Điều khiển vòng đóng cho hệ vi kẹp có gắn cảm biến

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I *** ĐIÊU KHIỂN VỊNG ĐĨNG CHO HỆ VI KẸP CĨ GẮN CẢM BIÉN Mã số: QC.09.02 đai h ọ c q u o c g ia noi TPUNG Tâ m t h ò n g tin th ự v iệ n DOOỄ 0000013 HÀ NỘI 2009 1 Mục lục Trang ] Mục lục Bảng giải thích chữ viết tắt Danh sách người tham gia thực đề tài (học hàm, học vị, quan công tác) Danh mục h ìn h Tóm tắt kết nghiên cứu đề tài .4 Báo cáo tổng k ế t 6.1 Đặt vấn đ ề 6.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu a Giới thiệu b Chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến c Điều khiển tối ưu cho vi chấp hành d Thiết kế chế tạo vi chấp hành có gắn điều khiển 13 e Kết kết luận 16 6.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài(Objectives and scientific contents) 16 6.4 Địa điểm, thời gian phuơng pháp nghiêncửu 17 6.5 Kết nghiên c ứ u 18 a Các công bố liên quan đến kết đề tà i 18 b Kết đào tạo đề tà i 18 c Kết ứng dụng đề tài 18 6.6 Thảo luận 18 6.7 Kết luận kiến n g h ị 19 6.8 Tài liệu tham khảo 19 Phụ lụ c i BảN SAO CÁC BÀI B Á O , .i BÁO CÁO TÓM TẢT KẾT QUÁ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN CỬA ĐHQGHN BẰNG TIẾNG ANH ii PHIẾU ĐẢNG KÝ KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u CÁC ĐỀ TÀI KHCN i 2 Bảng giải thích chữ viết tát ADC CMOS DAC DNA IC MEMS PỈD (PD) SEM A nalog to Digital Converter Com plem entary M etal-Oxide-Semiconductor Digital to Analog Converter Acid deoxyribonucleic Integrated Circuits M icroElectrom ichanical Systems Proportional-Integral-D erivative (Proportional-Derivative) Scaning Electron M icroscope Danh sách người tham gia thực đề tài (học hàm, học vị, CO' quan công tác) a Chủ trì đ ề tài: T S C h Đ ứ c T rìn h b Các cán th a m gia: • • TS Nguyễn Thăng Long, K hoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG HN ThS Phan Hữu Phú, Cục Sờ hữu trí tuệ cơng nghiệp Việt Nam (Nghiên cửu sinh môn Vi điện tử vi hệ thống, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG H N ) Danh mục hình Hình 1: Sơ đồ nguyên lý vi kẹp có gắn cảm b iến .6 Hình 2: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay cùa vi kẹp có gán cảm biến với kí hiệu hình học thơng sổ Biểu diễn cấu hình cầu Wheatstone .7 Hình Ảnh SEM cùa vi kẹp Hình 4: Dịch chuyển miệng vi kẹp cỏ gắn cảm biến tương ứng với điện áp tác dụng .8 Hinh 5: Sự phụ thuộc điện áp cầu Wheatstone điện áp tác dụng .9 Hình t>: Điện áp cảm biến lực tướng ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp Hình Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống điều khiển 10 Hình i Mạch điều khiển n^ồi chip toàn hệ thống điều khiển 10 Hinh s Đáp ứng hệ thống điểu khiển vòng m 11 Hình 10 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển vịng đóng PID với hàm truyền H (s)p = ^ - — — 11 ' 0.00000025*2 +0.005055 + (1 + * , ) Hình 11 Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển vịng đóng PD vói hàm truyền 'i(s)p0 = — 12 0.00000025J2 +(0.00505 + tf D)s + (l + K p) Hình 12 Sơ đồ khối nguyên lý cùa hệ thống điều khiển vi kẹpcógắn cảm biến 13 Hình 1; Sơ đồ nguyên lý rút gọn cùa mạch điều khiển 14 Hình K Đáp ứng độ hệ th ố n g 15 Hình lí Các khối mạch ữong layout hệ thống 16 Tóm tắt kết nghiên cứu đề tài a M ụ c tiêu Cìẩp hành vi kẹp có gắn cảm biến chế tạo giới thiệu với nhiều ưu điểm khả nàig ứng dụng rộng [1] Tuy nhiên, hoạt động vi chấp hành dừng lại trạig thái điều khiển vòng mở (open-loop) Để nâng cao tính hoạt động vi chip hành, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vịng đóng (close-loop) kết hợp hoạt động v i ;hấp hành vi cảm biên có găn bên Hệ thống vi chấp hành với điều khiển vịig đóng cho phép nâng cao độ xác, rút ngắn thời gian thao tác, tăng số hoạt độig hệ thống Mục đích đề tài thiểt kể mơ mạch tích hợp chap hành vi kẹp có gan cảm biến với mạch điều khiển điện tử chip Đưa ■-rình chuẩn chế tạo thiết bị dựa công nghệ chế tạo CMOS b Các kết q u ả đ t đ ợ c - vỉột mạch điều khiển dựa vi điều khiển M SP430 hãng Texas Instrument dùng tể điều khiển hoạt động vi kẹp có gắn cảm biến Các định hàm truyền tính chất vi chấp hành Chảo sát đưa hàm điều khiển PID tối ưu cho vi chấp hành Tiiết kế hoàn thiện mạch nguyên lý điều khiển hệ thổng chấp hành vi kẹp có gắn cảm ìiến Hoàn thiện layout m ạch điều khiển dựa quy trình chế tạo CMOS (2 luận văn thạc sỹ, 01 khóa luận tốt nghiệp, 01 báo hội nghị quốc tế, 01 báo tip trí (đã gửi đăng) c Objectives - Tie developed sensing microgripper was presented with advantages and potential aiplications [1] However, working principle o f that sensing microgripper is limited b' “open-loop control” The sensing microgripper operation can be improved by uing “close-loop control” based on the built-in sensor The accuracy, time response, aid working frequency o f the final device is improved Tie objectives o f this project is design, simulation sensing microgripper with on-chip CMOS control circuits A CMOS and MEMS fabrication process is then proposed Ibaed on the design and simulation results - d IRsults - A xmtrol circuit based on Texas Instrument M SP430 microcontroller T nnsfer function and characteristics o f the sensing microgripper P I ) control system for sensing microgripper F ul design o f the sensing microgripper control circuit CNOS layout o f the control circuit 0;2naster thesises, 01 bacherlor thesis, 01 international conference paper, 01 journal piajer (submitted) Báo cáo tổng kết 6.1 Đặt vấn đề 6.2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu a Giới thiệu Trong thời gian gần đây, công nghệ MEMS phát triển mạnh mẽ đần thâm nhập trực tiếp vào lĩnh vực xã hội như: Cơng nghiệp chế tạo ơtơ (cơng nghệ túi khí, phun xăng điện tử, công nghệ tự cân bàng, ); Điện tử viễn thơng (vi chuyển mạch khí, mạch lọc, máy phát xung có độ phẩm chất cao, ); Y tế, sinh học (phát DNA, phân tán thuổc - drug delivery, ); nhiều lĩnh vực khác Nãm 1965, Gordon Moore tiên đoán phát triển công nghệ vi điện từ với thề số lượng transistor chip bán dẫn [2] Cùng khoảng thời gian đó, Richard Feynman, nhà vật lý đoạt giản Nobel, có nhừng nhìn nhận phát triển ứng dụng công nghệ vi hệ thống (M icrosystems) [3], Và gần đây, tiên đoán phát triển cùa công nghệ vi hệ thống đưa bàn luận sôi gọi với tên gắn với công nghiệp IC “more than Moore law” Công nghệ phát triển dựa tảng cơng nghệ IC cỏ tích hợp với cấu trúc không điện tử vật liệu không điện tử với sản phẩm mang tính hệ thống: hệ thống chip (Systems on a chip), hay phịng thí nghiệm m ột chip (Lab on a chip) [4] Chap hành vi kẹp có gắn cảm biến ché tạo giới thiệu với nhiều ưu điểm khả ứng dụng rộng [ l ] Tuy nhiên, hoạt động vi chấp hành dừng lại trạng thái điều khiển vòng m (open-loop) Để nâng cao tính hoạt động vi chấp hành, yêu cầu xây dựng hệ điều khiển vịng đóng (close-loop) kết hợp hoạt động vi chấp hành vi cảm biến có gắn bên Hệ thống vi chấp hành với điều khiển vịng đóng cho phép nâng cao độ xác, rút ngắn thời gian thao tác, tăng số hoạt động hệ thống Mục đích đề tài thiết kế mơ mạch tích hợp chấp hành vi kẹp có gản càm biến với mạch điều khiển điện tử chip Đưa q trình chuẩn chế tạo thiết bị dựa cơng nghệ chế tạo CMOS Sàn phẩm đề tài ứng dụng sổ hệ thống thao tác vi robot, mổ nội soi b Chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến Phần giới thiệu sơ lược vi kẹp có gắn cảm biến dựa actuator điện nhiệt polysilicon cantilever cảm biến lực áp điện trở Vi kẹp có gán cảm biến đề xuất với chiều dài 490 |im , chiều rộng 350 chiều dày 30 với điều kiện công suất tiêu thụ thấp nhiệt độ hoạt động thấp Hom nữa, thiết bị chế tạo với công nghệ CM OS có khả giám độ dịch chuyển tay kẹp kết lực tác dụng Hình chi cấu trúc nguyên lý vi kẹp có gắn cảm biến Hình ảnh SEM cùa vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1: Sơ đồ nguyên lý vi kẹp có gắn cảm biến Silicon ca n tilev er a s therm al isolation c o n v e c t io n & radiation i Silioon ■ Silicon oxide ■ Aluminum ■ Piezoresistiwa silicon Ễl SU-8 polymer Hình 2: Biểu diễn mặt cắt ngan^ cánh tay vi kẹp có gán cảm biến với kí hiệu hình học thơng so Biếu diễn cấu hình cầu Wheatstone Hình biểu diễn dịch chuyển tương ứng miệng vi kẹp khơng khí dc áp dụng tới actuator điện nhiệt Kết dịch chuyển tổng dịch chuyển cùa hai miệng vi kẹp hai cánh tay hoạt động Sai số phép đo ước lượng 1.5 Ịxm Độ dịch chuyển lớn 32 |im điện áp tác dụng 4.5 V Do vậy, vi kẹp có khả thao tác với vật có đường kính 40 Jim Hình biểu diễn phụ thuộc tín hiệu đầu cầu W heatstone với điện áp tác lụng lên vi kẹp Giá trị zero-stress áp điện trở đo nhiệt độ phòng 39 kOhm )iện áp lớn 49 mV điện áp tác dụng 4.5 V Mối quan hệ điện áp 'à độ địch chuyển miệng vi kẹp có gắn cảm biển biểu diễn hình Độ ihạy vi kẹp có gắn cảm biển nhận đường cong 1.5 kv/m Đường cong tuyến tnh phạm vi % Hình 4: Dịch chuyển miệng cùa vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp tác dụng °0 05 I IS 2*5 Ĩ 15™ 4? Applied vollage - V Hình 5: Sự phụ thuộc điện áp cầu Wheatstone điện áp tác dụng Hình 6: Điện áp cảm biến lực tướng ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp Thông tin chi tiết hoạt động vi kẹp có gắn cảm biến trình bày tài liệu tlham khảo [1] c Đ iều khiển ưu cho vi chấp hành Vi kẹ:p có gắn cảm biến giới thiệu [1] hoạt động chế độ vịng mở Để nâig cao tính thiết bị, mạch điều khiển vịng đóng dùng Hình biểu diễn sơ tồ khối m ạch điện hệ thống điều khiển vịng kín Trong cấu hình này, vi kẹp có gắECàm biến kết tới máy tính (PC) thơng qua bo mạch điều khiển Việc điềi khiểm thực từ PC bàng phần mềm Tín hiệu lực phản hồi có từ cârr biến th ô n g qua khuếch đại sau chuyển thành tín hiệu số (ADC) Dựa Đ Ạ I H Ọ C Q UỐC G IA HÀ N Ộ I TRƯỜNG ĐẠJ HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN VĂN THẮNG XÂY DựNG HỆ GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN VI KẸP N gàn h : C ông nghệ Đ iện tử - Viễn thông C huyên ngành: Đ iện từ M ã số: 07.00 L U Ậ N VĂN TH Ạ C s ĩ NG Ư Ờ I HƯỚNG DÃN KHOA HỌC PG S TS Trần Q uang Vinh Hà N ội-2008 Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À NỘI T R Ừ Ờ N G ĐẠ I H Ọ C C Ô N G N G H Ệ Ninh Văn Trưởng THIẾT KỂ VÀ XÂY DựNG MẠCH ĐIÊU KHIỂN VI KẸP CĨ ỎẤN CAM BIẾN KHỐ LUẬN TĨT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử-Viễn thơng HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HOC Q U Ồ C G I Ạ HA NỘI CONG HÒA XÃ MỘI CHU NGHĨA VIỆT NAM ! RL Ờ N G OẠI H Ọ C C Ô N G NGHI' D ộc lập - Tụ tlo - H ạnh phúc O0 -==-•= oOo*™*-* Sỏ: AA HĐ-NCKII t ỉa \ÒI iiiỊĨn J ° ih n o năm 2009 H Ợ P Đ Ò N G T H Ụ C H IỆN ĐẺ T À I N G H I Ệ N C Ủ I K H O A H Ọ C C A P Đ Ạ I H Ọ C Q l ó c G IA H Ả N Ộ I N Ă M 2009 - ( Cut t (í (.• O m lin th vẽ l ó c h ia vú t í t 'ú! J o ’i'i c u a D h o t ióc ỵ n i ì tá Vó; bill! h n h th eo Ot n c i (hull \fì(Ut /( ( 'lì liýn 01 tilling li) IIÚIII 201)ỉ CHU Đui học Oc am llù XƠI L/ÍIÌ ílìiìh t/inứn hull LIHI hiên fnrcnti! i JC rrưthii; Jell hoc ỉihinh \ ÌÍÌI ( 'ủn LÍr riỉịiiỊi b a o Vfi / ọ ~ Ị T B - K H C ' \ I i i ỉ i n II j i l n ì n ỉ ì i r ũ n i y ) ( ) Ọ t i m ( i i í ì i i i i l ó c D e l l h ( K ()iiiK ÍỊUI Hu \t IV vièí (iiun nhiứnì 1II \\I t hi Hi.il kú ’HHich khoa hoi íí Meeting 2005 II.DM Icclmical Uiaest Itt.li International volume Issue 1-7 Dec 1005 I 11 I I till Due ( i k l.au J ! (r e fin e r P M SaiTO “ tle c iro th e rm a l m icru grip pcr w ith large ja u s vlispluocmciH and imeui'irted force sensors." PrtK'ccdine 21th if - t il: Conference on M l-M S Tucson I s A Jan I.'- 17 pp 5h>-522 2008 Ngáy 09 thang’ 06 nám 2008 T hu trương đơn vị ( 'hu nhiệm dô tái (K hoa Trung tàm trực thuộc) xác nhận — Ịsf L-' I tc TRƯỞNG PHỎNG t-ẢO TAO SAU W\i HỌC VẢ NCKH PGS.ĨS ,À fe ê ẽ > I ( J BÁO CÁO TÓM TÁT KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN CỦA ĐHQGHN BẦNG TIẾNG ANH SUMMARY Project Title: Sensing microgripper with close-loop control Code num ber: Q C C oordinator: C h u D u e T r in h Im plem enting In stitu tio n : FE T , U niversity o f E n g in eerin g and T echnology, V NUH C ooperating In stitu tio n (s): D uration: from /2 0 to /2010 O bjectives: The developed sensing microgripper was presented with advantages and potential applications [1] However, w orking principle o f that sensing microgripper is limited by “ open-loop control” The sensing microgripper operation can be improved by using “close-loop control” based on the built-in sensor The accuracy, time response, and working frequency o f the final device is improved The objectives o f this project is design, simulation sensing microgripper with on-chip CMOS conừol circuits A CM OS and MEMS fabrication process is then proposed based on the design and sim ulation results - M ain contents: Design and fabricate an off-chip sensing microgripper control circuit Investigate characteristics and transfer function o f the sensing microgripper Optimise the transfer function o f the sensing microgripper Design a on-chip sensing microgripper control cừcuit based on a standard CMOS process - Layout the control circuit with MEMS process compatible - R esults obtained: A control circuit based on Texas Instrument MSP430 microcontroller Transfer function and characteristics o f the sensing microgripper PID control system for sensing microgripper Full design o f the sensing microgripper control circuit CMOS layout o f the control circuit 02 master thesises, 01 bacherlor thesis, 01 international conference paper, 01 journal paper (submitted) ii PHIẾU ĐÁNG KÝ KÉT QUẢ NGHIÊN cứu CÁC ĐỀ TÀI KHCN Tên đê tài: Điều khiển vịng đóng cho hệ vi kẹp có gắn cảm biến Mã số: QC.09.02 Cơ quan quản lý đê tài: Đại học Quôc gia Hà Nội Địa chỉ: 144, đường Xuân Thuỷ, c ầ u Giấy - Hà Nội Điện thoại: 7548664 Cơ quan chủ trì đê tài: Trường Đại học Công nghệ Địa chỉ: 144, đường Xuân Thuỷ, c ầ u Giấy - Hà Nội Điện thoại: 7548664 Tơng chi phí thực chi: 30.000.000 đơng Trong đó: - Từ ngân sách Nhà nước: 30.000.000 đồng - Nguồn khác: Thời gian nghiên cứu : 01 năm Thời gian bẳt đầu: 06/2009 Thời gian kết thúc: 05/2010 Tên cán phôi hợp nghiên cứu: - Chù nhiệm đề tài: TS Chừ Đ ức Trình, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG HN - Những người tham gia: • • TS Nguyễn Thăng Long, K hoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG HN ThS Phan Hữu Phú, Cục Sờ hữu trí tuệ công nghiệp Việt Nam (Nghiên cứu sinh môn Vi điện tử vi hệ thống, Khoa ĐTVT, Trường ĐHCN, ĐHQG HN) Tóm tăt kêt nghiên cứu: - M ột mạch điều khiển dựa vi điều khiển MSP430 hãng Texas Instrument dùng để điều khiển hoạt động vi kẹp có gắn cảm biến - Xác định hàm truyền tính chất vi chấp hành - Khảo sát đưa hàm điều khiển PID tối ưu cho vi chấp hành - Thiết kế hoàn thiện mạch nguyên lý điều khiển hệ thống chấp hành vi kẹp có gắn cảm biến i - Hoàn thiện layout mạch điều khiển dựa quy trình chế tạo CMOS 02 luận văn thạc sỹ, 01 khóa luận tốt nghiệp, 01 báo hội nghị quốc tế, 01 báo tạp trí (đã gửi đăng) K iên nghị vê quy mô đôi tượng áp dụng kêt nghiên cứu: C ác nghiên cứu mang tính bản, nên khả ứng đụng trực tiếp vào công nghiệp chưa cao Tuy nhiên, kết đề tài có khả ứng dụng vào lĩnh vực sau: Vi robotics, vi lắp ráp (microassemply), vi thao tác (micromanipulation), mổ nội soi (in-vivo Siurgery), C hức vụ Chủ nhiệm đê tài Thủ trưởng Thủ trưởng Chủ tịch quan chủ trì đê tài hội đồng đánh giá quan quản lý nghiệm thu đề tài l.etẢ M ĐỐC thức Kĩ.rcoồkG aWkhoảhộC-c*^nG! ị H ọ tên Chừ Đức Trình J m ưộtyG lểAN HIọc vị Tiên sỹ ỉ /I I1U-.U TRƯHNC FCý tên ĨRƯỎNGlPHOỈíGkhoa hoc ( ỊNG VA H0P TÁC oụơc V V' ^ > ’ Ẩ / ũ C j-, >/ • • PCs ỈS J ù ề n ỹ cẰkim cầ Đ ong dấu ii u' l‘ PSS.TS- N guyẪ ih %Ẳé ... mạch điều khiển PID cho vi kẹp có gát cảm biến trình bày ừong [ó, 7] 12 d Thiết kế chế tạo vi chấp hành có gắn điều khiển Hình 12 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến. .. nghệ CM OS có khả giám độ dịch chuyển tay kẹp kết lực tác dụng Hình chi cấu trúc nguyên lý vi kẹp có gắn cảm biến Hình ảnh SEM cùa vi kẹp có gắn cảm biến Hình 1: Sơ đồ ngun lý vi kẹp có gắn cảm. .. cảm biến lực tướng ứng với độ dịch chuyển miệng vi kẹp Thông tin chi tiết hoạt động vi kẹp có gắn cảm biến trình bày tài liệu tlham khảo [1] c Đ iều khiển ưu cho vi chấp hành Vi kẹ:p có gắn cảm