Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc Mems cấu trúc cài răng lược

Với các thiết bị ăn mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây ở một số phòng thí nghiệm trong nước thì cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một loại cấu trúc chỉ có t

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học sư phạm hà nội 2

CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẢM

BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC

DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS

37

3.1 Nhiệm vụ bài toán mô phỏng 37

4.3 Khảo sát độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung theo vận tốc góc

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 20 đã chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các linh kiện vi điện tử có kích thước nhỏ và có mức độ tổ hợp lớn Xu hướng thu nhỏ kích thước đã được áp dụng trong công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), nó cho phép chế tạo các thiết bị và các linh kiện sensor, actuator có kích thước

cỡ micromet Sang thế kỷ 21 không chỉ các thiết bị điện tử mới có thể thu nhỏ, mà còn các thiết bị cơ học cũng có thể thu nhỏ như các thiết bị MEMS

đã được thương mại hóa và đưa ra thị trường Các thiết bị điện tử không chỉ

có một ‘’bộ não’’ vô cùng mạnh mẽ (mạch IC), mà còn có bộ phận để cảm nhận và tăng khả năng quyết định như tai, mắt (sensor) có kích thước micromet và thực hiện chức năng cơ học nào đó được gọi là hệ thống vi cơ điện tử (MEMS ở châu Mỹ, Microsystems hoặc MST ở châu Âu và Micromachines ở Nhật), gọi tắt là hệ vi cơ Công nghệ MEMS đang được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Ô tô, hàng không vũ trụ, y học, sinh học, viễn thông v.v…Công nghệ MEMS đã bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên công nghệ vi cơ khối Sau đó trên cơ sở công nghệ MEMS nhiều loại linh kiện và thiết bị cơ điện đã được chế tạo: các loại cảm biến quán tính như cảm biến áp suất, cảm biến lực, cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc; hệ thống lưu trữ thông tin; hệ thống thông tin liên lạc không dây; hệ thống chuẩn đoán y học v.v…

Ở Việt Nam, công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm nghiên cứu và phát triển từ cuối những năm 90 Các quan tâm nghiên cứu tập trung vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công nghệ và phát triển ứng dụng Hiện nay đã hình thành một số nhóm nghiên cứu về MEMS thuộc các viện nghiên cứu, các trường Đại học: Viện ITIM – ĐHBK Hà Nội,

Viện Vật Liệu, Đại học Công nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v…Những nghiên cứu trước đây về MEMS như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung dao động dựa trên điều kiện ăn mòn ướt Với các thiết bị ăn mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây ở một số phòng thí nghiệm trong nước thì cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên nghiên cứu tại Việt Nam Phối hợp với nhóm nghiên cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, chúng tôi thực hiện phát triển một cấu trúc cảm biến

đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều kiện công nghệ

Luận văn thực hiện xây dựng mô hình lý thuyết cảm biến đo vận tốc góc cài răng lược, từ đó mô phỏng, xác lập các đặc trưng hoạt động của cảm biến bằng phần mềm ANSYS Từ kết quả mô phỏng, đề xuất chế tạo các cấu trúc cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước

Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc góc MEMS

Chương 2: Xây dựng cấu trúc cảm biến

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc MEMS cấu trúc cài răng lược dựa trên phần mềm ANSYS

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Dù thời gian phát triển ngắn, nhưng những sản phẩm của nó đã đem lại những lợi ích to lớn cho xã hội và đã khẳng định được tầm quan trọng trong thời đại khoa học và công nghệ hiện nay Sản phẩm của công nghệ MEMS được ứng dụng vào rất nhiều các lĩnh vực như: Viễn thông, y học, rôbôt, điều khiển tự động, ô tô, máy quay video, dụng cụ thể thao v.v

MEMS có các lĩnh vực ứng dụng rộng lớn, không chỉ trong công nghiệp mà còn trong các sản phẩm gia đình thiết yếu với khả năng trở thành một hệ thống toàn diện – SOC (System - on Chip), nhiều chức năng, an toàn, tin cậy và giá rẻ Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành công nghiệp ô tô với thiết bị đầu tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc

kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể hạt đường Ngoài lợi thế về kích thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá thành Gia tốc kế túi khí đang được sản xuất với số lượng trên 40 triệu thiết bị mỗi năm và không chỉ dừng ở đó, nó còn đang được nghiên cứu để có các chức năng thông minh như có đáp ứng riêng đối với các lái xe có khổ người và cân nặng khác nhau

Trong lĩnh vực ô tô, các thiết bị MEMS khác chủ yếu nhằm vào chế độ an toàn, độ an ninh hay theo dõi môi trường, ví dụ như: đo lượng nhiên liệu, tự động ghìm dây bảo hiểm, hệ thống khoá cửa dựa trên sinh trắc học hay RFID,

hệ thống định vị GPS Cảm biến đo gia tốc có doanh số bán hàng lớn thứ hai trong các sản phẩm của MEMS, chỉ đứng sau cảm biến áp suất Doanh số bán hàng cảm biến này đạt tới 40 triệu USD năm 2004 Các cảm biến này chủ yếu

sử dụng trong công nghiệp, ở đó chúng được sử dụng để kích hoạt các hệ thống an toàn Tuy nhiên cảm biến đo gia tốc cũng được sử dụng trong phạm

vi lớn do chúng có ưu thế về kích thước nhỏ và giá thành chế tạo thấp Chúng được sử dụng trong y học để điều khiển hoạt động, trong các hệ làm ổn định chống rung của các máy quay camera, các thiết bị thể thao, ứng dụng trong công nghiệp như chế tạo rô bốt, trong các bộ điều khiển chống rung, ứng dụng trong quân sự v.v

Cùng với cảm biến đo gia tốc, các cảm biến đo vận tốc góc MEMS là cảm biến có tỷ phần lớn trong các sản phẩm MEMS, một trong các loại dựa trên silic Cảm biến do vận tốc góc MEMS được ước tính sẽ tạo ra giá trị khoảng 800 triệu USD vào năm 2010 với phạm vi ứng dụng rất lớn [1], [12] Chúng có thể được sử dụng trong điều khiển tự động, chẳng hạn như hệ thống chống xoay, hệ thông tin dẫn định hướng trong GPS và trong các hệ điều khiển sự ổn định cho các hệ điện tử Ngoài ra, trong nhiều thiết bị dân dụng cũng có ứng dụng cảm biến này, chẳng hạn trong các máy quay xách tay, các máy quay camera, trong các điện thoại di động (chúng được sử dụng làm các

bộ ổn định cho các thiết bị trên), các thiết bị điện tử xách tay v.v Các ứng dụng quan trọng khác của các cảm biến đo vận tốc góc có thể tìm thấy trong lĩnh vực quân sự, hàng không vũ trụ, rôbôt và ứng dụng trong y tế

Trên quan điểm giá thành sản phẩm, năng lượng tiêu thụ và hiệu quả sản xuất, các cảm biến đo vận tốc góc đòi hỏi tích hợp công nghệ phức tạp

như các cảm biến vòng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khó đáp ứng được yêu cầu sử dụng số lượng lớn của các cảm biến đo vận tốc góc [10] Vì vậy, các nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc với rất nhiều loại cấu trúc khác nhau và nguyên lý hoạt động khác nhau được báo cáo

Hình 1.1 Thống kê về thị phần và doanh thu sản phẩm MEMS trên thế giới từ

báo cáo của "Yolé Développment" tháng 04 năm 2005

Con quay vi cơ là một loại cảm biến cơ học đo vận tốc góc, dùng để nhận biết tín hiệu của sự quay, nói một cách khác nó cho phép ta đo được tốc

độ quay của vật thể theo một phương nào đó trong không gian Với một con quay ba chiều hoặc ba con quay một chiều, ta có thể xác định được gia tốc ba chiều của vật thể, từ đó ta sẽ biết được nó đang hướng đến đâu và thay đổi hướng chuyển động như thế nào trong không gian Dụng cụ này cho phép xác

Cảm biến quán tính 22%

Bộ chấp hành khác 5%

MEMS quay 22%

Cảm biến dòng chảy 27%

RF MEMS 3%

Cảm biến công suất

định được tốc độ của vật thể quay đặt trong không gian quán tính, dựa trên hiệu ứng Coriolis

1.2 Hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính Khi vật đứng yên trong hệ quy chiếu quay thì chịu tác dụng của lực quán tính li tâm Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếu này thì còn chịu tác dụng của một lực quán tính khác nữa, lực quán tính Coriolis hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc) Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc góc  của

hệ quy chiếu quay, vào vận tốc v' của vật đối với hệ quy chiếu quay và luôn vuông góc với vectơ vận tốc đó Ta có thể hình dung lực Coriolis thông qua một mô hình như sau:

Một bàn xoay có thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm, một quả bóng được đặt tại tâm của bàn xoay Vạch trên đĩa một bán kính OA, theo hướng từ O đến A Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’ Nếu bàn không quay thì quả cầu lăn dọc theo bán kính OA (hình 1.2) Nếu bàn quay theo hướng mũi tên chẳng hạn, thì quả cầu lăn theo đường cong OA’ (đường chấm chấm) nghĩa là vận tốc v' thay đổi hướng đối với bàn quay Chuyển động cong của quả cầu trên mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gây ra tác dụng vuông góc với vận tốc v' Lực này là lực quán tính Coriolis

Hình 1.2 Khi đĩa quay, quỹ đạo của bóng lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu

Bóng Tâm của bàn xoay

Bàn xoay

Hướng chuyển động của bóng

Quỹ đạo của bóng trên bàn xoay

Hướng xoay của bàn

A'

Biểu thức tổng quát của lực Coriolis là:

Với: a c  2 [v  ] F c  2m[v'   ] (1.2)

Trường hợp tổng quát của lực coriolis: Gọi Oxyz là hệ quy chiếu

đứng yên, Ox’y’z’ là hệ quy chiếu gắn với đĩa quay, trong đó trục z trùng với trục z’ và trùng với trục quay của đĩa Với trục quy ước này thì bán kính vectơ

r đối với hệ quay là trùng nhau

Bán kính vectơ của vật được tính theo:

e quay theo hệ Ox’y’z’ với cùng vận tốc , nghĩa

là chúng nằm yên đối với hệ này Còn đối với hệ đứng yên Oxyz thì chúng quay với vận tốc  Do đó khi lấy vi phân (1.1) đối với r thì phải coi '

' 2 ' '

x y

y x

e x r v

e x v a

z y y x

e x r v

2

e x v a

) (

2 ' ' ' ' 2 ' ' ' '

'

y x x

e x a

r (xem 1.3) Ta kí hiệu thành phần này là R do đó số hạng cuối bằng - 2R

( v') =

' ' '

' ' '

z y x

z y x

z y x

v v v

e e e

' ' '

0 0

z y x

z y x

v v v

e e e



( v') = ' ' ' '

x y y

a

Lực quán tính tác dụng lên vật m là:

R m v m a

a m

F qt  ( ' )   2 (   ')  2 (1.10) Trong đó lực m2R có hướng từ tâm quay ra ngoài là lực quán tính li

tâm xuất hiện do đĩa quay, còn lực  2m(  v')xuất hiện do có sự chuyển động tương đối của vật đối với đĩa quay với vận tốc v' là lực quán tính Coriolis

Vậy biểu thức tổng quát của lực Coriolis là:

) (

Hình 1.4 Chuyển động của hạt nước dưới tác dụng của lực Coriolis

Trái Đất là một vật quay lớn, nếu một dòng sông ở Bắc bán cầu chảy từ Bắc đến Nam thì tốc độ hướng đông nhỏ, nó sẽ lệch về phía Tây, giống như ai

đó đẩy chúng Nếu ta xét một hạt nước khi di chuyển từ bán Bắc đến Nam, ta phân tích chuyển động của hạt nước thành hai chuyển động thành phần như hình 1.4 Lúc này xuất hiện lực Coriolis đẩy hạt nước theo hướng ngang Do vậy tất cả các dòng sông ở Bắc bán cầu bờ sông bên Tây bị bào mòn tương đối lớn Hiện tượng này cũng xảy ra ở đường ray xe lửa một chiều từ hướng Nam ra hướng Bắc bị va đập tương đối mạnh vào mặt phía Đông đường sắt Lực Coriolis ảnh hưởng lên cả chuyển động của các vật chuyển động với vận tốc lớn như tàu thủy, máy bay, đường đạn, đặc biệt là các tên lửa, các trạm vũ trụ phóng từ mặt đất

1.3 Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao động

Tất cả các cảm biến đo vận tốc góc dựa trên sự chuyển đổi năng lượng giữa hai mẫu giao động của cấu trúc gây ra bởi gia tốc Coriolis, gia tốc này xuất hiện khi có sự quay của khung đỡ và tỉ lệ với tốc độ quay Trình bày sơ lược về nguyên lý hoạt động của mẫu cảm biến như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo vận tốc góc

kiểu dao động

Xét chiếc rĩa quay đều với vận tốc góc  theo trục Oz (hình 1.5)

Khi dùng một lực điều khiển (F đk) tác dụng vào một nhánh của rĩa làm

cho nhánh đó dao động theo trục Oy, nhánh rĩa sẽ chịu tác dụng của lực

Coriolis (FC) Lực này có phương vuông góc với  và v của dao động điều

khiển, nên FC

sẽ hướng theo trục Ox làm cho nhánh rĩa dao động theo phương

Ox Nếu phương trình dao động của thanh theo trục Oy (phương của F đk) là:

x t( ) x0sin( đk t) (1.12)

Với đklà tần số góc của thanh dao động theo trục Oy

Ta có biểu thức gia tốc Coriolis là:

a c  2  x.( )t  2  x0 đkcos( đk t) (1.13)

Xét một trường hợp cụ thể: Khi cho biên độ dao động của thanh theo

trục Oy là xo= 1m tần số dao động 20kHz và vận tốc góc quay của rĩa là

s

deg/

1



 thì gia tốc Coriolis là 4,4mm/s2 Ta thấy gia tốc Coriolis không chỉ

phụ thuộc vào vận tốc góc  mà còn phụ thuộc vào biên độ xo Nếu ta dùng

sự kích thích bằng điện từ thì sẽ làm cho biên độ dao động lên tới 50m và

làm cho độ nhạy cũng tăng lên Nhưng nếu biên độ dao đông tăng lên thì

đồng thời sẽ gây ra những ảnh hưởng như: Làm tăng mức tiêu thụ điện và

Model điều khiển (Trục Ox)

Tín hiệu quay của

hệ (Trục Oz)

Model cảm ứng (Trục Oy)

giảm độ bền Khi kết hợp tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số truyền động thì trong hệ thống có một hệ số có đặc tính cao là hệ số khuếch đại Q Tuy nhiên ở cùng một thời điểm thì dải tần số đk/Q bị giới hạn, khi Q

ở 10,0 thì dải tần số giảm xuống Để có được dải tần số đáp ứng được yêu cầu

và độ nhạy tăng không bị ảnh hưởng sự tiêu thụ điện và độ bền thì phải có sự lệch giữa tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số truyền động

Để có được sự kích thích điện từ với biên độ cao thì cần phải có sự lựa chọn phù hợp Hình 1.6a phác hoạ cơ cấu chung với hai kết cấu âm thoa dựa trên kiểu kích thích điện từ [15]

Hình 1.6 Cấu trúc Turning - fork sử dụng trong cảm biến mức độ thay đổi

góc với (a) hai đầu cố định, (b) một đầu cố định

(Torsion bar: Thanh quay; Mass: Khôi; Fdriver: Lực điều khiển)

Những nam châm vĩnh cửu phải được định vị trong khối không di động

và trên bề mặt của một phiến thẳng Cho âm thoa quay với tốc độ góc  như hình 1.6a, một dòng điện xoay chiều qua các chốt của âm thoa để tạo ra lực truyền động F đk (lực này là lực Lorenz) Kết cấu Silic được gắn giữa hai lát kính mỏng Dao động cuối cùng sẽ thu được gia tốc Coriolis nhờ vào sự nhận biết qua việc sử dụng bộ tụ điện

Trong hình 1.6b là một kết cấu chỉ có một điểm treo đòi hỏi đế kim loại trên âm thoa để dẫn dòng điện Tuy nhiên kết cấu có những thuận lợi so với kết cấu có hai điểm treo như hệ số Q cao hơn bởi vì khi giảm giá treo thì sự ảnh hưởng ứng suất trong và sự thay đổi nhiệt độ giảm

Hai khối trong những kết cấu âm thoa ở hình 1.6 đối tượng tạo ra gia tốc tuyến tính, đây là điều tại sao hai khối lại cần thiết

1.4 Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu

1.4.1 Kiểu thanh rĩa

Trong số các thiết kế, cấu trúc kiểu thanh rĩa là mẫu cổ điển trong các cảm biến đo tốc độ góc kiểu dao động Hai răng của cấu trúc thanh rĩa được nối với nhau ở chỗ chạc ba và được điều khiển cho dao động trong mặt phẳng của cấu trúc với biên độ xác định Hình 1.7a cho biết khi cho thanh rĩa quay quanh trục của nó sẽ gây ra lực Coriolis và tạo ra một sự khác nhau về lực đặt lên các răng của thanh rĩa, vuông góc với dao động cơ bản Lực Coriolis được cảm ứng và thu tín hiệu lại dựa trên sự uốn cong của các răng thanh rĩa, hoặc

sự xoắn của các hệ thanh rĩa Hình 1.7b trình bày một mẫu cảm biến đo tốc độ góc của kiểu thanh rĩa Do hiệu ứng Coriolis, sự quay đặt vào sẽ tạo ra sự dao động xoắn tuần hoàn quanh trục của hệ thống Các áp điện trở cấy trên hệ này được sử dụng đo ứng suất trượt, ứng suất này tỉ lệ với tốc độ quay của hệ

Mẫu nhận biết Mẫu kích thích

Điện

áp kích thích Trục trong

Các chốt Chốt điều khiển

1.4.2 Kiểu khung dao động

Một cấu trúc khác của cảm biến đo vận tốc góc là cấu trúc khung dao động như ở hình 1.8 [10] Cấu trúc gồm hai khung dao động, khung dao động trong và khung dao động ngoài, liên kết với nhau qua các thanh dầm xoắn Khung ngoài là khung chủ động, khung trong là khung thụ động Khung chủ động và khung thụ động có thể dao động thông qua trục điều khiển và tự do Đĩa cảm ứng được liên kết với khung thụ động, dao động quanh trục điều khiển, và cũng có thể dao động độc lập quanh trục cảm ứng Biên độ dao động lớn của khung thụ động trong đó chứa đĩa cảm ứng, có thể thu được bằng cách khuếch đại biên độ dao động nhỏ của khung dao động Khi có sự xuất hiện của chuyển động quay hệ quanh trục cảm ứng vuông góc với bề mặt

đế, chỉ có đĩa cảm ứng đáp lại sự xoắn gây ra bởi lực Coriolis Lực tĩnh điện

sử dụng để kích hoạt khung dao động và điện dung được sử dụng để cảm ứng

sự dịch chuyển của đĩa cảm ứng Các mẫu khác của cảm biến đo vận tốc góc của khung dao động có nguyên lý tương tự, có thể tham khảo trong tài liệu [10], [12], [13]

Hình 1.8 Cấu trúc khung dao động

Sense Electrodes: Những bản điện cực cảm ứng; Anchor: Chốt; Substrate: Đế;

Sensing Plate: Đĩa cảm ứng; Sense Direction: Hướng cảm ứng; Drive Direction: Hướng truyền động; Drive Electrodes: Bản điện cực truyền động

1.4.3 Kiểu vòng xuyến

Hình 1.9 là một cấu trúc khác của con quay vi cơ được gọi là kiểu vòng xuyến, nó bao gồm một đai là khung vòng xuyến được đỡ bởi tám nửa vành tròn, tám nửa vành tròn này có tác dụng như các nhíp lò xo có thể uốn cong rồi lại trở về hình dạng nửa tròn Một số lượng lớn điện cực lái và điện cực cảm ứng được gắn vòng quanh cấu trúc Đai được truyền động tĩnh điện nhờ chính các điện cực gắn xung quanh đai và uốn định hình kiểu Elip với biên độ nhất định trong cùng một mặt phẳng Khi vòng xuyến quay quanh một trục sẽ gây ra sự truyền động từ mẫu ban đầu sang mẫu thứ hai theo phương hợp với phương ban đầu một góc 450 Mẫu thứ hai được nhận biết bởi những bộ tụ điện

Hình 1.9.Cấu trúc vòng xuyến 1.4.4 Kiểu cài răng lược

Hình 1.10 giới thiệu một lược đồ cảm biến đo vận tốc góc sử dụng khối gia trọng dịch chuyển song song Cấu trúc bao gồm một cấu trúc lái và một cấu trúc cảm ứng trong cùng mặt phẳng chuyển động Cấu trúc lái được điều khiển bởi các răng lược lái Cấu trúc cảm ứng liên kết với cấu trúc lái qua các

lò xo đàn hồi cảm ứng, những lò xo này tạo ra cho cấu trúc có thể dao động theo hướng cảm ứng do có gia tốc Coriolis Một số tác giả cũng có báo cáo

Mẫu dao động cảm ứng

cấu trúc tương tự về cảm biến đo vận tốc góc MEMS, có thể tham khảo ở các tài liệu [10], [11], [15]

Hình 1.10 Cấu trúc cài răng lược

1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ điện

tử và công nghệ tin học, công nghệ MEMS đã có những bước phát triển to lớn Công nghệ chế tạo các cảm biến nói chung và công nghệ chế tạo cảm biến đo vận tốc góc nói riêng cũng không nằm ngoài sự phát triển đó Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu xã hội ngày càng phong phú và hiện đại thì cảm biến luôn luôn được cải tiến Đối với các cảm biến đo vận tốc góc, hiện nay các cấu trúc đang được sử dụng nhiều là: Turning - fork; khung dao động; cộng hưởng vòng xuyến và các cấu trúc cài răng lược Như đã phân tích mỗi loại cấu trúc được phát triển đều có ưu điểm riêng, nhưng cũng thể hiện những hạn chế

Theo dòng phát triển loại linh kiện, đã có rất nhiều những mẫu cảm biến được đề xuất, chế tạo và ứng dụng Mỗi loại cảm biến đều thể hiện

Bản điện

cực cảm ứng

Lò xo cảm ứng

Hình răng lược truyền động

Lò xo truyền động

Chốt Khung

cảm ứng

Phương truyền động

những ưu điểm về cấu trúc hoặc về tính năng hoạt động, hoặc công nghệ chế tạo, khắc phục được các nhược điểm của các mẫu cảm biến trước đó Đồng thời các mẫu cảm biến mới lại xuất hiện các vấn đề mới, có thể tiếp tục được cải tiến Rất nhiều các nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc góc được thực hiện theo hướng này [1], [10], [13]

Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng cấu trúc và hoạt động của cảm biến từ

đó đề xuất cấu trúc và định hướng cho công nghệ chế tạo: Các nghiên cứu theo hướng này phát triển dựa trên sự hộ trợ rất mạnh của các công cụ tin học Hiện nay đã có nhiều các phần mềm tin học ứng dụng cho phép lập các chương trình tính toán trên đó, cho phép mô tả cấu trúc và hoạt động của các

mô hình vật lí rất gần với mô hình thực tế: ANSYS, FEMLAP… Dựa trên các phần mềm này, các chương trình mô phỏng cấu trúc và đặc trưng hoạt động của cảm biến, các bộ chấp hành được thực hiện Kết quả mô phỏng cho phép các nhà thiết kế lựa chọn các thông số thiết kế tối ưu phù hợp điều kiện công nghệ và mục đích sử dụng

Nghiên cứu cải tiến quy trình công nghệ: Cuộc cách mạng trong khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi nhanh chóng điều kiện kỹ thuật, công nghệ Những thiết bị kỹ thuật mới, hiện đại cho phép chế tạo các loại cấu trúc, linh kiện phức tạp, chất lượng tốt hơn nhiều mà trước đó không thực hiện được Rất nhiều các nghiên cứu khoa học về cải tiến kỹ thuật, quy trình công nghệ

đã được các tác giả công bố [1]

Nghiên cứu ứng dụng: Một hướng phát triển khác là phát triển các cảm biến đã được chế tạo vào các loại ứng dụng khác nhau Mỗi loại cấu trúc cảm biến, với đặc trưng riêng về cấu trúc sẽ phát huy tác dụng tốt trong các ứng dụng đặc thù Phát triển ứng dụng cảm biến phù hợp với cấu trúc là một trong các nội dung được nhiều nhóm nghiên cứu đang quan tâm [1], [11], [12]

Công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm, nghiên cứu, phát triển ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm gần đây Các quan tâm, nghiên cứu tập trung vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công nghệ và phát triển ứng dụng Hiện nay, đã hình thành một số nhóm nghiên cứu về MEMS thuộc các viện nghiên cứu, các trường đại học: Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, Viện vật liệu, Đại học Công Nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v… Các nghiên cứu trước đây về MEMS đã được công bố trong nước là các nghiên cứu về cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung dao động [1] dựa trên điều kiện công nghệ ăn mòn ướt Với các hệ thiết bị ăn mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây, các cấu trúc linh kiện MEMS phức tạp đã được các nhóm nghiên cứu trong nước quan tâm Cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên công nghệ ăn mòn khô, lần đầu tiên được phát triển nghiên cứu ở Việt Nam Phối hợp với các nghiên cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, dựa trên điều kiện công nghệ hiện có ở Viện ITIMS, chúng tôi thực hiện việc phát triển một cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều kiện công nghệ Trong đề tài này chúng tôi cũng thực hiện mô phỏng cấu trúc

và hoạt động của cảm biến, từ đó đề xuất một thiết kế cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ để chuẩn bị cho chế tạo linh kiện trong nước

nghiên cứu MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội

Những yêu cầu đặt ra cho nghiên cứu thử nghiệm:

Loại cấu trúc: Không quá phức tạp để có thể thuận lợi hơn trong công nghệ chế tạo

Cấu trúc có thể dễ dàng cải tiến cho phù hợp với điều kiện công nghệ Cấu trúc có thể khảo sát, đo đạc các đặc trưng hoạt động không quá khó khăn trên các hệ thiết bị trong nước

Hiện nay có rất nhiều cấu trúc đang được quan tâm, mỗi loại đều thể hiện những ưu điểm về cấu trúc hoặc tính năng hoạt động hoặc công nghệ chế tạo Cấu trúc hình thang là một loại cảm biến phù hợp với các điều kiện nêu trên

Hình 2.1 Sơ đồ cảm biến cấu trúc hình thang

Điện cực điều khiển cố định

Chốt Dầm ngoài

Bản điện cực truyền động cố định Dầm thẳng

Bản điện cực cố định 1R Bản điện cực R đã kết nối Bản điện cực cố định 2R Dầm trong

Cấu trúc này bao gồm nhiều bản điện cực đã được kẹp chặt đế Con quay này có bốn khối đã nối lại với nhau bởi hai cánh dầm thẳng song song Trong một mẫu truyền động các khối dao động đối diện theo hướng trục X do lực tĩnh điện Mỗi khối dao động chính xác với cùng biên độ vì các khối đã được nối lại với nhau một cách an toàn Nguyên bộ phận di động được gắn chặt vào đế với các dầm đỡ dẻo ở sáu điểm nút xung quanh

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt cấu trúc hình thang

Trong dao động này sự thay đổi điện dung (C1L C2L) - (C1R C2R) tương ứng với vận tốc góc, nơi mà điện dung C 1L thay đổi giữa bản cực cố định và bản cực di động Độ nhạy của con quay phụ thuộc vào khoảng cách giữa các bản điện cực cố định và những bản điện cực di động Khi những bản điện cực cố định chuyển động vì ứng suất nhiệt, khoảng cách trong bản điện cực 1L và 2L và khoảng cách trong bản điện cực 1R và 2R biểu hiện sự thay đổi đối diện nhau, cắt nhau Kết quả là sự biến đổi về độ nhạy của con quay vi

cơ bị ngăn chặn

2.2 Phương pháp điều khiển dao động kích thích

Dao động kích thích (dao động điều khiển) được thực hiện dựa trên sự điều khiển lực tĩnh điện xuất hiện giữa hai bản tụ điện có điện tích trái dấu Dưới đây chúng ta sẽ trình bày cụ thể về hiệu ứng này

Lực vuông góc với bề mặt điện cực: Giả sử có một điện áp V một chiều được đặt vào một tụ điện gồm hai bản cực phẳng song song như hình 2.3: Điện cực bên trái là cố định ở vị trí x = 0, điện cực bên phải là điện cực động, có thể di chuyển theo hướng trục x vuông góc với bề mặt điện cực, toạ

độ x của nó có giá trị thay đổi Nếu kích thước của các điện cực lớn hơn rất nhiều khoảng cách x giữa hai điện cực thì hiệu ứng biên không đều của điện trường có thể bỏ qua

Điện dung của tụ phẳng song song được xác định bởi:

Hình 2.3 Lực tĩnh điện vuông góc với điện cực

Trong đó A là diện tích điện cực, 8 , 845 10 12F / m

Điện tích được tích trên tụ là: QC = C(x).V (2.2)

Năng lượng điện trường dự trữ trên tụ là: EC = 2

).

( 2

1

V x

Do hai bản cực của tụ điện mang điện tích trái dấu, nên tồn tại một lực điện giữa hai bản cực Đây là lực hút tĩnh điện, do một bản của tụ điên là cố định, nên ta coi lực tĩnh điện Fn được đặt lên bản động của tụ, làm bản cực này dịch chuyển một đoạn x Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

V x

x C dx

V x

x C

1

V x

x C





2 0

Lực song song với bề mặt điện cực: Xét tụ điện phẳng gồm hai bản điện cực song song đặt cách nhau một khoảng không đổi g0 Bản cực thứ nhất được cố định tại x = 0, bản cực kia là bản cực động, đặt tại vị trí x = g0 Bản cực thứ hai có thể di chuyển theo hướng trục y song song với bề mặt điện cực như hình 2.4:

Hình 2.4 Lực tĩnh điện song song với điện cực

Giả sử rằng phần đối diện nhau giữa hai điện cực có kích thước y lớn hơn rất nhiều khoảng cách g0 giữa hai bản cực

Điện dung của tụ điện là: C =

2 ).

( 2

1

V g

hy V y

Lực tĩnh điện giữa hai bản cực của tụ có xu hướng kéo trượt bản cực động về phía làm tăng phần đối diện giữa hai bản tụ Gọi lực đó là lực Ft Xét bài toán với các dịch chuyển vô cùng bé y Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

0

0V g

h V dy

dQ dy

Dựa vào phân tích ở phương trình (2.2) dấu (+) trong phương trình (2.14) mô tả rằng lực tĩnh điện đặt lên bản cực động của tụ điện sẽ kéo các điện cực về phía nhau sao cho làm tăng phần diện tích đối diện giữa các bản cực

Từ phương trình (2.14) ta thấy rằng lực song song Ft là độc lập đối với phần chiều dài đối diện nhau y của các bản cực tụ, vì vậy lực này là không đổi theo đường song song Vậy lực tĩnh điện song song là không đổi khi kích thước các bản cực tụ là rất lớn so với khoảng cách g0 giữa hai bản tụ

Xét sự so sánh giữa độ lớn các lực song song và vuông góc (Ft và Fn)

Xét một cấu trúc có khối gia trọng treo trên các thanh dầm đàn hồi trên

cả hai phía sao cho khối gia trọng chỉ có thể dịch chuyển theo hướng vuông góc với bề mặt khối gia trọng như hình 2.5a:

trọng về phía bản cực cố định như hình 2.5b Khối gia trọng được đặt gần với điện cực cố định Một lực đàn hồi xuất hiện trên các thanh dầm có khuynh hướng kéo khối gia trọng trở lại vị trí ban đầu Vị trí cân bằng của khối gia trọng có thể xác định dựa vào điều kiện cân bằng lực

Giả sử độ dịch của khối gia trọng là x Điều kiện cân bằng lực là:

Ở đây Fn là lực tĩnh điện theo hướng của trục x và Fk = - kx là lực phục hồi, k là độ cứng của hệ thanh dầm theo hướng của trục x Ta có:

2 0

2 0

) (

2 g x

V A

Hình 2.6 Sự phụ thuộc của F n và F k vào dịch chuyển

Có thể thấy rằng nghiệm ứng với điểm b mô tả vị trí cân bằng không bền Nếu có một dịch chuyển nhỏ khối gia trọng về phía sau, lực đàn hồi Fk sẽ lớn hơn lực hút tĩnh điện về độ lớn, làm dịch chuyển khối gia trọng khỏi vị trí này và dịch chuyển về phía vị trí a Nói cách khác, nếu có một tác động nhỏ làm dịch chuyển khối gia trọng một chút khỏi vị trí cân bằng, lực tĩnh điện sẽ

lớn hơn nhiều lực phục hồi và khối gia trọng sẽ dịch chuyển tiếp cho đến khi

nó bị dính vào điện cực cố định Tuy nhiên, nghiệm ở vị trí a mô tả vị trí cân bằng bền nếu có dịch chuyển nhỏ khỏi vị trí này thì hợp lực của Fn và Fk cũng đưa khối gia trọng trở lại vị trí cân bằng bền

Về mặt toán học, điều kiện đối với vị trí cân bằng bền là:

) (

2 g x

V A

1

Điều này có nghĩa là độ dịch chuyển cân bằng là bền khi nó nó nhỏ hơn một phần ba của khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ

2.3.2 Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kéo)

Với mỗi cấu trúc cơ xác định, thì độ cứng k là hằng số Từ hình 2.6, chúng ta có thể thấy rằng Fn tăng khi điện áp V tăng Vì vậy, các điểm a và b dịch lại gần nhau hơn khi V tăng Rõ rang, khi tăng V tới một giá trị tới hạn

VC, sẽ không có sự giao cắt của các đường cong biểu diễn Fn và F k , vì khi đó

Fn luôn luôn lớn hơn F k Khối gia trọng sẽ luôn bị hút vào điện cực cố định Bởi vậy, VC được gọi là điện áp ngưỡng kéo

Điện áp ngưỡng kéo VC có thể xác định từ phương trình (2.16) Nếu chúng ta sử dụng các cách đặt sau:



Phương trình (2.16) có thể viết lại như sau:

p F

F x x

Giá trị cực đại của x ( 1 x) 2thuộc vùng từ 0 đến 1 là

27

4

tại x=

3 1

Bởi vậy, điều kiện của nghiệm cân bằng bền là:

F p

Điện áp ngưỡng được xác định bằng: VC =

0

3 0

2.4 Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trúc cài răng lược

2.4.1 Độ dịch theo hướng song song

Các bộ chấp hành tĩnh điện cấu trúc cài răng lược đã được sử dụng rộng rãi trong thực tế Cấu trúc đầu tiên được đưa vào bởi Tang và cộng sự [11], [12] và được gọi là bộ chấp hành cài răng lược

Các bộ chấp hành cài răng lược sử dụng lực tĩnh điện song song để điều khiển Theo phần 2.2, lực song song không phụ thuộc vào độ dịch chuyển song song, bởi vậy, độ dịch chuyển là rất dễ xác định

Như đã thảo luận ở phần 2.2, lực tĩnh điện vuông góc luôn tồn tại cùng với lực song song và nó thường lớn hơn nhiều lực song song

Để loại bỏ hiệu ứng lực vuông góc, các cực điện tĩnh được sắp xếp một cách đối xứng trên cả hai mặt của mỗi điện cực động sao cho lực vuông góc

từ hai mặt sẽ hủy bỏ nhau theo từng cặp như hình 2.7a Vì lực song song Ft là độc lập với độ dịch chuyển, từ mô hình trên hình 2.7b và phương trình 2.14, phương trình cho độ lệch của bộ chấp hành cài răng lược là:

Trong đó h là chiều cao phần điện tích đối diện giữa các bản cực theo hướng của trục z, g0 là khoảng cách giữa điện cực tĩnh và điện cực động, n là

số các răng lược động và k là độ cứng của cấu trúc cài răng lược theo hướng trục y

Hình 2.7 Sự dịch chuyển trong bộ chấp hành cài răng lược theo hướng song

song

Bởi vậy, độ dịch cân bằng đối với điện cực động là:

0

2 0 0

kg

V nh

Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển y của điện cực động và điện áp đặt vào V là quan hệ bậc hai

2.4.2 Sự mất ổn định theo hướng vuông góc đối với các răng lược

Mặc dù lực hút tĩnh điện từ các điện cực tĩnh lên hai mặt của điện cực động đã được hủy nhau theo từng cặp, chúng có thể vẫn gây ra sự mất ổn định khi điện áp là đủ lớn Chúng ta sử dụng phương pháp năng lượng để thảo luận

Mô hình đối với cấu trúc khảo sát được mô tả trên hình 2.8, trong đó A

và C là các điện cực tĩnh, và B là điện cực động được đặt chính xác tại vị trí giữa A và C Khoảng cách ban đầu từ B đến A hoặc C là g0 Cấp vào một điện

áp, khi đó điện cực B sẽ dịch chuyển theo hướng song song với hướng trục y

dưới tác dụng của lực tĩnh điện song song như đã phân tích ở trên Bây giờ chúng ta xét bài toán về sự mất ổn định theo hướng trục x gây ra bởi điện áp

Hình 2.8 Sự mất ổn định theo hướng vuông góc

Điện dung giữa các điện cực tĩnh và điện cực động là một hàm số của

độ dịch chuyển theo hướng trục x của điện cực động B:

2 2 0

0 0 0

0 0

0 )

2

x g

g A x g

A x g

x

C x C



Độ thay đổi điện dung so với giá trị điện dung tụ ban đầu (khi x = 0) là:

2 2 0

1 ) (

x

x C x C

2

2

1 2

1 ) (x kg x C x V

Ở đây k là độ cứng của hệ bản cực động theo hướng trục x Bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất của E (x) và cho nó bằng không, ta có:

0 ) 1 (

2 2 2

Với x 1, tìm được ba nghệm là:

2 0

2 0 3

, 2

kg

V C x

và

Để kiểm tra xem các nghiệm này có ổn định không, chúng ta xét đạo hàm bậc hai của E (x):

2 0 3 2

2 2

0 2

) 3 1 (

3 1 )

(

V C x

x kg

x

x E

2

V C kg x

2

x

x E và A

kg C

0

2 0

kg

V C

x   làm ví dụ Nếu điện cực B được dịch chuyển một

chút ra khỏi vị trí x2g0 nó sẽ dịch chuyển tiếp tục lên trên, cho đến khi nó đập vào điện cực A và dừng lại ở đó Trái lại, nếu điện cự B bị dịch chuyển một chút về phía tâm, nó sẽ dịch chuyển đến vị trí cân bằng bền ở x = 0 Vì vậy vùng ở đó điện cực B có thể trở lại trạng thái cân bằng bền ở x = 0 là giữa

0

2g

x và -x2g0 (chẳng hạn x3g0) Nếu điện cực B được dịch chuyển khỏi vùng này, nó sẽ tiếp tục dịch chuyển theo chiều đang xét và sẽ dính vĩnh viễn vào điện cực gần nhất Rõ ràng, điện áp lớn hơn V thì vùng ổn định là nhỏ hơn

3 0 0

2

A

kg C

kg V

độ cứng k lớn theo hướng trục x Tuy nhiên, sự dịch chuyển quay trong mặt phẳng x - y có thể gây ra rắc rối bởi vì k trong dịch chuyển xoay có thể hoàn toàn nhỏ đối với bất kỳ cấu trúc nào Đối với cấu trúc trên hình 2.7a, các răng lược trên mặt trái có thể dịch chuyển lên trên, các răng bên mặt phải có thể dịch chuyển xuống dưới

2.5 Sự tiêu thụ năng lượng trong các bộ chấp hành cài răng lược Công suất tiêu thụ bởi cấu trúc cài răng lược có thể tính bởi:

f CV

Trong đó C là điện dung toàn bộ hệ cấu trúc (gần điện dung giữa các điện cực, điện dung ký sinh giữa các dây nối và đế v.v…) V là điện áp cung cấp và f là tần số lái

2.6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

2.6.1 Điều khiển dao động kích thích

Đặt một điện áp xoay chiều giữa các bản điện cực cố định và các bản điện cực gắn trên khung dao động điều khiển thì khung dao động điều khiển

sẽ nhận được gia tốc theo phương Ox do tác dụng của lực tĩnh điện Các bản điện cực đối diện được bố trí so le và nằm ở chính giữa (hình 2.1) Gọi x là chiều dài của điện cực, g0 là khoảng cách giữa hai bản cực

Điện dung của tụ được xác định bằng biểu thức:

Với h là bề rộng của điện cực

Khi đó tụ có một năng lượng dự trữ:

( )

0

1

khung dao động điều khiển dịch chuyển, sẽ không có sự dịch chuyển theo hướng vuông góc vì các điện cực được đặt ở chính giữa và song song nên có

sự cân bằng lực theo hướng vuông góc (Oy)

Gọi Ft là lực tĩnh điện làm dịch chuyển bản điện cực theo Ox, chúng ta xác định được:

2 0 0

2.6.2 Dao động cảm ứng và thu tín hiệu cảm ứng

Khung dao động điều khiển được kết nối với khung dao động cảm ứng thông qua giá đàn hồi Khi khung dao động điều khiển nhận được gia tốc theo phương Ox, nó làm cho khung dao động cảm ứng cũng dao động theo phương

Ox Đối với khung dao động cảm ứng khi nhận được gia tốc theo phương Ox đồng thời quay với tốc độ góc  theo phương Oz thì nó sẽ nhận được gia tốc dưới tác dụng của lực Coriolis và dao động theo phương Oy Trên khung dao động cảm ứng có gắn các bản điện cực, các bản cực còn lại của bộ tụ điện cảm ứng được đặt cố định Khi khung dao động cảm ứng dao động theo phương Oy thì khoảng cách giữa các điện cực của bộ tụ cảm ứng thay đổi dẫn đến điện dung của bộ tụ cũng thay đổi Như vậy khi thay đổi vận tốc góc 

thì độ lệch của khung dao động cảm ứng cũng thay đổi do vậy khoảng cách giữa bản điện cực gắn trên khung dao động cảm ứng với bản điện cực cố định thay đổi nên ta có thể xác định độ thay đổi điện dung của bộ tụ cảm ứng theo vận tốc góc

CHƯƠNG III

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS

3.1 Nhiệm vụ bài toán mô phỏng

ANSYS là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán Vật lý – Cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, bằng việc sử dụng phương pháp rời rạc hoá và gần đúng để giải ANSYS là chương trình phân tích tính toán dựa trên phần tử hữu hạn (FEA - Finte Element Analysis) hàng đầu trong hơn 35 năm qua Phiên bản

sử dụng ở đây là ANSYS 10.0 Multiphysis không những cho phép giải các bài toán kỹ thuật phục vụ công nghiệp mà còn cho phép giải các bài toán trong lĩnh vực MEMS phù hợp với kích thước micromet ANSYS không những giải những bài toán kỹ thuật đơn trường mà còn cho phép giải các bài toán đa trường tương tác như là: phân tích nhiệt - ứng suất, phân tích điện -

cơ, phân tích chất lỏng - cơ, phân tích nhiệt - điện,… Ngoài ra, chương trình còn cho phép sử dụng cả giao diện đồ họa và câu lệnh trong môi trường Windows và Linux đã giúp phần mềm này trở nên dễ sử dụng hơn [3], [7]

Ngoài chương trình ANSYS, hiện tại còn có các chương trình phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn khác như là: FEMLAB, SUGAR, MEMSPro,… Đối với phần mềm FEMLAB, SUGAR có thể cho phép chạy liên kết với môi trường Matlab MEMSPro là chương trình được viết cho lĩch vực MEMS, nó có thể sử dụng môi trường ANSYS để phân tích các bài toán