(TIỂU LUẬN) báo cáo bài tập lớn học PHẦN MICRO ROBOT LITERATURE REVIEW PIEZOELECTRIC ACTUATOR

LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR

Tổng quan về bộ kích hoạt áp điện

1.1 Tổng quan về hiệu ứng áp điện, bộ kích hoạt áp điện

Chất áp điện là những vật liệu sinh ra điện tích khi chịu tác động của ứng suất cơ học, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại, khi điện trường tác động lên, chất áp điện sẽ trải qua biến dạng cơ học, được biết đến như hiệu ứng áp điện ngược.

Hình 1 Hiệu ứng áp điện thuận

Hình 2 Hiệu ứng áp điện ngược

Hiệu ứng áp điện xảy ra do sự dịch chuyển của các ion trong các tinh thể không đối xứng Khi tinh thể chịu nén, các ion trong mỗi ô đơn vị di chuyển, dẫn đến hiện tượng phân cực điện tại mỗi ô đơn vị.

Cấu trúc tinh thể đồng nhất dẫn đến sự tích tụ các hiệu ứng, tạo ra chênh lệch điện thế giữa các mặt của tinh thể Khi một điện trường bên ngoài tác động, các ion trong từng ô đơn vị bị dịch chuyển bởi lực tĩnh điện, gây ra biến dạng cơ học cho toàn bộ tinh thể.

Hiện tượng áp điện thuận lần đầu được phát hiện trong các tinh thể tự nhiên, chủ yếu là thạch anh Sau đó, hiệu ứng này cũng được tìm thấy trong gốm sứ và gần đây là ở các loại polyme.

Một số ứng dụng của hiệu ứng áp điện:

Nguồn điện và điện áp cao được ứng dụng trong nhiều thiết bị, chẳng hạn như bật lửa thuốc lá điện Khi nhấn nút, một chiếc búa có lò xo sẽ đập vào tinh thể áp điện, tạo ra điện áp cao đủ để kích hoạt dòng điện qua khe hở tia lửa nhỏ, làm nóng và đốt cháy khí Hệ thống phun piezo được tích hợp trong hầu hết các loại đầu đốt và dãy gas, cho thấy tính ứng dụng rộng rãi của công nghệ này.

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên tắc vật lý, biến đổi lực tác động lên hai mặt đối lập của phần tử cảm biến Ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến này là phát hiện biến đổi áp suất dưới dạng âm thanh, thường thấy trong micro áp điện và bộ thu áp điện cho guitar khuếch đại điện Đặc biệt, cảm biến áp điện còn được sử dụng trong các đầu dò siêu âm để phát hiện âm thanh tần số cao trong hình ảnh y tế và thử nghiệm không phá hủy trong công nghiệp.

Bộ kích hoạt áp điện sử dụng phần tử áp điện để nhận xung điện, tạo ra lực định hướng lên tấm sứ, khiến nó di chuyển theo hướng mong muốn Chuyển động này xảy ra khi phần tử áp điện di chuyển so với nền tĩnh như dải gốm.

1.1.2 Bộ kích hoạt áp điện

Bộ kích hoạt áp điện là thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện ngược, cho phép tạo ra sự dịch chuyển khi có điện áp và ngược lại, tạo điện áp khi có rung động Với tốc độ đáp ứng cao, kích thước nhỏ gọn và khối lượng nhẹ, bộ kích hoạt này được dẫn động bằng điện trường và có hiệu suất vượt trội Những ưu điểm này làm cho bộ kích hoạt áp điện có tiềm năng lớn trong lĩnh vực điều khiển tích cực, vượt trội hơn so với các bộ kích hoạt truyền thống.

Tiêu thụ điện năng thấp là một ưu điểm nổi bật của hiệu ứng áp điện, cho phép chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học hiệu quả Bộ kích hoạt áp điện có khả năng hoạt động tĩnh, duy trì hiệu suất ngay cả khi chịu tải nặng mà không tiêu tốn điện năng.

Bộ kích hoạt áp điện mang lại thời gian phản hồi nhanh nhất hiện có, chỉ trong cỡ micro giây, cho phép gia tốc đạt mức tương đương 10 lần gia tốc trọng trường.

Bộ kích hoạt áp điện không có bánh răng hay trục quay, giúp loại bỏ vấn đề hao mòn Sự dịch chuyển của nó dựa trên động lực học ở trạng thái rắn, đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao mà không bị ăn mòn.

Các nhà khoa học đã tiến hành kiểm tra độ bền trên bộ kích hoạt áp điện và thấy hiệu suất không đổi sau vài tỷ chu kỳ [2].

Bộ kích hoạt áp điện sở hữu những đặc điểm nổi bật như định hướng lưỡng cực và hoạt động dựa trên nguyên lý trường điện từ Nó có mật độ năng lượng đạt 10^6 J/m³ và tần số dao động khoảng 100 kHz Các chế độ hoạt động của bộ kích hoạt này phụ thuộc vào hướng của điện trường, với khả năng biến dạng trong khoảng 0.12-0.15%.

1.2 Đặc trưng và nguyên lý hoạt động của một số vật liệu áp điện

1.2.1 Đặc trưng của một số vật liệu a Đơn tinh thể áp điện

Hệ số tuân thủ đàn hồi của thạch anh, khoảng 10 - 12 m²/N, là một trong những đặc tính nổi bật nhất của vật liệu áp điện này Mặc dù có thể sử dụng các vật liệu khác trong một số ứng dụng cụ thể, thạch anh vẫn là lựa chọn hàng đầu cho các mục đích điều khiển tần số ổn định cao Các thuộc tính áp điện cơ bản của thạch anh đã được nhà khoa học Bechmann xác định từ thế kỷ trước, khẳng định vị thế quan trọng của thạch anh trong lĩnh vực này.

Hằng số biến áp điện (10 -12 C/N) trong bảng 1 Trong đó s là tuân thủ đàn hồi d 11 2.31 của vật liệu (nghịch đảo của module

Young), d là hằng số biến áp điện, ϵ là hằng d 14 0.73 số điện môi.

Mối liên hệ với hằng số điện môi ϵ 11 /ϵ 0 4.52 -12 2

Hệ số tuân thủ đàn hồi (10 m ϵ 33 /ϵ s 11 0 4.64 52

Bảng 1 Thuộc tính cơ bản của thạch anh s 22 35 s 33 33.5 s 12 -15.3 s 13 -17 s 23 -10

Hình 4 Tinh thể thạch anh

Bảng 2 Thuộc tính cơ bản của muối Rochelle d 36 12 x 10 12

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1 12

Mối liên hệ với hằng số điện môi ở 25 ϵ ℃

Hình 5 Tinh thể muối Rochelle

Ngoài thạch anh, muối Rochelle cũng thu hút sự chú ý lớn nhờ vào tính chất áp điện tan trong nước Các tinh thể lớn của muối Rochelle có thể được tạo ra một cách dễ dàng bằng cách làm lạnh chậm dung dịch bão hòa ở nhiệt độ 50°C Một số thông số cơ bản của muối Rochelle được trình bày trong bảng 2 Bên cạnh đó, gốm áp điện (Piezoelectric Ceramics) cũng là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu vật liệu áp điện.

Gốm áp điện là loại gốm sắt điện có hiệu ứng áp điện, được hình thành từ việc xử lý phân cực các tinh thể qua việc trộn các oxit như zirconia, oxit chì, và oxit titan, sau đó nung kết ở nhiệt độ cao Với đặc tính cơ học tốt và ổn định về áp điện, gốm áp điện được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến, đầu dò siêu âm, thiết bị chuyển vị trí vi mô và các linh kiện điện tử khác Bảng 3 trình bày các thông số cơ bản của hai loại gốm áp điện tiêu biểu là BaTiO3 (BT) và Pb(Ti0.48Zr0.52)O3 (LZ).

Hệ số tuân thủ đàn hồi (10 -12 m 2 /N) Hằng số biến áp điện

BT LZ BT LZ s 11 E 8.55 13.8 d 15 -270 494x10 -12 C/N s 11 D 8.18 12.4 d 31 -79 -93.5 s 33 E 8.93 17.1 d 33 191 223 s 33 D 6.76 9.35 g 15 18.8 47.2x10 -3 Vm/N s 12 E -2.61 -4.07 g 31 -4.7 -14.5 s 12 D -2.98 -5.38 g 33 11.4 34.5 s 13 E -2.85 -5.80 Mối liên hệ với hằng số điện môi s 13 D -1.95 -2.56 BT LZ [5] s 44 E 23.3 48.2 ϵ 11 T /ϵ 0 1620 1180 s 44 D 18.3 25.0 ϵ 11 S /ϵ 0 1260 612 s 66 E 22.3 38.4 ϵ 33 T /ϵ 0 1900 730 s 66 D 22.3 38/4 ϵ 33 S /ϵ 0 1420 399

Bảng 3 Thông số cơ bản của gốm áp điện BT, LZ

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện a Đặc trưng cơ học

Phân loại, ưu nhược điểm và ứng dụng của thiết bị áp điện

Theo một nghiên cứu năm 2018 [6] các vật liệu áp điện thường được nhóm thành các loại:

- Tinh thể đơn : Quartz, LiNbO3, Lithium Tantalate (LiTaO3)

- Vật liệu tinh thể đa: BaTiO3, PbTiO3, Lead Zirconate(PbZrO3),

- Relaxator Ferro electrics: Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN- PT), Lead Zirconium-Niobate-Lead Titanate (PZN-PT)

- Polymers: PVDF, Poly (vinylidene diflouride- trifluoro ethylene) P(VDF- TrFE), Polymer-Ceramic composites.

Các loại vật liệu được quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất hiện nay bao gồm piezo ceramic và piezo polime Theo nghiên cứu, vật liệu Piezoelectric Paper đang trở thành xu hướng mới trong lĩnh vực này Giấy hybrid nổi lên như một giải pháp thay thế hiệu quả cho chất nền polyme áp điện, với chi phí thấp hơn và tính thân thiện với môi trường Đặc điểm nổi bật của giấy hybrid là sự kết hợp giữa vật liệu áp điện nano (gốm) và sợi cellulose từ gỗ trước khi tiến hành sản xuất giấy.

The most commonly used piezoelectric actuators are found in popular materials such as ceramics and polymers, including multilayer (stack) actuators, bimorph (bender) actuators, stick-slip actuators, tube actuators, and bulk actuators.

Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện cách biệt bởi các lớp cách điện Mỗi lớp được áp cùng một điện áp ở phần đầu và cuối, trong khi các phần tử áp điện có phân cực xoay chiều và điện trường được đặt song song với hướng phân cực Khi điện áp được áp dụng, biến dạng hoặc dịch chuyển xảy ra theo hướng phân cực Chuyển động của một phần tử áp điện tỉ lệ với điện áp đặt và hệ số áp điện, trong khi chuyển động tổng thể của ngăn xếp áp điện là tổng dịch chuyển của tất cả các phần tử trong ngăn xếp.

Hình 11 Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp

Các điện cực bên trong có cùng cực được kết nối với nhau thông qua các điện cực bên ngoài nằm trên bề mặt của thiết bị truyền động Để đảm bảo cách điện, các điện cực bên trong được ngăn cách với các điện cực bên ngoài antipode bằng một lớp thủy tinh mỏng giữa các mặt của vật liệu áp điện.

Bộ kích hoạt áp điện trực tiếp chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học mà không có bộ phận chuyển động, giúp giảm ma sát và mài mòn Độ phân giải của chúng chỉ bị giới hạn bởi các thành phần bên ngoài, cho phép đạt thời gian phản hồi nhanh và tốc độ tăng tốc cao Ngoài ra, bộ kích hoạt áp điện xếp chồng có khả năng hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như chân không, điều kiện đông lạnh và từ trường, phù hợp cho các ứng dụng trong ngành điện tử tiêu dùng, hàng không vũ trụ, ô tô và bán dẫn.

[8] và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp.

Hình 12 Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat áp điện ngăn xếp

Cũng trong [8] Zhou đã mô tả động cơ truyền động bằng quán tính dựa trên các ứng dụng của bộ kích hoạt ngăn xếp.

Hình 13 Động cơ truyền động bằng quán tính

Cấu trúc áp điện ngăn xếp có ứng dụng quan trọng trong truyền động các cơ cấu vi kẹp với độ chính xác cao Zheng Li và nhóm của ông đã phát triển một cơ cấu kẹp sử dụng chuyển động của cấu trúc áp điện, đạt tốc độ kẹp lên tới hơn 350 mm/s tùy thuộc vào điện áp cung cấp Tương tự, nhóm của Das cũng thiết kế một mô hình tay kẹp dựa trên phương pháp tương tự.

Hình 14 Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trái) và Das (bên phải)

Thuật ngữ bimorph thường được biết đến trong lĩnh vực bimorphs áp điện, trong đó một lớp co lại và lớp kia mở rộng khi có điện áp, dẫn đến hiện tượng uốn cong Trong các ứng dụng cảm biến, sự uốn cong này tạo ra điện áp, cho phép đo độ dịch chuyển hoặc gia tốc, và cũng có thể được sử dụng để thu năng lượng Vật liệu áp điện thường xuất hiện dưới dạng một lớp kép, với hướng phân cực của hai lớp giống nhau, trong khi điện áp được áp dụng cho lớp trên trái ngược với lớp dưới.

Nghiên cứu của Qing-Ming Wang và các cộng sự đã chỉ ra rằng việc thay thế một lớp áp điện bằng vật liệu khác trong cấu trúc bimorph, unimorph và ba lớp uốn có thể ảnh hưởng đến hằng số điện môi Các thiết bị áp điện như bimorph và unimorph thường được ứng dụng trong cảm biến âm thanh, loa, rơle, micropumps và micropositioners Wang kết luận rằng hằng số điện môi của các cấu trúc này thấp hơn so với vật liệu áp điện do tác động kẹp của từng thành phần Đối với uốn cong một lớp và ba lớp, hằng số điện môi thay đổi theo tỷ lệ độ dày của lớp đàn hồi và các lớp áp điện, với hằng số điện môi lớn nhất quan sát được ở tỷ lệ độ dày nhất định trong uốn cong ba lớp Ngược lại, đối với đơn nguyên uốn cong, hằng số điện môi giảm theo độ dày Sử dụng lớp đàn hồi cứng hơn cũng dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn trong cả hai chiều và uốn cong ba lớp.

The article discusses various bending structures, including bimorph, unimorph, and triple layer benders It illustrates the configurations of a bimorph bender in both series and parallel connections, as well as the design of a triple layer bender and a unimorph bender Additionally, it features a rainbow device, highlighting the versatility and applications of these bending technologies.

Trong năm nay, Zhang và nhóm của ông đã phát triển động cơ quay quán tính hai bậc tự do sử dụng bộ kích hoạt áp điện hai chiều (PEA) Cấu trúc này bao gồm hai lớp tấm áp điện chồng lên nhau, với hai bộ áp điện kích hoạt trái hướng, cho phép chân đỡ khối cầu di chuyển theo trục x Tương tự, một bộ áp điện cũng được lắp đặt cho trục y, giúp cơ cấu có khả năng di chuyển theo hai hướng vuông góc nhờ vào chuyển động của khối cầu Hình 12 mô tả quá trình chuyển động của chân đỡ khối cầu thông qua các tấm áp điện.

Hình 17 Động cơ quay quán tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo [13]

Hình 18 Mô tả nguyên lý hoạt động của động cơ của Zhang [13]

2.3.1 Tổng quan về Stick-Slip actuators

Trong các hệ trượt macro, dính-trượt thường được xem là yếu tố gây nhiễu, dẫn đến việc phát triển nhiều mô hình và phương pháp phân tích nhằm kiểm soát các hệ động lực học có ma sát Ngược lại, trong các hệ micro, hiện tượng dính-trượt có thể được khai thác như một nguyên lý kích hoạt, được gọi là chuyển động dính-trượt Khi các lực tác động lên phần tử chấp hành (PTCH) được điều khiển về cả độ lớn và phương chiều, chuyển động dính-trượt lặp đi lặp lại theo hướng định sẵn hoàn toàn khả thi.

Hình 19 Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt [3]

Sơ đồ mô tả PTKH được làm từ vật liệu áp điện, kết nối với nửa cầu tạo tiếp xúc với PTCH Tín hiệu điện kích hoạt chuyển động dính-trượt có dạng răng cưa với hai pha: pha tăng chậm và pha giảm nhanh Khi tín hiệu điện được đưa vào PTKH, các điểm tiếp xúc chuyển vị theo tín hiệu, tạo ra hai trạng thái trong một chu kỳ: dãn chậm và co lại nhanh Pha tăng chậm xảy ra khi PTCH di chuyển cùng PTKH, với lực quán tính nhỏ hơn lực ma sát tĩnh, dẫn đến độ dịch chuyển đồng nhất Pha này được gọi là pha dính Ngược lại, trong pha giảm nhanh, PTKH co lại nhanh với gia tốc lớn, làm cho lực quán tính của PTCH vượt quá lực ma sát tĩnh sau một khoảng thời gian Ban đầu, hai phần tử vẫn dính với nhau do lực quán tính chưa đủ lớn, tạo ra bước lùi (back step) Khi lực quán tính đủ lớn, PTCH sẽ bị trượt trên PTKH, dẫn đến pha trượt Qua một chu kỳ dính-trượt, PTCH sẽ thực hiện một bước dịch chuyển.

Mỗi bước chuyển vị thu được sau mỗi chu kỳ là rất nhỏ do giới hạn độ biến dạng của vật liệu áp điện, nhưng lý thuyết cho thấy khoảng làm việc của thiết bị là không giới hạn Khi làm việc ở chế độ quét, độ dịch chuyển nhỏ mang lại ưu điểm về độ chính xác cao Một số mô hình tương tự như mô hình của Zhang (2018) và Xu (2020) sử dụng cơ cấu tam giác để tạo chuyển động, với nguyên lý kẹp chặt trong giai đoạn 'stick' và giải phóng trong giai đoạn 'slip' Ngoài ra, các cơ cấu khớp mềm cũng có thể được áp dụng Sự co giãn của vật liệu áp điện khiến thanh trượt dính và trượt một đoạn ∆s, và sự lặp lại của các bước này sẽ làm cơ cấu di chuyển.

Hình 20 Mô hình Stick-slip actuator của Zhang [14]

Hình 21 Mô hình Stick-slip actuator của Xu [15]

2.3.2 Một số các hiện tượng của cơ cấu Stick-

Slip a Hiện tượng chuyển vị đầu

Khi thiết bị hoạt động, tại vùng tiếp xúc tồn tại hai chế độ ma sát: chế độ chuyển vị đầu (hay còn gọi là chế độ vi trượt) và chế độ trượt Chế độ chuyển vị đầu của tiếp xúc ma sát giữa hai bề mặt được mô tả như hình dưới đây.

Hình 22 Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại lực

Khi hai vật tiếp xúc dưới tác dụng của lực pháp tuyến và lực tiếp tuyến, xuất hiện các tiếp xúc vi mô giữa các nhấp nhô tại bề mặt Trong chế độ ma sát chuyển vị đầu, lực giữ giữa các nhấp nhô chiếm ưu thế, khiến lực ma sát phụ thuộc vào chuyển vị hơn là vận tốc Các nhấp nhô có tính đàn hồi dẻo và ứng xử giống như lò xo phi tuyến, với biến dạng đàn hồi gây ra dịch chuyển chuyển vị đầu và biến dạng dẻo dẫn đến ma sát tĩnh Khi lực tiếp tuyến tăng đến một mức nhất định, dịch chuyển chuyển vị đầu cũng tăng, làm phá vỡ các tiếp xúc nhấp nhô và dẫn đến hiện tượng trượt hoàn toàn Lúc này, ma sát chuyển sang chế độ trượt, và lực ma sát trở thành hàm theo vận tốc Tại điểm chuyển giữa hai chế độ ma sát, lực ma sát đạt giá trị F ba (lực tới hạn), và khi lực tiếp tuyến vượt quá F ba, chế độ ma sát trượt sẽ xảy ra Giá trị chuyển vị đầu tối đa trước khi các tiếp xúc nhấp nhô bị phá vỡ được gọi là khoảng tới hạn - z ba.

Tính toán thiết bị áp điện

3.1 Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp

Thiết bị truyền động ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được phân cách bởi các lớp cách điện Mỗi lớp đều nhận cùng một điện áp tại các đầu cuối, đảm bảo hiệu suất hoạt động đồng nhất.

Chúng ta có thể đưa ra nhiều giả định khác nhau để giảm bớt sự phức tạp của vấn đề và số lượng các biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng khác ngoài S

3 có thể được bỏ qua.

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T

3 có thể được bỏ qua.

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D

Sử dụng các giả định này, chúng ta có thể thu được:

Hình 29 Các thông số chính trong cấu hình ngăn xếp Độ giãn dài x i của lớp i có độ dày t sau đó có thể được viết:

(3.4) Độ giãn dài x i sau đó được viết là:

Vì các lớp nằm trong một chuỗi, nên tổng dịch chuyển X của cơ cấu chấp hành là tổng độ giãn dài của mỗi lớp:

Hành trình tự do là chuyển động của cơ cấu chấp hành khi không có ứng suất tác dụng, trong khi lực chặn là lực do cơ cấu truyền động tạo ra khi giữ ở vị trí không biến dạng.

Hình 30 Đặc tính tĩnh của thiết bị truyền động ngăn xếp áp điện (XLi và FBi là hành trình tự do và lực chặn đối với điện áp Vi, i = 1, 2, 3)

Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp màng kép (xem

Hướng phân cực của hai lớp là giống nhau, trong khi điện áp áp dụng cho các thiết bị đầu cuối của lớp trên ngược lại với lớp dưới.

Hình 31 Bộ kích hoạt áp điện Bimorph

Các điện áp đối nghịch này sẽ tạo ra sự giãn nở của lớp trên và sự co của lớp dưới.

Vì hai lớp được dán lại với nhau, kết quả là ở dạng uốn Tham số X là tổng độ uốn được tạo ra bởi cơ cấu chấp hành.

Hình 32 Nguyên tắc hoạt động của bimorph

Hình 33 Các thông số chính trong cấu hình bimorph

Chúng ta có thể đưa ra một số giả định để giảm độ phức tạp và số lượng biến liên quan:

1) Tất cả các biến dạng ngoại trừ S1 có thể được bỏ qua.

2) Tất cả các ứng suất ngoại trừ T1 có thể được bỏ qua.

3) Điện trường chỉ tác dụng theo hướng 3.

4) Mật độ điện tích khác không duy nhất là D3.

Chúng ta có thể sử dụng các giả định này để đơn giản hóa các phương trình (3.1) và (3.2) để thu được:

Tất cả các hệ số biến dạng áp điện đều có tính đối xứng, cụ thể là d31 = d13 Khi thực hiện các phép tính này, tổng độ uốn do bimorph tạo ra có thể được diễn đạt bằng văn bản.

Chuyển vị tĩnh lớn nhất và nội lực lần lượt là:

Bộ kích hoạt chống trượt có hai chế độ hoạt động: chế độ bước cho hành trình vĩ mô với khoảng cách vài cm và vận tốc vài mm/giây, và chế độ quét cho vị trí vi mô với độ phân giải cao từ vài chục nanomet đến một vài micromet, đạt độ phân giải nanomet.

Trong chế độ đầu tiên, bàn chân trải qua sự biến dạng chậm, sau đó nhanh chóng trở lại vị trí ban đầu Giai đoạn chậm này cho phép khối lượng di chuyển theo bàn chân nhờ lực ma sát “dính”, trong khi quán tính của khối lượng này cản trở quá trình quay trở lại nhanh chóng.

Nguyên tắc hoạt động ở chế độ bước yêu cầu là bàn chân được biến dạng từ từ để ngăn chặn trượt Chế độ quét cho phép kết hợp hai chế độ này, giúp đạt được khoảng cách dịch chuyển dài mà vẫn duy trì độ phân giải nanomet.

Tóm lại, cơ cấu truyền động chống trượt được đặc trưng bởi các điểm sau:

- Độ phân giải vài nanomet ( U ¿, do đó hạt nano ở lại trên chất nền.

Để nhặt hạt nano, áp dụng điện áp khoảng -10V lên đầu dò và quét qua vị trí của phân tử nano mục tiêu trên diện tích 5 m² Khi đầu dò di chuyển qua hạt nano, chúng sẽ bị hấp thụ vào đỉnh đầu dò nhờ tương tác điện di Sau đó, rút đầu dò ra khỏi chất nền, hạt nano sẽ được nâng lên do năng lượng hấp thụ của đầu dò lớn hơn năng lượng của chất nền.

Hình 52 Quy trình gắp và thả trong hệ thống mới

Sau khi gắp hạt nano, chúng ta có thể điều khiển chúng trong không gian 3D một cách linh hoạt bằng đầu dò được điều khiển bởi ống piezo có độ chính xác nanomet Để đơn giản hóa, chúng ta nâng hạt nano kích thước 2 m lên từ bề mặt chất nền và di chuyển đến vị trí đã xác định trước với sự hỗ trợ của kính hiển vi lực nguyên tử.

Sau khi di chuyển hạt nano đến vị trí đã xác định, ta tắt điện áp trên đầu dò và hạ hạt xuống bề mặt Hạt nano sẽ nhảy trở lại và hấp thụ vào chất nền, do bề mặt chất nền cung cấp năng lượng hấp thụ lớn hơn đầu dò Cuối cùng, khi nâng đầu dò lên, hạt nano sẽ giữ lại trên chất nền.

Hệ thống mới đã cải tiến khả năng "Pick and Place" với hạt nhỏ bằng 1/3 kích thước hạt nano trong hệ thống đầu dò kép sử dụng thiết bị Haptic, đồng thời đảm bảo độ chính xác mà không cần hiệu chỉnh kính hiển vi lực nguyên tử AFM Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động hiệu quả, cần thiết lập lại một số thông số kỹ thuật so với hệ thống cũ Việc áp dụng các kỹ thuật năng lượng và bề mặt như lắng động florua cũng làm tăng độ phức tạp của hệ thống Mặc dù phương án này đạt hiệu quả khoảng 90%, vẫn có 10% hạt nano không nhảy trở lại chất nền hoặc không được gắp lên.

Hệ thống này sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tự động để gắp và đặt các hạt nano đơn lẻ với kích thước nhỏ Các lá nano được tạo ra từ các đầu dò AFM dẫn điện phủ florua, cho phép điều chỉnh cường độ tương tác giữa các hạt Bằng cách bật hoặc tắt điện áp trên đầu dò, tương tác giữa hạt và chất nền có thể được điều chỉnh Toàn bộ quá trình gắp và thả đã được tự động hóa bằng chương trình Python, tuy nhiên, nhóm sẽ không đề cập đến chi tiết này trong bài Case Study này.

Danh mục tài liệu tham khảo

[1] Binoy Bera, Madhumita Das Sarkar, “Piezoelectric Effect, Piezotronics and Piezophototronics: A Review,” Imperial Journal of Interdisciplinary Research

[2] X X G S Li Sui, “Piezoelectric Actuator Design and Application on Active Vibration Control,” Physics Procedia, tâp 25, pp 1388-1396, 2012.

[3] Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier, Microrobotics for Micromanipulation, 111 River Street Hoboken, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2010.

[4] “nanomotion.com,” Nanomotion Ltd, [Trưc tuyên] Available: https://www.nanomotion.com/nanomotion-technology/piezoelectric-effect/.

[5] C.S.Brown, R.C.Kell, R.Taylor and L.A.Thomas, “Piezoelectric Materials, A Review of Progress,” IRE Transactions on Component Parts, tâp 9, sô 4, pp 193-

[6] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,” 2018.

[7] Jürgen Maas, Dominik Tepel & Thorben Hoffstadt, “Actuator design and automated manufacturing process for DEAP-based multilayer stack-actuators,” 2015.

[8] H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, “Linear piezo-actuator and its applications,” 2001.

[9] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on two- stage flexible hinge structure,” 2020.

[10] TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020.

[11] W Al-Ashtari, M Hunstig, T Hemsel, “Characteristics of Piezoelectric Energy

[12] QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, “Theoretical analysis of the sensor effect of cantilever piezoelectric benders,” 1999.

[13] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four bimorphs,” 2021.

[14] Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, “A novel stick–slip piezoelectric actuator based on a triangular compliant driving mechanism, IEEE Transactions on Industrial,” 2018.

[15] Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020.

[16] M Hammouche, P Lutz, M Rakotondrabe, “Robust and optimal output- feedback control for interval state-space model: Application to a two-degrees-of- freedom piezoelectric tube actuator,” 2019.

[17] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020.

[18] Zhijiang Chen, Xiaotian Li, Guoxi Liu, and Shuxiang Dong, “A two degrees- of-freedom piezoelectric single-crystal micromotor,” 2014.

[19] Mingsen Guo; Junhui Hu; Hua Zhu; Chunsheng Zhao; Shuxiang Dong,

“Three-degree-of-freedom ultrasonic motor using a 5-mm-diameter piezoelectric ceramic tube,” 2013.

[20] K Takemura, S Park, T Maeno, “Control of multi-dof ultrasonic actuator for dexterous surgical instrument,” 2008.

[21] Osamah M El Rifai, and Kamal Youcef-Toumi, “Modeling of Piezoelectric Tube Actuators,” 2004