4 

Các bộ điều khiển dựa trên

vi xử lý và vi điện tử

Ondrej Novak

Đại học kỹ thuật Liberec

Ivan Dolezal

Đại học kỹ thuật Liberec

4.1..... Giới thiệu vi điện tử. 21-3

4.2..... Logic số. 21-5

4.3..... Tổng quan về các máy tính điều khiển. 21-5

4.4..... Các bộ vi xử lý và vi điều khiển. 21-7

4.5..... Các bộ điều khiển logic khả trình. 21-8

4.6..... Truyền thông số. 21-10

4.1        Giới thiệu vi điện tử

Lĩnh vực vi điện tử đã thay đổi mạnh mẽ trong hai thập kỷ gần đây và công nghệ số đã thống trị trong phần lớn các lĩnh vực ứng dụng của điện tử. Việc thiết kế các hệ thống số được thực hiện trên hàng ngàn mạch tích hợp khác nhau của nhiều nhà sản xuất trên khắp thế giới. Nó làm cho việc thiết kế và chế tạo các sản phẩm điện tử trở nên dễ dàng với giá thành rẻ hơn. Việc phát triển thường xuyên của tốc độ mạch tích hợp, tỷ lệ tích hợp, sự giảm giá thành đã làm cho các mạch số đang dần thay thế cho các giải pháp tương tự cổ điển trong các bộ điều khiển, bộ lọc và bộ điều chế.

Sự lớn mạnh của khả năng tính toán được minh họa bằng ví dụ dưới đây. Một vi điều khiển đơn chíp có khả năng tính toán bằng một máy tính xách tay tiêu biểu của năm 1992. Một vi điều khiển đơn chíp có khả năng tính toán bằng 4 máy tính cá nhân IBM tiêu biểu của năm 1981 hoặc bằng 2 máy tính lớn IBM 370 của năm 1972.

Các mạch tích hợp số được thiết kế cho nhiều mục đích và được sản xuất với số lượng lớn. Các mạch tích hợp hiện đại có nhiều tính năng cải tiến từ các thiết kế gần đây, nó cho phép truy cập và điều khiển “thân thiện hơn”. Do các tham số của mạch tích hợp (IC) tác động không chỉ với các IC riêng biệt mà còn với tất cả các mạch liên quan tới nó, một định hướng cho sự phát triển trong tương lai của công nghệ IC phải được cập nhật hàng năm. Từ định hướng này, chúng ta có thể ước lượng được các tham số sau này của các IC và làm cho các thiết kế phù hợp với những yêu cầu của tương lai. Sự phát triển tương đối của số lượng các tranzito tích hợp trên một chíp là khá ổn định. Với các phần tử nhớ, nó xấp xỉ bằng 1,5 lần số lượng hiện thời. Đối với các IC số khác, nó xấp xỉ 1.35 lần số lượng hiện thời.

Trong điện tử số, chúng ta dùng các đại lượng được gọi các giá trị logic thay vì các đại lượng tương tự của điện thế và dòng điện. Các giá trị logic thường liên quan đến điện thế của tín hiệu, nhưng chúng chỉ có 2 giá trị: 1 hoặc 0. Nếu một mạch số xử lý một giá trị logic, một giá trị đúng được nhận biết do giữa các giá trị điện thế logic có một khoảng cách (xem hình 4.1). Chúng ta có thể cải thiện tùy ý độ phân giải của tín hiệu bằng cách đơn giản là dùng thêm nhiều bit.

HÌNH 4.1 Các mức điện áp và các giá trị logic tương ứng

HÌNH 4.2 Kỹ thuật tự động hóa trạng thái hữu hạn: X-vectơ nhị phân đầu vào,                              Y-vectơ nhị phân đầu ra, Q-vectơ trạng thái nội tại

4.2        Logic số

Các mạch số gồm các cổng logic, như các mạch điện tử cơ bản chỉ hoạt động với 2 trạng thái. Các cổng này hoạt động theo cách mà các giá trị logic nhận được tương ứng với giá trị nhận được của các mệnh đề đại số Boolean. Điều này có nghĩa là với sự trợ giúp của các cổng chúng ta có thể thực hiện tất cả các phép toán số học và logic. Những phép toán này được thực hiện trong các mạch tổ hợp cho giá trị kết quả là chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của các giá trị đầu vào. Dĩ nhiên, các cổng logic không thể đủ cho các cấu trúc tự động. Để tạo ra một cấu trúc tự động, chúng ta cũng cần một số phần tử nhớ để lưu giữ các đáp ứng của các khối logic và số học.

Một sơ đồ điển hình của cấu trúc tự động số có trạng thái hữu hạn được thấy trên hình 4.2. Cấu trúc tự động có thể được xây dựng từ các IC chuẩn bao gồm các cổng logic, các khối logic tổ hợp phức tạp hơn, các thanh ghi, các bộ đếm, các bộ nhớ và các IC tuần tự chuẩn khác được cấy trên một bo mạch in. Một khả năng khác là việc dùng các mạch tích hợp riêng cho ứng dụng (ASIC), hoặc có khả năng lập trình hoặc được đặt hoàn toàn, với một thiết kế tiên tiến hơn. Cách tiếp cận này thích hợp cho các thiết kế mà ở đó các giải pháp phần cứng nhanh được ưu tiên. Một khả năng nữa là dùng các bộ vi điều khiển được thiết kế để hoạt động như một thiết bị tự động đa năng mà chức năng của nó có thể được chỉ ra bằng việc lập trình bộ nhớ.

4.3        Tổng quan về các máy tính điều khiển

Các máy tính lớn đồ sộ, phức tạp và tốn năng lượng, và sau đó, các máy tính nhỏ đơn hộp đã từng được dùng phần lớn cho các tính toán khoa học và kỹ thuật (chẳng hạn như trong FORTRAN, ALGOL) và cho các ứng dụng cơ sở dữ liệu (như trong COBOL). Việc phát minh vào năm 1971 của một đơn vị xử lý trung tâm (CPU) chung trong một bộ vi xử lý đơn chíp đã dẫn đến một cuộc cách mạng trong công nghệ máy tính. Bắt đầu từ năm 1981, các vi máy tính đa hộp (máy tính để bàn, màn hình, bàn phím, chuột) hay đơn hộp (máy tính xách tay) đã trở thành một công cụ cá nhân trong đời sống hàng ngày dùng cho xử lý văn bản, tính toán dữ liệu công tác, chơi trò chơi, vẽ, xử lý đa phương tiện, và trình bày báo cáo. Khi được kết nối trong một mạng cục bộ (LAN – Local Area Network) hay Internet, các “máy tính cá nhân (PC)” này có khả năng trao đổi dữ liệu và truy cập vào mạng diện rộng toàn cầu (WWW-World Wide Web).

HÌNH 4.3 Ví dụ về một hệ cơ điện tử nhỏ: Thiết bị ALAMBETA dùng cho đo lường tính chất nhiệt của tấm thủy tinh và vải (được sản xuất bởi SENSORA, Cộng hòa Séc). Nó thực hiện môt phương pháp đo lường duy nhất dùng cảm biến luồng nhiệt mỏng mở rộng, đo lường độ dày mẫu kết hợp trong truyền động đỉnh, điều khiển vi xử lý, và kết nối với một máy tính cá nhân.

Bên cạnh những máy tính “hữu hình” này, nhiều vi máy tính nhúng được ẩn trong các sản phẩm như máy móc, phương tiện giao thông, thiết bị đo lường, thiết bị viễn thông, dụng cụ gia đình, sản phẩm điện tử dân dụng (máy ảnh, hệ thống hi-fi, vô tuyến truyền hình, máy quay phim, điện thoại di động, nhạc cụ, đồ chơi, điều hòa nhiệt độ). Chúng được kết nối với các cảm biến, các giao diện cho người dùng (các nút bấm và màn hình hiển thị), và các cơ cấu chấp hành. Khả năng lập trình của các bộ điều khiển này mang lại sự linh hoạt cho các thiết bị (chọn chức năng bằng chương trình), một số tính chất thông minh (logic mờ), và hoạt động thân thiện với người dùng. Nó bảo đảm độ tin cậy cao hơn và sự bảo trì, sửa chữa, hiệu chuẩn (tự động), chẩn đoán (tự động) một cách dễ dàng hơn, và đưa ra khả năng tương hỗ – truyền thông qua lại hoặc điều khiển phân cấp trong thiết bị tổng thể hay trong một ngôi nhà thông minh. Một hình ảnh về một thiết bị hoạt động điện tử được đưa ra trên hình 4.3.

Các vi máy tính nhúng dựa trên kiến trúc Harvard nơi mà các bộ nhớ dữ liệu và mã được tách riêng. Chương trình cơ sở (Firmware) được dịch chéo trong một hệ thống phát triển và sau đó được tập trung vào một bộ nhớ không thay đổi. Theo cách này, chương trình chính đơn có thể chạy ngay lập tức sau khi nguồn được bật. Các thiết bị nhớ cơ học nhạy với sốc và tương đối đắt (các ổ cứng) và các màn hình ống chân không được thay thế bằng các thẻ nhớ và các đĩa bán dẫn (nếu một bộ nhớ lưu trữ là cần thiết) và các thiết bị hiện thị thanh LED hay các LCD.  Một bàn phím máy tính có thể được thay thế bởi một thiết bị/bộ các phím được gán chức năng riêng biệt và/hoặc các phím thường dùng (các phím mũi tên, Enter, Escape) được thực hiện bằng các phím số, nếu cần thiết. Những bộ phím, công tắc hỗ trợ, nút bấm lớn, công tắc chính và màn hình hiển thị này có thể được đặt trong các bảng điều khiển chịu được nước và bụi.

Sự tiến bộ trong việc tích hợp mạch dẫn tới sự phát triển nhanh chóng của các bộ vi điều khiển trong 2 thập kỷ gần đây. Bộ nhớ mã, bộ nhớ dữ liệu, bộ tạo nhịp, và tập hợp các mạch ngoại vi khác nhau được tích hợp với CPU (Hình 4.4) để chèn các vi máy tính đơn chíp hoàn toàn này vào trong một PCB ứng dụng riêng.

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) là các bộ vi xử lý nhúng đặc biệt với một vài thiết bị ngoại vi trên chíp nhưng với ADC/DAC bên ngoài đại diện cho kênh vào/ra quan trọng nhất. Các DSP có một kiến trúc tính toán song song và một tập hợp thanh ghi con trỏ động hoặc con trỏ cố định được tối ưu cho các thao tác xỷ lý tín hiệu điển hình như phép biến đổi rời rạc, lọc, chập, và mã hóa. Chúng ta có thể tìm thấy các DSP trong các ứng dụng như tạo/xử lý âm thanh, phân tích tín hiệu cảm biến (như dao động), truyền thông qua đường điện thoại (ví dụ như bộ lọc dải và bộ điều chế/giải điều chế số trong điện thoại di động, bộ thu phát cho truyền thông, các modem), và điều khiển vector của động cơ AC.

HÌNH 4.4 Sơ đồ khối của một vi điều khiển

Sản xuất hàng loạt (tức là giá thành hạ), kiến thức rộng lớn về sự hoạt động, sự truy cập toàn diện tới các công cụ gỡ lỗi và phát triển phần mềm, và hàng triệu dòng mã sẵn có làm cho các PC trở lên hữu ích cho các ứng dụng điều khiển và đo lường cần độ tập trung tính toán, mặc dù kiến trúc và hệ điều hành của chúng không hẳn thích hợp cho mục đích này.

Với sự phát triển mạnh của máy tính, có rất nhiều công cụ siêu máy tính, các PC đầu cuối và các hệ thống VXI (64/32 bit, trên 1000 MFLOPS/MIPS, 1000 MB bộ nhớ, công suất đầu vào 100 W, giá khoảng 10,000 USD), đến các mô-đun/thẻ máy tính PC (32 bit, 100-300 MFLOPS/MIPS, 10-100 MB, giá thấp hơn 1000 USD). Các mô-đun/thẻ vi xử lý (16/8 bit, 10-30 MIPS, 1 MB, giá khoảng 100 USD) và các bộ vi điều khiển 8 chân đơn giản (8 bit, 1-5 MIPS, 1 KB, 10 mW, giá khoảng 1 USD) cũng có sẵn với giá thành rất rẻ.

4.4        Các bộ vi xử lý và vi điều khiển

Không có một ranh giới rõ ràng giữa các bộ vi xử lý và các bộ vi điều khiển bởi vì các chíp này đều có thể truy cập đến bộ nhớ dữ liệu hoặc/và mã ngoài (dạng vi xử lý) và được trang bị các thành phần ngoại vi riêng biệt.

Một số vi điều khiển có một bộ tạo dao động RC bên trong và không cần có một bộ bên ngoài. Tuy nhiên, một bộ cộng hưởng thạch anh hay gốm ngoài hoặc mạng RC được nối thường xuyên với các phần tử tích cực, bên trong bộ phát xung nhịp. Tần số nhịp thay đổi từ 32 kHz (công suất thấp) tới 75 MHz. Một mạch phụ khác tạo tín hiệu xác lập lại cho một chu kỳ thích hợp sau khi nguồn được bật. Các mạch Watchdog tạo sự điều chỉnh chíp khi một chu kỳ khởi động lại tín hiệu không đến đúng thời gian do lỗi chương trình. Một số chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng được kích động bởi các lệnh chương trình.

Sự phức tạp và cấu trúc của hệ thống ngắt (tổng số nguồn và sự lựa chọn cấp độ ưu tiên của chúng), xác lập về độ nhạy cấp/góc của các nguồn ngoài và các sự kiện của các nguồn bên trong (như thiết bị ngoại vi), và sự bố trí các sự kiện ngắt đồng thời được coi là những tiêu chuẩn phân loại vi điều khiển quan trọng nhất.

Mặc dù các bộ vi điều khiển 16 và 32 bit được thực hiện trong các ứng dụng đặc biệt, yêu cầu cao (điều khiển các hệ servo), nhưng hầu hết ứng dụng đều dùng các chíp 8 bit. Một số bộ vi điều khiển có thể hoạt động bên trong với dữ liệu 16 bit hoặc thậm chí 32 bit chỉ trong phạm vi dấu phẩy tĩnh – các bộ vi điều khiển không được cung cấp bộ dấu phẩy động (FPU). Các họ vi điều khiển mới được xây dựng trên lõi RISC (Reduced Instruction Set - Tập lệnh rút gọn) vận chuyển một lệnh trên một vài chu kì nhịp hay thậm chí trên mỗi chu kì.

Có thể thấy sự khác nhau nữa trong các chế độ địa chỉ hóa, số lượng các thanh ghi có thể truy cập trực tiếp, và loại bộ nhớ mã (dải từ 1 đến 128 KB) điều quan trọng cho sự tầm nhìn của sự phát triển chương trình cơ sở. Bộ nhớ flash có thể nhanh và thậm chí là lập trình ngay trong hệ thống (ISP) bằng cách dùng 3 – 5 dây, trái lại các EPROM truyền thống tạo ra các chíp đắt hơn do việc đóng gói cửa sổ gốm. Một số bộ vi điều khiển có sẵn khả năng gỡ lỗi và khởi động nhằm tải mã từ một PC vào trong bộ nhớ flash dùng UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Bộ truyền/nhận không đồng bộ đa năng) và đường nối tiếp RS-232C. OTP (One Time Programmable – có lập trình một lần) EPROM hay ROM có hiệu quả trong một số lượng lớn sản phẩm. EEPROM dữ liệu (từ 64 B đến 4 KB) dùng để lưu các hằng số hiệu chuẩn, các bảng tham số, lưu trữ trạng thái, và các mật mã có thể được viết bởi các chương trình cơ sở bên cạnh SRAM chuẩn (từ 32 B đến 4 KB).

Phạm vi của các thiết bị ngoại vi là rất rộng lớn. Mọi chip đều có các chân I/O (vào/ra) hai hướng kết hợp các cổng 8 bit, nhưng chúng thường có chức năng xen kẽ. Một vài chíp có thể đặt một mức đầu vào (TTL, MOS, hay trigger Schmitt) và tăng hoặc giảm các nguồn dòng. Các bộ điều khiển đầu ra thay đổi theo collector hở mạch, hoặc đầu ra 3 trạng thái và các dòng lớn nhất.

Ít nhất một bộ định thời/bộ đếm 8 bít (thường được cung cấp với bộ đếm gộp trước) sẽ đếm các sự kiện bên ngoài (các xung tùy chọn từ một cảm biến vị trí) hoặc từ các bộ định thời bên trong, để đo các khoảng thời gian, và tạo định kỳ một ngắt hay tốc độ baud thay đổi cho truyền thông nối tiếp. Các bộ đếm 16 bit và các thanh ghi thích hợp thông thường dựa trên các bộ bắt để lưu trữ thời gian của các đột biến đầu vào hoặc so sánh các bộ phận để tạo các đột biến đầu ra như là trạng thái điều khiển động cơ bước hay tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation - Điều chế độ rộng xung). Một bộ đếm thời gian thực (RTC - real-time counter) đại diện cho một loại bộ đếm đặc biệt có thể chạy thậm chí trong chế độ sleep. Một hay hai giao diện nối tiếp đồng bộ tùy chọn và không đồng bộ (UART/USART) truyền thông với một máy tính chủ trong khi các giao diện nối tiếp khác như SPI, CAN, và I2C điều khiển các chíp chuyên dụng khác được dùng trong thiết bị hay hệ thống.

Hầu hết các họ vi điều khiển có những thành viên được xây dựng với một bộ chuyển đổi A/D và một bộ dồn kênh các đầu vào đơn cuối. Dải đầu vào thường là đơn cực và bằng với điện áp nguồn hay ít khi bằng điện áp trên chíp. Thời gian chuyển đổi được tính bằng nguyên lý xấp xỉ liên tiếp của ADC và số bit có hiệu dụng (ENOB-effective number of bits) thường không tới độ phân giải danh nghĩa 8, 10, hay 12 bit.

Có các mạch giao diện đặc biệt khác, như dãy cổng khả trình phạm vi (FPGA – Field Programmable Gate Array), có thể được định hình như một mạch số tùy ý.

Chương trình cơ sở của bộ vi điều khiển thường được lập trình trong một hợp ngữ hoặc trong ngôn ngữ C. Nhiều công cụ phần mềm, bao gồm cả các bộ mô phỏng chip, có sẵn miễn phí trên trang web của các nhà sản xuất chip hay các công ty hỗ trợ thứ 3. Một môi trường phát triển tích hợp chuyên nghiệp và phần cứng gỡ rối (bộ mô phỏng bằng mạch) là rất đắt (cỡ hàng nghìn đôla). Tuy nhiên, việc dùng linh hoạt một bộ mô phỏng ROM rẻ trong một hệ thống vi xử lý hay một vòng phát triển từng bước dùng một bộ chương trình ISP của bộ vi xử lý nhanh có thể phát triển khá tốt các ứng dụng phức tạp.

4.5        Các bộ điều khiển logic khả trình

Một bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển dựa trên vi xử lý được thiết kế cho các cài đặt công nghiệp (vỏ bọc, thiết bị đầu cuối, chịu ảnh hưởng môi trường, chấp nhận lỗi) trong một bảng ngắt công suất để điều khiển máy móc hay một quá trình công nghiệp. Nó bao gồm một CPU với các bộ nhớ và một giao diện I/O đặt trong một hộp hoặc trong các mô-đun được chốt trong một cơ cấu và được nối với các kênh riêng. Hộp này bắt đầu với khoảng 16 giao diện I/O, trong khi thiết kế mô-đun có thể có hàng ngàn giao diện I/O. Các đầu vào độc lập thường chấp nhận mức logic công nghiệp, điện áp 24 V DC hay AC mang lưới, trong khi các đầu ra thường được cung cấp hoặc với các công tắc trạng thái hoàn toàn độc lập (24 V cho các van hoặc công tắc sôlênôit) hoặc với các rơ-le. Các bảng đầu vít cho phép nối ghép dễ dàng, cái mà được ưa thích trong các PLC để mắc chúng với các hệ thống cần điều khiển. Các mức logic I/O có thể hiển thị với đèn LED gần thiết bị đầu cuối.

Khi các PLC được dùng thường xuyên thay thế các rơ-le, chúng thực hiện các phép toán Boolean (bit, logic) và các chức năng định thời/đếm (thiết bị tự động trạng thái hữu hạn). I/O tương tự, số nguyên hoặc số dấu phẩy động, các đầu ra PWM, và RTC được bổ sung trong các PLC hiện đại. Một PLC hoạt động bởi một chương trình được quét liên tục, như mã máy, được dịch bởi một bộ vi xử lý nhúng (CPU). Thời gian quét là thời gian để kiểm tra trạng thái đầu vào, để thực hiện tất cả các nhánh (tất cả các nấc thang riêng biệt của một biểu đồ bậc thang) của một chương trình bằng cách dùng các biến số bit bên trong (biến trạng thái), và để cập nhật các trạng thái đầu ra. Thời gian quét là độc lập với độ phức tạp của chương trình (cỡ hàng mili giây hoặc hàng chục ms). Thao tác quét tiếp theo liền ngay thao tác trước (chạy tự do) hoặc bắt đầu một cách định kỳ.

Ngôn ngữ lập trình cho các PLC được miêu tả trong chuẩn IEC-1131-3:

LD – biểu đồ bậc thang (xem hình 4.5)

IL – danh sách lệnh (một chương trình hợp ngữ)

SFC – biểu đồ chức năng dãy (thường được gọi bằng cái tên riêng GRAFCET)

ST – văn bản có cấu trúc (tương tự một ngôn ngữ bậc cao)

FBD – sơ đồ khối chức năng

HÌNH 4.5 Ví dụ về biểu đồ bậc thang PLC: 000.xx/010.xx – nhóm địa chỉ của đầu vào/đầu ra, TIM000 – bộ định thời trễ 5 s, 000.00 – đầu vào mở tiếp xúc thông thường, 000.02 – đầu vào đóng tiếp xúc thông thường

Các PLC được lập trình dùng các công cụ dịch chéo và gỡ lỗi chạy trên một PC hay với các thiết bị lập trình (thường dùng với IL), cả hai được nối bằng một đường nối tiếp. Các bảng điều khiển từ xa có thể được dùng như một giao diện người – máy. Một khái niệm thay thế mới (được gọi là SoftPLC) bao gồm các mô-đun I/O giống như PLC được điều khiển bởi một máy tính PC công nghiệp, có sẵn một bảng điều khiển cảm ứng.

4.6        Truyền thông số

Truyền thông giữa các hệ cơ điện tử đóng một vai trò quan trọng khi thực hiện các ứng dụng, cả các cấu hình cố định và linh hoạt (một ô tô, một hệ thống hi-fi, một dây chuyền sản xuất cố định và một thiết bị linh hoạt, một mạng pico không dây của các thiết bị máy tính ngoại vi). Rõ ràng rằng truyền thông số phụ thuộc vào mục đích của các nhà thiết kế với số lượng dữ liệu cần truyền, khoảng cách giữa các hệ thống, và các yêu cầu về độ tin cậy và an toàn của dữ liệu.

Tín hiệu được biểu diễn bởi sự thay đổi của biên độ, tần số, hay pha. Nó được thực hiện bởi sự thay đổi điện áp/dòng điện trong các dây kim loại hoặc bởi các sóng điện từ, cả trong truyền vô tuyến và truyền tia hồng ngoại (hoặc “không dây” cho các khoảng cách ngắn hoặc cáp quang cho các khoảng cách khá dài). Tốc độ dữ liệu và độ rộng dải thay đổi từ 300 b/s (máy telex), 3,4 kHz (điện thoại), 144 kb/s (ISDN) đến hàng chục Mb/s (ADSL) trên một dây kim loại (đường thuê bao), lên tới 100 Mb/s trên cáp xoắn (LAN), khoảng 30 – 100 MHz trên một kênh vi sóng, 1 GHz trên 1 cáp đồng trục (mạng cáp liên tỉnh, cáp TV), và lên tới hàng chục Gb/s cho một cáp quang (mạng xương sống).

Việc truyền dữ liệu dùng các phương pháp phức tạp như điều chế số, nén dữ liệu, và bảo vệ dữ liệu chống lại việc mất mát do nhiễu, méo tín hiệu và đứt mạch. Các giao thức chuẩn đa lớp (mô hình tham chiếu 7 lớp ISO/OSI hay nhóm các giao thức 4 lớp dùng cho Internet bao gồm cả giao thức TCP/IP nổi tiếng), “phần cứng đến đâu, phần mềm thực hiện đến đó”, thuận tiện cho việc giao tiếp giữa các hệ thống truyền thông. Chúng không chỉ đặt kết nối trên một tốc độ chấp nhận được, kiểm tra việc truyền dữ liệu, định dạng và nén dữ liệu, mà còn có thể tạo sự thông suốt truyền thông cho một ứng dụng. Ví dụ, không có sự khác nhau có thể thấy giữa các nguồn dữ liệu từ xa và địa phương. Một ví dụ về khái niệm truyền thông đa lớp được minh họa trên hình 4.6.

HÌNH 4.6 Ví dụ về truyền thông đa lớp

Phụ thuộc vào số lượng người dùng, truyền thông được thực hiện theo kiểu điểm tới điểm (RS – 232C từ cổng PC COM tới một thiết bị), điểm tới nhiều điểm (các kênh, các mạng), hoặc thậm chí như một đài phát (radio). Dữ liệu được truyền bằng cách dùng kết nối kiểu chuyển mạch (mạng điện thoại) hoặc chuyển mạch dạng gói (mạng máy tính, ATM). Truyền hai chiều có thể là song công hoàn toàn (điện thoại, RS – 232C) hoặc bán song công (hầu hết các mạng số). Liên quan tới kiểu kết nối, một kết nối hình sao hay một kết nối hình cây dùng một thiết bị (“chủ”) quản lý truyền thông tại nút chính. Một kết nối vòng thường yêu cầu phương pháp Token Passing và một truyền thông bus được điều khiển bởi các phương pháp khác nhau như phương pháp chung Master-Slave, với hoặc không với Token Passing, hoặc dùng một truy cập không xác định (CSMA/CD trong Ethernet).

Một cổng LPT PC, SCSI cho các thiết bị ngoại vi của máy tính, và GPIB (IEEE-488) cho các thiết bị dùng truyền thông song song (thường 8 bit) cho phép các khoảng cách ngắn (cỡ mét). RS-232C, RS-485, I2C, SPI, USB, và fireware (IEEE-1394) tương ứng với truyền thông nối tiếp, một vài trong số đó có thể dùng cho khoảng cách dài (tới 1 km). Truyền thông nối tiếp có thể thực hiện không đồng bộ bằng cách dùng các bit bắt đầu và kết thúc trong khung truyền hoặc đồng bộ bằng cách dùng bit đồng bộ kèm theo, nếu cần thiết. Cả mức điện áp đơn cực và lưỡng cực đều được dùng để điều khiển hoặc các đường không cân bằng (LPT, GPIB đối với RS-232C) hoặc các đường cáp xoắn cân bằng (CAN đối với RS-422, RS-485).

5 

Giới thiệu về công nghệ

micro và nano

Michael Goldfard

Đại học Vanderbilt

Eric J. Barth

Đại học Vanderbilt

Alvin Strauss

Đại học Vanderbilt

5.1..... Giới thiệu. 5-1

5.2..... Vi cơ cấu chấp hành. 5-3

5.3..... Vi cảm biến. 5-7

5.4..... Máy nano. 5-10

5.1        Giới thiệu

Xuất phát từ quá trình phát triển của công nghệ chế tạo vi điện tử, các thiết bị cỡ micro thường được phân loại không chỉ theo kích thước của chúng mà còn theo cấu tạo và  cách sản xuất. Nói chung công nghệ nano được xem là có phạm vi từ những thiết bị cỡ micro nhỏ nhất xuống đến các thiết bị cỡ phân tử là tổ hợp của các phân tử đơn lẻ. Do có sự chồng chéo lên nhau của các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS – MicroElectroMechanical Systems) và các hệ thống nano hay công nghệ nano nên có sự chia sẻ một tập hợp các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật chung, duy nhất từ các hệ thống kỹ thuật thông thường khác. Có 2 nhân tố chính để phân biệt sự tồn tại, tính hiệu quả và sự phát triển của các bộ chuyển đổi cỡ micro và nano với các bộ biến đổi bình thường. Thứ nhất là kích thước vật lý và thứ hai là qui trình và công nghệ sản xuất. Nhân tố thứ nhất bị chi phối bởi các định luật vật lý và như vậy nó là nhân tố cơ bản trong khi nhân tố thứ 2 liên quan tới sự phát triển công nghệ sản xuất, là một nhân tố quan trọng, mặc dầu không phải là chủ yếu. Nhờ sự kết hợp các nhân tố này, các bộ chuyển đổi thường không thể chế tạo bằng cách giảm kích thước hình học các bộ chuyển đổi thông thường.

Kích thước vật lý

Các lực tác động đến các thiết bị cỡ micro khác các thiết bị tương tự cỡ thường. Đó là vì kích thước một hệ thống vật lý sự ảnh hưởng đáng kể tới các hiện tượng vật lý là cái quyết định ứng xử động lực học của hệ thống này. Ví dụ, các hệ thống kích thước lớn bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi các hiệu ứng quán tính so với các hệ thống kích thước nhỏ, trong khi các hệ thống nhỏ lại bị tác động nhiều hơn bởi các hiệu ứng bề mặt. Hiện tượng các con côn trùng nhỏ có thể đứng trên bề mặt nước phẳng nhờ sức căng bề mặt là một ví dụ. Sức căng bề mặt đó cũng xuất hiện khi con người tiếp xúc với nước nhưng với kích thích của con người, các lực liên kết thường không đáng kể. Thế giới mà trong đó con người đang sống bị chi phối bởi các lực giống với thế giới mà các con côn trùng đang sống, nhưng các lực này tồn tại theo các tỷ lệ rất khác nhau. Vì trong thực tế, nói chung các lực quán tính thường tỷ lệ với thể tích, và các lực bề mặt thường tỷ lệ với diện tích bề mặt. Do thể tích thay đổi với lũy thừa bậc 3 của độ dài và diện tích với lũy thừa bậc 2 nên với cùng hình dáng thì các vật nhỏ hơn có tỉ lệ diện tích bề mặt lớn hơn các vật lớn.

Các mối quan hệ tỉ lệ chính xác cho các dạng lực khác nhau có thể nhận được bằng việc kết hợp chặt chẽ các kỹ thuật phân tích thứ nguyên [1-5]. Ví dụ, các lực quán tính có thể được biểu diễn theo kích thước như sau , ở đây  là lực quán tính tổng quát,  là tỷ trọng của một vật, L là độ dài tổng quát, và x là dịch chuyển. Mối quan hệ này hình thành một nhóm không thứ nguyên đơn, được cho bởi:

Với sự đồng dạng hình học và động học, quan hệ tỉ lệ có thể được biểu diễn như sau:

                                                                 ,        

ở đây L là độ dài, x là động học, t là thời gian, chỉ số 0 là chỉ hệ ban đầu, và chỉ số s biểu thị hệ  đã biến đổi. Do sự đồng dạng vật lý yêu cầu nhóm không thứ nguyên (P) không thay đổi giữa các kích thước, nên mối liên hệ lực được cho bởi , với giả thiết rằng đặc tính tập trung (tỷ trọng) không đổi (tức là, ). Lực quán tính vì thế  tỷ lệ theo hệ số, ở đây N là hệ số tỷ lệ hình học. Ngược lại, một hệ quán tính  có kích thước nhỏ hơn với hệ số N, lực yêu  để tạo ra một gia tốc tương đương là nhỏ hơn  với hệ số . Một phân tích đồng dạng chỉ ra rằng các lực nhớt  tỷ lệ theo hệ số N2 (với độ nhớt  không đổi), và các lực đàn hồi  tỷ lệ N2  (với suất đàn hồi E không đổi). Do đó, với cùng hình dáng hình học thì lực quán tính của hệ có kích thước nhỏ hơn sẽ có vai trò không đáng kế so với lực nhớt và lực đàn hồi.

Cơ chế chung của sự chuyển đổi điện-cơ

Cơ chế chủ yếu cho cảm biến và chấp hành là sự chuyển đổi năng lượng. Các dạng cơ bản của sự chuyển đổi điện – cơ vật lý có thể được nhóm thành 2 loại. Loại thứ nhất là chuyển đổi đa thành phần, họat động dựa trên sự tương tác không tiếp xúc giữa các vật. Loại thứ hai là các chuyển đổi hoạt động dựa trên sự biến dạng hay còn gọi là chuyển đổi bán dẫn, loại chuyển đổi này sử dụng các đặc tính kết cấu của vật (ví dụ như sự thay đổi pha của tinh thể thạch anh hoặc sự liên kết lưỡng cực phân tử). Loại thứ nhất gồm có chuyển đổi  điện–từ dựa trên phương trình Lorentz và định luật Faraday, và tương tác tĩnh điện  dựa trên định luật Coulomb. Loại thứ hai gồm có các hiệu ứng áp điện, hợp kim nhớ thù hình, và các vật liệu từ giảo, điện giảo và quang giảo. Mặc dù vậy các vật liệu với những đặc tính như trên mới chỉ xuất hiện  trong một số ít các ứng dụng nghiên cứu, còn sự phát triển của các hệ thống cỡ micro hiện nay bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự ứng dụng các tương tác tĩnh điện và điện–từ. Với tầm quan trọng của chúng, chuyển đổi tĩnh điện và điện–từ sẽ được giới thiệu trong các phần tiếp theo.

Các đặc tính chuyển đổi cảm biến và cơ cấu chấp hành

Các đặc tính liên quan cho cả công nghệ vi cảm biến và vi cơ cấu chấp hành là khả năng lặp lại, khả năng chế tạo ở kích thước nhỏ, sự loại trừ các ảnh hưởng không cần thiết, dải thông thích hợp và nếu có thể, cả tính tuyến tính. Các đặc tính riêng liên quan tới vi cơ cấu chấp hành là lực có thể thực hiện, dịch chuyển, công suất, dải thông (hay tốc độ phản ứng), và hiệu suất. Các đặc tính riêng liên quan tới vi cảm biến là độ phân giải cao và khả năng loại bỏ hiện tượng trễ và trôi.

5.2        Vi cơ cấu chấp hành

Chấp hành tĩnh điện

Các cơ cấu chấp hành đa thành phần được dùng rộng rãi nhất là những cơ cấu dựa trên chuyển đổi tĩnh điện. Những cơ cấu chấp hành này cũng có thể được coi như một loại điện dung thay đổi, bởi chúng hoạt động giống như các cơ cấu chấp hành điện-từ kiểu từ trở biến thiên. (ví dụ, các động cơ bước từ trở biến thiên). Các cơ cấu chấp hành tĩnh điện được phát triển cả dạng  chuyển động thẳng và dạng quay. Hai  dạng phổ biến nhất của cơ cấu chấp hành tĩnh điện chuyển động thẳng là loại truyền động vuông góc và loại tiếp tuyến hay còn gọi là loại truyền động dạng lược, được minh họa trên hình 5.1 và 5.2. Chú ý rằng cả hai loại cơ cấu chấp hành đều được treo bởi cơ cấu uốn và như vậy lực đầu ra bằng lực chấp hành tĩnh điện trừ đi lực đàn hồi dùng để bù việc treo uốn. Loại truyền động vuông góc của vi cơ cấu chấp hành tĩnh điện hoạt động giống như một cái micro dạng tụ. Với dạng truyền động này, lực chấp hành được cho bởi:

ở đây A là tổng diện tích của các bề mặt song song,  là hằng số điện môi của không khí, v là điện áp giữa các bề mặt và x là khoảng cách giữa các bề mặt. Lực chấp hành của truyền động dạng lược được cho bởi

ở đây w là độ rộng của các bề mặt,  là hằng số điện môi của không khí, v là điện áp giữa các  bề mặt, và d là khoảng cách giữa các bề mặt. Sự nghiên cứu thứ nguyên của 2 mối liên hệ này chỉ ra rằng lực là độc lập với hệ số tỷ lệ hình học và động học,  với một cơ cấu chấp hành tĩnh điện được làm giảm về hình học và động học bởi hệ số N thì lực sinh ra bởi cơ cấu chấp hành này trước và sau khi giảm  là như nhau. Vì các lực liên quan đến hầu hết các hiện tượng vật lý khác đều giảm đáng kể ở kích thước nhỏ, nên các lực tĩnh điện ở cỡ micro là tương đối lớn so với các lực khác. Sự quan sát này được minh họa rõ ràng bởi thực tế là tất cả các lực liên kết phân tử có bản chất là lực tĩnh điện và như vậy sức bền của tất cả vật liệu là kết quả của các lực tĩnh điện [6].

HÌNH 5.1 Sơ đồ cơ cấu chấp hành tĩnh điện truyền động vuông góc

HÌNH 5.2 Cơ cấu chấp hành truyền động dạng lược. Khi được nạp năng lượng điện cực sẽ chuyển động về phía trước

Lực đạt được lớn nhất của các cơ cấu chấp hành tĩnh điện đa thành phần bị giới hạn bởi sự đánh thủng điện môi của không khí, hiện tượng này xảy ra trong không khi khô  tại giá trị 0.8 x 106 V/m. Fearing [7] xác định rằng giới hạn trên của lực được tạo ra bởi  chấp hành tĩnh điện là xấp xỉ 10 N/cm2. Do các truyền động tĩnh điện không có bất kỳ động lực học chấp hành đáng kể nào, và do quán tính của phần tử chuyển động thường nhỏ, nên dải thông chấp hành thường khá rộng, cỡ 1 kHz.

Hành trình chuyển động đạt được lớn nhất của các cơ cấu chấp hành dạng vuông góc bị giới hạn bởi vùng đàn hồi của cơ cấu treo uốn và ngoài ra còn bởi sự phụ thuộc của lực chấp hành vào khoảng cách giữa các bề mặt, như đã trình bày trong các phương trình ở trên. Theo Fearing, một hành trình tiêu biểu cho một cơ cấu chấp hành dạng vuông góc được vi gia công bề mặt vào khoảng 2 micro mét. Có thể tăng độ dịch chuyển  bằng cách dùng một dãy các cơ cấp chấp hành tĩnh điện dạng vuông góc, như đề xuất của Bobbio [8,9].

Hành trình chuyển động tiêu biểu của một cơ cấu chấp hành dạng lược được vi gia công bề mặt là khoảng một vài micro mét, thậm chí có thể ít hơn. Hành trình đạt được lớn nhất trong một truyền động dạng lược bị giới hạn chủ yếu bởi tính cơ học của hệ thống treo uốn. Hệ thống treo nên có chiều trùng với chiều tác động để làm tăng khả năng dịch chuyển, nhưng  độ cứng theo phương vuông góc với hướng này phải đủ lớn nhằm tránh các bản mặt song song chạm vào nhau do sự không thẳng hàng. Tuy nhiên, khi sự đồng nhất giữa chiều của hệ thống treo và chiều chuyển động tăng lên thì độ cứng theo chiều trực giao sẽ bị giảm. Ngoài ra, để tăng độ dịch chuyển thì phải tăng khoảng cách giữa các bề mặt, tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tổng lực.

Loại phổ biến nhất của các cơ cấu chấp hành tĩnh điện quay là động cơ điện dung biến đổi và động cơ truyền động điều hòa (hay còn gọi là động cơ truyền động rung), được minh họa lần lượt trên hình 5.3 và 5.4. Hai động cơ này hoạt động theo nguyên tắc giống như cơ cấu chấp hành tuyến tính truyền động dạng lược. Động cơ điện dung biến đổi được đặc trưng bởi khả năng hoạt động tốc độ cao, mô men thấp. Để có được mức mô men thích hợp cho hầu hết các ứng dụng thì cần phải có một số dạng truyền động vi cơ khí đặc biệt, tuy nhiên hiện nay vẫn chưa có những loại truyền động này. Rô-to của động cơ rung hoạt động bằng cách quay quanh stato, tạo ra một truyền động tự điều hòa và do đó tạo ra  một tỷ số truyền lớn  (khoảng vài trăm lần). Chú ý rằng rô-to phải được cách ly tốt để quay quanh stato mà không có tiếp xúc điện. Nhược điểm của loại cơ cấu chấp hành này là chuyển động của rô-to không đồng tâm với stato, điều này làm cho việc ghép tải vào một vi trục trở nên khó khăn hơn.

Các ví dụ về các cơ cấu chấp hành tĩnh điện tuyến tính dạng vuông góc được đưa ra bởi Bobbio [8,9] và Yamaguchi [10]. Các ví dụ về cơ cấu chấp hành tĩnh điện truyền động dạng lược được đưa ra bởi Kim [11] và Matsubara [12], những cơ cấu chấp hành loại này nhưng có  kích thước lớn hơn được giới thiệu bởi Niino [13]. Các ví dụ về động cơ tĩnh điện quay điện dung biến thiên được đưa ra bởi Huang [14], Mehragany [15], và Trimmer và Gabriel [16]. Các ví dụ về động cơ truyền động điều hòa được đưa ra bởi Mahragany [17,18], Price [19], Trimmer và Jebens [20,21], và Furuhata [22]. Các vi cơ cấu chấp hành tĩnh điện vẫn còn là một chủ đề trong nghiên cứu và phát triển, và như thế hiện nay chưa có mặt trên thị trường.

HÌNH 5.3 Động cơ tĩnh điện dạng điện dung thay đổi. Các cặp điện cực đối diện được lần lượt nạp năng lượng để làm quay rôto

HÌNH 5.4 Động cơ tĩnh điện dạng truyền động điều hòa. Các điện cực kề liền được lần lượt nạp năng lượng làm quay rôto (được cách ly) quanh stato

Chấp hành điện-từ

Chấp hành điện-từ kích thước micro không có nhiều như ở kích thước thông thường. Có thể một phần do sự hoài nghi gần đây về phạm vi của các lực từ, và một phần do những khó khăn trong việc chế tạo theo bản sao của các thiết kế kích thước thường. Hầu hết các chuyển đổi điện từ dựa trên một dây dẫn mang điện trong một từ trường, được mô tả bằng phương trình Lorentz:

ở đây F là lực trên dây dẫn, I là dòng điện trong dây dẫn, l là chiều dài dây dẫn, và B là mật độ từ thông. Trong mối liên hệ này, mật độ từ thông là một biến số tập trung và như vậy (với vật liệu đã cho) không đổi với thang đo. Tuy nhiên, xác định dòng điện cũng không đơn giản. Điện trở của dây được cho bởi

ở đây  là suất điện trở của dây (một biến số tập trung), l là chiều dài, và A là diện tích tiết diện ngang. Nếu một dây có kích thước hình học giảm dần bởi hệ số N, điện trở sẽ tăng dần bởi hệ số N. Do công suất tiêu hao trên dây là I2R, giả thiết dòng điện không đổi, suy ra công suất tiêu hao trên dây hình dáng nhỏ hơn sẽ tăng dần theo hệ số N. Giả sử tiêu hao công suất lớn nhất với một dây đã cho được xác định bởi diện tích bề mặt của dây, một dây nhỏ hơn bởi hệ số N sẽ có thể làm tiêu hao công suất với hệ số N2. Do đó tiêu hao công suất của dòng điện không đổi là rất nhỏ. Một giả thiết tốt hơn là dòng điện lớn nhất bị giới hạn bởi tiêu hao công suất lớn nhất, và công suất  phụ thuộc vào diện tích bề mặt của dây. Nếu một dây dẫn nhỏ đi với hệ số N  thì tiêu hao công suất sẽ giảm đi với hệ số N2, do đó dòng điện trong dây dẫn sẽ giảm với hệ số N3/2. Đưa kết luận này vào phương trình Lorentz ta sẽ thấy rằng nếu một cơ cấu chấp hành điện-từ nhỏ hơn về hình học bởi hệ số N  thì lực tác động sẽ nhỏ hơn với hệ số N5/2. Trimmer và Jebens đã đưa ra một phân tích tương tự, và chứng minh rằng các lực điện-từ tỷ lệ với hệ số N2 khi gia thiết nhiệt độ tăng với tốc độ không đổi trong dây, N5/2 khi giả thiết luồng (được miêu tả ở trên) nhiệt (công suất) không đổi, và N3 khi giả thiết mật độ dòng điện không đổi [23,24]. Trong bất kỳ trường hợp nào, việc xác định các lực điện-từ đều không thuận lợi bằng việc xác định lực tĩnh điện. Mặc dù vậy, chấp hành điện-từ vẫn được sử dụng trong các vi chấp hành, và hầu hết có thể xác định thuận lợi hơn các lực quán tính hay trọng lực.

HÌNH 5.5 Sơ đồ vi cuộn dây được vi gia công bề mặt dùng cho chấp hành điện từ

HÌNH 5.6 Dãy vi cuộn dây với sự định vị phẳng của một vi nam châm vĩnh cửu, được Inoue và các cộng sự [25] mô tả. Mỗi cuộn dây sinh ra một từ trường hút hoặc đẩy nam châm vĩnh cửu được xác định bởi hướng của dòng điện. Nam châm không bay lên mà trượt trên bề mặt cách ly

HÌNH 5.7 Nắp gập vi cuộn dây được mô tả bởi Liu và các cộng sự [26]. Tương tác giữa cuộn dây được nạp năng lượng và nam châm điện cố định làm cong nắp gập lên trên hoặc xuống dưới, phụ thuộc vào hướng của dòng điện chạy trong vi cuộn dây

Các tiếp cận kiểu Lorentz với vi chấp hành sử dụng các vi cuộn dây được vi gia công bề mặt, như thấy trên hình 5.5. Một cấu hình của cách tiếp cận này được thấy trong cơ cấu chấp hành của Inoue [25], sử dụng điều khiển dòng điện trong một dãy các vi cuộn dây nhằm định vị một vi nam châm vĩnh cửu trên một bản mặt, như minh họa trên hình 5.6. Một cách tiếp cận kiểu Lorentz khác được minh họa bởi Liu [26], sử dụng điều khiển dòng điện của một nắp gập vi cuộn dây  trong một từ trường ngoài không đổi để thay đổi độ lệch của nắp gập, như thấy trên hình 5.7. Theo Liu  thì độ lệch có thể lên tới 500 μm và một dải thông xấp xỉ 1000 Hz [26]. Các ví dụ khác của các cơ cấu chấp hành không quay dạng Lorentz là của Shinozawa [27], Wagner và Benecke [28], và Yanagisawa [29]. Judy [30] đã giới thiệu  một cách tiếp cận từ tính hoàn toàn (tức là cơ bản không điện-từ), thực chất là tác động vào một vi nam châm vĩnh cửu treo-uốn bằng cách điều khiển từ trường bên ngoài.

Ahn [31] và Guckel [32] đều đã đưa ra các vi động cơ điện-từ loại điện dung biến thiên quay phẳng. Phương pháp từ trở biến thiên có nhiều ưu điểm hơn vì rô-to không yêu cầu đảo mạch và không cần phải là nam châm. Động cơ của Ahn kết hợp một stato 12 cực và một rô-to 10 cực, trong khi động cơ của Guckel sử dụng một stato 6 cực và một rô-to 4 cực. Cả 2 rô-to kết hợp đều có đường kính xấp xỉ 500 μm. Guckel báo cáo rằng tốc độ động cơ trên 30,000 vòng/phút, và Ahn xác định mô mem hãm lớn nhất là 1.2 μN.m. Cũng giống như các vi cơ cấu chấp hành tĩnh điện, các cơ cấu chấp hành điện-từ vi chế tạo cũng đang được nghiên cứu và phát triển, do đó hiện nay chưa có mặt trên thị trường.

5.3        Vi cảm biến

Do các vi cảm biến không truyền công suất, nên việc xác định lực là không quan trọng. Với cảm biến kích thước thông thường, các chỉ số chất lượng cần quan tâm là độ phân giải cao, không có trôi và trễ, đạt được một độ rộng dải đủ, và giảm thiểu các ảnh hưởng bên ngoài đến  quá trình đo.

Các vi cảm biến thường dựa vào đo lường biến dạng cơ học, đo lường dịch chuyển cơ học hoặc trên đo lường tần số cộng hưởng cấu trúc. Hai dạng đầu có bản chất là đo lường tương tự, trong khi dạng sau có bản chất là đo lường dạng nhị phân, bởi đại lượng cần đo  thường là tần số dao động. Do các cảm biến loại cộng hưởng đo lường tần số thay vì biên độ,  nên chúng ít  bị ảnh hưởng của nhiễu và như vậy độ phân giải của phép đo thường lớn hơn. Theo Guckel, cảm biến cộng hưởng có độ phân giải gấp một trăm lần cảm biến tương tự [33]. Tuy nhiên, chúng cũng phức tạp hơn và thường khó chế tạo hơn.

Dạng nguyên bản của đo lường trên cơ sở biến dạng là áp trở, trong khi phương pháp cơ bản để đo độ dịch chuyển là điện dung. Các cảm biến cộng hưởng yêu cầu phải có phương  pháp kích thích cấu trúc và phương pháp phát hiện tần số cộng hưởng. Nhiều phương pháp chuyển đổi đã được sử dụng kết hợp cho các mục đích này, bao gồm kích thích tĩnh điện, dò điện dung, kích thích và phát hiện từ tính, kích thích nhiệt, và dò quang học.

Biến dạng

Nhiều vi cảm biến dựa trên đo lường biến dạng.  Một cách thức cơ bản của đo lường biến dạng là qua biến dạng kế áp trở, là một dạng đo lường tương tự. Các biến dạng kế áp trở, hay còn gọi là thiết bị đo bán dẫn, thay đổi điện trở tương ứng với một biến dạng cơ học. Chú ý rằng các vật liệu áp điện cũng có thể được sử dụng để đo biến dạng. Nhớ rằng biến dạng cơ học sẽ gây ra một sự tích điện trong một vật liệu áp điện. Vấn đề cơ bản của việc dùng vật liệu áp điện là mạch đo bị giới hạn trở kháng, nên điện áp được tạo ra từ biến dạng cơ học sẽ dần dần yếu đi thông qua trở kháng đo. Ngược lại, sự thay đổi điện trở của một vật liệu áp điện là ổn định và có thể đo được dễ dàng với các tín hiệu ra ổn định. Tuy nhiên, một vấn đề với các vật liệu áp điện là độ biến dạng của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, và do đó thường phải bù nhiệt.

Một dạng khác của bộ áp trở bán dẫn là biến dạng kế cộng hưởng của Ikeda, nó cung cấp một dạng đo lường dựa trên tần số mà ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu [34]. Biến dạng kế cộng hưởng là một cái dầm được treo nhẹ trên một bộ phận biến dạng và dính với nó tại các điểm đầu. Dầm biến dạng kế được kích thích một cách từ tính bằng các xung, và tần số dao động được phát hiện bởi một mạch dò từ tính. Khi dầm bị kéo dãn bởi lực biến dạng cơ học, tần số dao động sẽ tăng. Các cảm biến này có độ phân giải cao hơn các bộ điện áp thông thường và có hệ số nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, các cảm biến cộng hưởng yêu cầu một công nghệ chế tạo 3 chiều phức tạp, không giống như các bộ áp điện thông thường chỉ yêu cầu công nghệ trên mặt phẳng.

Áp suất

Một trong những công nghệ vi cảm biến thành công về mặt thương mại nhất là cảm biến áp suất. Các cảm biến áp suất vi gia công bán dẫn hiện trên thị trường có thể đo áp suất từ một đến một vài nghìn kPa, với độ phân giải cỡ 1/10,000. Các cảm biến loại này có một màng làm bằng chất bán dẫn được vi gia công, dưới sự tác động của chất lưu (tức là chất lỏng hoặc chất khí) màng sẽ giãn nở. Dạng đơn giản nhất của những cảm biến áp suất sử dụng các bộ áp trở   nằm ở phần sau của màng để đo sự biến dạng do áp suất gây ra. Các ví dụ về thiết bị này được đưa ra bởi Fujii [35] và Mallon [36]. Một biến thể của dạng này là thiết bị của Ikeda. Thay vì một bộ áp trở để đo biến dạng, Ikeda sử dụng một bộ biến dạng kế cộng hưởng đo và điều khiển bằng điện-từ, như đã miêu tả ở phần trước[37]. Đo lường điện dung cũng là một phương pháp hay được sử dụng, phương pháp này đo điện dung giữa màng và một điện cực được gắn cứng và song song với màng. Một minh họa cho cách tiếp cận này được đưa ra bởi Nagata [38]. Một cách tiếp cận phức tạp hơn cho đo lường áp suất là loại của Stemme và Stemme, dùng cộng hưởng của màng để xác định áp suất [39]. Trong thiết bị này, màng được kích thích điện dung và được xác định bằng quang học. Áp suất tác động tải cơ học lên màng, làm tăng độ cứng và tần số cộng hưởng.

Gia tốc

Một loại vi cảm biến khác cũng thành công về mặt thương mại là gia tốc kế vi gia công bán dẫn, mà trong các dạng khác nhau có thể đo các khoảng gia tốc từ dưới 1 đến 1000 m/s2 (nghĩa là tới vài trăm g’s), với độ phân giải cỡ 1/10.000. Các cảm biến này  sử dụng một khối  có khả năng chịu được sự treo uốn và được vi gia công. Lực quán tính gây ra bởi gia tốc sẽ làm chỗ treo uốn thay đổi. Một phương pháp đo độ uốn là dùng các biến dạng kế áp trở gắn trên các chỗ uốn. Nhược điểm cơ bản của cách tiếp cận này là độ nhạy nhiệt của bộ đo áp trở. Một cách khác để đo độ uốn là sử dụng phương pháp đo điện dung. Trong các thiết bị này, điện dung được đo giữa khối được treo uốn  và một điện cực được gắn cứng và song song với nó. Các ví dụ của cách tiếp cận này được đưa ra bởi Boxenhorn và Greiff [40], Leuthold và Rudolf [41], và Seidel [42]. Một cách khác để đo lực quán tính trên khối được treo uốn  là đo tần số cộng hưởng ở các chỗ uốn đỡ. Lực quán tính do gia tốc sẽ tác động lên chỗ uốn gây ra biến thiên tần số cộng hưởng của nó. Vì thế, từ tần số dao động có thể đo được gia tốc. Các loại thiết bị này sử dụng một số dạng chuyển đổi để kích thích cộng hưởng cấu trúc của các chỗ uốn đỡ, và sau đó sử dụng các kỹ thuật đo lường khác để tìm ra tấn số dao động. Các ví dụ về loại thiết bị này được đưa ra bởi Chang [43], sử dụng kích thích tĩnh điện và đo điện dung, và đưa ra bởi Satchell và Greenwood [44], sử dụng kích thích nhiệt và đo áp trở. Các loại gia tốc kế này rất phức tạp,  tuy nhiên độ phân giải được cải thiện đáng kể. Một biến thể khác của vi gia tốc kế là dạng cân bằng lực. Dạng thiết bị này đo vị trí của khối được treo uốn (thường bằng các phương pháp điện dung), sử dụng một vòng phản hồi và chấp hành tĩnh điện hoặc điện từ để duy trì độ lệch không của khối. Gia tốc khi đó là hàm của lực chấp hành. Thiết bị này có dải thông rộng và độ nhạy cao, nhưng thường phức tạp hơn và đắt hơn các loại khác. Các ví dụ về thiết bị cân bằng lực được đưa ra bởi Chau và cộng sự [45], Kuehnel và Sherman [46], cả hai đều sử dụng cảm biến điện dung và chấp hành tĩnh điện.

 Lực

Cảm biến lực vi gia công silicon sử dụng các phương pháp đo giống như kiểu cảm biến áp suất và gia tốc kế vi gia công. Những dạng khác nhau của loại cảm biến lực này có thể đo lực trong khoảng từ vài mN đến N, với độ phân giải 1/10000. Cảm biến cơ học thường sử dụng dầm hoặc gối đỡ linh hoạt, chúng bị thay đổi dưới tác động của lực, do đó có thể đo lực thông qua đo độ biến dạng hoặc dịch chuyển (có thể thực hiện bằng các phương pháp áp trở hoặc điện dung). Một vi dụ về dạng thiết bị này là thiết bị của Despont và cộng sự sử dụng để đo lường điện dung [47]. Các thiết bị có độ phân giải cao hơn thường là kiểu dầm cộng hưởng, mà ở đó lực tác dụng tạo tải lên một dầm cộng hưởng dưới dạng sức căng. Sức căng càng tăng thì tần số cộng hưởng càng tăng. Một ví dụ về dạng thiết bị này là thiết bị của Blom và cộng sự [48].

Cảm biến đo vận tốc góc (Con quay hồi chuyển)

Con quay hồi chuyển kích thước thông thường sử dụng khớp nối không gian của hiệu ứng  hồi chuyển dựa trên động lượng góc để đo vận tốc góc. Trong các thiết bị này, một đĩa được quay ở vận tốc cao không đổi quanh trục sơ cấp, sao cho khi đĩa quay quanh trục không thẳng hàng với trục sơ cấp (hoặc trục quay) thì mômen tạo nên hướng trực giao tỷ lệ với vận tốc góc. Các thiết bị này thường được đặt trong khớp các đăng với ổ bi ma sát thấp, kết hợp với động cơ để duy trì vận tốc quay và sử dụng bộ đo ứng suất để đo mô men hồi chuyển (và do đó tính được vận tốc góc). Một thiết kế như vậy có thể không thích hợp cho vi cảm biến do một vài yếu tố, một số trong đó bao gồm hiệu ứng thu nhỏ quán tính (như động lượng) ở kích thước nhỏ, thiếu ổ bi tương xứng, và thiếu động cơ micro thích hợp và thiếu quá trình vi gia công ba chiều phù hợp. Thay vào đó, các vi cảm biến vận tốc góc là dạng dao động kết hợp các hiệu ứng kiểu Coriolis hơn là cơ cấu hồi chuyển dựa trên động lượng góc của thiết bị kích thước thông thường. Gia tốc Coriolis được tạo ra do dịch chuyển tuyến tính trong hệ toạ độ đang quay đối với hệ qui chiếu quán tính. Cụ thể, nếu phần tử trên hình 5.8 đang chuyển động với vận tốc v trong hệ xyz, và nếu hệ xyz quay với vận tốc góc  đối với hệ qui chiếu quán tính XYZ, thì gia tốc Coriolis sẽ có kết quả bằng . Nếu vật có khối lượng m, lực quán tính Coriolis sẽ có kết quả bằng  (dấu trừ bởi vì hướng ngược với). Một con quay hồi chuyển dao động sử dụng hiệu ứng này được minh họa trên hình 5.9. Một khối lượng quán tính treo động được dao động theo chiều x, thường với truyền động dạng răng lược tĩnh điện. Vận tốc góc quanh trục z sẽ tạo ra gia tốc Coriolis và do đó tạo ra lực theo chiều y. Nếu vận tốc góc “bên ngoài” không đổi và vận tốc theo chiều x là hình sin, thì lực Coriolis sinh ra sẽ có hình sin, và khối lượng quán tính treo sẽ dao động theo chiều y với  biên độ tỷ lệ theo vận tốc góc. Chuyển động theo chiều y, thường được đo bằng điện dung, được dùng để tính vận tốc góc. Các ví dụ về kiểu thiết bị này là các thiết bị của Bernstein và cộng sự.[49], Oh và cộng sự [50]. Chú ý rằng mặc dù dao dộng là thành phần chủ yếu của thiết bị này, nhưng chúng không phải là cảm biến cộng hưởng về mặt kỹ thuật, do chúng đo biên độ của dao động hơn là đo tần số.

HÌNH 5.8 Minh họa về gia tốc Coriolis do dịch chuyển trong hệ qui chiếu quay đối với hệ qui chiếu quán tính

HÌNH 5.9 Sơ đồ con quay hồi chuyển dao động

5.4        Máy nano

Máy nano là thiết bị có kích thước từ các thiết bị MEMS nhỏ nhất xuống tới thiết bị được lắp rắp từ những phân tử đơn lẻ [51]. Phần này giới thiệu ngắn gọn các nguồn năng lượng, phân cấp cấu trúc, và tương lai dự kiến của việc chế tạo máy nano. Được xây dựng từ những thành phần cỡ phân tử thực hiện chức năng cơ học riêng biệt, các ứng cử viên của  nguồn năng lượng để khởi động máy nano chỉ có thể là những ứng viên hoạt động ở mức phân tử. Đối với sản xuất, việc lắp ráp các máy nano là hoạt động một phân tử tại một thời điểm. Mặc dù các kỹ thuật kính hiển vi đã được sử dụng cho việc lắp ráp các cấu trúc nano, nhưng việc tự lắp ráp được xem như là phương pháp có thể thực hiện được trong sản xuất hàng khối.

Trong một thiết bị cỡ phân tử, rất nhiều thành phần phân tử được kết hợp với nhau để tạo thành một cấu trúc siêu phân tử, ở đó mỗi thành phần phân tử rời rạc thực hiện một chức năng riêng lẻ. Việc động kết hợp những phân tử riêng lẻ này làm cho thiết bị có khả năng hoạt động và thực thi những chức năng khác nhau. Các thiết bị phân tử cần một nguồn năng lượng để hoạt động. Năng lượng này cơ bản được dùng để kích thích các phân tử thành phần trong thiết bị và do đó năng lượng phải có bản chất hóa học. Năng lượng hoá học có thể nhận được bằng cách thêm các ion hydro, chất oxy hoá, v.v.., bằng cách gây phản ứng hoá học dưới tác động của ánh sáng, hoặc bằng các tác động của dòng điện. Hai phương pháp sử dụng nguồn năng lượng quang hoá và điện hoá được ưa chuộng do chúng không chỉ cung cấp năng lượng cho hoạt động của thiết bị, mà chúng có thể được sử dụng để định vị hoặc điều khiển thiết bị. Ngoài ra, có thể dùng việc biến đổi năng lượng để truyền dữ liệu nhằm thông báo việc thực thi và trạng thái của thiết bị. Một lý do khác cho sự ưu tiên đối với thiết bị phân tử dựa trên quang hóa và điện hoá là khi các thiết bị này cần hoạt động theo chu kỳ thì phản ứng hoá học điều khiển hệ thống phải có tính thuận nghịch. Do các quá trình quang hoá và điện hoá không dẫn tới việc tích trữ sản phẩm phản ứng, nên chúng được ứng dụng trong thiết bị nano.

Thiết bị phân tử được thiết kế hiện nay có khả năng chuyển động và điều khiển bằng phương pháp quang hoá. Một thiết bị là hệ thống khe và chốt cỡ phân tử, và một cái khác là hệ thống piston-xilanh [51]. Việc xây dựng các thiết bị siêu phân tử như thế thuộc về lĩnh vực của những nhà hoá học, những người giỏi về điều khiển phân tử.

Như một sự tiến về kích thước tới mức tiếp theo của máy nano, chúng ta đã có những thiết bị được sản xuất từ (hoặc với) các ống nano carbon vách đơn (SWNT – Single-walled carbon nanotubes) và/hoặc ống nano carbon đa vách (MWNT – Multi-walled carbon nanotubes) với đường kính vài nano mét. Chúng ta sẽ chỉ thảo luận về ống nano carbon (CNT), mặc dù có rất nhiều ống nano được tạo ra từ các vật liệu khác, đặc biệt là bitmut. Độ bền và tính đa dụng của CNT làm cho chúng trở thành một công cụ tốt cho kỹ sư thiết kế vi máy. Chúng có độ dẫn điện cao với khả năng mang dòng điện hàng tỷ ampe trên một centimét vuông. Chúng là bộ phát quang trường tuyệt vời ở điện áp hoạt động thấp. Hơn nữa, CNT phát ra sáng một cách rõ nét và nó tạo ra một lĩnh vực mới hoàn toàn của ứng dụng chụp ảnh giao thoa laze. Suất đàn hồi của CNT là cao nhất của tất cả các vật liệu được biết hiện nay[52]. Các tính chất điện và độ bền cơ học rất cao này làm MWNT trở thành đầu dò kính hiển vi lực nguyên tử. CNT có khả năng được sử dụng như các thiết bị lắp ráp phân tử để chế tạo các máy nano một nguyên tử tại một thời điểm.

Hai ứng dụng công nghệ nano rõ ràng của CNT là ổ bi nano và lò xo nano. Zettl và Cumings [53] đã tạo ra ổ bi tuyến tính và lò xo nano lực không đổi dựa trên MWNT. CNT có thể tạo ra tập hợp cơ bản các khối xây dựng cỡ nano mét, do đó các máy nano với nhiều loại khác nhau có thể được chế tạo. Những máy nano này có thể được sử dụng để lắp ráp các máy nano mà sau đó được dùng để thiết kế máy với các kiểu và kích thước khác nhau. Những máy này có thể cạnh tranh, thậm chí vượt trội so với tất cả thiết bị hiện có.

SWNT cũng có thể được sử dụng như một cơ cấu chấp hành cơ-điện. Baughman và cộng sự [54] đã chứng minh rằng các tấm SWNT sinh ra lực lớn hơn cơ bắp tự nhiên và sức căng lớn hơn sắt từ môđun cao. Người ta dự đoán rằng cơ cấu chấp hành dùng các tấm SWNT có thể cung cấp mật độ công việc trên một chu kỳ cao hơn các cơ cấu chấp hành đã biết. Kim và Lieber [55] đã xây dựng những cái kẹp nano SWNT và MWNT. Những thiết bị cơ-điên cỡ nano này được dùng để thao tác và kiểm tra cấu trúc nano. CNT dẫn điện được gắn vào các điện cực trên vi ống nghiệm thuỷ tinh dạng kéo. Điện áp đặt vào điện cực mở và đóng đầu tự do của CNT. Kim và Lieber đã chứng minh khả năng của kẹp Nano bằng cách tìm và gắp những vật siêu nhỏ và dây cỡ nano. Thiết bị này có thể được dùng để điều khiển tế bào sinh học và thậm chí thao tác với các cơ quan và các cụm tế bào người. Có lẽ, quan trọng hơn, những cái kẹp này có khả năng được sử dụng để lắp ráp những máy nano khác.

Các dạng tay máy cỡ nano khác nhau đã được giới thiệu bởi [56] bao gồm tay máy khí nén có thể được định hình để tạo nên các thiết bị dạng xúc tu, con rắn, hoặc nhiều khoang.Drexler đã chế tạo các tay máy nano có khả năng lồng vào nhau cho các công việc định vị và lắp ráp phân tử chính xác. Tay máy này có dạng hình trụ với đường kính 35 nm và chiều dài có khả năng mở rộng tới 100 nm. Một số tấm Stewart 6 bậc tự do được giới thiệu trong [56],  trong đó có tấm cho phép chiều dài thanh giằng được thay đổi trong phạm vi 100 nm với bước thay đổi là 0.1 nm. Một số các thiết bị nano khác bao gồm gia tốc kế lò xo- hộp, gia tốc kế  dịch chuyển, gia tốc kế hồi chuyển trục đứng và con quay hồi chuyển nano khớp các - đăng  cũng đã được giới thiệu và thiết kế [56].

Hiện nay, rất nhiều hướng nghiên cứu đạng tập trung vào các thiết bị lắp ráp và tự nhân bản cỡ phân tử (Nanorobot tự nhân bản ). Tự lắp ráp là cách duy nhất cho công nghệ nano phát triển theo hướng kỹ thuật và công nghệ. Việc lắp ráp hàng tỷ hoặc hàng nghìn tỷ nguyên tử – một nguyên tử tại một thời điểm có thể là một công việc lớn. Nó cần một sự đầu tư khổng lồ về thiết bị, phòng thí nghiệm và thời gian. Freitas [56] đã mô tả hạ tầng cơ sở cần thiết để chế tạo Nanorobot y tế đơn giản: một tế bào hô hấp hình cầu 1mm bao gồm 18 tỷ nguyên tử. Ông  tính toán rằng để chế tạo được 2 nanorobot trong vòng 10 năm thì cần phải có một dây chuyền sản xuất để triển khai một hệ thống gồm 100 bộ lắp ráp vi kính hiển vi đầu dò quét kích thước micro (SPM), trong đó mỗi bộ lắp ráp có khả năng đặt một nguyên tử trong một giây lên một vùnglắp ráp hội tụ. Nếu như tốc độ chế tạo các bộ lắp ráp thậm chí là số lượng nanorobot được chế tạo trong mỗi phút có tăng lên nhiều lần, thì vẫn phải mất hai triệu năm để xây dựng một cm3 đầu tiên của các nanorobot y học. Bởi vậy, rõ ràng là tương lai của công nghệ nano y học và kỹ thuật nano phải theo hướng tự lắp ráp và tự nhân bản.

Tài liệu tham khảo

[1]            Bridgman, P. W., Dimensional Analysis, 2nd Ed., Yale University Press, 1931.

[2]            Buckingham, E., “On physically similar systems: illustrations of the use of dimensional equations,” Physical Review, 4(4):345–376, 1914.

[3]            Huntley, H. E., Dimensional Analysis, Dover Publications, 1967.

[4]            Langhaar, H. L., Dimensional Analysis and Theory of Models, John Wiley and Sons, 1951.

[5]            Taylor, E. S., Dimensional Analysis for Engineers, Oxford University Press, 1974.

[6]            Israelachvili, J. N., Intermolecular and Surface Forces, Academic Press, 1985, pp. 9–10.

[7]            Fearing, R. S., “Microactuators for microrobots: electric and magnetic,” Workshop on Micromechatronics, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1997.

[8]            Bobbio, S. M., Keelam, M. D., Dudley, B. W., Goodwin-Hohansson, S., Jones, S. K., Jacobson, J. D., Tranjan, F. M., Dubois, T. D., “Integrated force arrays,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 149–154, 1993.

[9]            Jacobson, J. D., Goodwin-Johansson, S. H., Bobbio, S. M., Bartlett, C. A., Yadon, L. N., “Integrated force arrays: theory and modeling of static operation,” Journal of Microelectromechanical Systems, 4(3):139–150, 1995.

[10]         Yamaguchi, M., Kawamura, S., Minami, K., Esashi, M., “Distributed electrostatic micro actuators,” Proceedings of the IEEE Micro Electro Mechanical Systems, 18–23, 1993.

[11]         Kim, C. J., Pisano, A. P., Muller, R. S., “Silicon-processed overhanging microgripper,” Journal of Microelectromechanical Systems, 1(1):31–36, 1992.

[12]         Matsubara, T., Yamaguchi, M., Minami, K., Esashi, M., “Stepping electrostatic microactuator,” International Conference on Solid-State Sensor and Actuators, 50–53, 1991.

[13]         Niino, T., Egawa, S., Kimura, H., Higuchi, T., “Electrostatic artificial muscle: compact, high-power linear actuators with multiple-layer structures,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 130–135, 1994.

[14]         Huang, J. B., Mao, P. S., Tong, Q. Y., Zhang, R. Q., “Study on silicon electrostatic and electroquasistatic micromotors,” Sensors and Actuators, 35:171–174, 1993.

[15]         Mehragany, M., Bart, S. F., Tavrow, L. S., Lang, J. H., Senturia, S. D., Schlecht, M. F., “A study of three microfabricated variable-capacitance motors,” Sensors and Actuators, 173–179, 1990.

[16]         Trimmer, W., Gabriel, K., “Design considerations for a practical electrostatic micromotor,” Sensors and Actuators, 11:189–206, 1987.

[17]         Mehregany, M., Nagarkar, P., Senturia, S. D., Lang, J. H., “Operation of microfabricated harmonic and ordinary side-drive motors,” Proceeding of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 1–8, 1990.

[18]         Dhuler, V. R., Mehregany, M., Phillips, S. M., “A comparative study of bearing designs and operational environments for harmonic side-drive micromotors,” IEEE Transactions on Electron Devices, 40(11):1985–1989, 1993.

[19]         Price, R. H., Wood, J. E., Jacobsen, S. C., “Modeling considerations for electrostatic forces in electrostatic microactuators,” Sensors and Actuators, 20:107–114, 1989.

[20]         Trimmer, W., Jebens, R., “An operational harmonic electrostatic motor,” Proceeding of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 13–16, 1989.

[21]         Trimmer, W., Jebens, R., “Harmonic electrostatic motors,” Sensors and Actuators, 20:17–24, 1989.

[22]         Furuhata, T., Hirano, T., Lane, L. H., Fontanta, R. E., Fan, L. S., Fujita, H., “Outer rotor surface micromachined wobble micromotor,” Proceeding of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 161–166, 1993.

[23]         Trimmer, W., Jebens, R., “Actuators for microrobots,” IEEE Conference on Robotics and Automation, 1547–1552, 1989.

[24]         Trimmer, W., “Microrobots and micromechanical systems,” Sensors and Actuators, 19:267–287, 1989.

[25]         Inoue, T., Hamasaki, Y., Shimoyama, I., Miura, H., “Micromanipulation using a microcoil array,” Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2208–2213, 1996.

[26]         Liu, C., Tsao, T., Tai, Y., Ho, C., “Surface micromachined magnetic actuators,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 57–62, 1994.

[27]         Shinozawa, Y., Abe, T., Kondo, T., “A proportional microvalve using a bi-stable magnetic actuator,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 233–237, 1997.

[28]         Wagner, B., Benecke, W., “Microfabricated actuator with moving permanent magnet,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 27–32, 1991.

[29]         Yanagisawa, K., Tago, A., Ohkubo, T., Kuwano, H., “Magnetic microactuator,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 120–124, 1991.

[30]         Judy, J., Muller, R. S., Zappe, H. H., “Magnetic microactuation of polysilicon flexure structures,” Journal of Microelectromechanical Systems, 4(4):162–169, 1995.

[31]         Ahn, C. H., Kim, Y. J., Allen, M. G., “A planar variable reluctance magnetic micromotor with fully integrated stator and wrapped coils,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 1–6, 1993.

[32]         Guckel, H., Christenson, T. R., Skrobis, K. J., Jung, T. S., Klein, J., Hartojo, K. V., Widjaja, I., “A first functional current excited planar rotational magnetic micromotor,” Proceedings of the IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 7–11, 1993.

[33]         Guckel, H., Sneigowski, J. J., Christenson, T. R., Raissi, F., “The application of fine grained, tensile polysilicon to mechanically resonant transducers,” Sensor and Actuators, A21–A23:346–351, 1990.

[34]         Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, T., Watanabe, T., Nishikawa, T., Yoshida, T., Harada, K., “Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm,” Sensors and Actuators, A21–A23:146–150, 1990.

[35]         Fujii, T., Gotoh, Y., Kuroyanagi, S., “Fabrication of microdiaphragm pressure sensor utilizing micromachining,” Sensors and Actuators, A34:217–224, 1992.

[36]         Mallon, J., Pourahmadi, F., Petersen, K., Barth, P., Vermeulen, T., Bryzek, J., “Low-pressure sensors employing bossed diaphragms and precision etch-stopping,” Sensors and Actuators, A21–23:89–95, 1990.

[37]         Ikeda, K., Kuwayama, H., Kobayashi, T., Watanabe, T., Nishikawa, T., Yoshida, T., Harada, K., “Three-dimensional micromachining of silicon pressure sensor integrating resonant strain gauge on diaphragm,” Sensors and Actuators, A21–A23:1007–1009, 1990.

[38]         Nagata, T., Terabe, H., Kuwahara, S., Sakurai, S., Tabata, O., Sugiyama, S., Esashi, M., “Digital compensated capacitive pressure sensor using cmos technology for low-pressure measurements,” Sensors and Actuators, A34:173–177, 1992.

[39]         Stemme, E., Stemme, G., “A balanced resonant pressure sensor,” Sensors and Actuators, A21–A23: 336–341, 1990.

[40]         Boxenhorn, B., Greiff, P., “Monolithic silicon accelerometer,” Sensors and Actuators, A21–A23:273–277, 1990.

[41]         Leuthold, H., Rudolf, F., “An ASIC for high-resolution capacitive microaccelerometers,” Sensors and Actuators, A21–A23:278–281, 1990

[42]         Seidel, H., Riedel, H., Kolbeck, R., Muck, G., Kupke, W., Koniger, M., “Capacitive silicon accelerometer with highly symmetrical design,” Sensors and Actuators, A21–A23:312–315, 1990.

[43]         Chang, S. C., Putty, M. W., Hicks, D. B., Li, C. H., Howe, R. T., “Resonant-bridge two-axis microaccelerometer,” Sensors and Actuators, A21–A23:342–345, 1990.

[44]         Satchell, D. W., Greenwood, J. C., “A thermally-excited silicon accelerometer,” Sensors and Actuators, A17:241–245, 1989.

[45]         Chau, K. H. L., Lewis, S. R., Zhao, Y., Howe, R. T., Bart, S. F., Marchesilli, R. G., “An integrated force- balanced capacitive accelerometer for low-g applications,” Sensors and Actuators, A54:472–476, 1996.

[46]         Kuehnel, W., Sherman, S., “A surface micromachined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry,” Sensors and Actuators, A45:7–16, 1994.

[47]         Despont, Racine, G. A., Renaud, P., de Rooij, N. F., “New design of micromachined capacitive force sensor,” Journal of Micromechanics and Microengineering, 3:239–242, 1993.

[48]         Blom, F. R., Bouwstra, S., Fluitman, J. H. J., Elwenspoek, M., “Resonating silicon beam force sensor,” Sensors and Actuators, 17:513–519, 1989.

[49]         Bernstein, J., Cho, S., King, A. T., Kourepenis, A., Maciel, P., Weinberg, M., “A micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope,” IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 143–148, 1993.

[50]         Oh, Y., Lee, B., Baek, S., Kim, H., Kim, J., Kang, S., Song, C., “A surface-micromachined tunable vibratory gyroscope,” IEEE Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 272–277, 1997.

[51]         Venturi, M., Credi, A., Balzani, V., “Devices and machines at the molecular level,” Electronic Properties of Novel Materials, AIP Conf. Proc., 544:489–494, 2000.

[52]         Ajayan, P. M., Charlier, J. C., Rinzler, A. G., “PNAS,” 96:14199–14200, 1999.

[53]         Zettl, A., Cumings, J., “Sharpened nanotubes, nanobearings and nanosprings,” Electronic Properties of Novel Materials, AIP Conf. Proc., 544:526–531, 2000.

[54]         Baughman, R. H., et al., “Carbon nanotube actuators,” Science, 284:1340–1344, 1999.

[55]         Kim, P., Lieber, C. M., “Nanotube nanotweezers,” Science, 286:2148–2150, 1999.

[56]         Freitas, R. A., “Nanomedicine,” Vol. 1, Landes Bioscience, Austin, 1999.

6 

Những hướng thiết kế mới         cho hệ thống Mini, Micro, Nano và chương trình giảng dạy

Sergey Edward Lyshevski

Purdue University Indianapolis

6.1..... Giới thiệu. 6-1

6.2..... Hệ thống Cơ điện tử Mini, Micro và Nano và chương trình giảng dạy cơ điện tử. 6-3

6.3..... Cơ điện tử và Kỹ thuật hiện đại6-4

6.4..... Thiết kế hệ thống cơ điện tử. 6-4

6.5..... Thành phần hệ thống Cơ điện tử. 6-6

6.6..... Tổng hợp hệ thống, Phần mềm Cơ điện tử, và Mô phỏng. 6-6

6.7..... Chương trình giảng dạy Cơ điện tử. 6-7

6.8..... Khoá học cơ điện tử có tính chất giới thiệu. 6-8

6.9..... Sách về Cơ-Điện tử. 6-9

6.10... Phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử. 6-11

6.11... Kết luận: Triển vọng cơ điện tử. 6-12

6.1        Giới thiệu

Kỹ thuật hiện đại bao gồm nhiều lĩnh vực đa ngành khác nhau. Bởi vậy, một yêu cầu cấp thiết được đưa ra là phải xác định các hướng mới trong nghiên cứu và giáo dục kỹ thuật, theo đuổi, thực hiện các sáng kiến nghiên cứu tiên phong  có ý nghĩa mới và xây dựng chương trình đào tạo cơ điện tử. Bằng việc tích hợp nhiều chuyên ngành và các công cụ khác nhau, cơ điện tử cung cấp sự định hướng đa ngành và hỗ trợ những thay đổi hiện nay trong nghiên cứu và công nghiệp. Cần thiết phải có một nghiên cứu chuyên sâu cho cơ điện tử  và một sự cải tổ chương trình học của đại học và sau đại học. Những phát triển nghiên cứu hiện nay và sự tiến bộ công nghệ mạnh mẽ trong các thiết bị chuyển động cơ điện, điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, vi điện tử, hệ thống micro và nano cơ điện tử (MEMS, NEMS), vật liệu và đóng gói, máy tính, thông tin, tính thông minh hệ thống, vi xử lý và DSP, xử lý tín hiệu và quang học, các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, và các môi trường mô phỏng đã mang tới những thử thách mới cho nghiên cứu. Vì vậy, nhiều nhà khoa học quan tâm đến nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện tử, và các trường kỹ thuật đã thay đổi chương trình học để đưa ra những khoá học thích hợp cho cơ điện tử.

HÌNH 6.1 Phân loại và các lý thuyết cơ bản được áp dụng trong hệ thống Cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử được phân loại như sau:

1.     Hệ thống cơ điện tử truyền thống

2.     Hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS ) 

3.     Hệ thống nano cơ điện tử (NEMS). 

Những nguyên tắc hoạt động và nền tảng cơ bản của hệ thống cơ điện tử truyền thống  và MEMS là giống nhau, trong khi NEMS có thể được nghiên cứu bằng những khái niệm và lý thuyết khác. Trong thực tế, các nhà thiết kế áp dụng cơ học cổ điển và điện từ học để nghiên cứu hệ thống cơ điện tử truyền thống và MEMS. Lý thuyết lượng tử và nano cơ điện được áp dụng cho NEMS, xem hình 6.1.

 Điểm yếu của các chương trình học kỹ thuật máy tính, điện và cơ khí là không có đủ những kiến thức cơ sở, và sự hiểu biết sâu rộng về các hệ thống cơ-điện tích hợp để giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật đa ngành phức tạp. Cơ điện tử đưa ra chủ đề, các lĩnh vực đa ngành, và các môn học (chẳng hạn kỹ thuật điện, cơ học và máy tính) từ cái nhìn tổng thể đến các cơ sở lý thuyết cơ điện (nghiên cứu) và chuỗi các khóa học cơ điện tử trong một hướng đi hoặc chương trình (chương trình học) của hệ thống cơ điện (cơ điện tử). Chuỗi khoá học này được xây dựng dựa trên các mục tiêu và cường độ của chương trình.  Đối với các chương trình kỹ thuật khác (chẳng hạn điện, cơ học, máy tính, hàng không, vật liệu) thì số lượng các môn học cơ điện tử, nội dung và lượng kiến thức cũng khác nhau, do các môn học cơ điện tử bổ sung cho chương trình học cơ bản. Tuy nhiên, mục đích cuối cùng là giống nhau: giáo dục và chuẩn bị một thế hệ sinh viên và kỹ sư mới nhằm giải quyết một loạt các vấn đề kỹ thuật.

Cơ điện tử là một phần quan trọng của kỹ thuật hợp nhất hiện đại do các đặc tính tích hợp, tương tác, diễn giải, tương thích và hệ thống hoá. Các phương pháp đầy đủ và hiệu quả để đánh giá xu hướng hiện nay trong kỹ thuật hiện đại với phân tích đánh giá và dự báo đầu ra có thể được tiếp cận nhờ mô hình cơ điện tử. Các hoạt động nghiên cứu và đào tạo cơ điện tử đa ngành, kết hợp với một loạt các qui trình tiếp thu chủ động và phong cách giảng dạy tổng hợp, sẽ tạo ra ết quả giảng dạy lớn hơn so với việc cải tiến các chương trình học kỹ thuật điện, máy tính, và cơ học truyền thống. Mô hình cơ điện tử đa ngành đáp ứng những mục đích rất quan trọng do nó mang đến chiều sâu mới cho các lĩnh vực kỹ thuật, thúc đẩy cơ sở và kiến thức của sinh viên, cung cấp cho sinh viên những kỹ năng giải quyết vấn đề cơ bản cần thiết để đối phó với hệ thống cơ-điện cao cấp được điều khiển bằng bộ vi xử lý hoặc DSP, vươn tới phần cứng tiên tiến, làm nổi bật và ứng dụng các môi trường phần mềm hiện đại. Thông qua chương trình học cơ điện tử, có thể đạt được mục tiêu và đối tượng của chương trình. Sự tích hợp các môn học cơ điện tử vào chương trình giảng dạy kỹ thuật sẽ được trình bày trong chương này. Mục đích cơ bản của chúng ta là xác định vai trò, kiểm tra các môn học sẵn có,  cải tiến và nâng cao chương trình giảng dạy cơ điện tử nhằm cải tiến cấu trúc và nội dung các chương trình kỹ thuật, tuyển chọn và thúc đẩy sinh viên, tăng cường hiệu quả giảng dạy và  cải thiện việc phân phát tư liệu, cũng như ước lượng và đánh giá đầu ra của chương trình kỹ thuật cần đạt. Tầm quan trọng chính được đặt vào sự nâng cao và cải thiện trong kiến thức, cách học, suy nghĩ quyết định, chiều sâu, sự mở rộng của sinh viên mang lại sự diễn giải, tích hợp và ứng dụng của kiến thức, động cơ, sự tận tâm, tính sáng tạo, nhiệt tình và sự tin tưởng. Có thể đạt được điều này thông qua sự phát triển và thực thi chương trình giảng dạy cơ điện tử. Chương này trình bày sự phát triển của chương trình giảng dạy cơ điện tử. Vai trò của cơ điện tử trong kỹ thuật hiện đại sẽ được thảo luận và trình bày.

6.2        Hệ thống Cơ điện tử Mini, Micro và Nano và chương trình giảng dạy cơ điện tử

Hệ thống cơ điện tử thông thường, mini và micro được nghiên cứu từ một hướng thống nhất do các đặc điểm hoạt động, hiện tượng cơ bản và hiệu ứng chi phối được dựa trên điện từ học và cơ học cổ điển (cơ điện). Hệ thống cơ-điện tích hợp các hệ thống con và thành phần. Cho dù các hệ thống con hoặc các thành phần (động cơ điện, cảm biến, bộ khuyếch đại công suất hoặc DSP) hoạt động tốt, nhưng hoạt động toàn bộ có thể bị suy giảm nếu nhà thiết kế thất bại trong việc tích hợp và tối ưu hệ thống cơ-điện. Trong khi máy điện, cảm biến, điện tử công suất, bộ điều khiển micro và DSP có thể được quan tâm, phân tích, thiết kế và tối ưu thì tâm điểm chính vẫn tập trung vào các vấn đề tích hợp. Các nhà thiết kế đôi khi không nắm bắt và hiểu rõ một cách tổng thể về hệ thống, nguyên nhân là do không có đủ kinh nghiệm, kiến thức, và khả năng phân tích đánh giá chi tiết với dự báo kết quả và đánh giá hoạt động của toàn bộ hệ thống. Trong khi phương pháp phân chia và giải quyết dựa trên các thành phần  được sử dụng trong giai đoạn thiết kế ban đầu thì việc thiết kế và phân tích các hệ thống cơ-điện tích hợp được thực hiện trong bối cảnh tối ưu hoá toàn bộ hệ thống với các mục tiêu phù hợp với đặc tính kỹ thuật, yêu cầu và giới hạn đặt ra. Các công nghệ VLSI và cơ-điện mới , phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, các công cụ thiết kế phần cứng-phần mềm phối hợp, các môi trường phần mềm hiệu suất cao, và các giải thuật tính toán mạnh cần được áp dụng để thiết kế các hệ thống cơ-điện. Đối tượng chính của việc phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử là nhằm thoả mãn các yêu cầu nghiên cứu–công nghiệp–chính phủ cũng như giúp đỡ sinh viên phát triển các kỹ năng cơ bản, khả năng phân tích và thực nghiệm chuyên sâu trong phân tích, thiết kế, tối ưu, điều khiển và thực thi các hệ thống cơ-điện tích hợp tiên tiến. Không thể giới thiệu toàn bộ các vấn đề cơ điện tử bằng một khóa học đơn lẻ, do vậy, cần phải phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử với giả thiết rằng sinh viên đã có những kiến thức cơ bản về toán học, vật lý, mạch điện tử, thiết bị cơ-điện, cảm biến và điều khiển.

Chương trình giảng dạy kỹ thuật thường tích hợp các môn học giáo dục, khoa học, kỹ thuật đại cương. Sự hợp nhất các môn học thiết kế kỹ thuật và khoa học kỹ thuật đa ngành cho thấy sự khởi nguồn là chính từ chương trình giảng dạy truyền thống. Thông thường, thậm chí các sinh viên kỹ thuật điện cũng có hiểu biết hạn chế về điện từ cao cấp, máy điện, điện tử công suất, IC, bộ vi điều khiển và DSP do các môn học này là môn tự chọn. Các sinh viên kỹ thuật cơ khí hiểu biết hơn các sinh viện kỹ thuật điện về cơ học và nhiệt động học nhưng lại có hạn chế về điện từ, máy điện, điện tử công suất, vi điện tử và DSP. Ngoài ra, những sinh viên kỹ thuật cơ khí và điện cũng ít hiểu biết về khoa học máy tính và toán kỹ thuật do các môn học này thường chỉ bắt buộc đối với những sinh viên kỹ thuật máy tính. Sự cần thiết của toán kỹ thuật, điện từ, điện tử công suất và các thiết bị chuyển động cơ-điện (máy điện, cơ cấu chấp hành và cảm biến) không hề giảm, thậm chí còn tăng lên.Mặt khác, các phần cứng cao cấp mới đã được phát triển bằng cách dùng các công nghệ chế tạo có thể để chế tạo các cảm biến, cơ cấu chấp hành, IC và ăngten cỡ micro và nano. Vấn đề phần mềm có hiệu quả đã nổi lên. Để vượt qua khó khăn không lường trước, những khoá học Cơ điện tử bao trùm các lĩnh vực đa ngành cần được giới thiệu cho chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cơ điện tử đã được khảo sát và hỗ trợ bởi chương trình đại học và sau đại học, các trường đại học theo định hướng nghiên cứu và đào tạo, công nghiệp công nghệ cao, phòng thí nghiệm của nhà nước. Tuy nhiên, cần phát triển chiến lược dài hạn trong nghiên cứu và đào tạo cơ điện tử, xác định vai trò cũng như thực thi, thương mại hoá và thị trường hóa các chương trình cơ-điện và cơ điện tử.

6.3        Cơ điện tử và Kỹ thuật hiện đại

Nhiều vấn đề kỹ thuật có thể được thiết lập, bắt đầu và giải quyết bằng cách dùng mô hình Cơ điện tử. Cơ điện tử giải quyết các vấn đề  cơ bản và mới trong kỹ thuật máy tính-cơ-điện tích hợp, khoa học và công nghệ. Nhiều vấn đề đã không được bắt đầu và giải quyết, và đôi khi các giải pháp đã có không thể coi như một giải pháp tối ưu. Điều này phản ánh một cách rõ ràng các xu hướng trong nghiên cứu cơ bản, ứng dụng và thực nghiệm cũng như những thay đổi chương trình giảng dạy tương ứng với các vấn đề chưa được giải quyết lâu dài, các hoạt động kinh doanh kỹ thuật và công nghệ, và những yêu cầu có tính cách mạng.

Cơ điện tử là sự thiết kế tích hợp, phân tích, tối ưu hóa và tạo mẫu ảo của các hệ thống cơ-điện hiệu suất cao và thông minh, tính thông minh hệ thống, khả năng học, sự thích ứng,  ra quyết định, và điều khiển thông qua việc sử dụng phần cứng cao cấp (cơ cấu chấp hành, cảm biến, bộ vi xử lý, DSP, điện tử công suất và IC) và phần mềm tiên tiến.

Các đặc trưng đa ngành tích hợp tiếp cận với nhau một cách nhanh chóng, như thấy trên hình 6.2. Mô hình Cơ điện tử, là sự tích hợp kỹ thuật điện- cơ-máy tính, đã được xác định.

Tính phức tạp về cấu trúc của các hệ thống Cơ điện tử đã tăng lên nhiều do sự tiến bộ của phần cứng và phần mềm, cũng như các yêu cầu hoạt động có thể thực hiện nghiêm ngặt. Mô hình Cơ điện tử được đưa ra để thỏa mãn các yêu cầu về nâng cao độ phức tạp của hệ thống cơ-điện, đặc tính hoạt động và độ thông minh. Ngoài sự lựa chọn thích hợp các thành phần và hệ thống con của hệ thống cơ-điện, còn có các vấn đề khác cần được xác định theo quan điểm tiến hóa tự nhiên không đổi của lý thuyết hệ thống cơ-điện (tức là, phân tích, thiết kế, mô hình, tối ưu hoá, tính phức tạp, độ thông minh, ra quyết định, chẩn đoán, đóng gói). Các hệ thống cơ-điện hoạt động tối ưu có sức cạnh tranh cần phải được thiết kế với các khái niệm phần cứng và phần mềm cao cấp.

HÌNH 6.2 Cơ điện tử tích hợp kỹ thuật cơ khí, điện và máy tính

6.4        Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Một trong những vấn đề khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống Cơ điện tử là sự tổng hợp kiến trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, tối ưu hóa cũng như sự lựa chọn phần cứng (cơ cấu chấp hành, cảm biến, điện tử công suất, IC, bộ vi điều khiển và DSP) và phần mềm (môi trường, công cụ, giải thuật tính toán để thực thi điều khiển, cảm biến, thực hiện, bắt chước, luồng thông tin, thu thập dữ liệu, mô phỏng, thực tại ảo, tạo mẫu ảo và đánh giá). Các nỗ lực nhằm thiết kế các hệ thống Cơ điện tử hiệu suất cao tiên tiến và nhằm đảm bảo sự thiết kế tích hợp có thể được theo đuổi thông qua việc phân tích các mẫu và mô hình phức tạp của hệ thống sinh học phát triển tiến hoá. Xu hướng hiện nay trong kỹ thuật là tập trung vào phân tích tích hợp, thiết kế và điều khiển các hệ thống cơ-điện tiên tiến. Phạm vi của hệ thống Cơ điện tử tiếp tục được mở rộng, và ngoài cơ cấu chấp hành, cảm biến, điện tử công suất, IC, ăngten, bộ vi xử lý cũng như thiết bị vào/ra, nhiều hệ thống con khác cũng cần được tích hợp. Quá trình thiết kế là sự tiến hoá tự nhiên. Nó bắt đầu với một tập các yêu cầu và đặc tính kỹ thuật cho trước. Thiết kế chức năng cấp cao được thực hiện trước nhằm tạo ra thiết kế cụ thể ở mức hệ thống con và thành phần. Bằng cách dùng các hệ thống con và thành phần cao cấp, có thể thực hiện thiết kế ban đầu, kiểm tra khả năng hoạt động của hệ thống cơ-điện vòng kín theo các yêu cầu đặt ra. Nếu các yêu cầu và đặc tính kỹ thuật không thỏa mãn, nhà thiết kế phải sửa lại hoặc cải tiến kiến trúc hệ thống và tìm ra các giải pháp khác. Ở mỗi mức phân cấp thiết kế, khả năng hoạt động của hệ thống trong miền  hoạt động được dùng để đánh giá và cải tiến quá trình thiết kế và giải pháp được đưa ra. Mỗi phân cấp thiết kế tương ứng với một mức trừu tượng cụ thể và có một tập hành vi riêng và các công cụ thiết kế hỗ trợ cho việc thiết kế ở mức này. Ví dụ, người ta dùng các tiêu chuẩn khác nhau để thiết kế cơ cấu chấp hành và IC phụ thuộc vào hành vi, tính chất vật lý, nguyên lý hoạt động và tiêu chuẩn hoạt động khác nhau được áp đặt cho các thành phần này. Cần nhấn mạnh rằng phải xác định mức phân cấp, tức là, không cần nghiên cứu hành vi của hàng triệu transitor trên mỗi chip IC do các hệ thống Cơ điện tử tích hợp hàng trăm IC, và thường đánh giá hành vi cuối cùng của IC (IC được giả thiết là tối ưu, và các IC này được sử dụng như các thành phần có sẵn). Luồng thiết kế này được minh họa trên hình 6.3.

HÌNH 6.3 Dòng thiết kế trong tổng hợp hệ thống Cơ điện tử

 Tổng hợp tự động có thể được sử dụng để thực hiện luồng thiết kế này. Thiết kế hệ thống Cơ điện tử là một quá trình bắt đầu từ việc định rõ các yêu cầu và từng bước đi đến thực hiện một thiết kế và tối ưu hóa chức năng được cải tiến dần dần thông qua một loạt các bước. Các đặc tính kỹ thuật thông thường bao gồm các yêu cầu hoạt động thu được từ  chức năng hệ thống, gói hoạt động, khả năng cung cấp và những yêu cầu khác. Cả hai cách tiếp cận từ trên xuống dưới (top-down) và từ dưới lên trên (bottom-up) nên được phối hợp để thiết kế các hệ thống Cơ điện tử hiệu suất cao để làm tăng độ phân cấp, tích hợp, tính cân đối, tính môđun, khả năng thực hiện đúng và sự hoàn thiện trong quá trình tổng hợp. Cho dù các nền tảng cơ bản đã được phát triển, thì một số lĩnh vực cấp bách vẫn bị đánh giá thấp, ít được  quan tâm và nghiên cứu. Sự tổng hợp các hệ thống Cơ điện tử như trên bảo đảm sự liên ứng thực sự giữa các miền cấu trúc và hành vi, cũng như đảm bảo các đặc tính mô tả và tích hợp trong thiết kế. Chúng đã được hoàn thành bằng cách áp dụng mô hình Cơ điện tử cho phép mở rộng và làm tăng thêm các kết quả của cơ học cổ điển, điện từ, máy điện, điện tử công suất, vi điện tử, thông tin và lý thuyết điều khiển, cũng như  ứng dụng phần cứng và phần mềm tích hợp cao cấp.

Để thu được và mở rộng hạt nhân kỹ thuật, cần  tăng cường các lĩnh vực đa ngành cũng như liên kết và thực hiện việc tích hợp theo xu hướng đa ngành các cơ cấu chấp hành-cảm biến-điện tử công suất-IC-DSP nhằm đạt được sự chấp hành, cảm nhận, điều khiển, ra quyết định, sự thông minh, xử lý tín hiệu và thu thập dữ liệu. Sự phát triển mới là cần thiết. Lý thuyết và thực hành kỹ thuật của các hệ thống cơ-điện hiệu suất cao có thể được xem là nền tảng thống nhất của chương trình giảng dạy kỹ thuật Cơ điện tử. Sự phân tích thống nhất của cơ cấu chấp hành và cảm biến (tức là các thiết bị chuyển động cơ-điện), điện tử công suất và IC, bộ vi xử lý và DSP, cùng phần cứng và phần mềm cao cấp, được giới thiệu một cách nghèo nàn trong chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cơ điện tử, như một khái niệm đột phá trong thiết kế và phân tích các hệ thống cơ-điện truyền thống, mini, micro và nano, đã được giới thiệu để bắt đầu, tích hợp và giải quyết một loại các vấn đề mới phát sinh.

6.5        Thành phần hệ thống Cơ điện tử

Cơ điện tử tích hợp thiết kế, mô hình, mô phỏng, phân tích, phát triển và đồng thiết kế phần cứng-phần mềm, sự thông minh, ra quyết định, điều khiển nâng cao (bao gồm điều khiển  thích nghi, bền vững và chuyển động thông minh), xử lý tín hiệu/hình ảnh, và tạo mẫu ảo của hệ thống cơ-điện. Mô hình Cơ điện tử sử dụng các cơ sở kỹ thuật điện, cơ, và máy tính với đối tượng cơ bản nhằm đảm bảo sự kết hợp hiệp trợ của kỹ thuật chính xác, điều khiển điện tử và sự thông minh trong thiết kế, phân tích và tối ưu các hệ thống cơ-điện. Các hệ thống cơ-điện (robot, truyền động điện, cơ cấu servo, hệ thống điểm, bộ lắp rắp) là những hệ thống phi tuyến mạnh và sự chấp hành, cảm nhận và điều khiển chính xác của chúng là những vấn đề rất phức tạp. Cơ cấu chấp hành và cảm biến cần được thiết kế và tích hợp với các hệ thống  điện tử công suất con tương ứng. Các nguyên lý của sự phù hợp và tuân theo là các nguyên lý thiết kế chung yêu cầu các kiến trúc hệ thống cơ-điện phải được tổng hợp bằng cách tích hợp tất cả hệ thống con và các thành phần. Điều kiện phù hợp phải được xác định và đảm bảo, và phải thỏa mãn sự tuân theo của cơ cấu chấp hành-cảm biến-điện tử công suất. Cần phải điều khiển hệ thống cơ-điện, và nên thiết kế các bộ điều khiển. Cần phải thiết kế, kiểm tra, xác minh và thực thi các luật điều khiển bền vững, thích nghi và thông minh. Sự nghiên cứu điều khiển của hệ thống cơ-điện nhằm mục đích tìm các phương pháp để tạo ra bộ điều khiển chuyển động và thông minh, tổng hợp kiến trúc hệ thống, nhận các ánh xạ phản hồi và thu các hệ số khuếch đại. Để thực thi các bộ điều khiển này, cần phải dùng các vi xử lý và DSP với IC (thiết bị vào-ra, bộ biến đổi A/D và D/A, cặp quang ngẫu, bộ truyền động transistor). Những vấn đề khác là nhằm thiết kế, tối ưu và kiểm tra phần mềm phân tích, điều khiển, thực thi, mô phỏng và đánh giá.

Chúng ta đã nhấn mạnh rằng thiết kế hệ thống cơ điện tử hiệu suất cao đưa đến sự phát triển hệ thống con và các thành phần. Một trong những thành phần chính của hệ thống cơ điện tử là các máy điện được dùng như là cơ cấu chấp hành và cảm biến. Các vấn đề sau đây thường được nhấn mạnh: đặc tính của máy điện, cơ cấu chấp hành, và cảm biến tùy theo các ứng dụng của chúng và các yêu cầu của toàn bộ hệ thống bằng các phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính; thiết kế các máy điện, cơ cấu chấp hành, và cảm biến hiệu suất cao cho các ứng dụng riêng; tích hợp động cơ điện và cơ cấu chấp hành với cảm biến, điện tử công suất và IC; điều khiển và chuẩn đoán máy điện, cơ cấu chấp hành và cảm biến bằng cách dùng các bộ vi xử lý và DSP.

6.6        Tổng hợp hệ thống, Phần mềm Cơ điện tử, và Mô phỏng

Mô hình, mô phỏng và tổng hợp là hoạt động bổ sung được thực hiện trong thiết kế hệ thống cơ điện tử. Mô phỏng bắt đầu với sự phát triển mô hình, trong khi tổng hợp bắt đầu với đặc tính kỹ thuật được gắn với hành vi và phân tích khả năng hoạt đông hệ thống thông qua phân tích sử dụng mô hình, mô phỏng và kết quả thực nghiệm. Nhà thiết kế bắt chước, nghiên cứu, phân tích và đánh giá hành vi của hệ thống cơ điện tử bằng cách dùng trạng thái, khả năng hoạt động, điều khiển, sự kiện, nhiễu và các biến khác. Quá trình tổng hợp đã được mô tả trong phần 6.4. Mô hình, mô phỏng, phân tích, tạo mẫu ảo và thực tại ảo là những khía cạnh then chốt và đặc biệt quan trọng cho việc phát triển và tạo mẫu của hệ thống cơ điện tử cao cấp. Với tư cách là một môi trường mô hình và thiết kế hiệu suất cao linh hoạt, MATLAB đã trở thành một công cụ chuẩn, hiệu quả kinh tế. Sự cạnh tranh đã thúc đẩy việc giảm giá thành và chu kỳ sản xuất. Môi trường MATLABR đượcsử dụng  để tăng tốc độ phân tích và thiết kế với phân tích đánh giá, tạo điều kiện thuận lợi nâng cao hiệu quả và tính sáng tạo, tích hợp điều khiển và xử lý tín hiệu bằng cách dùng bộ vi xử lý và DSP, tăng các đặc trưng mẫu thử, tạo mã C thời gian thực và hình dung kết quả, thực hiện thu thập dữ liệu và phân tích tập trung dữ liệu. MATLAB cung cấp các công cụ ứng dụng sau đây: SIMULINKR, Real-Time Workshop™, Hệ thống điều khiển (Control System), Thiết kế điều khiển phi tuyến (Nonlinear Control Design), Tối ưu hoá (Optimization), Điều khiển bền vững (Robust Control), Xử lý tín hiệu (Signal Processing ), Toán học ký hiệu (Symbolic Math), Nhận dạng hệ thống (System Identification), Phương trình đạo hàm riêng (Partial Differential Equations), Mạng Nơ ron (Neural Networks), cũng như những công cụ ứng dụng riêng khác. (Xem demo MATLAB,  bằng cách đánh demo trong cửa sổ lệnh). Các khả năng của MATLAB có thể được minh họa bằng cách bắt đầu từ những ví dụ thực hành quan trọng để tăng hiệu quả và sự sáng tạo của sinh viên qua cách trình bày việc sử dụng phần mềm cao cấp trong ứng dụng hệ thống cơ-điện. Môi trường MATLAB đưa ra một tập lớn các khả năng để giải quyết hiệu quả một loạt các vấn đề phân tích, mô hình, mô phỏng, điều khiển, và tối ưu phức tạp bắt gặp trong các môn học cơ điện tử của đại học và sau đại học. Có thể mô hình, mô phỏng, phân tích và tối ưu rất nhiều hệ thống cơ điện tử. Các ví dụ hệ thống cơ-điện, được tích hợp trong các môn học cơ điện tử, sẽ cung cấp cho các sinh viên khả năng thực hành và sự hiểu biết sâu rộng.

6.7        Chương trình giảng dạy Cơ điện tử

Mục tiêu cơ bản của chương trình giảng dạy cơ điện tử là nhằm giáo dục thế hệ sinh viên và kỹ sư mới cũng như trợ giúp công nghiệp và chính phủ trong việc phát triển hệ thống cơ-điện hiệu suất cao bằng cách tăng chương trình giảng dạy kỹ thuật truyền thống với nòng cốt cơ điện tử mở rộng. Sự nhấn mạnh nên được tập trung vào việc thúc đẩy toàn bộ nhiệm vụ của chương trình giảng dạy kỹ thuật, bởi vì thông qua Cơ điện tử có thể xác định, cải tiến và mở rộng hơn nữa các mục tiêu vào ba lĩnh vực cơ bản: nghiên cứu, giáo dục và dịch vụ. Dùng mô hình cơ điện tử, các nhà khoa học sẽ thực hiện nghiên cứu cơ sở và ứng dụng cấp cao bằng cách:

–       tích hợp điện từ, cơ điện, điện tử công suất, IC và điều khiển;

–       đưa ra các công cụ và khả năng mô phỏng và giải tích thiết kế, phân tích và tối ưu hóa tiên tiến thông qua việc phát triển phần mềm thiết kế có sự trợ giúp của máy tính cụ thể;

–       phát triển phần cứng chấp hành-cảm nhận-điều khiển;

–       đưa ra các mô hình, khái niệm và công nghệ tiên tiến;

–       hỗ trợ nghiên cứu, thực tập và chương trình giáo dục hợp tác đa ngành cho đại học và sau đại học;

–       hỗ trợ, duy trì và trợ giúp cán bộ giảng dạy trong các lĩnh vực mới .

Thiết kế chương trình giảng dạy cơ điện tử bao gồm việc phát triển mục đích và đối tượng, chương trình học và hướng dẫn chương trình giảng dạy, các môn học, phòng thí nghiệm, giáo trình, tài liệu hướng dẫn, sách chỉ dẫn, thực nghiệm, thứ tự dạy, kỹ thuật phân phối tài liệu, cách tiếp cận hình dung và thuyết minh, và các tài liệu tham khảo khác để thực hiện một dải rộng các mục đích nghiên cứu và giáo dục. Số lượng các sinh viên có kỹ năng lập trình tốt và nền tảng lý thuyết bù đắp được những điểm yếu khác để giải những vấn đề kỹ thuật đơn giản cũng đã tăng lên. Mục tiêu cơ bản của các khoá học cơ điện tử là nhằm trình bày sự áp dụng của các kết quả lý thuyết, ứng dụng, và thực nghiệm trong phân tích, thiết kế, và phát triển các hệ thống cơ điện phức tạp (bao gồm MEMS và NEMS), bao trùm phần cứng và phần mềm nổi bật, giới thiệu và phân phối lý thuyết cơ điện khắt khe, giúp đỡ sinh viên phát triển kỹ năng giải quyết vấn đề, cũng như cung cấp sự thực hành kỹ thuật cần thiết. Các  khoá học cơ điện tử được đưa ra để phát triển sự hiểu biết thông suốt các hướng tích hợp trong phân tích, mô hình, mô phỏng, tối ưu hoá, thiết kế và thực thi các hệ thống cơ điện phức tạp. Bằng thực hành, các ví dụ được đưa ra, sinh viên sẽ được chuẩn bị và đào tạo để sử dụng kết quả trong thực hành, nghiên cứu và phát triển kỹ thuật. Phần cứng và phần mềm cao cấp của trọng điểm kỹ thuật (thiết bị chuyển động cơ điện, cơ cấu chấp hành, cảm biến, thiết bị bán dẫn, điện tử công suất, IC, bộ vi xử lý và DSP) cần được bao trùm hoàn toàn, cụ thể từ hướng tích hợp đa ngành.

Tại khoa kỹ thuật điện và máy tính, đại học Purdue  Indianapolis các môn học đại học sau đây được yêu cầu trong chương trình học Kỹ thuật điện: Phân tích mạch tuyến tính I  và II, Tín hiệu và hệ thống, Thiết bị bán dẫn, Điện trường và từ trường, Hệ thống vi xử lý và Giao diện, và Phân tích và thiết kế hệ thống phản hồi. Các môn học đại học lựa chọn sau đây hỗ trợ cho lĩnh vực cơ điện tử: Thiết bị chuyền động cơ-điện, Kiến trúc máy tính, Xử lý tín hiệu số, và Hệ thống đa phương tiện. Ngoài các môn học nòng cốt cho Kỹ thuật điện và máy tính, cần thiết phải dạy các môn học về cơ điện tử.

Chương trình giảng dạy cơ điện tử nên nhấn mạnh và gia tăng các chủ đề kỹ thuật truyền thống, các công nghệ và sự phát triển khả thi mới nhất nhằm tích hợp và khuyến khích những tiến bộ mới trong phân tích và thiết kế hệ thống cơ điện tử tiên tiến. Ví dụ, các môn học sau đây nên được phát triển và đưa ra: Hệ thống cơ điện tử, Cấu trúc thông minh, Vi Cơ điện tử (Hệ thống vi cơ-điện), và Nano Cơ điện tử (Hệ thống Nano cơ-điện).

Mục đích chính là nhằm đảm bảo sự hiểu sâu nền móng kỹ thuật, tích hợp kỹ thuật-khoa học-công nghệ, và phát triển bức tranh hiện đại của kỹ thuật cơ-điện bằng cách sử dụng cơ sở nền tảng của cơ điện tử. Các nhà khoa học, công nghiệp và chính phủ đã nhận ra rằng rằng lĩnh vực cấp thiết nhất của Cơ điện tử hiện đại là MEMS và NEMS. Vì vậy, sự phát triển hiện nay nên tập chung vào nghiên cứu cơ bản, ứng dụng, và thực nghiệm trong các lĩnh vực nổi bật này.

6.8        Khoá học cơ điện tử có tính chất giới thiệu

Tại đại học Purdue - Indianapolis, trong các Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính và Khoa Kỹ thuật cơ khí, người ta đã phát triển và đưa ra một khoá học Cơ điện tử cho các sinh viên đại học năm cuối và sau đại học ngành Kỹ thuật Điện/Cơ khí. Các chủ đề được cho trong bảng 6.1.

Khoá học này được phát triển nhằm làm cầu nối khoảng trống kỹ thuật-khoa học-công nghệ bằng việc liên kết những sự phát triển đa ngành mới, tập trung vào phần cứng tiên tiến, và trọng tâm là phần mềm hiệu suất cao. Khóa học đã giúp các sinh viên  thiết lập các kỹ năng cơ bản cho khả năng làm việc với công nghệ cao với thời gian ngắn hơn. Mục tiêu của khoá này gồm hai phần: nhằm mang tới những phát triển gần đây của cơ-điện hiện đại và tích hợp một phương pháp giảng dạy dựa trên tương tác phòng thu. Trong thập niên gần đây, đã có sự chuyển dịch trong giáo dục kỹ thuật từ việc lấy môi trường giảng dạy của người hướng dẫn làm trọng tâm sang môi trường học tập của sinh viên là trọng tâm. Chúng ta đã phát triển một phòng thu cơ điện tử kết hợp các bài giảng, bài tập mô phỏng và thực nghiệm trong một lớp học duy nhất nhằm thực hiện các phương pháp giảng dạy và truyền đạt mới thông qua một môi trường tích cực, các chiến lược dựa trên hoạt động, đa phương tiện tương tác, học tập dựa trên máy tính mạng, phân phối đa đồng bộ các tài liệu hỗ trợ và trình bày hiệu quả. Các bài tập lớn dựa trên mô phỏng có thể được dùng để minh họa các vấn đề không thể nghiên cứu và  đánh giá dễ dàng bằng các giải pháp phân tích trên giấy cổ điển. Mặc dù các bài tập lớn dựa trên mô phỏng cung cấp sự hiểu biết về các vấn đề thực hành, nhưng chúng cũng không thể    thay thế được các thực nghiệm. Cơ điện tử được giới thiệu thông qua sự tổng hợp của thiết kế hệ thống toàn diện, mô hình có độ chính xác cao, mô phỏng, thể hiện phần cứng và nghiên cứu chuyên ngành.

BẢNG 6.1 Nội dung khoá học Cơ điện tử

STT

Chủ đề

Lớp

1

Giới thiệu các hệ cơ-điện và cơ điện tử           

1

2

Hệ thống  điện từ và cơ học trong hệ cơ điện tử: Cơ học Newton, phương trình chuyển động Lagrange, và định luật Kirchhoff

2

3

Bảo toàn năng lượng và tương tự cơ-điện

2

4

Động lực học của hệ cơ điện tử

2

5

Môi trường MATLAB trong phân tích phi tuyến và mô hình hóa hệ cơ điện tử

2

6

Động cơ servo đồng bộ và động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu

4

7

Bộ chuyển đổi và  cấu trúc thông minh: cơ cấu chấp hành và cảm biến

2

8

Điện tử công suất, mạch truyền động, bộ biến đổi và khuyếch đại năng lượng

4

9

Điều khiển chuyển động của hệ cơ-điện và cấu trúc thông minh

3

10

Bộ vi xử lý và DSP trong điều khiển và thu thập dữ liệu hệ cơ điện tử

2

11

Hệ thống Cơ điện tử: nghiên cứu chuyên ngành, mô hình, phân tích, điều khiển và thực nghiệm

3

12

 Đề tài cấp cao

1

Các đánh giá được thực hiện chứng minh rằng khoá học này đảm bảo sự bao trùm cân bằng và toàn diện, thoả mãn các đối tượng chương trình, và hoàn thành các mục tiêu. Trong khi sinh viên chỉ biết rõ một số chủ đề kỹ thuật và khoa học cao cấp (tính toán và vật lý), rõ ràng rằng họ không có nền tảng đầy đủ về động lực học phi tuyến và điều khiển, máy điện, điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, IC, vi xử lý và DSP. Bởi vậy, cần đưa ra tài liệu chi tiết đầy đủ và bao phủ toàn bộ lý thuyết cơ bản cần thiết để hiểu, đánh giá và áp dụng cơ điện tử một cách hoàn toàn. Trong khoá học này, người ta đưa ra và giải thích các phương pháp phân tích, mô hình, mô phỏng và tổng hợp có hiệu quả và trung thực nhất với các đối tượng cơ bản để định rõ và giải quyết các vấn đề phân tích, thiết kế, điều khiển, tối ưu và tạo mẫu ảo. Một dải rộng các ví dụ được trình bày và các minh họa định tính được nghiên cứu sâu làm cầu nối qua khoảng trống giữa các vấn đế lý thuyết, thực hành và thực tế kỹ thuật. Từng bước, khoá học Cơ điện tử sẽ hướng dẫn sinh viên từ cơ sở lý thuyết chặt chẽ tới ứng dụng cao cấp và sự thực thi đầy đủ. Ngoài việc đạt được cân bằng tốt giữa lý thuyết và ứng dụng, phần cứng và phần mềm tiên tiến được nhấn mạnh và trình bày. Trong khoá học này, các hệ thống cơ điện tử được bao phủ xuyên suốt và sinh viên có thể áp dụng dễ dàng các kết quả để bắt tay vào các vấn đề kỹ thuật thực tế.

6.9        Sách về Cơ-Điện tử

Yêu cầu sách giáo dục về Cơ điện tử vượt xa những gì các nhà khoa học và công nghiêp đã lường trước đây. Những cuốn sách tốt về máy điện [1—8], điện tử công suất [9 –11], vi điện tử và IC [12] và cảm biến [13,14] đã được xuất bản. Những ví dụ giáo dục trong phân tích và thiết kế hệ thống cơ-điện tuyến tính được giới thiệu trong những cuốn sách điều khiển [15-21]. Lý thuyết hệ thống điều khiển với những ứng dụng kỹ thuật [18], được thấy trên hình 6.4, có một số lượng ví dụ minh họa về mô hình, mô phỏng, và điều khiển hệ thống cơ-điện phi tuyến phức tạp. Cụ thể, nó bao hàm hoàn toàn sự phân tích và điều khiển bộ chuyển đổi phi tuyến, động cơ đồng bộ, động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu, động cơ cảm ứng lồng sóc, cơ cấu servo và bộ biến đổi năng lượng.

HÌNH 6.4 Sách điều khiển về phân tích và điều khiển hệ thống cơ điện http://www.birkhauser.com/cgi-win/ISBN/0-8176-4203-X

HÌNH 6. 5  Sách về hệ thống cơ điện và cơ điện tử

Việc nghiên cứu toàn diện hệ cơ-điện phi tuyến dùng mô hình Cơ điện là rất cần thiết. Những quyển sách tốt về thiết bị chuyển động cơ-điện truyền thống [3,4,22], và giáo trình về cơ điện tử cho sinh viên chế tạo máy [23,27] đã được sử dụng tương ứng trong các lĩnh vực kỹ thuật điện và chế tạo máy. Tuy nhiên, rất cần thiết phải có các cuốn sách hiện đại về Cơ điện tử bao  hàm toàn bộ các hướng cho các lĩnh vực kỹ thuật. Cuốn sách Hệ thống cơ-điện, Máy điện, và Cơ điện tử ứng dụng [28] là sự tổng hợp các ưu điểm của chương trình giảng dạy kỹ thuật hiện đại, xem hình 6.5.  Cuốn sách giới thiệu một cách đầy đủ về lý thuyết cơ bản  cơ-điện, các công nghệ khả thi mới, các nguyên lý kỹ thuật cơ bản, tích hợp hệ thống, mô hình, phân tích, mô phỏng, điều khiển cũng như một loạt những vấn đề kỹ thuật nổi bật. Những ai quan tâm đến NEMS và MEMS có thể tham khảo cuốn sách Hệ Vi Cơ điện tử và Nano Cơ điện tử: Cơ sở của Kỹ thuật Nano và Micro [29]. Cuốn sách này giới thiệu rất nhiều giải thích và ví dụ về các hệ cơ điện.

6.10    Phát triển chương trình giảng dạy cơ điện tử

Chương trình giảng dạy cơ điện tử hiện nay vẫn chưa hoàn chỉnh. Các nhà khoa học có thể  điều chỉnh và mở rộng chiến lược sau đây để tích hợp các khoá học cơ điện tử trong chương trình giảng dạy đại học và sau đại học:

–       thương mại hoá và đưa ra thị trường chương trình cơ điện tử;

–       mở rộng phạm vi cơ điện tử tới những hệ cơ điện tử truyền thống và mini cũng như MEMS và NEMS đang là các lĩnh vực nổi bật trong kỹ thuật;

–       xem xét lại chương trình giảng dạy kỹ thuật. Cụ thể, nên đề nghị các môn học Điện từ, Thiết bị chuyển động cơ-điện, Điện tử công suất, Điều khiển, Vi điện tử và DSP như là các môn học chính bắt buộc, và là điều kiện tiên quyết cho các khoá học cơ điện tử nâng cao;

–       nhấn mạnh cơ điện tử như một trung tâm của chương trình giảng dạy kỹ thuật cơ-điện bậc đại học và sau đại học hơn là ở ngoại vi;

–       đưa các hệ cơ-điện và các nghiên cứu chuyên ngành không quá phức tạp vào trong khoá học cơ điện tử bậc đại học và xây dựng lại các chủ đề chuyên sâu cho các chương trình sau đại học;

–       phát triển một chương trình giảng dạy cơ điện tử cân bằng tốt, tiến bộ, yêu cầu trí tuệ   kèm theo các phòng thí nghiệm;

–       tích hợp đầy đủ các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính và phần mềm mô phỏng hiệu suất cao tiên tiến;

–       mở rộng cơ-điện tử cho các đồ án thiết kế của sinh viên đại học năm cuối;

–       viết và xuất bản sách, giáo trình, và sổ tay toàn diện về cơ điện tử;

–       phổ biến rộng rãi các kết quả và đúng lúc.

Sự kết hợp có thể quản lý giữa các môn học và lĩnh vực kỹ thuật có thể đạt được với chương trình cơ điện tử. Có thể áp dụng các môn học cơ bản dưới đây:

–       Thiết bị chuyển động cơ-điện,

–       Điện tử công suất và vi điện tử,

–       Vi xử lý và giao diện,

–       Xử lý tín hiệu số,

–       Hệ cơ-điện,

–       Giới thiệu về cơ điện tử,

–       Lý thuyết hệ thống điều khiển và điều khiển hệ cơ điện tử,

–       Hệ thống cơ điện tử và cấu trúc thông minh,

–       Hệ thống vi cơ điện tử,

–       Hệ thống nano cơ điện tử,

Do sự khác nhau của các chương trình học kỹ thuật điện,máy tính, cơ học, và hàng không vũ trụ, cũng như số lượng hạn chế các môn học kỹ thuật lựa chọn của mỗi ngành học, nên  các môn học cơ điện tử có thể khác nhau. Ví dụ, đối với sinh viên kỹ thuật điện, chương trình học  có thể được thiết kế bằng cách dùng kỹ thuật điện cơ bản và kỹ thuật cơ khí ứng dụng; đối với sinh viên kỹ thuật cơ khí, có thể nhấn mạnh kỹ thuật cơ khí cơ bản và kỹ thuật điện ứng dụng. Sinh viên sẽ có cơ sở trong một lĩnh vực chính trong khi vẫn nhận được kiến thức ứng dụng về lĩnh vực khác.

6.11    Kết luận: Triển vọng cơ điện tử

Sự tiến bộ cơ sở và công nghệ có ảnh hưởng sâu rộng trong thiết bị chuyển động cơ-điện (cơ cấu chấp hành và cảm biến), điện tử công suất, thiết bị bán dẫn, IC, MEMS và NEMS, vật liệu và đóng gói, máy tính và thông tin, bộ vi xử lý và DSP, xử lý tín hiệu số và quang, cũng như các công cụ thiết kế có sự trợ giúp của máy tính và phần mềm mô phỏng, đã mang lại những thách thức mới cho khoa học, công nghiệp và chính phủ. Vì thế, nhiều trường kỹ thuật đã thay đổi chương trình giảng dạy của họ nhằm đưa ra những khoá học liên ngành thích hợp như Hệ cơ-điện và Cơ điện tử. Cơ sở của Cơ điện tử là lý thuyết cơ bản và thực hành kỹ thuật. Những nỗ lực giới thiệu Cơ điện tử chỉ thành công một phần do thiếu một chiến lược dài hạn. Vì vậy, cần tìm những nỗ lực hợp tác. Hầu hết các chương trình giảng dạy kỹ thuật cung cấp một khoá học lựa chọn đơn lẻ để giới thiệu cơ điện tử cho các sinh viên kỹ thuật điện, máy tính, cơ học và hàng không vũ trụ. Do thiếu thời gian, không thể bao hàm hoàn toàn tài liệu và nhấn mạnh kỹ lưỡng bản chất đa ngành của cơ điện tử trong một khoá học giới thiệu. Vì vậy, khoá học bậc đại học không thể đáp ứng hết yêu cầu và mục tiêu chuyên nghiệp của sinh viên, và không thoả mãn các yêu cầu phát triển của khoa học, công nghiệp, và chính phủ. Nên tích hợp các môn học cơ điện tử chính trong chương trình giảng dạy kỹ thuật, và nên phát triển các khóa học định hướng phòng thí nghiệm và dự án để dạy và trình bày các phần cứng và phần mềm tiên tiến với các ứng dụng vào hệ cơ-điện phức tạp. Sự thích hợp của những lý thuyết cơ bản, kết quả ứng dụng và thực nghiệm là rất quan trọng và phải nhấn mạnh. Sức mạnh và tính đa dụng lớn của Cơ điện tử, không đề cập tầm quan trọng chủ yếu của các kết quả mà nó tiếp cận trong tất cả các lĩnh vực kỹ thuật, làm cho nó trở nên quan trọng với tất cả kỹ sư được làm quen với lý thuyết cơ bản và thực hành kỹ thuật. Đó không phải là ứng dụng cuối cùng của cơ điện tử và còn có nhiều đóng góp hơn cho khái niệm liên ngành này. Chúng ta vừa đi qua bề nổi của các ứng dụng Cơ điện tử vào hệ cơ-điện tiên tiến. Những hướng mới sẽ được nghiên cứu và áp dụng trong một tương lai gần bởi vì Cơ điện tử là một mặt trận kỹ thuật – khoa học - công nghệ. Ví dụ, có thể phát minh, nghiên cứu, phân tích và xác minh các hiện tượng mới và nguyên lý hoạt động trong NEMS và MEMS bằng cách dùng Vi cơ điện tử và Nano cơ điện tử.

Tài liệu tham khảo

[1]            Chapman, S. J., Electric Machinery Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1999.

[2]            Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., and Umans, S. D., Electric Machinery, McGraw-Hill, New York, 1990.

[3]            Krause, P. C., and Wasynczuk, O., Electromechanical Motion Devices, McGraw-Hill, New York, 1989.

[4]            Krause, P. C., Wasynczuk, O., and Sudhoff, S. D., Analysis of Electric Machinery, IEEE Press, New York, 1995.

[5]            Leonhard, W.,Control of Electrical Drives, Springer, Berlin, 1996.

[6]            Ong, C. M., Dynamic Simulation of Electric Machines, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1998.

[7]            Novotny, D. W., and Lipo, T. A., Vector Control and Dynamics of AC Drives, Clarendon Press, Oxford, 1996.

[8]            Slemon, G. R., Electric Machines and Drives, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1992.

[9]            Hart, D. W., Introduction to Power Electronics, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1997.

[10]         Kassakian, J. G., Schlecht, M. F., and Verghese, G. C., Principles of Power Electronics, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1991.

[11]         Mohan, N. T., Undeland, M., and Robbins, W. P., Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley and Sons, New York, 1995.

[12]         Sedra, A. S., and Smith, K. C., Microelectronic Circuits, Oxford University Press, New York, 1997.

[13]         Fraden, J., Handbook of Modern Sensors: Physics, Design, and Applications, AIP Press, Woodbury, NY, 1997.

[14]         Kovacs, G. T. A., Micromachined Transducers Sourcebook, McGraw-Hill, New York, 1998.

[15]         Dorf, R. C., and Bishop, R. H., Modern Control Systems, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1995.

[16]         Franklin, J. F., Powell, J. D., and Emami-Naeini, A., Feedback Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley Publishing Company, Reading, MA, 1994.

[17]         Kuo, B. C., Automatic Control Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1995.

[18]         Lyshevski, S. E., Control Systems Theory With Engineering Applications, Birkhäuser, Boston, MA, 2001. http://www.birkhauser.com/cgi-win/ISBN/0-8176-4203-X

[19]         Ogata, K., Discrete-Time Control Systems, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1995.

[20]         Ogata, K., Modern Control Engineering, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1997.

[21]         Phillips, C. L., and Harbor, R. D., Feedback Control Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996.

[22]         White, D. C., and Woodson, H. H., Electromechanical Energy Conversion, Wiley, New York, 1959.

[23]         Auslander, D. M., and Kempf, C. J., Mechatronics: Mechanical System Interfacing, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 1996.

[24]         Bolton, W., Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical Engineering, Addison-Wesley Logman Publishing, New York, 1999.

[25]         Bradley, D. A., Dawson, D., Burd, N. C., and Loader, A. J., Mechatronics, Chapman and Hall, New York, 1996.

[26]         Fraser, C., and Milne, J., Electro-Mechanical Engineering, IEEE Press, New York, 1994.

[27]         Shetty, D., and Kolk, R. A., Mechatronics System Design, PWS Publishing Company, New York, 1997.

[28]         Lyshevski, S. E., Electromechanical Systems, Electric Machines, and Applied Mechatronics, CRC Press, Boca Raton, FL, 1999. http://www.crcpress.com/us/product.asp?sku=2275&dept%5Fid=1

[29]         Lyshevski, S. E., Nano- and Microelectromechanical Systems: Fundamentals of Nano- and Microengineering, CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. http://www.crcpress.com/us/product.asp?sku=0916&dept%5Fid=1