Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Ninh Văn Trưởng THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VI KẸP CĨ GẮN CẢM BIẾN KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Cán hướng dẫn: Cán đồng hướng dẫn: Điện tử -Viễn thơng TS Chử Đức Trình CN Phan Văn Minh HÀ NỘI - 2008 Lời cảm ơn Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Chử Đức Trình, người thầy tận tình giúp đỡ ý kiến đóng góp quý báu giúp em q trình hồn thiện khóa luận Em xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy khoa Điển tử-Viễn thơng, cán giảng dạy phịng MEMS trường ĐH Cơng nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội, CN Phan Văn Minh tạo điều kiện trang bị cho em kiến thức cần thiết để hồn thành khóa luận Em cảm ơn gia đình bạn bè động viên giúp đỡ em q trình thực cơng việc Với hiểu biết kinh nghiệm làm việc non trẻ nên khóa luận khơng thể tránh khỏi khiếm khuyết Em mong nhận đóng góp ý kiến nhiệt tình từ thầy bạn bè Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Hà Nội ngày 28 tháng năm 2008 Sinh viên Ninh Văn Trưởng Tóm tắt nội dung Vào năm 2007, TS Chử Đức Trình nhóm nghiên cứu chế tạo thiết bị vi kẹp có gắn cảm biến Thiết bị có chiều dài 490 µm, chiều rộng 350 µm, chiều dày 30 µm với khoảng cách hai miệng vi kẹp 40 µm Vi kẹp có đặc điểm bật điện áp ứng dụng tối đa khoảng 4.5 V, với actuator thiết kế linh hoạt mơ hình lược silicon Thiết bị phát huy tác dụng hiệu trường hợp thao tác kẹp vật cỡ µm Việc thiết kế mạch điều khiển cho vi kẹp quan trọng cần thiết Do khóa luận trình bày vấn đề thiết kế xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến Khóa luận gồm nội dung sau: Chương giới thiệu tổng quan vi kẹp có gắn cảm biến toán điều khiển Trong chương giới thiệu tác dụng đặc tính kĩ thuật vi kẹp Tại phải thiết kế thiết bị với đặc điểm vậy? Và vấn đề điều khiển thiết bị nào? Những yêu cầu trình thiết kế Chương giới thiệu họ vi điều khiển 16 bit MSP430x1xx Chương đề cập đến đặc điểm đặc trưng họ vi điều khiển 16 bit này, cổng vào/ số, truyền nối tiếp không đồng bộ, biến đổi ADC, DAC 12 bit Chương chia làm hai phần chính: Phần trình bày thiết kế phần cứng bo mạch điều khiển vi kẹp Trong phần trình bày nguyên lý hoạt động thiết kế khối khuếch đại tín hiệu vi sai, khối điều khiển trung tâm, khối ghép nối máy tính, khối điều khiển vi kẹp Phần hai trình bày cơng cụ lập trình cách cấu hình hoạt động cho vi điều khiển MSP430F167 Chương kết luận đưa hướng nghiên cứu thời gian tới Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN Chương Giới thiệu 1.1 Vi kẹp có gắn cảm biến 1.1.1 Giới thiệu Gắn điều khiển lực vào chấp hành cho phép cải thiện tính khéo léo, xác tốc độ thao tác.Phần giới thiệu sơ lược vi kẹp có gắn cảm biến dựa chấp hành điện-nhiệt polymer-silicon cantilever cảm biến lực áp điện trở Vi kẹp có gắn cảm biến đề xuất với chiều dài 490 µm, chiều rộng 350 µm chiều dày 30 µm với công suất tiêu thụ thấp nhiệt độ hoạt động thấp Hơn nữa, thiết bị chế tạo với cơng nghệ tương thích CMOS có khả tích hợp với mạch điều khiển chip 1.1.2 Chế tạo Vi kẹp có gắn cảm biến dựa trên kết hợp vi chấp hành điện-nhiệt polymer-silicon cảm biến lực áp trở cantilever Sơ đồ nguyên lý biểu diễn hình 1.1 Khi cấu chấp hành điện nhiệt kích hoạt, cánh tay vi kẹp cảm biến cantilever bị uốn cong Nó tạo ứng xuất dọc theo chiều dài hai cạnh đối diện cantilever làm thay đổi giá trị điện trở cảm biến áp trở cantilever Khoảng cách hai hàm vi kẹp giám sát cầu Wheatstone Lực tiếp xúc vi kẹp vật xác định dựa độ dịch chuyển độ cứng cánh tay vi kẹp Hình 1.2 biểu diễn mặt cắt ngang biểu diễn bề mặt chế tạo cảm biến có gắn vi kẹp 1.1.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon Cảm biến có gắn vi kẹp thiết kế trạng thái thường mở Cấu trúc vi kẹp dựa silicon kết hợp với polymer, chấp hành bao gồm 41 lược silicon với lớp polymer SU8 Mỗi silicon có chiều rộng µm, chiều dài 75 µm, bề dày 30 µm Lớp polymer SU8 có chiều rộng µm Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 1.1: Hình vẽ nguyên lý vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1.2: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu hình học thơng số Biểu diễn cấu hình cầu Wheatstone Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN 1.1.4 Thông số kỹ thuật vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1.3 biểu diễn vài trạng thái khác miệng vi kẹp Hình 1.3(a) trạng thái không hoạt động vi kẹp với độ mở 40 µm Khoảng cách hai miệng đóng tới µm áp dụng điện khoảng 4.5 V tới cánh tay (hình 1.3 b) Trong hình 1.3 (c) (d) minh họa cho thao tác kẹp dây kim loại 23 µm Hình 1.3: Hoạt động thiết bị:(a) vị trí ban đầu miệng vi kẹp có gắn cảm biến; (b) có áp đặt điện 4.5 V tới cánh tay; (c) trước kẹp vật; (d) kẹp vật ( dây kim loại ) Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 1.4 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng miệng vi kẹp khơng khí dc áp dụng tới chấp hành điện nhiệt Độ dịch chuyển tổng số dịch chuyển hai miệng vi kẹp hai cánh tay hoạt động Sai số phép đo ước lượng 1.5 µm Sự di chuyển cực đại 32 µm đo điện áp ứng dụng 4.5 V Do vậy, vi kẹp có khả thao tác với vật có đường kính 40 µm Hình 1.4: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp cung cấp Đo độ dịch chuyển tối đa 32 µm 4.5 V Công suất tiêu thụ nguồn tính dựa điện áp dịng tương ứng vi chấp hành điện nhiệt Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp tương ứng với cơng suất tiêu thụ Trung bình thiết bị cần mW cho µm dịch chuyển miệng vi kẹp Hình 1.5: Sự dịch chuyển miệng vi kẹp tương ứng với công suất nguồn tiêu thụ Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt vi chấp hành điện nhiệt Giá trị điện trở ban đầu áp điện trở nhiệt độ phòng 39 kOhm Điện áp nuôi cho cầu V dc Điện áp lớn 49 mV điện áp đặt lên vi kẹp 4.5 V Mối quan hệ điện áp độ dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến biểu diễn hình 1.7 Độ nhạy vi kẹp có gắn cảm biến 1.5 kV/m Đường cong tuyến tính phạm vi % Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn đầu cảm biến lực áp trở cantilever vi kẹp kẹp dây kim loại có đường kính 23 µm Hai miệng vi kẹp có gắn cảm biến đóng từ từ kẹp vật Lực tiếp xúc miệng vi kẹp vật kẹp ước lượng thông qua dịch chuyển vi kẹp hình 1.6 Hình 1.6: Biểu diễn mối liên hệ điện áp cầu Wheatstone điện áp ứng dụng Hình 1.7: Đầu cảm biến lực cantilever tương ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biến Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN Hình 1.8 biểu diễn lực tiếp xúc hai miệng vi kẹp vật kẹp tương ứng với giá trị điện áp đặt lên vi kẹp Lực tiếp xúc không hai miệng kẹp vào vật điện áp khoảng 3.75 V Sau lực tiếp xúc tăng tới 135 mN điện áp ứng dụng 4.5 V Hình 1.8: Biểu diễn lực tiếp xúc hai miệng vi kẹp vật giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng Ninh Văn Trưởng – K49ĐB Khóa luận tốt nghiệp ĐH Cơng Nghệ - ĐHQGHN 1.2 Bài tốn xây dựng hệ thống điều khiển Hoạt động vi kẹp cải thiện việc sử dụng hệ thống điều khiển vịng kín Một hệ thống điều khiển vịng kín sử dụng độ dịch chuyển tín hiệu lực phản hồi để điều khiển trạng thái vi kẹp Nó tận dụng tồn thuận lợi hệ thống vịng lặp: tăng độ xác cải thiện tốc độ thao tác, ổn định q trình thao tác Khóa luận trình bày thiết kế, chế tạo kết mạch điện tử điều khiển vịng kín Hình 1.9 biểu diễn sơ đồ khối mạch điện hệ thống điều khiển vòng kín Trong cấu hình này, vi kẹp có gắn cảm biến kết nối tới máy tính (PC) thơng qua bo mạch điều khiển Điều khiển thực từ PC phần mềm Tín hiệu lực phản hồi có từ cảm biến thơng qua khuếch đại sau chuyển thành tín hiệu số (ADC) Dựa giá trị so sánh lực tham chiếu lực phản hồi, chấp hành điều khiển vi điều khiển thông qua mạch chuyển đổi số tương tự (DAC) Để đảm bảo cho việc điều khiển đủ cơng suất, sau mạch DAC có thiết kế thêm tầng khuếch đại công suất phù hợp với vi kẹp Đặc biệt bo mạch điều khiển có sử dụng vi điều khiển MSP430F167 Vi điều khiển tích hợp ADC, DAC 12 bit để xử lý tín hiệu phản hồi truyền tới PC, đồng thời nhận tín hiệu từ PC để thực thao tác điều khiển vi kẹp Hình 1.9: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển 1.3 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển Điều kiện tiên hệ thống điều khiển phải đảm bảo tính ổn định, nhận xử lý tín hiệu điều khiển phải xác, cơng suất đủ lớn để cung cấp cho vi kẹp Việc xử lý tín hiệu lực phản hồi tín hiệu điều khiển từ PC đủ nhanh, giảm thiểu tối đa trễ trình điều khiển Bo mạch điều khiển đáp ứng thông số kĩ thuật trình bày phần Ninh Văn Trưởng – K49ĐB