|
Chu Duc Trinh, Gih Keong Lau, J. Fredik Creemer, Pasqualina M. Sarro
Giới thiệu tóm tắt
Trong thế giới vi mô, khi thao tác với các vi hạt, độ khéo léo, độ chính xác và tốc độ của các thao tác sẽ được cải thiện nếu “cảm nhận” được tương tác và điều khiển trong thời gian thực. Phát triển hệ thống vi thao tác có khả năng cảm nhận như vậy này được quan tâm trong các lĩnh vực như mổ tế bào, mổ nội soi, vi robot và vi lắp ráp, v.v..
Các hệ thống vi thao tác truyền thống hiện nay không có chức năng cảm nhận lực tương tác chúng thường dùng các hệ thống camera để cảm nhận. Phương pháp này cho kết quả là các ảnh hai chiều và không chi phép cảm nhận không gian thực do đó rất khó định vị vị trí của đối tượng. Hơn nữa, phương pháp dùng camera chỉ cho biết về chuyển vị chứ không cho biết lực tương tác. Vi kẹp có gắn cảm biến lực và chuyển vị có thể khắc phục được các giới hạn trên và nó phù hợp để thao tác với các đối tượng mềm mại hơn tránh các hiện tượng phá hủy đối tượng thao tác.
Công trình này nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một cấu trúc vi kẹp có gắn cảm biến cảm nhận lực tương tác dựa trên cấu trúc vi chấp hành nhiệt điện silicon-polymer và vi cảm biến áp trở. Vi kẹp có gắn cảm biến này có kích thước theo các chiều dài, rộng và độ dầy lần lượt là 490, 350 and 30 μm.
Trong những năm vừa qua, một số nhóm nghiên cứu trên thế giới đã nghiên cứu phát triển các hệ thống vi thao tác có gắn cảm biến. Một số nhóm sử dụng cấu trúc vi chấp hành dựa trên nguyên lý áp điện và cấu trúc cảm biến gauge. Cấu trúc này cho độ chuyển vị, lực tương tác cũng như tần số hoạt động cao. Một nhóm nghiên cứu khác cũng phát triển một thiết bị tương tự dựa trên hiệu ứng từ và cảm nhận lực bằng áp điện. Tuy nhiên, quy trình sản xuất các cấu trúc kiểu này không tương thích với quy trình sản xuất CMOS, nên rất khó xây dựng các hệ thống trên một chip đơn.
Cấu trúc vi kẹp có gắn cảm biến trong nghiên cứu này được sản xuất dựa trên công nghệ vi khối, các quy trình polymer và hoàn toàn tương thích với quy trình sản xuất CMOS. Các thông số nhận được của vi kẹp có gắn cảm biến này cho thấy nó có thể cho phép thao tác với các vi hạt hiệu quả hơn, chính xác hơn so với các cấu trúc vi kẹp đã phát triển. Độ dịch chuyển của vi kẹp lên tới 32 μm tại điện áp tác dụng là 4.5 V. Vi kẹp này có thể thao tác với các vi hạt có kích thước từ 8–40 μm. Nhiệt độ hoạt động trung bình của vi kẹp là 176 ◦C tại 4.5 V. Điện áp trên lối ra cảm biến lực lên tới 49 mV khi đầu kẹp dịch chuyển 32 μm. Độ nhạy của phép đo lực là 1.7 nN/m và với phép đo chuyển vị là 1.5 kV/m. Tần số hoạt động lớn nhất của linh kiện là 29 Hz.
Vi kẹp có gắn cảm biến này có thể sử dụng trong các hệ thống vi lắp ráp và vi robot tự động. Ngoài ra, nó có thể sử dụng được trong các hệ thống gắp các tế bào sống, mổ nội soi. Tuy nhiên, được các yêu cầu trong y sinh, nhóm nghiên cứu cần phải tối ưu hoạt động của linh kiện về các thông số truyền nhiệt, cấu trúc cơ học, cách ly với môi trường chất lỏng và bài toán điều khiển vòng đóng.
Linh kiện này có thể được sử dụng trong một số lĩnh vực như sau: vi lắp ráp, vi robot, thao tác đặt mẫu trong chụp ảnh SEM và TEM. Một số ứng dụng tiềm năng: mổ nội soi, mổ tế bào.
Sensing Microgripper for microparticle handling
Chu Duc Trinh, Gih Keong Lau, J. Fredik Creemer, Pasqualina M. Sarro
1. Abstract of the project
When manipulating micro-objects, the dexterity, accuracy, and speed are considerably improved when the force on the objects can be sensed and controlled in real time. The development of such miniaturized manipulators is of great interest for operating on living cells, minimally invasive surgery, microrobotics, and microassembly.
The manipulation of micro-objects with traditional microgrippers without a built-in force sensor normally requires a camera to obtain visual feedback. This approach results in a 2-D image. The depth perception of the contact between the manipulating tool and the object being manipulated is lost, making it difficult to identify the position of the tool. Moreover, only displacements and not force can be detected. A microgripper with a built-in force sensor can address this limitation and, thus, is suitable for holding objects firmly, while avoiding any squeezing of delicate objects.
This project researches, designs, and fabricates a novel sensing microgripper based on silicon-polymer electrothermal actuators and piezoresistive force-sensing cantilever beams. The sensing microgripper is 490 μm long, 350 μm wide, and 30 μm thick.
In recent years, several designs of microgrippers with force feedback have been demonstrated. A force-sensing microgripper for minimally invasive surgery application employs piezoelectric actuation with strain gauge sensors on the side wall of the structure. It is capable of actuating at high frequency (hundreds of hertz) with very high driving voltage. Another design device was presented, which uses electromagnetic actuation and piezoelectric force sensing. It generates large displacements at low voltage and a linear sensing output. However, the main limitations of the aforementioned devices are the incompatibility with CMOS technology and rather large dimensions.
The fabrication process is based on conventional bulk micromachining and polymer filling, and it is CMOS compatible. The characteristics of this sensing microgripper will make the manipulation of small objects more efficient, more accurate, and less tiring than with currently available grippers due to its large jaw displacement and sensing sensitivity. A microgripper jaw displacement up to 32 μm at an applied voltage of 4.5 V is measured. The microgripper can be used to grasp an object with a diameter of 8–40 μm. The maximum average working temperature change is 176 ◦C at 4.5 V. The output voltage of the piezoresistive sensing cantilever is up to 49 mV when the jaw displacement is 32 μm. The force sensitivity is measured to be up to 1.7 nN/m, and the corresponding displacement sensitivity is 1.5 kV/m. The bandwidth frequency of this presented sensing microgripper is measured as 29 Hz.
The presented sensing microgripper could be used in automatic systems for microassembly and in microrobotics. In addition, the microgripper could be of use in living cell handling or in minimally invasive surgery, provided the working temperature is lowered and the electronics are properly isolated from the liquid environment. Device optimizations on the thermal transfer and mechanical geometry are required for performance improving.
This device can be used in: microassembly, microrobotics, sample manipulation in SEM and TEM. Several potential applications: minimally invasive surgery, living cell surgery.
|
