Nội dung của bài viêt này là khảo sát, đánh giá ứng dụng của bộ kích hoạt tịnh tiến ECLIA cho vi bơm kiểu xi lanh với phương pháp điều khiển phản hồi vị trí có và không sử dụng tham số điều khiển Kp. Thanh trượt với bước dịch chuyển nano mét tác động vào pít tông có thể đẩy ra lượng chất lỏng với thể tích rất nhỏ (pL).
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 020-025 Điều khiển phản hồi vị trí kích hoạt tịnh tiến ứng dụng cho vi bơm kiểu xi lanh Position Feedback Control for Linear Actuator for Microsyringe Pump Application Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Hồng Phúc* Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 24-8-2016; chấp nhận đăng: 20-12-2016 Tóm tắt Trong nghiên cứu này, chúng tơi khảo sát, đánh giá ứng dụng kích hoạt tịnh tiến ECLIA cho vi bơm kiểu xi lanh với phương pháp điều khiển phản hồi vị trí có khơng sử dụng tham số điều khiển Kp Thanh trượt với bước dịch chuyển nano mét tác động vào pít tơng đẩy lượng chất lỏng với thể tích nhỏ (pL) Kết cho thấy, thể tích chất lỏng đẩy đầu xi lanh tỉ lệ thuận với độ dịch chuyển trượt/pít tơng Trong trường hợp điều khiển có tham số Kp mức độ tuyến tính thể tích chất lỏng đẩy tốt khơng có dao động vượt q điểm đích xác lập pít tơng Kết hướng tới ứng dụng hiệu ECLIA kích hoạt hệ vi điện tử (MEMS) Từ khóa: ECLIA, kích hoạt tịnh tiến, điều khiển phản hồi vị trí, vi điện tử Abstract In this study, we investigate a microsyringe pump application of a linear actuator using a position feedback control with and without a tuning gain KP The slider pushes the microsyringe directly in step motion with nanometer resolution that repels a very small volume of liquid (pL) Experimental results show that the liquid volume was direct propotion to the slider’s stroke The repeled liquid volume was better linear when using the feedback control with the the tuning gain K P compared to that without KP; it was due to no overshoot and no ossilation of the slider/piston These results intent to a significant implementation in MEMS of the linear actuator Keywords: ECLIA, linear actuator, position feedback control, MEMS tĩnh điện lực đẩy PZT, ECLIA đóng vai trị động tuyến tính có lực đẩy lớn dẫn động cho thiết bị ngoại vi ứng dụng vi bơm kiểu màng [11] Để nâng cao hiệu lực hút tĩnh điện nhằm tăng lực đẩy, đưa trượt gồm nhiều lớp polymer cấu trúc kiểu xương cá [12] Hệ thống điều khiển phản hồi áp dụng hướng tới việc kiểm sốt vị trí xác trượt Trong nghiên cứu khảo sát, đánh giá hiệu việc cải tiến kết cấu trượt điều khiển phản hồi vị trí ứng dụng ECLIA cho vi bơm kiểu xi lanh Giới thiệu Trong vi hệ thống phân tích đánh giá tổng thể/toàn diện (μTAS) việc thu nhỏ kích thước thiết bị đồng thời với kiểm sốt thể tích dung dịch cỡ pico lít (pL) quan trọng Định lượng xác dung dịch mẫu thử tham gia q trình phản ứng hóa học làm tăng độ tin cậy kết thử nghiệm Hệ thống điều khiển vi lượng chất lỏng tích hợp vi bơm van Để kích hoạt thiết bị vi bơm dùng khí nén [1, 2] kích hoạt thiết kế với ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện [3, 4]; hiệu ứng áp điện [5, 6], hiệu ứng từ [7, 8], Bộ kích hoạt tịnh tiến ECLIA kết hợp hiệu ứng tĩnh điện áp điện tạo nên chuyển vị bước nhỏ (nm), hành trình dài (mm) lực đẩy lớn (mN) trượt độc lập [9] Cấu tạo ECLIA gồm phần tử kích hoạt PZT, điện cực dẫn động, điện cực giữ trượt song song; tất đặt giá đỡ (Hình 1(a)) Với khả chuyển động vi bước trượt cho phép làm suy giảm mật độ phổ nhằm làm lượng bước sóng, ECLIA ứng dụng truyền dẫn quang nhiều kênh [10] Nhờ kết hợp lực hút * Nguyên lý làm việc kích hoạt tịnh tiến ECLIA Trong nghiên cứu giới thiệu ứng dụng ECLIA dùng điều khiển phản hồi vị trí cho vi bơm kiểu xi lanh Vì phần cấu tạo nguyên lý hoạt động ECLIA trình bày Bộ kích hoạt gồm trượt đặt song song điện cực dẫn động điện cực giữ; nguồn dẫn động PZT gắn với điện cực dẫn động keo epoxy; tất đặt thân giá đỡ (Hình 1(a)) Sơ đồ tín hiệu điện áp cung cấp cho PZT, điện cực di động, điện cực giữ trượt mô tả hình vẽ 1(c) Xung điện hình thang đặt vào PZT làm Địa liên hệ: Tel: (+84) 987751970 Email: phuc.phamhong@hust.edu.vn * 20 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 020-025 cho giãn sườn lên co lại sườn xuống Khi cặp điện áp trượt điện cực giữ /di động trái dấu sinh lực hút tĩnh điện, tạo nên cấu kẹp dùng lực hút tĩnh điện, từ gọi tắt cấu kẹp tĩnh điện Còn cặp điện áp dấu khơng cịn lực hút tĩnh điện, cấu kẹp tĩnh điện giải phóng, trượt trượt bề mặt điện cực Sự phối hợp điện áp hình 1(c) cho phép trượt di chuyển bước sau chu kỳ Hình 1(b) mơ tả bốn giai đoạn tạo nên bước di chuyển trượt (3) Điện áp trượt đổi chiều làm cho cấu kẹp tĩnh điện với điện cực dẫn động tách ra, đồng thời hình thành kẹp với điện cực giữ (4) Ở sườn xuống tín hiệu, PZT co lại, mang theo điện cực dẫn động trở vị trí ban đầu trượt giữ yên lực kẹp tĩnh điện với điện cực giữ Tín hiệu điều khiển lặp lại theo chu kỳ T gồm bốn giai đoạn mô tả cho phép trượt di chuyển hành trình dài mong muốn (Hình 1(d)) Trong phần chúng tơi giới thiệu tóm lược kết điều khiển phản hồi vị trí kích hoạt tịnh tiến ECLIA 1) Cơ cấu kẹp tĩnh điện hình thành trượt điện cực dẫn động nhờ cặp điện áp trái dấu đặt lên chúng Trong điện áp dấu tạo nên lực đẩy trượt điện cực giữ Bảng Kích thước vi chiết áp (2) PZT giãn sườn lên xung điện, đẩy điện cực dẫn động với trượt (nhờ cấu kẹp tĩnh điện) di chuyển bước bề mặt điện cực giữ L(mm) 25 W H (m) l (m) we (mm) (m) 5 3500 600 ws h (m) (m) 500 40 Hình ECLIA: (a) sơ đồ cấu tạo, (b) tiết diện ngang A-A, (c) tín hiệu điện áp điều khiển, (d) đồ thị mô tả chuyển động PZT trượt 21 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 020-025 chế tạo với kích thước thể Bảng Độ nhạy cảm biến 62 m1 tương ứng với 0.77 mV m1, độ phân giải m Điều khiển phản hồi vị trí ECLIA 3.1 Cảm biến vị trí Trong điều khiển phản hồi thành phần cảm biến xác định vị trí trượt phận quan trọng Cảm biến khơng có yêu cầu cao độ phân giải mà phải gây trở ngại đến chuyển động trượt Cảm biến đo khoảng cách laser (Micro-epsilon ILD 2200-2LL) đo chuyển động đối tượng với độ xác lên tới nano mét không gây cản trở học đến vật thể chuyển động Tuy nhiên yêu cầu phải có bề mặt phản xạ theo hướng di chuyển (mặt đầu trượt) không gian lớn để thiết đặt hệ thống Điều khó việc áp dụng vào kích hoạt ECLIA với nhiều trượt có chiều dày nhỏ cỡ vài micro mét Thêm nữa, ứng dụng cho vi bơm, đầu trượt tác động đẩy pít tơng Vì khơng thể áp dụng loại cảm biến quang học trường hợp Chúng phát triển loại vi chiết áp dùng dung dịch dẫn điện làm điện trở để định vị trí vật thể chuyển động Cấu tạo vi chiết áp gồm hai mũi nhọn kim loại nhúng vào hai “vũng” (-pool) dung dịch dẫn điện (1-ethyl-3-methyl, conductivity: 10 mS cm1) có kết cấu mơ tả Hình 2(a) Vũng thứ gọi “cực cảm biến” liên kết điện với vũng thứ hai có đáy lớp mỏng kim loại Au (120 nm) vị trí vách ngăn Như vũng thứ hai đóng vai trò “cực tiếp điểm” Sự nhúng đầu nhọn kim loại vào vũng dung dịch tạo nên liên kết “mềm” Với đặc điểm tiếp điện “mềm” này, vi chiết áp loại trừ cản trở học liên kết cứng chiết áp truyền thống Chúng dùng vi chiết áp cho việc xác định vị trí trượt tốn điều khiển phản hồi kích hoạt ECLIA Hình Vi chiết áp với tiếp điểm “mềm”: (a) sơ đồ cấu tạo (b) mơ hình hóa Cảm biến vi chiết áp đặt trượt (Hình 2(a)); vị trí tương đối trượt xác định điện trở cực cảm biến đo hai đầu nhọn kim loại cố định Vi chiết áp mơ hình hóa biến trở Hình 2(b) Nếu trượt chuyển động tiến lùi điện trở Z đo hai đầu cực kim loại thay đổi tỷ lệ tương ứng với khoảng dịch chuyển Do vi chiết áp xác định vị trí trượt với cản trở tối thiểu tới chuyển động (chỉ có cản trở dung dịch đầu mũi kim) Để cung cấp điện áp điều khiển cho trượt thiết kế tiếp điểm “mềm” Hình mơ tả quy trình chế tạo trượt tích hợp cảm biến vi chiết áp Thanh trượt chế tạo từ lớp vật liệu polymer (PEDOT-parylene) với chiều dày vài micro mét kết hợp cấu trúc xương cá để tăng hiệu lực hút tĩnh điện độ cứng dọc trục [12] Điều cho phép nâng cao lực đẩy trượt lên pít tơng ứng dụng cho cấu vi bơm nghiên cứu Thanh trượt Hình Quy trình chế tạo trượt tích hợp cảm biến vi chiết áp 3.2 Đáp ứng hệ thống Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi 22 Tạp chí Khoa học Công nghệ 116 (2017) 020-025 Các trượt kích hoạt tịnh tiến ECLIA truyền động nhờ cấu kẹp tĩnh điện Cơ cấu phụ thuộc vào lực hút tĩnh điện ma sát bề mặt tiếp xúc trượt điện cực dẫn động/giữ Nó gây trượt tương đối trượt trình truyền động kẹp giữ Điều dẫn đến độ dài bước dịch chuyển trượt không Do dùng việc đếm bước để tính chuyển vị Trong nghiên cứu áp dụng điều khiển phản hồi vị trí nhằm dẫn động trượt đến vị trí xác, ứng dụng đẩy lượng dung dịch mong muốn vi bơm xi lanh thời gian điều khiển cho phép chọn tham số điều khiển nhỏ Bài toán điều khiển phản hồi trình bày nghiên cứu trước chúng tơi [13] Để thấy ảnh hưởng tích cực tham số điều khiển KP so sánh với điều khiển dùng tần số không đổi f = 100 Hz Khi tần số khơng đổi vận tốc trượt không thay đổi tiếp cận tới vị trí mong muốn Mặt khác với tần số cao dẫn đến dao động khó dừng xác vị trí thiết đặt trượt Hình so sánh đáp ứng điều khiển phản hồi với tần số điện áp không đổi 100 Hz có dùng tham số điều khiển khác nhau, KP = 10 Kết cho thấy có tượng dao động vượt điểm thiết đặt trượt tần số điện áp khơng đổi (100 Hz) Hiện tượng khơng cịn với điều khiển có tham số KP Điều phù hợp với phân tích nhận định đề cập Với kết hướng đến ứng dụng kích hoạt tịnh tiến dùng điều khiển phản hồi có tham số KP cho vi bơm xi lanh phần Hình mơ tả sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi Trong cấu hình này, khối điều khiển tính tốn xuất tín hiệu điều khiển cho ECLIA Cảm biến vị trí xác định vị trí thực trượt Vr Sai số Err sai khác giá trị thực Vr giá trị thiết đặt Vd Giá trị sai số dùng để tính tốn xuất tín hiệu điều khiển đầu vào U(t) cho hệ thống nhằm đạt tới vị trí mong muốn trượt Phương thức điều khiển dùng tín hiệu phản hồi để tính tốn điện áp với tần số thay đổi Nếu sai số lớn tần số điều khiển cao, trượt chuyển động nhanh tiến vị trí thiết đặt Khi sai số giảm, tần số điện áp phát giảm dần, điều làm cho trượt tiếp cận vị trí thiết đặt cách ổn định xác Với cách thức điều khiển kích hoạt giảm thời gian điều khiển dao động vượt vị trí xác lập trượt Tham số điều khiển phụ thuộc vào bước di chuyển trượt trượt cấu kẹp tĩnh điện Bước chuyển động lớn giảm Thiết lập thí nghiệm đánh giá kết Với đặc điểm kích hoạt tịnh tiến trình bày phần Chuyển động tịnh tiến trượt theo bước nhỏ nm, hành trình lớn mm với lực đẩy cỡ mN Vì nghiên cứu chúng tơi ứng dụng kích hoạt tịnh tiến với điều khiển phản hồi vị trí để đẩy pít tơng cho vi bơm kiểu xi lanh Với chuyển động bước nhỏ cỡ nm pít tơng cho phép đẩy lượng dung dịch cỡ pL Điều hữu ích ứng dụng y tế phản ứng hóa học Hình Đáp ứng phản hồi hệ thống với tham số KP tần số khơng đổi f = 100Hz 23 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 116 (2017) 020-025 Hình Sơ đồ thiết lập thí nghiệm Thanh trượt kích hoạt đẩy với lực vài mN Do lựa chọn loại vi bơm Hamilton 10 L với cải tiến phần pít tơng nhằm thỏa mãn lực đẩy yêu cầu nhỏ lực đẩy trượt Loại pít tơng ngun có hình dạng trụ trịn nên tồn bề mặt trụ ngồi tiếp xúc với mặt trụ xi lanh Điều gây nên ma sát tiếp xúc u cầu lực đẩy pít tơng lớn (25 mN) Chúng tơi thay loại pít tơng có đường kính nhỏ với mũ silicon đầu Bằng cải tiến phần tiếp xúc ma sát pít tơng xi lanh giảm đáng kể lực đẩy giảm 1,5 mN Điều cho phép trượt dễ dàng đẩy pít tơng Trong đó, r: bán kính khối cầu h: chiều cao mũ cầu a: bán kính vòng tròn chân mũ cầu Như việc đo kích thước a h chỏm cầu ta tính lượng dung dịch mà bơm đẩy Trong nghiên cứu dùng chất lỏng H2O Quy trình thí nghiệm thực sau: 1- Thiết đặt khoảng chuyển động trượt chương trình điểu khiển (đặt vị trí xuất phát Vr đích đến Vd) 2- Đặt vi bơm vào vị trí để đầu trượt tiếp xúc với đầu pít tơng Hình mơ tả thiết đặt thí nghiệm, đầu trượt kích hoạt tiếp xúc với đầu pít tơng vi bơm, camera đặt phía đầu xi lanh để quan sát dung dịch đẩy Vì lượng dung dịch đẩy nhỏ nên chưa đủ để tạo thành giọt mà hình thành nên dạng mũ cầu đầu xi lanh Phần thể tích mũ cầu tính theo cơng thức: V h 3r h r a h2 2h 3- Dùng hi-scope camera chụp hình mũ cầu chất lỏng đầu xi lanh vị trí ban đầu 4- Kích hoạt chương trình điều khiển để trượt đẩy pít tơng đến vị trí thiết đặt 5- Lăp lại bước 3: chụp hình mũ cầu chất lỏng sau pít tơng đẩy vị trí cuối (1) 6- Kích thước phần mũ cầu đo đạc tính thể tích chất lỏng thời điểm ban đầu (V1) cuối (V2) theo công thức (1) Dung tích chất lỏng đẩy hiệu V2 -V1 (2) 24 Tạp chí Khoa học Công nghệ 116 (2017) 020-025 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 107.01-2015.18 Tài liệu tham khảo [1] M A Unger et al (2000), Monolithic Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography, Science, Vol 288, pp 113–116 [2] J W Munyan et al (2003), Electrically Actuated, Pressure-driven Microfluidic Pumps, Lab Chip, Vol 3, pp 217–220 [3] L J Jin et al (2003), A Microchip-based Proteolytic Digestion System Driven by Electroosmotic Pumping, Lab Chip, Vol 3, pp 11–18 Hình Đồ thị quan hệ thể tích chất lỏng đẩy theo khoảng đẩy trượt [4] A Brask et al (2006), AC Electroosmotic Pump With Bubble-free Palladium Electrodes and Rectifying Polymer Membrane Valves, Lab Chip, Vol 6, pp 280–288 Chúng tơi thực thí nghiệm đo thể tích chất lỏng nhiều lần với khoảng chuyển động định trước nhiều giá trị khác trượt/pít tơng Hình đồ thị biểu diễn mối quan hệ khoảng dịch chuyển trượt d thể tích chất lỏng V đẩy vi bơm Kết cho thấy tỷ lệ tuyến tính V d áp dụng điều khiển phản hồi vị trí Với điều khiển phản hồi có tham số Kp độ tuyến tính cao so với không dùng tham số điều khiển Điều không ổn định vượt điểm thiết đặt trượt điều khiển với tần số không đổi đề cập phần Đường quan hệ V-d xem đường đặc tính vi bơm cho phép ta xác định xác lượng chất lỏng cần bơm theo khoảng chuyển động định trước trượt Tuy nhiên giá trị thực nghiệm nhỏ nhiều so với giá trị tính tốn lý thuyết Điều giải thích khơng kín khít pít tơng xi lanh gây nên dò chất lỏng qua khe hở [5] M Koch et al (1996), A Novel Micropump Design With Thick-film Piezoelectric Actuation, Meas Sci Technol., Vol 8, pp 49–57 [6] S Kar et al (1998), Piezoelectric mechanical pump with nanoliter per minute pulse-free flow delivery for pressure pumping in micro-channels, Analyst, Vol 123, pp 1435–1441 [7] J Atencia and D J Beebe (2004), Magneticallydriven biomimetic micro pumping using vortices, Lab Chip, Vol 4, pp 598–602 [8] A Hatch, et al (2001), A Ferrofluidic Magnetic Micropump, J Microelectromech Syst., Vol 10, pp 215–221 [9] Konishi S, Ohno K and Munechika M (2002), Parallel linear actuator system with high accuracy and large stroke Sens Actuators Phys 97–98:610–9 [10] Konishi S et al (2005), Batch-fabricated high dense multi sliders for WDM spectral attenuation, Proc of TRANSDUCERS’05 Conference (Seoul, Korea, 5-9 June 2005) Vol pp 1242–5 Kết luận Bằng việc áp dụng phản hồi vị trí cho kích hoạt tịnh tiến thành công ứng dụng điều khiển vi bơm kiểu xi lanh Kết cho thấy hiệu tham số điều khiển Kp điều khiển phản hồi Sự tỷ lệ tuyến tính V d cho phép định lượng xác thể tích chất lỏng cần bơm với sai số cỡ pL Điều hữu ích ứng dụng y tế nâng cao hiệu suất phản ứng hóa học Trong nghiên cứu chúng tơi nâng cao kín khít pít tơng xi lanh để giảm dò chất lỏng hướng tới việc tích hợp vào lĩnh vực cụ thể đề cập [11] Yokokawa R et al (2006), On-chip syringe pumps for picoliter-scale liquid manipulation, Lab Chip, Vol 6, pp 1062–6 [12] T A Nguyen and S Konishi (2014), Characterization of sliders for efficient force generation of electrostatically controlled linear actuator, J Micromechanics Microengineering, Vol 24, No [13] T A Nguyen and S Konishi (2014), Position feedback control for electrostatically controlled linear actuator, Microsystem Technologies, Vol, 22, Issue 1, pp 171179 25 ... luận Bằng vi? ??c áp dụng phản hồi vị trí cho kích hoạt tịnh tiến chúng tơi thành cơng ứng dụng điều khiển vi bơm kiểu xi lanh Kết cho thấy hiệu tham số điều khiển Kp điều khiển phản hồi Sự tỷ lệ... động tịnh tiến trượt theo bước nhỏ nm, hành trình lớn mm với lực đẩy cỡ mN Vì nghiên cứu chúng tơi ứng dụng kích hoạt tịnh tiến với điều khiển phản hồi vị trí để đẩy pít tơng cho vi bơm kiểu xi lanh. .. khơng cịn với điều khiển có tham số KP Điều phù hợp với phân tích nhận định đề cập Với kết hướng đến ứng dụng kích hoạt tịnh tiến dùng điều khiển phản hồi có tham số KP cho vi bơm xi lanh phần Hình