1 ÷ 30 Hz), công suất đầu ra đạt từ 2 đến 50 mW.
    • Xây dựng hoàn chỉnh quy trình chế tạo vi cơ khối (Bulk-micromachining) sử dụng 1 lớp mặt nạ duy nhất trên phiến silic kép (SOI), thực hiện thành công trên hệ thống trang thiết bị thí nghiệm trong nước (ITIMS và AIST).
  2. Về mô hình hóa lý thuyết:
    • Đề xuất phương pháp phân tách dầm nhiệt thành các phân tố hữu hạn giống nhau, chuyển đổi thành công mô hình đạo hàm riêng phi tuyến phức tạp của bộ kích hoạt dầm chữ V về dạng mô hình trạng thái song tuyến (bilinear model), tạo thuận lợi cho việc phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển.
  3. Về thuật toán và phương pháp điều khiển:
    • Thiết kế và ứng dụng thành công bộ điều khiển học lặp (ILC) với hai thuật toán PD và PID cho vi động cơ điện nhiệt. Thuật toán chứng minh tính hiệu quả cao trong việc triệt tiêu sai số bám quỹ đạo mà không đòi hỏi hệ thống cảm biến phản hồi vị trí phức tạp trên chíp.
    • Xây dựng mô hình mô phỏng vật lý đa miền hoàn chỉnh trên Simscape, kiểm chứng thành công khả năng đồng bộ hóa 4 bộ kích hoạt nhiệt dầm chữ V có sai lệch tham số sau 50 lần học.

Kiến nghị và đề xuất

  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện cơ cấu ăn khớp răng cóc và tối ưu hóa hình học dầm quay cổ đàn hồi nhằm nâng cao hiệu suất truyền động và độ bền mỏi cơ học của vật liệu silic.
  • Ứng dụng mô hình song tuyến và phương pháp ILC đã xây dựng cho các dạng vi cơ cấu MEMS chuyển động lặp lại khác trong lĩnh vực quang học và y sinh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Đặc tính nhiệt và tổn thất năng lượng: Vi động cơ hoạt động dựa trên hiệu ứng giãn nở nhiệt nên nhiệt độ làm việc trên dầm tương đối cao (có thể lên tới vài trăm độ C), gây tổn thất năng lượng qua truyền nhiệt ra đế và môi trường xung quanh, đồng thời tạo ra hiện tượng trễ nhiệt làm giới hạn dải tần số hoạt động (tối đa khoảng 30 Hz).
  • Phạm vi kiểm chứng điều khiển: Các thuật toán điều khiển học lặp (ILC) mới được kiểm chứng thông qua mô hình toán học giải tích và mô hình mô phỏng vật lý Simscape, chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm vòng kín trực tiếp trên mẫu vi động cơ thực tế do hạn chế về thiết bị đo vi chuyển vị thời gian thực tại phòng thí nghiệm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Thiết lập hệ thống đo kiểm quang học tốc độ cao (sử dụng kính hiển vi quang học độ phân giải cao kết hợp camera tốc độ cao và xử lý ảnh) để đo trực tiếp chuyển vị và vận tốc của vi động cơ thực tế nhằm nạp dữ liệu phản hồi cho bộ điều khiển ILC phần cứng.
  • Nghiên cứu tích hợp các giải pháp cách nhiệt và giảm thiểu tổn thất nhiệt trên phiến SOI nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng và mở rộng dải tần số làm việc của vi động cơ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Điều khiển tự động và Kỹ thuật Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc mô hình hóa các hệ thống vật lý đa trường (Điện - Nhiệt - Cơ), kỹ thuật đưa hệ phi tuyến về dạng song tuyến, và phương pháp thiết kế bộ điều khiển học lặp (ILC) cho các đối tượng có tính chu kỳ.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực MEMS/Vi cơ điện tử: Cung cấp thông số hình học chi tiết, các công thức giải tích phân bố nhiệt dầm chữ V và quy trình công nghệ gia công vi cơ khối 1 mặt nạ trên phiến SOI (D-RIE, giải phóng kết cấu bằng hơi axit HF) phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất tại Việt Nam.
  • Nhà phát triển hệ thống vi chuyển động: Cung cấp giải pháp kết cấu vi động cơ quay toàn vòng sử dụng cơ cấu răng cóc và cổ xoay đàn hồi ứng dụng trong các thiết bị vi vận tải, vi thao tác y sinh và chuyển mạch quang.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi động cơ trong luận án hoạt động dựa trên nguyên lý vật lý nào và dải thông số vận hành đạt được là bao nhiêu?
Vi động cơ hoạt động dựa trên hiệu ứng giãn nở nhiệt của 4 bộ kích hoạt dầm chữ V làm bằng vật liệu silic dẫn điện. Khi cấp xung điện áp, dòng điện chạy qua dầm sinh nhiệt Joule làm dầm giãn nở, đẩy dầm quay cổ đàn hồi và thanh răng cóc làm quay vành răng rotor theo một chiều. Động cơ đạt vận tốc quay 0,08 ÷ 5 vòng/phút tương ứng với tần số xung 1 ÷ 30 Hz, công suất đầu ra 2 ÷ 50 mW, đường kính cơ bản 2,5 mm trên chíp 5 mm × 5 mm × 484 µm.

2. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển học lặp (ILC) thay vì các bộ điều khiển phản hồi vòng kín truyền thống?
Trong các hệ thống vi cơ MEMS, việc gắn thêm các cảm biến đo lường (như cảm biến điện dung hoặc nhiệt điện trở) trên chíp để lấy tín hiệu phản hồi thời gian thực làm tăng đáng kể kích thước, độ cứng kết cấu và độ phức tạp công nghệ gia công. Do vi động cơ hoạt động theo các chu kỳ lặp lại giống nhau trong khoảng thời gian hữu hạn, điều khiển học lặp (ILC) cho phép cập nhật tín hiệu điều khiển của chu kỳ sau dựa trên sai lệch của chu kỳ trước, giúp hệ thống bám chính xác quỹ đạo đặt mà không cần tích hợp cảm biến đo lường phản hồi trực tiếp trên chíp.

3. Quy trình chế tạo thử nghiệm vi động cơ được thực hiện bằng công nghệ gì và tại cơ sở nào?
Vi động cơ được chế tạo bằng công nghệ vi cơ khối (Bulk-micromachining) sử dụng 1 lớp mặt nạ (single mask) trên phiến silic kép (SOI). Các bước công nghệ chính gồm quang khắc tạo hình, ăn mòn khô ion hoạt hóa sâu (D-RIE) tạo vách dầm và ăn mòn hóa học pha hơi axit hydrofluoric (HF vapor) để bóc tách lớp oxit $\text{SiO}_2$ giải phóng kết cấu. Quy trình được thực hiện trực tiếp 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.

4. Mô hình song tuyến (bilinear) được xây dựng trong luận án có ưu điểm gì trong việc mô tả bộ kích hoạt dầm chữ V?
Bằng cách chia dầm nhiệt thành nhiều phân tố giống nhau dọc theo chiều dài, mô hình truyền nhiệt đạo hàm riêng phi tuyến phức tạp được rút gọn về hệ phương trình trạng thái dạng song tuyến. Dạng mô hình này mô tả chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa điện áp đầu vào và sự biến thiên điện trở theo nhiệt độ của vật liệu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích toán học, mô phỏng ổn định và thiết kế thuật toán điều khiển học lặp.

5. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển ILC trên mô hình vật lý Simscape cho thấy điều gì?
Mô phỏng trên Simscape cho thấy cả hai thuật toán PD-ILC và PID-ILC đều giúp tín hiệu đầu ra bám sát quỹ đạo đặt sau một số hữu hạn chu kỳ học (PID hội tụ sau 62 chu kỳ không nhiễu và 54 chu kỳ có nhiễu 10%). Đặc biệt, khi áp dụng cho hệ thống tích hợp 4 bộ kích hoạt dầm chữ V có sai lệch tham số vật lý do chế tạo, thuật toán PID-ILC đã đồng bộ hóa hoàn toàn chuyển vị của cả 4 bộ kích hoạt về đúng quỹ đạo yêu cầu sau 50 lần học.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Dũng đã giải quyết trọn vẹn chu trình nghiên cứu từ tính toán thiết kế, mô hình hóa toán học, chế tạo thực nghiệm đến thiết kế thuật toán điều khiển cho vi động cơ quay điện nhiệt dạng dầm chữ V. Công trình đã chế tạo thành công 02 mẫu vi động cơ quay toàn vòng kích thước 2,5 mm trên phiến SOI bằng công nghệ vi cơ khối 1 mặt nạ phù hợp với điều kiện trang thiết bị tại Việt Nam. Đồng thời, việc đề xuất mô hình song tuyến và ứng dụng thuật toán điều khiển học lặp (ILC) đã cung cấp một giải pháp khả thi để nâng cao độ chính xác chuyển động của các cơ cấu MEMS mà không cần tích hợp cảm biến đo lường phức tạp trên chíp.