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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY & ROBOT

***************

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
HỌC PHẦN: MICRO ROBOT

Mã lớp học: 124362
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hạ
Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

Hà Nội, tháng 5 năm 2021


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

STT

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

1

T

2

T

3

N

4

T

5

N

6

N

7

L

8

T

2


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hạ Sinh viên
thực hiện: Nhóm 1
Nhận xét của giảng viên hướng dẫn
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày……….tháng………năm........
Giảng viên hướng dẫn ký tên

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

3

MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ
LỜI NÓI ĐẦU

MicroRobotics là lĩnh vực robot thu nhỏ, cung cấp khả năng tương tác với
các vật có kích thước vượt q khả năng sinh lý tự nhiên của con người. Lưu ý
rằng định nghĩa được đề xuất ở trên không nhất thiết ngụ ý rằng bản thân các
MicroRobot (robot vi mơ) có quy mơ milimet. Robot hoạt động trên các vật thể có
kích cỡ milimet hoặc không gian làm việc cỡ milimet, được phân loại là
MicroRobot (robot vi mô).
MicroRobotics được xây dựng trên cở một số ngành như kỹ thuật chính xác,
robotics và vật lý ứng dụng, dần dần đã phát triển thành một lĩnh vực riêng. Trong
thực tế, có nhiều lý do giải thích cho sự hình thành của lĩnh vực MicroRobotics:
Giảm vật tư tiêu hao, tăng tốc độ đáp ứng cho các hệ thống, nâng cao tính di động
và hơn hết là để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp chuyên biệt mà các hệ thống
Robot truyền thống không thể thực hiện được. Ví dụ như định hình hoặc phân tích
tín hiệu ánh sáng; pha trộn, xử lý hoặc phân tích các thể tích hóa chất siêu nhỏ;
cảm biến tín hiệu cơ học; khí thăm dị và giải trình tự các phân tử sinh học. Những
nhiệm vụ trên đều được đảm nhận bởi hệ thống MicroRobot. Giờ đây, việc đẩy
mảnh nghiên cứu các hệ thống lắp ráp và quy trình điều chế vi mơ đang được tiến
hành để phục vụ mục đích trên, hướng tới sự bứt phá về mặt công nghệ trong
tương lai.
Trong lĩnh vực MicroRobotics, Piezoelectric Actuator (bộ kích hoạt áp điện) là một
hướng nghiên cứu quan trọng, có ứng dụng lớn trong lĩnh vực, vì thế việc dành
nhiều sự quan tâm cho định hướng này là lẽ tất yếu. Trong bài Literature Review
này, nhóm sinh viên 1 (có danh sách kèm theo) đã thực hiện đề tài về Piezoelectric
Atuator nhằm làm sáng tỏ một số nội dung cơ bản về vấn đề này. Nhóm 1 chúng

em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Hạ đã giảng dạy tâm huyết, hướng
dẫn tận tình và anh Nguyễn Hùng Anh đã hỗ trợ triển khai, quan tâm ân cần để
giúp nhóm có thể hoàn thành bài Literature Review lần này. Tuy rằng đã rất cố
gắng nhưng chắc chắn bài vẫn cịn có nhiều thiếu sót, nhóm 1 rất mong TS.
Nguyễn Xuân Hạ và anh Nguyễn Hùng Anh có những góp ý, sửa đổi để bài
được hồn thiện hơn.
Nhóm 1 xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

4


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ
Nhóm 1

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH.........................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU.......................................................................................9
CHƯƠNG 1. LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR...........10
1. Tổng quan về bộ kích hoạt áp điện......................................................................10
1.1. Tổng quan về hiệu ứng áp điện, bộ kích hoạt áp điện............................ 10
1.1.1. Hiệu ứng áp điện..................................................................................10
1.1.2. Bộ kích hoạt áp điện............................................................................11
1.2. Đặc trưng và nguyên lý hoạt động của một số vật liệu áp điện..............12
1.2.1. Đặc trưng của một số vật liệu.............................................................12
1.2.2. Nguyên lý hoạt động của gốm áp điện...............................................14

1.2.3 Hiện tượng từ trễ (Hysteresis).................................................................16
2. Phân loại, ưu nhược điểm và ứng dụng của thiết bị áp điện............................... 20
2.1. Multilayer (stack) actuators...................................................................... 20
2.2. Bimorph (bender) actuators......................................................................23
2.3. Stick-slip actuators.....................................................................................25
a. Hiện tượng chuyển vị đầu.........................................................................28
b. Hiện tượng biên độ 0.................................................................................29
c. Hiện tượng vi dao động.............................................................................30
2.4. Tube actuators............................................................................................ 30
2.5. Bulk actuators.............................................................................................32
3. Tính tốn thiết bị áp điện.....................................................................................35
3.1. Bộ kích hoạt áp điện ngăn xếp.................................................................. 35
3.2. Bimorph (bender) actuators......................................................................37

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

5


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

3.3. Stick-slip actuators.....................................................................................39
CHƯƠNG 2. CASE STUDY: ROBOTIC DUAL PROBE SETUP FOR
RELIABLE PICK AND PLACE PROCESSING ON THE NANOSCALE USING
HAPTIC DEVICES.................................................................................................43
1. Mục đích của hệ thống..................................................................................43
2. Cấu tạo của hệ thống.....................................................................................44
3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống...............................................................48

4. Đánh giá hệ thống..........................................................................................53
5. Đề xuất cải tiến hệ thống...............................................................................55
Danh mục tài liệu tham khảo...................................................................................60

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

6


MicroRobotics
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. Hiệu ứng áp điện ngược.............................................................................
Hình 2. Hiệu ứng áp điện thuận...............................................................................
Hình 3. Bộ kích hoạt áp điện...................................................................................
Hình 4. Tinh thể thạch anh......................................................................................
Hình 5. Tinh thể muối Rochelle..............................................................................
Hình 6.
Vịng lặp trễ với tần số cố định [6]............
Hình 7.
Vịng lặp trễ với tần số thay đổi [6]...........
Hình 8.
Ví dụ về thời gian từ trễ [7].......................
Hình 9.
Một số loại mơ hình hóa hiện tượng từ trễ
Hình 10. Một số bộ điều khiển thơng dụng [6].......................................................
Hình 11. Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp.................................................................
Hình 12.
Cơ chế khuếch đại thủy lực bằng
Hình 13.

Động cơ truyền động bằng quán
Hình 14.
Cơ cấu kẹp của Zheng Li (bên trá
Hình 15.
Bimorph piezoelectric actuator....
Hình 16. Cấu trúc bimorph, unimorph và triple layer benders, (a) bimorph bender
trong chuỗi kết nối, (b) bimorph bender trong kết nối song song, (c) triple layer
bender, (d) unimorph bender, (e) thiết bị cầu vồng [12].........................................24
Hình 17. Động cơ quay qn tính hai bậc tự do và sự bố trí các tấm bimorph piezo
[13]..........................................................................................................................
Hình 18. Mơ tả ngun lý hoạt động của động cơ của Zhang [13].........................
Hình 19. Sơ đồ nguyên lý chuyển động dính-trượt [3]...........................................
Hình 20. Mơ hình Stick-slip actuator của Zhang [14].............................................
Hình 21. Mơ hình Stick-slip actuator của Xu [15]..................................................
Hình 22. Biến dạng của các nhấp nhô và chuyển vị đầu dưới tác dụng của ngoại
lực............................................................................................................................
Hình 23. Quan hệ giữa độ lớn biên độ dao động và độ lớn bước dịch chuyển của
PTCH.......................................................................................................................
Hình 24. Tube actuators..........................................................................................
Hình 25. Cơ cấu 2 bậc tự do, 3 bậc tự do, và toàn bậc do bằng vật liệu áp điện
[18]..........................................................................................................................
Hình 26. Sơ đồ thiết kế IDE của cơ cấu chấp hành.................................................

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

7


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Hình 27. Thiết kế chính bộ chuyển động hỗn hợp IDE...........................................34
Hình 28. Piezoelectric actuator............................................................................... 35
Hình 29. Các thơng số chính trong cấu hình ngăn xếp............................................36
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)....................................37
Hình 31. Bộ kích hoạt áp điện Bimorph..................................................................37
Hình 32. Ngun tắc hoạt động của bimorph..........................................................38
Hình 33. Các thơng số chính trong cấu hình bimorph.............................................38
Hình 34. Ngun tắc hoạt động ở chế độ bước [BRE 98].......................................39
Hình 35. .(a) Chế độ xem đã bùng nổ của microrobot. (b) Ảnh của toàn bộ..........40
Hình 36. Mặt cắt ngang bộ kích hoạt ống áp điện...................................................40
Hình 37. Robot thực hiện gắp và thả các hạt nano riêng lẻ.....................................43
Hình 38. Sắp xếp các hạt nano theo cấu trúc 2 chiều..............................................44
Hình 39. Sắp xếp các hạt nano theo cấu trúc 3 chiều..............................................44
Hình 40. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử qt..................................................45
Hình 41. Hera Piezo Linear Presicion Positioner....................................................46
Hình 42. PicoCube Piezo Scanner...........................................................................46
Hình 43. Thanh trượt tuyến tính SmartAct SLC trong hệ thống định vị thơ, độ
chính xác cỡ 20nm.................................................................................................. 47
Hình 44. Đầu dị kép của hệ thống..........................................................................47
Hình 45. Hiện tượng hạt nano bị dính lên thành đầu dị......................................... 48
Hình 46. Quy trình “Pick and Place” các hạt nano................................................. 49
Hình 47. Hệ thống điều khiển OFFIS......................................................................50
Hình 48. Lưu đồ cho quá trình “Pick and Place”.................................................... 51
Hình 49. Sơ đồ khối kết nối các thiết bị..................................................................52
Hình 50. Hiện tượng uốn cong của đầu dị..............................................................53
Hình 51. Đầu dị điều khiển bằng điện phục vụ gắp và thả các hạt riêng lẻ. (a) Sơ
đồ bố trí thí nghiệm, (b) Hình ảnh huỳnh quang của các hạt nano được tách ra quay

trên một tấm kính che, (c) Hình ảnh SEM của một đầu AFM, bán kính cong của
đầu mút là 30nm và (d) Hình ảnh huỳnh quang của các hạt nano được sắp xếp
thành “NJU”............................................................................................................57
Hình 52. Quy trình gắp và thả trong hệ thống mới................................................. 58

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

8


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Thuộc tính cơ bản của thạch anh............................................................... 12
Bảng 2. Thuộc tính cơ bản của muối Rochelle........................................................................... 13
Bảng 3. Thông số cơ bản của gốm áp điện BT, LZ.................................................14

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

9


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

CHƯƠNG 1. LITERATURE REVIEW: PIEZOELECTRIC ACTUATOR
1. Tổng quan về bộ kích hoạt áp điện

1.1. Tổng quan về hiệu ứng áp điện, bộ kích hoạt áp điện
1.1.1. Hiệu ứng áp điện
Các chất áp điện là chất tạo ra điện tích khi một ứng suất cơ học được tác
dụng (vật chất bị ép hay kéo căng), hiện tượng này được gọi là hiệu ứng áp điện
thuận (Hình 2). Ngược lại, một dạng biến dạng cơ học (vật chất bị co lại hay kéo
căng) sẽ xuất hiện khi có tác
dụng của điện trường, hiện
tượng này được gọi là hiệu
ứng áp điện ngược (Hình 1).
[1]. Về bản chất, hiệu ứng áp
điện được giải thích bằng sự
dịch chuyển của các ion trong
các tinh thể khơng đối xứng.
Hình 1. Hiệu ứng áp điện thuận
Khi tinh thể bị nén, các ion
trong mỗi ô đơn vị bị dịch
chuyển, gây ra hiện tượng
phân cực điện ở mỗi ô đơn vị.
Do sự đều đặn của cấu trúc
tinh thể, những hiệu ứng này
tích tụ, gây ra sự chênh lệch
điện thế giữa các mặt nhất
Hình 2. Hiệu ứng áp điện ngược
định của tinh thể. Khi một
điện trường bên ngoài được áp dụng cho tinh thể và các ion trong mỗi ô đơn vị
được chuyển dịch bởi lực tĩnh điện, dẫn đến biến dạng cơ học của toàn bộ tinh thể
[2]. Hiện tượng áp điện thuận được phát hiện đầu tiên ở trong các tinh thể ngoài tự
nhiên, nhiều nhất là thạch anh. Về sau người ta cũng tìm thấy hiệu ứng này ở trong
gốm sứ, gần đây là polyme [3].
Một số ứng dụng của hiệu ứng áp điện:

+ Nguồn điện và điện áp cao: Một ví dụ về các ứng dụng trong lĩnh vực này là bật
lửa thuốc lá điện, trong đó việc nhấn một nút khiến một chiếc búa có lị xo đập vào
một tinh thể áp điện, do đó tạo ra một điện áp đủ cao để dịng điện chạy qua một

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

10


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

khe hở tia lửa nhỏ, làm nóng và đốt cháy khí. Hầu hết các loại đầu đốt và dãy gas
đều có hệ thống phun dựa trên piezo được tích hợp sẵn.
+ Cảm biến: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp điện là một chiều vật lý, được
biến đổi thành lực, tác động lên hai mặt đối lập của phần tử cảm biến. Việc phát
hiện các biến đổi áp suất dưới dạng âm thanh là ứng dụng cảm biến phổ biến nhất,
được thấy trong các micro áp điện và bộ thu áp điện cho guitar khuếch đại điện.
Đặc biệt, cảm biến áp điện được sử dụng với âm thanh tần số cao trong các đầu dò
siêu âm cho hình ảnh y tế và thử nghiệm khơng phá hủy cơng nghiệp.
+ Bộ kích hoạt áp điện: Đối với động cơ áp điện, phần tử áp điện nhận một xung
điện, sau đó tác dụng lực định hướng lên một tấm sứ đối diện, làm cho nó chuyển
động theo hướng mong muốn. Chuyển động được tạo ra khi phần tử áp điện di
chuyển so với nền tĩnh (chẳng hạn như dải gốm) [4].
1.1.2. Bộ kích hoạt áp điện
Bộ kích hoạt áp điện (Hình 3) là thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện
ngược, đặt một điện áp lên nó sẽ sinh ra một sự dịch chuyển và khi có rung động,
nó sẽ tạo ra một điện áp. Bộ kích hoạt áp điện là một bộ kích hoạt vi dịch chuyển
hồn hảo và có thể điều khiển được, được dẫn động bằng điện trường. Bộ kích hoạt

áp điện có tốc độ đáp ứng rất cao, thể tích nhỏ,
khối lượng tương đối nhỏ và nhiệt lượng ít. Hiệu
suất tuyệt vời của bộ kích hoạt áp điện làm cho
nó có tiềm năng đáng kể trong lĩnh vực điều
khiển tích cực. So với các bộ kích hoạt truyền
thống, bộ kích hoạt áp điện có các ưu điểm:
+ Tiêu thụ điện năng thấp: Hiệu ứng áp điện chỉ
chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành
chuyển động cơ học trong quá trình di chuyển. Hình 3. Bộ kích hoạt áp điện Có khả
năng hoạt động tĩnh, ngay cả khi giữ tải nặng, không tiêu tốn điện năng.
+ Khuếch đại nhanh chóng: Bộ kích hoạt áp điện cung cấp thời gian phản hồi
nhanh nhất hiện có (cỡ micro giây). Gia tốc có thể tương đương 10 lần gia
tốc trọng trường.
+ Khơng bị hao mịn: Bộ kích hoạt áp điện khơng có bánh răng hay trục quay. Sự
dịch chuyển của nó dựa trên động lực học ở trạng thái rắn, vì thế khơng bị ăn mịn.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

11


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

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 có các đặc điểm: định hướng lưỡng cực, hoạt động theo
nguyên lý trường điện từ, mật độ năng lượng 10 6 J/m-3, tần số dao động cỡ 100
kHz, các chế độ hoạt động phụ thuộc vào hướng của điện trường và khả năng biến

dạng khoảng 0.12-0.15% [3].
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
s

11

s

33

s
s

s
s

s

12

13

44

66

14

d

11

d

14

ϵ11/ϵ0
Hệ số tuân thủ đàn hồi (10

ϵ /ϵ

s110

33

s
s

22

33

s
s

12

13

s
s

23

44

s
s

55

66


Hằng số biến áp điện (10-12 C/N) ở 25
d

14

d

25

Bảng 2. Thuộc tính cơ bản của muối Rochelle

d

36

Mối liên hệ với hằng số điện môi ở 25
ϵ /ϵ
11

0

ϵ22/ϵ0
ϵ /ϵ
33

0


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Hình 5. Tinh thể muối Rochelle
Ngồi thạch anh, cịn có sự quan tâm đáng kể dành cho những loại vật liệu áp điện tan trong nước, tiêu
biểu là muối Rochelle. Các tinh thể lớn muối Rochelle℃. được tạo ra dễ dàng bằng cách làm lạnh chậm
dung dịch bão hịa ở nhiệt độ 50 Một số thơng số cơ bản của muối Rochelle được cho trong bảng 2 [5].

b. Gốm áp điện (Piezoelectric Ceramics)
Gốm áp điện là tên gọi chung của gốm sắt điện với hiệu ứng áp điện thông
qua việc xử lý phân cực của các tinh thể được tạo ra bằng cách trộn oxit (zirconia,
oxit chì, oxit titan, v.v.) với phản ứng nung kết và rắn ở nhiệt độ cao. Với đặc tính
cơ học tốt và áp điện ổn định, gốm áp điện đã được sử dụng rộng rãi trong các cảm
biến, đầu dò siêu âm, thiết bị chuyển vị trí vi mơ và các thành phần điện tử khác…
Ở bảng 3, ta đề cập đến những thông số cơ bản của 2 loại gốm áp điện điển hình là

BaTiO3 (BT) và Pb(Ti0.48Zr0.52)O3 (LZ) [5].
Hệ số tuân thủ đàn hồi (10-12 m2/N)
BT
E

s11
s11D
s33E
s33D
s12E
s12D
s13E
s13D
s44E
s44D
s66E
s66D
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

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

13


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

Bây giờ hãy xem xét một gốm áp điện có độ dày e chịu một điện trường (E =
V/e, trong đó V là hiệu điện thế do nguồn điện tạo ra trên gốm). Sau đó đây là
trường hợp của phân cực nghịch, và do đó gốm chịu biến dạng do hiệu ứng này
gây ra, biểu thức là hàm của điện trường đặt vào E (tính bằng V/m):
S=d . E

Trong đó S là độ biến dạng sinh ra bởi hiệu ứng áp điện và d (m/V) là hằng
số biến dạng áp điện.
Tuy nhiên, biến dạng này không phải là biến dạng duy nhất mà mẫu trải qua.
Các biến dạng cũng phải được xem xét, do các lực cơ học khác nhau. Biểu thức
cho tổng biến dạng được trải qua bởi mẫu được đề cập:
S=d . E + s.T

trong đó s (m2/N) là tuân thủ đàn hồi (nghịch đảo của module Young của gốm) và
T (N/m2) là ứng suất do ngoại lực tác động lên mẫu [3].
b. Sự dịch chuyển điện tích
Một đặc tính quan trọng khác của vật liệu áp điện là chúng là chất điện môi.
Do đó, có sự dịch chuyển của điện tích, mà chúng ta sẽ gọi là mật độ điện tích D
(C / m2), trong chất điện mơi bất cứ khi nào nó tiếp xúc với một điện trường. Do
đó, trong trường hợp của mẫu chúng ta đã thảo luận ở trên, chúng ta có thể viết
biểu thức cho sự dịch chuyển điện trong mẫu như sau:
D=ϵ.E

Với ϵ (F/m) là môi trường điện môi của vật liệu ceramic trong trường hợp
này, lưu ý rằng giá trị sau có thứ tự từ 10-9 đến 10-12 F/m đối với chất điện môi.
Tuy nhiên, mẫu này sẽ phải chịu tác động của bên ngồi. Do đó, thực tế là
gốm được đề cập là áp điện sẽ dẫn đến tạo ra sự dịch chuyển điện thông qua hiệu
ứng áp điện trực tiếp, mà biểu thức tỷ lệ với ứng suất tác dụng T:
D=¿d.T

trong đó d tính bằng đơn vị C/N, tương đương với (định nghĩa của cường độ điện
trường) V/m4

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

14


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

Vì vậy ta tìm thấy biểu thức cho tổng dịch chuyển điện trong một vật liệu áp điện
là:
D=ϵ . E + d.T

Chúng ta có thể viết dưới dạng ma trận:

[DS]=[ϵd
Xét 2 trường hợp đặc biệt của hệ thống:
+ Trường hợp ngắn mạch: Điện trường tác dụng lên vật liệu bằng 0, khi đó
S=sT

(1.7)
(1.8)
+ Trường hợp hở mạch: Độ dịch chuyển điện tích bằng 0, khi đó
0=dT + ϵE=¿ E=−ϵ−1 dT
S= sT +dT E=¿ S=(s−dT ϵ−1 d )T

Do đó, thấy được sự khác biệt giữa tuân thủ đàn hồi trong ngắn mạch, ở đây viết là
sE và khi mạch hở sẽ viết là sD
sE=s
sD=s−dT ϵ −1 d

Cuối cùng, ta thu được biểu thức chung
S=sE T + dT E
D=dT + ϵT E

[3]
1.2.3 Hiện tượng từ trễ (Hysteresis)
Hiện tượng từ trễ gây ảnh hưởng lớn tới độ chính xác định vị của các bộ
kích hoạt áp điện. Hiện tượng này tồn tại rộng rãi trong các vật liệu sắt điện, hay là
có yếu tố từ tính. Ngun nhân chính gây ra hiện tượng này là do khả năng lưu giữ

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

15


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

từ tính của các vật liệu sắt từ, hoặc cũng có thể do ma sát giữa các bộ phận cơ học
trong thiết bị. Đối với các bộ kích hoạt áp điện, hiện tượng này cho thấy sự phi
tuyến giữa điện áp đầu vào và độ dịch chuyển đầu ra và thời gian trễ của chúng. Có
nghĩa là, khi tăng điện áp đầu vào theo 1 quy luật nhất định, chuyển vị đầu ra sẽ
tăng theo, tuy nhiên thời gian đáp ứng sẽ có độ sai lệch. Đồng thời nếu giảm điện
áp đầu vào cũng theo quy luật đó, chuyển vị đầu ra sẽ giảm theo nhưng không

giảm theo đúng quy luật ban đầu.
Các nghiên cứu về từ trễ được chia ra làm 2 loại phổ biến [6]. Đó là nghiên cứu
mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và chuyển vị ở đầu ra trong trường hợp tần số
thấp khoảng vài Hz (hình 6) và trường hợp có tần số thay đổi (hình 7).

Hình 6. Vịng lặp trễ với tần số cố định [6]

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

16


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Hình 7. Vịng lặp trễ với tần số thay đổi [6]

Hình 8. Ví dụ về thời gian từ trễ [7]

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

17


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

Từ các nghiên cứu cho thấy các đường cong từ trễ thay đổi theo sự gia tăng của tần

số đầu vào, tần số càng lớn thì mức độ phi tuyến càng lớn. Các sai số vị trí có thể
lên tới 15% so với phạm vi di chuyển của bộ kích hoạt áp điện. Chính vì vậy chúng
ta cần phải mơ hình hóa các hành vi trễ và bù đắp cho độ trễ phi tuyến bằng các bộ
điều khiển nhằm đảm bảo độ chính xác cho thiết bị. Có rất nhiều mơ hình có thể
mơ tả được hiện tượng này, được mơ tả bằng sơ đồ sau

Hình 9. Một số loại mơ hình hóa hiện tượng từ trễ [6]

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

18


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Sau khi mơ hình hóa xong, ta cần các bộ điều khiển để đáp ứng đầu ra mong
muốn, một số bộ điều khiển phổ biến được sử dụng như sau:

Hình 10. Một số bộ điều khiển thơng dụng [6]

Mỗi phương pháp mơ hình hóa hiện tượng và các bộ điều khiển đều có ưu nhược
điểm riêng của nó, song việc điều khiển phản hồi vẫn là rất cần thiết để đảm bảo độ
chính xác khi vận hành của thiết bị .

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

19

MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

2. 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.
Piezoelectric Paper
Các dạng vật liệu được phổ quan tâm và nghiên cứu nhiều nhất là các họ vật
liệu piezo ceramic, và piezo polime. Cũng theo [6] thì vật liệu Piezoelectric Paper
đang là xu hướng nghiên cứu mới. Giấy hybrid là một giải pháp thay thế tốt cho
chất nền polyme áp điện, tương đối rẻ hơn và cũng thân thiện với môi trường. Đặc
điểm của nó là kết hợp vật liệu áp điện có cấu trúc nano (gốm) vào sợi cellulose gỗ
trước khi sản xuất giấy.
Các dạng dẫn động áp điện thường được sử dụng nhiều nhất trên các vật liệu
phổ biến là ceramic và polime bao gồm: Multilayer (stack) actuators [3], Bimorph
(bender) actuators [3], Stick-slip actuators [3], Tube actuators, Bulk actuators.
2.1. Multilayer (stack) actuators
Bộ kích hoạt ngăn xếp bao gồm nhiều lớp áp điện được ngăn cách bởi các
lớp cách điện (xem Hình 1). Phần đầu và cuối của mỗi lớp được đặt cùng một điện
áp. Các phần tử áp điện riêng lẻ trong thiết bị truyền động xếp chồng lên nhau có
phân cực xoay chiều và điện trường được đặt song song với hướng phân cực. Khi
một điện áp được đặt vào, một biến dạng, hoặc sự dịch chuyển, được tạo ra theo

hướng phân cực. Chuyển động của một phần tử áp điện bằng điện áp đặt nhân với
hệ số áp điện. Chuyển động của cả ngăn xếp áp điện bằng tổng dịch chuyển của
các phần tử trong stack [7].

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

20


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Hình 11. Bộ kích hoạt điện áp ngăn xếp

Các điện cực bên trong có cùng cực được nối với nhau bằng các điện cực
bên ngoài đặt trên mặt của thiết bị truyền động. Các điện cực bên trong được cách
điện với các điện cực bên ngoài antipode bằng một lớp thủy tinh mỏng được đặt
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 thơng qua hiệu ứng áp điện, có nghĩa là chúng khơng có bộ phận chuyển
động tạo ra ma sát hoặc mài mịn. Do đó, độ phân giải của chúng chỉ bị giới hạn
bởi các thành phần cơ và điện bên ngồi. Chúng có thể đạt được thời gian phản hồi
cực nhanh và tốc độ tăng tốc cao. Bộ kích hoạt áp điện xếp chồng lên nhau có khả
năng hoạt động trong các môi trường như chân không, điều kiện đông lạnh và sự
hiện diện của từ trường, làm cho chúng thích hợp cho các ứng dụng trong ngành
cơng nghiệp điện tử tiêu dùng, hàng không vũ trụ, ô tô và bán dẫn. Huixing Zhou
[8] và nhóm của họ đã đề xuất một cơ chế khuếch đại thủy lực bằng bộ kích hoat
áp điện ngăn xếp.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

21


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

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

Một trong những ứng dụng quan trọng khác của cấu trúc áp điện ngăn xếp là
ứng dụng truyền động trong các cơ cấu vi kẹp với độ chính xác cao. Zheng Li
[9]và nhóm của họ đã thiết kế một cơ cấu kẹp dựa trên sự chuyển động của cấu
trúc áp điện này. Tốc độ kẹp của cơ cấu này có thể đạt được tới hơn 350 mm/s [9]
phụ thuộc vào điện áp được cấp cho vật liệu. Một mơ hình khác về tay kẹp được
thiết kế bởi nhóm của Das [10] cũng áp dụng phương pháp tương tự trong thiết kế
cơ cấu kẹp.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

22


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xuân Hạ

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

2.2. Bimorph (bender) actuators
Thuật ngữ bimorph được sử dụng phổ biến nhất với bimorphs áp điện .
Trong các ứng dụng thiết bị truyền động , một lớp hoạt động co lại và lớp kia mở
rộng nếu điện áp được đặt vào, do đó, hai lớp uốn cong. Trong các ứng dụng cảm
biến , uốn cong lưỡng hình tạo ra điện áp, ví dụ có thể được sử dụng để đo độ dịch
chuyển hoặc gia tốc. Chế độ này cũng có thể được sử dụng để thu năng lượng [11].
Vật liệu áp điện cũng thường được tìm thấy ở dạng một lớp kép. Hướng phân cực
của hai lớp là như nhau. Điện áp đặt vào các cực của lớp trên ngược với điện áp đặt
vào lớp dưới.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

23


MicroRobotics

GVHD: TS. Nguyễn Xn Hạ

Hình 15. Bimorph piezoelectric actuator

Khơng chỉ sử dụng hai lớp áp điện với nhau mà còn có thể thay một lớp áp điện
bằng một loại vật liệu khác. Qing-Ming Wang [12] và các cộng sự đã tiến hành
nghiên cứu đánh giá và tính tốn đối với các cấu trúc bimorph, unimorph và triple
layer benders. Hai ví dụ cổ điển về thiết bị áp điện là các cấu hình bimorph và

unimorph được sử dụng rộng rãi cho cảm biến âm thanh, loa, rơle, micropumps,
micropositioners, và nhiều ứng dụng khác. Trong nghiên cứu của mình Wang [12]
đã kết luận rằng bimorph, unimorph và ba lớp uốn có thấp hơn hằng số điện môi
hơn vật liệu áp điện do tác dụng kẹp của từng thành phần trong các thiết bị. Đối
với uốn cong một lớp và uốn ba lớp, hằng số điện môi của chúng cũng thay đổi
theo tỷ lệ độ dày của đàn hồi và các lớp áp điện. Một hằng số điện mơi lớn nhất có
thể được quan sát ở các tỷ lệ độ dày nhất định đối với uốn cong ba lớp, trong khi
đối với đơn nguyên uốn cong, hằng số điện môi giảm theo độ dày đơn điệu tỷ lệ.
Việc sử dụng một lớp đàn hồi cứng hơn dẫn đến hằng số điện môi thấp hơn ở cả
hai chiều và uốn cong ba lớp.

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1

24