Cảm biến đo vận tốc góc mems

Các loại cảm biến đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực của khoa học công nghệ, trong các thiết bị: đo lường, tìm kiếm, phát hiện, cảm nhận v.v… Cảm biến đo vận tốc góc được ứ

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) - c«ng nghÖ chÕ t¹o tÝch hîp linh kiÖn c¬ vµ linh kiÖn ®iÖn phát triển m¹nh, ®­îc gäi lµ c«ng nghÖ chÕ t¹o vi c¬ ®iÖn tö MEMS là sự tích hợp của các yếu tố cơ, cảm biến, bộ kích hoạt và các yếu tố điện chung trên một đế Si dựa trên công nghệ vi chế tạo

Đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện kích cỡ micro, được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, điện tử dân dụng, quân sự…

Công nghệ MEMS đã đem lại sự phát triển mạnh mẽ cho công nghệ điện tử, ứng dụng chế tạo ra những sản phẩm công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ chế tạo các loại cảm biến, một trong những thiết bị công nghệ cao được ứng dụng rất nhiều trong các nghành kĩ thuật

Các loại cảm biến đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực của khoa học công nghệ, trong các thiết bị: đo lường, tìm kiếm, phát hiện, cảm nhận v.v… Cảm biến đo vận tốc góc được ứng dụng trong lĩnh vực đo vận tốc góc hay mức độ thay đổi góc quay, được sử dụng trong rất nhiều loại thiết bị khác nhau tùy vào mục đích sử dụng và đã đem lại nhiều kết quả quan trọng trong khoa học công nghệ

Chính sự phát triển của khoa học công nghệ, sự cần thiết của các thiết bị công nghệ cao, các thành công và hạn chế của các thiết bị, đã lôi cuốn tôi đi vào tìm hiểu với mục đích muốn hiểu rõ hơn về cảm biến đo vận tốc góc, các kết cấu của nó, các kết quả và hạn chế, nhằm tìm ra phương hướng khắc phục

để hoàn thiện hơn cho cấu trúc của cảm biến Cùng với tinh thần ham học hỏi,

sự đam mê khám phá khoa học và sự chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo TS Đinh Văn Dũng, TS Trịnh Quang Thông cũng như sự ủng hộ nhiệt

tình của các thầy cô và các bạn nên tôi đã lựa chọn đề tài: “Cảm biến đo vận tốc góc MEMS”

2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu và hệ thống hóa kiến thức về nguyên lý hoạt động cảm biến

đo vận tốc góc, các cấu trúc cơ bản của cảm biến đo vận tốc góc MEMS

3 Đối tượng nghiên cứu

Cảm biến đo vận tốc góc MEMS

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết về lực Coriolit; Các cấu trúc của cảm biến đo vận tốc góc: kết cấu, hoạt động, các ưu nhược điểm; Các hướng nghiên cứu

5 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập thông tin đã có về cảm biến, tổng hợp tài liệu báo cáo

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 LỰC CORIOLIT VÀ CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS

Như ta biết, vật đứng yên trong hệ quy chiếu quay thì chịu tác dụng của

lực quán tính li tâm Lực quán tính này có hướng ngược với hướng của lực

hướng tâm nên gọi là lực quán tính li tâm hay gọi tắt là lực li tâm Hiện tượng

li tâm được ứng dụng nhiều trong kĩ thuật, như trong máy quay li tâm, máy đo

vận tốc… Nếu vật chuyển động trong hệ quay thì ngoài chịu tác dụng của lực

li tâm vật còn chịu tác dụng của một lực quán tính khác nữa, lực quán tính

Coriolit hay gọi tắt là lực Coriolit Fc

Lý thuyết và thực nghiệm cho biết lực Coriolit 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 các véc tơ vận tốc đó (Hình 1.1) Biểu thức tổng quát

của lực Coriolit là:

 2 ' 

Fc m v (1.1)

Để hình dung tác dụng của lực Coriolit và tìm biểu thức (1.1) ta lần lượt khảo sát các nội dung sau đây:

1.1.1 Thí dụ phát hiện lực Coriolit Lấy một đĩa nằm ngang có thể quay quanh trục thẳng đứng qua tâm của nó

Hình 1.2 Quỹ đạo chuyển động của viên bi trên đĩa quay

dưới tác dụng của lực Coriolit

Vạch trên đĩa một bán kính OA Theo hướng từ O đến A, ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’ Nếu đĩa không quay thì quả cầu lăn dọc theo bán kính

OA (hình 1.2) Nếu đĩa quay theo hướng mũi tên chẳng hạn, thì quả cầu sẽ lăn theo đường cong OA’ (đường chấm chấm) nghĩa là vận tốc thay đổi hướng đối với đĩa quay Chuyển động cong của quả cầu trên mặt đĩa xẩy ra phải do một lực nào đó tác dụng vuông góc với vận tốc '

v Lực này là lực quán tính

Coriolit

1.1.2 Biểu thức lực Coriolit tổng quát: Gọi Oxyz là hệ quy chiếu đứng yên, O’x’y’z’ là hệ quy chiếu gắn với đĩa quay, trong đó trục x trùng với trục z’ và trùng với trục của đĩa (Hình 1.3) Với quy ước này thì bán kính véc

tơ ⃗ của vật đối với hệ đứng yên và 'r đối với hệ quay là trùng nhau

Bán kính véctơ của vật được tính theo:

e quay theo hệ O’x’y’z’ với cùng vận tốc Ω, nghĩa là

chúng nằm yên đối với hệ này Còn đối với hệ đứng yên Oxyz thì chúng quay

Đối với hệ đứng yên thì vận tốc 

m v xuất hiện do có sự chuyển

động tương đối của vật với đĩa quay với vận tốc ′⃗ là lực quán tính Coriolit

Vậy biểu thức tổng quát của lực Coriolit là:

Như vậy bằng các phép tính toán ta đã tìm ra biểu thức định lượng giá

trị của lực Coriolit và ta thấy lực Coriolit phụ thuộc vào vận tốc góc quay 

và vận tốc chuyển động tương đối '

v

Biểu hiện của lực Coriolit trong thực tế trong các hiện tượng tự nhiên

nhìn chung có giá trị nhỏ Tuy nhiên nếu nó tác dụng trong thời gian dài thì

cũng đều gây ảnh hưởng Lực giúp ta cắt nghĩa vì sao lại có hiện tượng bồi nở

sảy ra ở hai bờ sông… Hiện tượng này cũng xảy ra đối với đường ray xe lửa

một chiều Lực Coriolit tác dụng 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

1.2 Cảm biến đo vận tốc góc MEMS dựa trên nguyên lý lực Coriolit

1.2.1 Tổng quan về công nghệ MEMS

Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp

Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó

là công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip) Các linh kiện MEMS thường được chế tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ

và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây

Tuy rằng MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội

 Các ứng dụng phổ cập:

Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt như sau:

Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác

Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa và các phương tiện vận tải

Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gương cho các thiết bị điện tử

Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy

in laser đen trắng và mầu

Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học

Chuyển mạch cho thông tin quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang

Vi van: Các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van

Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến

Hình 1.4 Sự thay đổi góc quay

Cảm biến vận tốc góc là thiết bị dùng để đo vận tốc góc Ở đây ta sẽ tìm hiểu về cảm biến động hồi chuyển sử dụng hiệu ứng lực Coriolit (Hình 1.5) Cảm biến động hồi chuyển sử dụng một khối proof-mass dao động theo một phương được gọi là phương sơ cấp Khối này đồng thời bị quay quanh một trục, làm xuất hiện lực Coriolit khiến nó có thêm dao động theo phương khác, gọi là phương thứ cấp Trên phương chuyển động thứ cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này,

Cảm biến được gắn trên vật chủ cần đo vận tốc góc, tín hiệu lấy ra từ cảm biến được đưa qua bộ khuếch đại biên độ rồi cho qua bộ lọc, lọc tín hiệu cần thiết rồi được đưa qua một máy tính xử lí tín hiệu cho kết quả đầu ra Hệ thống đo như sơ đồ (Hình 1.6):

Với việc sử dụng cơ cấu lái và cảm ứng là các tụ điện ta có cơ cấu đo chuyển động thứ cấp như sau (Hình 1.8):

Hình 1.8 Sơ đồ đo chuyển động thứ cấp

Tùy thuộc vào mục đích đo và điều kiện đo mà người ta xây dựng các kết cấu khác nhau sao cho phù hợp nhất Các kết cấu tiêu biểu đang được sử dụng như: Cấu trúc turning-fork, cấu trúc khung dao động, cấu trúc cộng hưởng vòng xuyến, cấu trúc cài răng lược Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu cụ thể về các cấu trúc đó

CHƯƠNG 2 PHÂN LOẠI CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS 2.1 Cấu trúc turning-fork:

Hình 2.1 Cấu trúc turning-fork

Kết cấu đã được sử dụng trong cảm biến đo mức độ biến đổi góc là một kết cấu dạng dĩa (turning-fork) biểu diễn trên hình (2.1) Chân dĩa là các trục dao động chế tạo bằng một loại hợp kim và có một hằng số biên độ được biểu thị trước Một trục quay thẳng đứng gắn với tay quay của dĩa Khi có sự quay quanh trục thẳng đứng của dĩa, bằng cách đặt cơ cấu lái thích hợp người ta định hướng được lực lái có phương nằm trong mặt phẳng của dĩa Khi đó xuất hiện lực Corolit định hướng vuông góc với phương lực lái hay các kết quả của gia tốc Coriolit được định hướng vuông góc với phương lái Lực Coriolit có thể được phát hiện từ độ cong của chân dĩa nhờ sự dao động ổn định của chân dĩa hoặc từ sự dao động xoắn của thân dĩa thông qua sự biến đổi điện dung của tụ điện cảm ứng hoặc sự biến thiên điện trở của biến trở cảm nhận

Một bài toán về sự cảm nhận một biến đổi tốc độ góc của những cảm biến căn cứ trên lực Coriolit là nhỏ hơn biên độ dao động, thí dụ cho một dao động lái hình sin,

Fdriver

Fcoriolit

Ω

x(t) = xosin(drivet) (2.1.1) với biên độ xo và tần số lái drive thì gia tốc coriolit được tính đạo hàm bậc nhất của phương trình biên độ và bằng:

acorilit = 2Ω ̇ (t) = 2Ωxodrivecos(drivet) (2.1.2) Chẳng hạn, cho biên độ lái xo = 1m, tần số lái drive = 20kHz và tốc độ thay đổi góc quay là 1deg/s, có được biên độ của gia tốc Coriolit là 4,4 mm/s Giả

sử dùng một chương trình thử nghiệm với hệ số phẩm chất Q = 1 và giữ nguyên tần số cộng hưởng cùng giá trị tần số lái là 20kHz thì kết quả thu được

có độ sai lệch là 0,0003 nm Từ đây ta cố hai phương án làm cho biên độ tăng lên:

+ Tăng biên độ lái: Từ (2.1.2) chúng ta thấy gia tốc Coriolit không chỉ

tỉ lệ với mức độ thay đổi góc Ω mà cả biên độ lái xo Chẳng hạn, khi tăng biên

độ lái ta có kết quả là sự tăng lên của độ nhạy Có được biên độ dao động trên

50 m bằng cách sử dụng kích thích điện từ Mặc dù như vậy có thể làm cho tín hiệu đầu ra cao, sự tăng lên này liên quan đến tổng năng lượng tiêu thụ và gây ra sự qua tải khi hoạt động trong thời gian dài

+ Phối chọn sao cho tần số cộng hưởng bằng với tần số của mode lái trong hệ thống với một hệ số phẩm chất Từ (2.1.2), tác động đến gia tốc Coriolit là biên độ biến điệu tín hiệu cùng với tần số lái drive Đang chọn tần

số cộng hưởng của mode lái cho kết quả độ khuếch đại bằng hệ số phẩm chất

Q Tuy nhiên, trong cùng khoảng thời gian chiều rộng dải tần bị giới hạn bởi

tỉ số drive/Q Chẳng hạn, cho hệ số phẩm chất Q = 10000 thì chiều rộng dải tần thu được chi cỡ vài Hz Đạt được cả hai dải tần kích thích và tăng độ nhạy tạo ra một yếu điểm là sự không khớp giữa mode tần số cộng hưởng và tần số lái

Đạt được biên độ lái cao dựa vào kích thích điện từ là lí luận mà chúng tôi lựa chọn Hình (2.2) trình diễn sơ đồ kết cấu chính của một vi từ kế dạng

turning-fork dựa trên kiểu kích từ Cố định một từ trường tĩnh sao cho có

được đường cảm ứng vuông góc với bề mặt khung Cho một dòng xoay chiều

chạy qua khung trên mạch silic được kết cấu đặt giữa hai lớp thủy tinh bọc,

dòng xoay chiều này chịu tác dụng của lực loren đóng vai trò lực lái Sự dao

động, kết quả từ gia tốc Coriolit là cảm biến điện dung sử dụng các bản điện

cực trên đế thủy tinh

Ω Ω a) b)

Hình 2.2 Cấu trúc turnig-fock sử dụng trong cảm ứng mức độ thay đổi góc

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

Tần số cộng hưởng của thành phần lái và mode cảm ứng chúng ăn khít nhau

với sự giúp đỡ của việc phân tích phần tử hữu hạn ( FEM) Một kiểu kết cấu

đơn với một đầu có định hình (2.2.b) yêu cầu một sự gia công kim loại trên

khung một kết cấu cứng Tuy nhiên, kết cấu có một vài ưu điểm so với kết

cấu hai đầu cố định, điều quan trọng là hệ số phẩm chất cao hơn bởi vì giảm

được sự tổn thất trong thiết bị phụ cụ thể là giá treo và giảm sự ảnh hưởng do

ứng suất trong quá trình đóng gói và do sự thay đổi nhiệt độ Một sự quay dọc

theo chiều lấy tín hiệu ra tạo ra độ nghiêng của kết cấu, ở đây cảm biến sử

dụng điện cực của tụ điện gắn trên đế của kết cấu Giống như kết cấu trên

hình (2.2.b), đó là kết cấu một đầu cố định với đế trên một hướng có rất nhiều

lợi ích quan trọng, lợi ích về độ nhạy cơ học và nhiệt ứng suất bắt nguồn từ đế

và quá trình đóng gói

a) Ưu điểm của cấu trúc:

Cấu trúc đơn giản dễ chế tạo Sự điều khiển cũng đơn giản, việc tạo

ra sự cộng hưởng cũng đơn giản nhờ việc thay đổi tần số lái

b) Nhược điểm của cấu trúc:

Có chuyển động cơ trong cấu trúc nên không thể tránh khỏi ma sát, chính điều này gây ra một tuế sai

Muốn đạt được tín hiệu đầu ra cao thì phải tốn nhiều năng lượng kích thích và điều này cũng gây ra sự qua tải cho kết cấu khi hoạt động trong thời gian dài

Để có được dải tần kích thích rộng và tăng độ nhạy điều này lại tạo

ra một yếu điểm là sự không ăn khớp giữa mode tần số cộng hưởng và mode lái

2.2 Cấu trúc khung dao động

Hình 2.3 Cấu trúc khung dao động

Đây là cấu trúc động hồi chuyển sử dụng hai khung dao động như biểu diễn trên hình (2.3) Cấu trúc này đạt được sự hiệu quả của khung dao động

và tính thụ động của khung là dao động độc lập với trục quay Ở đây ta sử dụng cảm biến như một bản mỏng gắn với khung thụ động dao động bằng hai mấu xoắn và khung còn lại dao động độc lập gắn với đế bởi hai neo thông qua dầm xoắn Khung chủ động được lái bởi điện cực lái gắn trên đế Biên độ dao động rộng của khung bị động bao gồm cả cảm biến mỏng, có thể đạt được nhờ khuếch đại sự dao động nhỏ của khung chủ động Trong kênh đã chọn trước của chế độ đầu vào và với mức độ nhạy bình thường Chỉ có cảm biến bản mỏng mới đáp ứng được sự quay được gây ra bởi lực Coriolit: Dưới sự tác động hay điều khiển của điện cực lái tạo ra sự dao động của khung chủ động tại hai mấu, sự liên kết giữa hai khung bằng dầm xoắn lại tạo ra sự dao động của khung bên trong cũng tại dầm liên kết, một cảm biến mỏng dạng chữ nhật gắn với khung bên trong với hai mấu, sự dao động của khung thứ hai tạo ra sự dao động của cảm biến mỏng tại hai mấu đó Tần số dao động của bản mỏng gắn cảm biến bằng với tần số lái Hai phía đầu chữ nhật của cảm biến có gắn điện cực cùng với các bản cực gắn trên đế tạo ra các tụ điện thay