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 cỏc thiết bị ănmũn khụ hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đõy ở một số phũng thớnghiệm trong nước thỡ cảm biến đo vận tốc gúc cấu trỳc cài răng lược, mộtloại cấu trỳc chỉ cú thể

Trần Đức Thành

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

Trần Đức Thành

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

Luận văn thạc sĩ vật

lý

Hà Nội, 2009

Trần Đức Thành

5

LUẬN VĂN CAO

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GểC MEMS 7

1.1 Giới thiệu 7

1.2 Hiệu ứng Coriolis 10

1.3 Nguyờn lý chung của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc kiểu dao động 14

1.4 Một số cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc tiờu biểu 17

1.4.1 Kiểu thanh rĩa 17

1.4.2 Kiểu khung dao động 18

1.4.3 Kiểu vũng xuyến 19

1.4.4 Kiểu cài răng lược 19

1.5 Đặt vấn đề nghiờn cứu 20

CHƯƠNG II XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN 23

2.1 Phỏt triển cấu trỳc 23

2.2 Phương phỏp điều khiển dao động kớch thớch 24

2.3 Độ dịch chuyển bởi lực tĩnh điện vuụng gúc 28

2.3.1 Độ dịch chuyển vuụng gúc 28

2.3.2 Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kộo) 30

2.4 Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trỳc cài răng lược 31

2.4.1 Độ dịch theo hướng song song 31

2.4.2 Sự mất ổn định theo hướng vuụng gúc đối với cỏc răng lược 32

2.5 Sự tiờu thụ năng lượng trong cỏc bộ chấp hành cài răng lược 35

2.6 Nguyờn lý hoạt động của cảm biến 35

2.6.1 Điều khiển dao động kớch thớch 35

2.6.2 Dao động cảm ứng và thu tớn hiệu cảm ứng 36

CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRèNH Mễ PHỎNG CẢM 37 BIẾN ĐO VẬN TỐC GểC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC

DỰA TRấN PHẦN MỀM ANSYS

3.1 Nhiệm vụ bài toỏn mụ phỏng 37

3.2 Cấu trỳc chung của bài toỏn mụ phỏng sử dụng phần mềm ANSYS 38

3.2.1 Phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM) 38

3.2.1.1 Phương phỏp giải cho cỏc bài toỏn khoa học - kỹ thuật 38

3.2.1.2 Phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM) 39

3.2.2 Trỡnh tự phõn tớch bài toỏn theo phương phỏp phần tử hữu hạn 40

3.2.3 Cấu trỳc cơ bản một bài tớnh trong ANSYS 42

3.3 Cỏc tham số đầu vào của bài toỏn mụ phỏng 43

3.4 Chương trỡnh mụ phỏng đáp ứng cơ của cảm biến 43

3.5 Xõy dựng chương trỡnh mụ phỏng đáp ứng chuyển đổi tớn hiệu điện 44

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ Mễ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 46

4.1 Điều khiển dao động kớch thớch 46

4.2 Khảo sỏt thanh dầm dao động cảm ứng 50

4.3 Khảo sỏt độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung 52

theo vận tốc gúc 4.4 Đề xuất cấu trỳc cảm biến 54

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 20 đó chứng kiến sự phỏt triển như vũ bóo của cỏc linh kiện viđiện tử cú kớch thước nhỏ và cú mức độ tổ hợp lớn Xu hướng thu nhỏ kớchthước đó được ỏp dụng trong cụng nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), núcho phộp chế tạo cỏc thiết bị và cỏc linh kiện sensor, actuator cú kớchthước cỡ micromet Sang thế kỷ 21 khụng chỉ cỏc thiết bị điện tử mới cúthể thu nhỏ, mà cũn cỏc thiết bị cơ học cũng cú thể thu nhỏ như cỏc thiết bịMEMS đó được thương mại húa và đưa ra thị trường Cỏc thiết bị điện tửkhụng chỉ cú một ‘’bộ nóo’’ vụ cựng mạnh mẽ (mạch IC), mà cũn cú bộphận để cảm nhận và tăng khả năng quyết định như tai, mắt (sensor) cúkớch thước micromet và thực hiện chức năng cơ học nào đó được gọi là hệthống vi cơ điện tử (MEMS ở chõu Mỹ, Microsystems hoặc MST ở chõu Âu

và Micromachines ở Nhật), gọi tắt là hệ vi cơ Cụng nghệ MEMS đang đượcnghiờn cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: ễ tụ, hàng khụng vũ trụ, yhọc, sinh học, viễn thụng v.v…Cụng nghệ MEMS đó bắt đầu nghiờn cứu vàứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảmbiến ỏp suất trờn cụng nghệ vi cơ khối Sau đó trờn cơ sở cụng nghệ MEMSnhiều loại linh kiện và thiết bị cơ điện đó được chế tạo: cỏc loại cảm biếnquỏn tớnh như cảm biến ỏp suất, cảm biến lực, cảm biến vận tốc gúc, cảm biếngia tốc; hệ thống lưu trữ thụng tin; hệ thống thụng tin liờn lạc khụng dõy; hệthống chuẩn đoán y học v.v…

Ở Việt Nam, cụng nghệ và linh kiện MEMS đó được quan tõm nghiờncứu và phỏt triển từ cuối những năm 90 Cỏc quan tõm nghiờn cứu tập trungvào cả phỏt triển cấu trỳc mới, mụ phỏng thiết kế, cải tiến cụng nghệ và phỏttriển ứng dụng Hiện nay đó hỡnh thành một số nhúm nghiờn cứu về MEMSthuộc cỏc viện nghiờn cứu, cỏc trường Đại học: Viện ITIM – ĐHBK Hà Nội,

Viện Vật Liệu, Đại học Cụng nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v…Nhữngnghiờn cứu trước đõy về MEMS như cảm biến ỏp suất, cảm biến gia tốc, conquay vi cơ khung dao động dựa trờn điều kiện ăn mũn ướt Với cỏc thiết bị ănmũn khụ hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đõy ở một số phũng thớnghiệm trong nước thỡ cảm biến đo vận tốc gúc cấu trỳc cài răng lược, mộtloại cấu trỳc chỉ cú thể phỏt triển trờn cụng nghệ ăn mũn khụ lần đầu tiờnnghiờn cứu tại Việt Nam Phối hợp với nhúm nghiờn cứu về MEMS ở ViệnITIMS – ĐHBK Hà Nội, chỳng tụi thực hiện phỏt triển một cấu trỳc cảm biến

đo vận tốc gúc cài răng lược phự hợp với điều kiện cụng nghệ

Luận văn thực hiện xõy dựng mụ hỡnh lý thuyết cảm biến đo vận tốcgúc cài răng lược, từ đó mụ phỏng, xỏc lập cỏc đặc trưng hoạt động của cảmbiến bằng phần mềm ANSYS Từ kết quả mụ phỏng, đề xuất chế tạo cỏc cấutrỳc cảm biến phự hợp với điều kiện cụng nghệ trong nước

Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:

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

Chương 2: Xõy dựng cấu trỳc cảm biến

Chương 3: Xõy dựng chương trỡnh mụ phỏng cảm biến đo vận tốc gúcMEMS cấu trỳc cài răng lược dựa trờn phần mềm ANSYS

Chương 4: Kết quả và thảo luận

kể về giỏ thành chế tạo và cho phộp tớch hợp nhiều phần điện tử trờn cựngmột Silic Dự thời gian phỏt triển ngắn, nhưng những sản phẩm của nú đó đemlại những lợi ớch to lớn cho xó hội và đó khẳng định được tầm quan trọngtrong thời đại khoa học và cụng nghệ hiện nay Sản phẩm của cụng nghệMEMS được ứng dụng vào rất nhiều cỏc lĩnh vực như: Viễn thụng, y học,rụbụt, điều khiển tự động, ụ tụ, mỏy quay video, dụng cụ thể thao v.v

MEMS cú cỏc lĩnh vực ứng dụng rộng lớn, khụng chỉ trong cụngnghiệp mà cũn trong cỏc sản phẩm gia đỡnh thiết yếu với khả năng trở thànhmột hệ thống toàn diện – SOC (System - on Chip), nhiều chức năng, an toàn,tin cậy và giỏ rẻ Lĩnh vực đầu tiờn ỏp dụng cỏc thiết bị MEMS chớnh làngành cụng nghiệp ụ tụ với thiết bị đầu tiờn ứng dụng cụng nghệ MEMS làgia tốc kế tỳi khớ với kớch thước chỉ bằng tinh thể hạt đường Ngoài lợi thế vềkớch thước, gia tốc kế tỳi khớ cũn làm giảm đỏng kể giỏ thành Gia tốc kếtỳi khớ đang được sản xuất với số lượng trờn 40 triệu thiết bị mỗi năm vàkhụng chỉ dừng ở đú, nú cũn đang được nghiờn cứu để cú cỏc chức năngthụng minh như cú đáp ứng riờng đối với cỏc lỏi xe cú khổ người và cõnnặng khỏc nhau

Trong lĩnh vực ụ tụ, cỏc thiết bị MEMS khỏc chủ yếu nhằm vào chế độ antoàn, độ an ninh hay theo dừi mụi trường, vớ dụ như: đo lượng nhiờn liệu, tựđộng ghỡm dõy bảo hiểm, hệ thống khoỏ cửa dựa trờn sinh trắc học hayRFID, hệ thống định vị GPS Cảm biến đo gia tốc cú doanh số bỏn hàng lớnthứ hai trong cỏc sản phẩm của MEMS, chỉ đứng sau cảm biến ỏp suất Doanh

số bỏn hàng cảm biến này đạt tới 40 triệu USD năm 2004 Cỏc cảm biến nàychủ yếu sử dụng trong cụng nghiệp, ở đó chỳng được sử dụng để kớchhoạt cỏc hệ thống an toàn Tuy nhiờn cảm biến đo gia tốc cũng được sử dụngtrong phạm vi lớn do chỳng cú ưu thế về kớch thước nhỏ và giỏ thành chế tạothấp Chỳng được sử dụng trong y học để điều khiển hoạt động, trong cỏc hệlàm ổn định chống rung của cỏc mỏy quay camera, cỏc thiết bị thể thao, ứngdụng trong cụng nghiệp như chế tạo rụ bốt, trong cỏc bộ điều khiển chốngrung, ứng dụng trong quõn sự v.v

Cựng với cảm biến đo gia tốc, cỏc cảm biến đo vận tốc gúc MEMS làcảm biến cú tỷ phần lớn trong cỏc sản phẩm MEMS, một trong cỏc loại dựatrờn silic Cảm biến do vận tốc gúc MEMS được ước tớnh sẽ tạo ra giỏ trịkhoảng 800 triệu USD vào năm 2010 với phạm vi ứng dụng rất lớn [1], [12].Chỳng cú thể được sử dụng trong điều khiển tự động, chẳng hạn như hệ thốngchống xoay, hệ thụng tin dẫn định hướng trong GPS và trong cỏc hệ điềukhiển sự ổn định cho cỏc hệ điện tử Ngoài ra, trong nhiều thiết bị dõn dụngcũng cú ứng dụng cảm biến này, chẳng hạn trong cỏc mỏy quay xỏch tay, cỏcmỏy quay camera, trong cỏc điện thoại di động (chỳng được sử dụng làm cỏc

bộ ổn định cho cỏc thiết bị trờn), cỏc thiết bị điện tử xỏch tay v.v Cỏc ứngdụng quan trọng khỏc của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc cú thể tỡm thấy tronglĩnh vực quõn sự, hàng khụng vũ trụ, rụbụt và ứng dụng trong y tế

Trờn quan điểm giỏ thành sản phẩm, năng lượng tiờu thụ và hiệu quảsản xuất, cỏc cảm biến đo vận tốc gúc đũi hỏi tớch hợp cụng nghệ phức tạp

như cỏc cảm biến vũng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khú đỏp ứng đượcyờu cầu sử dụng số lượng lớn của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc [10] Vỡvậy, cỏc nghiờn cứu về cỏc cảm biến đo vận tốc gúc với rất nhiều loại cấutrỳc

khỏc nhau và nguyờn lý hoạt động khỏc nhau được bỏo

cỏo

Cảm biến dũng chảy 27%

Cảm biến khỏc

10%

MEMS quay 22%

Cảm biến cụng suất

11%

Cảm biến quỏn tớnh 22%

RF MEMS 3%

Bộ chấp hành khỏc 5%

Cảm biến gia tốc

Cảm biến vận tốc gúc

Hỡnh 1.1 Thống kờ về thị phần và doanh thu sản phẩm MEMS trờn thế giới

từ bỏo cỏo của "Yolộ Dộveloppment" thỏng 04 năm 2005

Con quay vi cơ là một loại cảm biến cơ học đo vận tốc gúc, dựng đểnhận biết tớn hiệu của sự quay, núi một cỏch khỏc nú cho phộp ta đo đượctốc độ quay của vật thể theo một phương nào đó trong khụng gian Với mộtcon quay ba chiều hoặc ba con quay một chiều, ta cú thể xỏc định được gia tốc

ba chiều của vật thể, từ đó ta sẽ biết được nú đang hướng đến đâu và thay đổihướng chuyển động như thế nào trong khụng gian Dụng cụ này cho phộp xỏc

định được tốc độ của vật thể quay đặt trong khụng gian quỏn tớnh, dựa trờn hiệu ứng Coriolis.

1.2 Hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệquy chiếu quỏn tớnh Khi vật đứng yờn trong hệ quy chiếu quay thỡ chịutỏc dụng của lực quỏn tớnh li tõm Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếunày thỡ cũn chịu tỏc dụng của một lực quỏn tớnh khỏc nữa, lực quỏn tớnhCoriolis

hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc) Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc gúc  của

hệ quy chiếu quay, vào vận tốc v' của vật đối với hệ quy chiếu quay và luụnvuụng gúc với vectơ vận tốc đú Ta cú thể hỡnh dung lực Coriolis thụng quamột mụ hỡnh như sau:

Một bàn xoay cú thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tõm, mộtquả búng được đặt tại tõm của bàn xoay Vạch trờn đĩa một bỏn kớnh OA,theo hướng từ O đến A Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’ Nếu bàn khụngquay thỡ quả cầu lăn dọc theo bỏn kớnh OA (hỡnh 1.2) Nếu bàn quay theohướng mũi

tờn chẳng hạn, thỡ 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 củaquả cầu trờn mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gõy ra tỏc dụng vuụnggúc với vận tốc v' Lực này là lực quỏn tớnh Coriolis

Búng Tõm của bàn xoay

O .

Hướng chuyển động của búng

A Quỹ đạo của búng trờn bàn xoay A'

Bàn xoay Hướng xoay của bàn

Hỡnh 1.2 Khi đĩa quay, quỹ đạo của búng lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu

Bỏn kớnh vectơ của vật được tớnh theo:

Ox’y’z’ Cỏc vectơ '

và ' quay theo hệ Ox’y’z’ với cựng vận tốc  , nghĩa

là chỳng nằm yờn đối với hệ này Cũn đối với hệ đứng yờn Oxyz thỡ chỳngquay với vận tốc  Do đó khi lấy vi phõn (1.1) đối với r thỡ phải coi ' và

   ' ' 2 '



 ' ' ' '

e v

e v

e v

e v

e v

e v

C C

a  a '

 2(  v ' )   2 RLực quỏn tớnh tỏc dụng lờn vật m là:

Vậy biểu thức tổng quỏt của lực Coriolis là:

ai đú đẩy chỳng Nếu ta xột một hạt nước khi di chuyển từ bỏn Bắc đến Nam,

ta phõn tớch chuyển động của hạt nước thành hai chuyển động thành phần nhưhỡnh 1.4 Lỳc này xuất hiện lực Coriolis đẩy hạt nước theo hướng ngang Dovậy tất cả cỏc dũng sụng ở Bắc bỏn cầu bờ sụng bờn Tõy bị bào mũn tươngđối lớn Hiện tượng này cũng xảy ra ở đường ray xe lửa một chiều từ hướngNam ra hướng Bắc bị va đập tương đối mạnh vào mặt phớa Đông đường sắt.Lực Coriolis ảnh hưởng lờn cả chuyển động của cỏc vật chuyển động với vậntốc lớn như tàu thủy, mỏy bay, đường đạn, đặc biệt là cỏc tờn lửa, cỏc trạm vũtrụ phúng từ mặt đất

1.3 Nguyờn lý chung của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc kiểu daođộng

Tất cả cỏc cảm biến đo vận tốc gúc dựa trờn sự chuyển đổi năng lượnggiữa hai mẫu giao động của cấu trỳc gõy ra bởi gia tốc Coriolis, gia tốc nàyxuất hiện khi cú sự quay của khung đỡ và tỉ lệ với tốc độ quay Trỡnh bày sơlược về nguyờn lý hoạt động của mẫu cảm biến như sau:

Model cảm ứng (Trục Oy)

Hỡnh 1.5 Sơ đồ nguyờn lý của cảm biến đo vận tốc

gúc kiểu dao độngXột chiếc rĩa quay đều với vận tốc gúc  theo trục Oz (hỡnh 1.5)

Khi dựng một lực điều khiển ( Fđk ) tỏc dụng vào một nhỏnh của rĩa làmcho nhỏnh đó dao động theo trục Oy, nhỏnh rĩa sẽ chịu tỏc dụng của lựcCoriolis (FC) Lực này cú phương vuụng gúc với  và v của dao động điều



khiển, nờn FC sẽ hướng theo trục Ox làm cho nhỏnh rĩa dao động theo phương

Ox Nếu phương trỡnh dao động của thanh theo trục Oy (phương của

x(t )  x 0 sin( đk t )Với  đk là tần số gúc của thanh dao động theo trục Oy

Ta cú biểu thức gia tốc Coriolis là:

.

Fđk ) là:(1.12)

(1.13)Xột một trường hợp cụ thể: Khi cho biờn độ dao động của thanh theotrục Oy là xo= 1 m tần số dao động 20kHz và vận tốc gúc quay của rĩa là

  1deg/ s thỡ gia tốc Coriolis là 4,4mm/s2 Ta thấy gia tốc Coriolis khụng chỉphụ thuộc vào vận tốc gúc  mà cũn phụ thuộc vào biờn độ xo Nếu ta dựng

sự kớch thớch bằng điện từ thỡ sẽ làm cho biờn độ dao động lờn tới 50 m và

làm cho độ nhạy cũng tăng lờn Nhưng nếu biờn độ dao đông tăng lờn thỡ đồng thời sẽ gõy ra những ảnh hưởng như: Làm tăng mức tiờu thụ điện và

giảm độ bền Khi kết hợp tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần sốtruyền động thỡ trong hệ thống cú một hệ số cú đặc tớnh cao là hệ sốkhuếch

đại Q Tuy nhiờn ở cựng một thời điểm thỡ dải tần số  đk /Q bị giới hạn, khi Q

ở 10,0 thỡ dải tần số giảm xuống Để cú được dải tần số đáp ứng được yờucầu và độ nhạy tăng khụng bị ảnh hưởng sự tiờu thụ điện và độ bền thỡ phải

cú sự lệch giữa tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số truyền động

Để cú được sự kớch thớch điện từ với biờn độ cao thỡ cần phải cú sự lựachọn phự hợp Hỡnh 1.6a phỏc hoạ cơ cấu chung với hai kết cấu õm thoa dựatrờn kiểu kớch thớch điện từ [15]

Hỡnh 1.6 Cấu trỳc Turning - fork sử dụng trong cảm biến mức độ thay

đổi gúc với (a) hai đầu cố định, (b) một đầu cố định(Torsion bar: Thanh quay; Mass: Khụi; Fdriver: Lực điều khiển)

Những nam chõm vĩnh cửu phải được định vị trong khối khụng di động

và trờn bề mặt của một phiến thẳng Cho õm thoa quay với tốc độ gúc  nhưhỡnh 1.6a, một dũng điện xoay chiều qua cỏc chốt của õm thoa để tạo ra lựctruyền động Fđk (lực này là lực Lorenz) Kết cấu Silic được gắn giữa hai lỏtkớnh mỏng Dao động cuối cựng sẽ thu được gia tốc Coriolis nhờ vào sự nhậnbiết qua việc sử dụng bộ tụ điện

Trong hỡnh 1.6b là một kết cấu chỉ cú một điểm treo đũi hỏi đế kim loạitrờn õm thoa để dẫn dũng điện Tuy nhiờn kết cấu cú những thuận lợi so vớikết cấu cú hai điểm treo như hệ số Q cao hơn bởi vỡ khi giảm giỏ treo thỡ

sự ảnh hưởng ứng suất trong và sự thay đổi nhiệt độ giảm

Hai khối trong những kết cấu õm thoa ở hỡnh 1.6 đối tượng tạo ra giatốc tuyến tớnh, đõy là điều tại sao hai khối lại cần thiết

1.4 Một số cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc tiờu biểu

1.4.1 Kiểu thanh rĩa

Trong số cỏc thiết kế, cấu trỳc kiểu thanh rĩa là mẫu cổ điển trong cỏccảm biến đo tốc độ gúc kiểu dao động Hai răng của cấu trỳc thanh rĩa đượcnối với nhau ở chỗ chạc ba và được điều khiển cho dao động trong mặt phẳngcủa cấu trỳc với biờn độ xỏc định Hỡnh 1.7a cho biết khi cho thanh rĩa quayquanh trục của nú sẽ gõy ra lực Coriolis và tạo ra một sự khỏc nhau về lực đặtlờn cỏc răng của thanh rĩa, vuụng gúc với dao động cơ bản Lực Coriolis đượccảm ứng và thu tớn hiệu lại dựa trờn sự uốn cong của cỏc răng thanh rĩa,hoặc sự xoắn của cỏc hệ thanh rĩa Hỡnh 1.7b trỡnh bày một mẫu cảm biến đotốc độ gúc 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 Cỏc ỏp điện trở cấy trờn

hệ này được sử dụng đo ứng suất trượt, ứng suất này tỉ lệ với tốc độ quay củahệ

Mẫu nhận biết Mẫu kớch thớch Chuyển

động

cảm

ứng Hướng truyền

động Điểm quay

Chốt điều khiển

Điện

áp kích thích

Cỏc chốt

Trục trong

Hỡnh 1.7.Cấu trỳc Turning – Fork

1.4.2 Kiểu khung dao động

Một cấu trỳc khỏc của cảm biến đo vận tốc gúc là cấu trỳc khung daođộng như ở hỡnh 1.8 [10] Cấu trỳc gồm hai khung dao động, khung dao độngtrong và khung dao động ngoài, liờn kết với nhau qua cỏc thanh dầm xoắn.Khung ngoài là khung chủ động, khung trong là khung thụ động Khung chủđộng và khung thụ động cú thể dao động thụng qua trục điều khiển và tự do.Đĩa cảm ứng được liờn kết với khung thụ động, dao động quanh trục điềukhiển, và cũng cú thể dao động độc lập quanh trục cảm ứng Biờn độ daođộng lớn của khung thụ động trong đó chứa đĩa cảm ứng, cú thể thu đượcbằng cỏch khuếch đại biờn độ dao động nhỏ của khung dao động Khi cú sựxuất hiện của chuyển động quay hệ quanh trục cảm ứng vuụng gúc với bề mặt

đế, chỉ cú đĩa cảm ứng đỏp lại sự xoắn gõy ra bởi lực Coriolis Lực tĩnh điện

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

sự dịch chuyển của đĩa cảm ứng Cỏc mẫu khỏc của cảm biến đo vận tốc gúccủa khung dao động cú nguyờn lý tương tự, cú thể tham khảo trong tài liệu[10], [12], [13]

Hỡnh 1.8 Cấu trỳc khung dao độngSense 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 vũng xuyến

Hỡnh 1.9 là một cấu trỳc khỏc của con quay vi cơ được gọi là kiểu vũngxuyến, nú bao gồm một đai là khung vũng xuyến được đỡ bởi tỏm nửa vànhtrũn, tỏm nửa vành trũn này cú tỏc dụng như cỏc nhớp lũ xo cú thể uốncong rồi lại trở về hỡnh dạng nửa trũn Một số lượng lớn điện cực lỏi vàđiện cực cảm ứng được gắn vũng quanh cấu trỳc Đai được truyền động tĩnhđiện nhờ chớnh cỏc điện cực gắn xung quanh đai và uốn định hỡnh kiểu Elipvới biờn độ nhất định trong cựng một mặt phẳng Khi vũng xuyến quay quanhmột trục sẽ gõy ra sự truyền động từ mẫu ban đầu sang mẫu thứ hai theophương hợp với

phương ban đầu một gúc 450 Mẫu thứ hai được nhận biết bởi những bộ tụđiện

Bản điện cực truyền động Những lũ xo

Mẫu dao động cảm ứng

Mẫu dao động cảm ứng Vũng dao động

Những bản điện cực cảm ứng

và điều khiển

Hỡnh 1.9.Cấu trỳc vũng xuyến1.4.4 Kiểu cài răng lược

Hỡnh 1.10 giới thiệu một lược đồ cảm biến đo vận tốc gúc sử dụng khốigia trọng dịch chuyển song song Cấu trỳc bao gồm một cấu trỳc lỏi và mộtcấu trỳc cảm ứng trong cựng mặt phẳng chuyển động Cấu trỳc lỏi được điềukhiển bởi cỏc răng lược lỏi Cấu trỳc cảm ứng liờn kết với cấu trỳc lỏi qua cỏc

lũ xo đàn hồi cảm ứng, những lũ xo này tạo ra cho cấu trỳc cú thể dao độngtheo hướng cảm ứng do cú gia tốc Coriolis Một số tỏc giả cũng cú bỏo cỏo

cấu trỳc tương tự về cảm biến đo vận tốc gúc MEMS, cú thể tham khảo ở cỏctài liệu [10], [11], [15].

Hỡnhrăng lượctruyềnđộng

Lũ xotruyềnđộngChốt

Phươngtruyền độngHỡnh 1.10 Cấu trỳc cài răng lược1.5 Đặt vấn đề nghiờn cứu

Trong những năm gần đõy, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của cụng nghệ điện

tử và cụng nghệ tin học, cụng nghệ MEMS đó cú những bước phỏt triển tolớn Cụng nghệ chế tạo cỏc cảm biến núi chung và cụng nghệ chế tạo cảmbiến đo vận tốc gúc núi riờng cũng khụng nằm ngoài sự phỏt triển đó Tuynhiờn để đáp ứng được nhu cầu xó hội ngày càng phong phỳ và hiện đạithỡ cảm biến luụn luụn được cải tiến Đối với cỏc cảm biến đo vận tốc gúc,hiện nay cỏc cấu trỳc đang được sử dụng nhiều là: Turning - fork; khung daođộng; cộng hưởng vũng xuyến và cỏc cấu trỳc cài răng lược Như đó phõn tớchmỗi loại cấu trỳc được phỏt triển đều cú ưu điểm riờng, nhưng cũng thểhiện những hạn chế

Theo dũng phỏt triển loại linh kiện, đó cú rất nhiều những mẫu cảmbiến được đề xuất, chế tạo và ứng dụng Mỗi loại cảm biến đều thể hiện

những ưu điểm về cấu trỳc hoặc về tớnh năng hoạt động, hoặc cụng nghệ chếtạo, khắc phục được cỏc nhược điểm của cỏc mẫu cảm biến trước đó Đồngthời cỏc mẫu cảm biến mới lại xuất hiện cỏc vấn đề mới, cú thể tiếp tục đượccải tiến Rất nhiều cỏc nghiờn cứu về cảm biến đo vận tốc gúc được thực hiệntheo hướng này [1], [10], [13].

Nghiờn cứu lý thuyết, mụ phỏng cấu trỳc và hoạt động của cảm biến từ

đú đề xuất cấu trỳc và định hướng cho cụng nghệ chế tạo: Cỏc nghiờn cứutheo hướng này phỏt triển dựa trờn sự hộ trợ rất mạnh của cỏc cụng cụ tin học.Hiện nay đó cú nhiều cỏc phần mềm tin học ứng dụng cho phộp lập cỏcchương trỡnh tớnh toỏn trờn đó, cho phộp mụ tả cấu trỳc và hoạt động củacỏc mụ hỡnh vật lớ rất gần với mụ hỡnh thực tế: ANSYS, FEMLAP… Dựatrờn cỏc phần mềm này, cỏc chương trỡnh mụ phỏng cấu trỳc và đặc trưnghoạt động của cảm biến, cỏc bộ chấp hành được thực hiện Kết quả mụ phỏngcho phộp cỏc nhà thiết kế lựa chọn cỏc thụng số thiết kế tối ưu phự hợp điềukiện cụng nghệ và mục đích sử dụng

Nghiờn cứu cải tiến quy trỡnh cụng nghệ: Cuộc cỏch mạng trongkhoa học kỹ thuật đó làm thay đổi nhanh chúng điều kiện kỹ thuật, cụngnghệ Những thiết bị kỹ thuật mới, hiện đại cho phộp chế tạo cỏc loại cấu trỳc,linh kiện phức tạp, chất lượng tốt hơn nhiều mà trước đó khụng thực hiệnđược Rất nhiều cỏc nghiờn cứu khoa học về cải tiến kỹ thuật, quy trỡnhcụng nghệ đó được cỏc tỏc giả cụng bố [1]

Nghiờn cứu ứng dụng: Một hướng phỏt triển khỏc là phỏt triển cỏc cảmbiến đó được chế tạo vào cỏc loại ứng dụng khỏc nhau Mỗi loại cấu trỳc cảmbiến, với đặc trưng riờng về cấu trỳc sẽ phỏt huy tỏc dụng tốt trong cỏc ứngdụng đặc thự Phỏt triển ứng dụng cảm biến phự hợp với cấu trỳc là một trongcỏc nội dung được nhiều nhúm nghiờn cứu đang quan tõm [1], [11], [12]

Cụng nghệ và linh kiện MEMS đó được quan tõm, nghiờn cứu, phỏttriển ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm gần đõy Cỏc quan tõm, nghiờncứu tập trung vào cả phỏt triển cấu trỳc mới, mụ phỏng thiết kế, cải tiến cụngnghệ và phỏt triển ứng dụng Hiện nay, đó hỡnh thành một số nhúmnghiờn cứu về MEMS thuộc cỏc viện nghiờn cứu, cỏc trường đại học: ViệnITIMS – ĐHBK Hà Nội, Viện vật liệu, Đại học Cụng Nghệ Hà Nội, ĐHSP HàNội 2 v.v… Cỏc nghiờn cứu trước đõy về MEMS đó được cụng bố trong nước

là cỏc nghiờn cứu về cảm biến ỏp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khungdao động [1] dựa trờn điều kiện cụng nghệ ăn mũn ướt Với cỏc hệ thiết bị ănmũn khụ hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đõy, cỏc cấu trỳc linh kiệnMEMS phức tạp đó được cỏc nhúm nghiờn cứu trong nước quan tõm Cảmbiến đo vận tốc gúc cấu trỳc cài răng lược, một loại cấu trỳc chỉ cú thể phỏttriển trờn cụng nghệ ăn mũn khụ, lần đầu tiờn được phỏt triển nghiờn cứu ởViệt Nam Phối hợp với cỏc nghiờn cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK HàNội, dựa trờn điều kiện cụng nghệ hiện cú ở Viện ITIMS, chỳng tụi thực hiệnviệc phỏt triển một cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc cài răng lược phự hợpvới điều kiện cụng nghệ Trong đề tài này chỳng tụi cũng thực hiện mụ phỏngcấu trỳc và hoạt động của cảm biến, từ đó đề xuất một thiết kế cảm biến phựhợp với điều kiện cụng nghệ để chuẩn bị cho chế tạo linh kiện trong nước

Những yờu cầu đặt ra cho nghiờn cứu thử nghiệm:

Loại cấu trỳc: Khụng quỏ phức tạp để cú thể thuận lợi hơn trong cụngnghệ chế tạo

Cấu trỳc cú thể dễ dàng cải tiến cho phự hợp với điều kiện cụng nghệCấu trỳc cú thể khảo sỏt, đo đạc cỏc đặc trưng hoạt động khụng quỏ khúkhăn trờn cỏc hệ thiết bị trong nước

Hiện nay cú rất nhiều cấu trỳc đang được quan tõm, mỗi loại đều thểhiện những ưu điểm về cấu trỳc hoặc tớnh năng hoạt động hoặc cụng nghệ chếtạo Cấu trỳc hỡnh thang là một loại cảm biến phự hợp với cỏc điều kiệnnờu

trờn

Điện cực điều khiển cố định

Chốt Dầm ngoài

Bản điện cực cố định 1L

Bản điện cực L đó kết nối

Bản điện cực truyền động cố định Dầm thẳng

Bản điện cực cố định 1R Bản điện cực R đó kết nối Bản điện cực cố định 2L

Bản điện cực di chuyển

Bản điện cực cố định 2R Dầm trong

y Dầm nhận biết Dầm giỏ đỡ dẻo

z x Hỡnh 2.1 Sơ đồ cảm biến cấu trỳc hỡnh thang

Cấu trỳc này bao gồm nhiều bản điện cực đó được kẹp chặt đế Conquay này cú bốn khối đó nối lại với nhau bởi hai cỏnh dầm thẳng song song.Trong một mẫu truyền động cỏc khối dao động đối diện theo hướng trục X dolực tĩnh điện Mỗi khối dao động chớnh xỏc với cựng biờn độ vỡ cỏc khối đóđược nối lại với nhau một cỏch an toàn Nguyờn bộ phận di động được gắnchặt vào đế với cỏc dầm đỡ dẻo ở sáu điểm nỳt xung quanh.

Hỡnh 2.2 Sơ đồ mụ tả nguyờn lý hoạt cấu trỳc hỡnh thang

Trong dao động này sự thay đổi điện dung ( C1L  C 2 L ) - ( C1R  C 2 R )

tương ứng với vận tốc gúc, nơi mà điện dung C1L thay đổi giữa bản cực cốđịnh và bản cực di động Độ nhạy của con quay phụ thuộc vào khoảng cỏchgiữa cỏc bản điện cực cố định và những bản điện cực di động Khi những bảnđiện cực cố định chuyển động vỡ ứng suất nhiệt, khoảng cỏch trong bản điệncực 1L và 2L và khoảng cỏch trong bản điện cực 1R và 2R biểu hiện sự thayđổi 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 phỏp điều khiển dao động kớch thớch

Dao động kớch thớch (dao động điều khiển) được thực hiện dựa trờn sựđiều khiển lực tĩnh điện xuất hiện giữa hai bản tụ điện cú điện tớch trỏi dấu.Dưới đõy chỳng ta sẽ trỡnh bày cụ thể về hiệu ứng này

Lực vuụng gúc với bề mặt điện cực: Giả sử cú một điện ỏp V mộtchiều được đặt vào một tụ điện gồm hai bản cực phẳng song song như hỡnh2.3: Điện cực bờn trỏi là cố định ở vị trớ x = 0, điện cực bờn phải là điện cựcđộng, cú thể di chuyển theo hướng trục x vuụng gúc với bề mặt điện cực, toạ

độ x của nú cú giỏ trị thay đổi Nếu kớch thước của cỏc điện cực lớn hơn rấtnhiều khoảng cỏch x giữa hai điện cực thỡ hiệu ứng biờn khụng đều của điệntrường cú thể bỏ qua

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

Điện tớch được tớch trờn tụ là: QC = C(x).V (2.2)Năng lượng điện trường dự trữ trờn tụ là: EC = 1 C ( x).V

dx 2 x

Vỡ điện ỏp ra của nguồn V là hắng số, sự thay đổi năng lượng ES củanguồn là phụ thuộc vào lượng điện tớch chạy vào và chạy ra từ nguồn, nờn tacú:

dx

(2.7)dx

Theo phương trỡnh (2.9), lực hỳt tĩnh điện giữa hai bản cực song songcủa tụ điện là khụng đổi khi kớch thước cỏc bản cực của tụ là rất lớn so vớikhoảng cỏch giữa hai bản tụ, vỡ khi đó sự dịch chuyển nhỏ của cỏc bản tụtheo phương vuụng gúc coi như nhỏ cú thể bỏ qua Đõy là một trong cỏc đặcđiểm thỳ vị của lực tĩnh điện trong cỏc ứng dụng cơ học kớch thước micromet

Lực song song với bề mặt điện cực: Xột tụ điện phẳng gồm hai bảnđiện cực song song đặt cỏch nhau một khoảng khụng đổi g0 Bản cực thứ nhấtđược cố định tại x = 0, bản cực kia là bản cực động, đặt tại vị trớ x = g0 Bản

cực thứ hai cú thể di chuyển theo hướng trục y song song với bề mặt điện cựcnhư hỡnh 2.4:

Hỡnh 2.4 Lực tĩnh điện song song với điện cựcGiả sử rằng phần đối diện nhau giữa hai điện cực cú kớch thước y lớnhơn rất nhiều khoảng cỏch g0 giữa hai bản cực.

Điện dung của tụ điện là: C = A  0

Ft  y + dEC y  dES y  0 (2.13)

dy dyTrong đó ES là năng lượng của nguồn cung cấp một chiều Sử dụng cỏcmối quan hệ: d E C  h 0 V 2 và d E S   dQC V   h 0 V 2

dy 2 g0 dy dy g0Chỳng ta xỏc định được: Ft = h 0 V 2

Dựa vào phõn tớch ở phương trỡnh (2.2) dấu (+) trong phươngtrỡnh (2.14) mụ tả rằng lực tĩnh điện đặt lờn bản cực động của tụ điện sẽkộo cỏc điện cực về phớa nhau sao cho làm tăng phần diện tớch đối diệngiữa cỏc bản

cực

Từ phương trỡnh (2.14) ta thấy rằng lực song song Ft là độc lập đối vớiphần chiều dài đối diện nhau y của cỏc bản cực tụ, vỡ vậy lực này là khụng đổitheo đường song song Vậy lực tĩnh điện song song là khụng đổi khi kớchthước cỏc bản cực tụ là rất lớn so với khoảng cỏch g0 giữa hai bản tụ

Xột sự so sỏnh giữa độ lớn cỏc lực song song và vuụng gúc (Ft và Fn)

Từ cỏc phương trỡnh (2.9) và (2.14) ta

cú:

Fn

Xột một cấu trỳc cú khối gia trọng treo trờn cỏc thanh dầm đàn hồi trờn

cả hai phớa sao cho khối gia trọng chỉ cú thể dịch chuyển theo hướng vuụnggúc với bề mặt khối gia trọng như hỡnh 2.5a:

Hỡnh 2.5 Sự dịch chuyển của khối gia trọng theo hướng vuụng gúc

với bề mặt

Khối gia trọng được sử dụng như một điện cực động của tụ điện Mộtđiện cực cố định được đặt dưới khối gia trọng và cỏch khối gia trọng một

khoảng ban đầu là g0 Khi đặt vào hai bản cực điện ỏp chờnh lệch là V, xuấthiện lực hỳt tĩnh điện tỏc dụng lờn bản cực động, cú tỏc dụng kộo khối gia

trọng về phớa bản cực cố định như hỡnh 2.5b Khối gia trọng được đặt gần vớiđiện cực cố định Một lực đàn hồi xuất hiện trờn cỏc thanh dầm cú khuynhhướng kộo khối gia trọng trở lại vị trớ ban đầu Vị trớ cõn bằng của khối giatrọng cú thể xỏc định dựa vào điều kiện cõn bằng lực

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

Fn và Fk vào dịch chuyển

Cú thể thấy rằng nghiệm ứng với điểm b mụ tả vị trớ cõn bằng khụngbền Nếu cú một dịch chuyển nhỏ khối gia trọng về phớa sau, lực đàn hồi Fk sẽlớn hơn lực hỳt tĩnh điện về độ lớn, làm dịch chuyển khối gia trọng khỏi vị trớnày và dịch chuyển về phớa vị trớ a Núi cỏch khỏc, nếu cú một tỏc độngnhỏ làm dịch chuyển khối gia trọng một chỳt khỏi vị trớ cõn bằng, lực tĩnhđiện sẽ

2

0

g

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

nú bị dớnh vào điện cực cố định Tuy nhiờn, nghiệm ở vị trớ a mụ tả vị trớ cõnbằng bền nếu cú dịch chuyển nhỏ khỏi vị trớ này thỡ hợp lực của Fn và Fk

cũng đưa khối gia trọng trở lại vị trớ cõn bằng bền

Về mặt toỏn học, điều kiện đối với vị trớ cõn bằng bền là:

F < 0 (2.17)

xNghĩa là: A Vế 2

2.3.2 Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kộo)

Với mỗi cấu trỳc cơ xỏc định, thỡ độ cứng k là hằng số Từ hỡnh 2.6,chỳng ta cú thể thấy rằng Fn tăng khi điện ỏp V tăng Vỡ vậy, cỏc điểm a và bdịch lại gần nhau hơn khi V tăng Rừ rang, khi tăng V tới một giỏ trị tới hạn

VC, sẽ khụng cú sự giao cắt của cỏc đường cong biểu diễn Fn và Fk , vỡ khi đó

Fn luụn luụn lớn hơn Fk Khối gia trọng sẽ luụn bị hỳt vào điện cực cố định.Bởi vậy, VC được gọi là điện ỏp ngưỡng kộo

Điện ỏp ngưỡng kộo VC cú thể xỏc định từ phương trỡnh (2.16) Nếu chỳng ta sử dụng cỏc cỏch đặt sau:

x  x , F  kg , F  A V và p  Fn 0

kg 0 0

x(1  x)2  FFn 0  p

0

Giỏ trị cực đại của x(1  x)2 thuộc vựng từ 0 đến 1 là 4 tại x = 1

27 3Bởi vậy, điều kiện của nghiệm cõn bằng bền là: p  FFn 0  4

Điện ỏp ngưỡng được xỏc định bằng: VC = 8 k g 3

27 A 0

(2.21)Đối với cỏc điện ỏp xỏc định nhỏ hơn VC, khoảng dịch của khối giatrọng cú thể tỡm được dựa vào phương trỡnh (2.16) hoặc (2.20) bằng phươngphỏp lặp Bởi vỡ khối gia trọng được thiết lập ở chế độ ngưỡng, nú thậm chớkhụng được thả ra ngay khi điện ỏp giảm tới 0

2.4 Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trỳc cài răng lược

2.4.1 Độ dịch theo hướng song song

Cỏc bộ chấp hành tĩnh điện cấu trỳc cài răng lược đó được sử dụng rộngrói trong thực tế Cấu trỳc đầu tiờn được đưa vào bởi Tang và cộng sự [11],[12] và được gọi là bộ chấp hành cài răng lược

Cỏc bộ chấp hành cài răng lược sử dụng lực tĩnh điện song song để điềukhiển Theo phần 2.2, lực song song khụng phụ thuộc vào độ dịch chuyểnsong song, bởi vậy, độ dịch chuyển là rất dễ xỏc định

Như đó thảo luận ở phần 2.2, lực tĩnh điện vuụng gúc luụn tồn tại cựngvới lực song song và nú thường lớn hơn nhiều lực song song

Để loại bỏ hiệu ứng lực vuụng gúc, cỏc cực điện tĩnh được sắp xếp mộtcỏch đối xứng trờn cả hai mặt của mỗi điện cực động sao cho lực vuụng gúc

từ hai mặt sẽ hủy bỏ nhau theo từng cặp như hỡnh 2.7a Vỡ lực song song Ft

là độc lập với độ dịch chuyển, từ mụ hỡnh trờn hỡnh 2.7b và phương trỡnh2.14, phương trỡnh cho độ lệch của bộ chấp hành cài răng lược là:

nh V 2

0

 ky  0

Trong đú h là chiều cao phần điện tớch đối diện giữa cỏc bản cực theohướng của trục z, g0 là khoảng cỏch giữa điện cực tĩnh và điện cực động, n là

số cỏc răng lược động và k là độ cứng của cấu trỳc cài răng lược theo hướngtrục y

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

song songBởi vậy, độ dịch cõn bằng đối với điện cực động là:

2.4.2 Sự mất ổn định theo hướng vuụng gúc đối với cỏc răng lược.Mặc dự lực hỳt tĩnh điện từ cỏc điện cực tĩnh lờn hai mặt của điện cựcđộng đó được hủy nhau theo từng cặp, chỳng cú thể vẫn gõy ra sự mất ổn địnhkhi điện ỏp là đủ lớn Chỳng ta sử dụng phương phỏp năng lượng để thảoluận

Mụ hỡnh đối với cấu trỳc khảo sỏt được mụ tả trờn hỡnh 2.8, trong đó

A và C là cỏc điện cực tĩnh, và B là điện cực động được đặt chớnh xỏc tại vịtrớ giữa A và C Khoảng cỏch ban đầu từ B đến A hoặc C là g0 Cấp vào mộtđiện ỏp, khi đó điện cực B sẽ dịch chuyển theo hướng song song với hướngtrục y

2

0 2

dưới tỏc dụng của lực tĩnh điện song song như đó phõn tớch ở trờn Bõy giờ chỳng ta xột bài toỏn về sự mất ổn định theo hướng trục x gõy ra bởi điện ỏp

Hỡnh 2.8 Sự mất ổn định theo hướng vuụng gúcĐiện dung giữa cỏc điện cực tĩnh và điện cực động là một hàm số của

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

C  A 0

 2 A 0 g 0

(2.24)( x )

g0  x g0  x g 2  x2Bằng cỏch đặt: C0  2 A 0 ,

x1  0 và x 2,3   1  C V 2

0

,

0 0

Xột x2  1  C

V

ế 2

kg 2làm vớ dụ Nếu điện cực B được dịch chuyển một

chỳt ra khỏi vị trớx2 g0 nú sẽ dịch chuyển tiếp tục lờn trờn, cho đến khi nú đậpvào điện cực A và dừng lại ở đó Trỏi lại, nếu điện cự B bị dịch chuyển một chỳt về phớa tõm, nú sẽ dịch chuyển đến vị trớ cõn bằng bền ở x = 0 Vỡ vậy

vựng ở đó điện cực B cú thể trở lại trạng thỏi cõn bằng bền ở x = 0 là giữa

này, nú sẽ tiếp tục dịch chuyển theo chiều đang xột và sẽ dớnh vĩnh viễn vàođiện cực gần nhất Rừ ràng, điện ỏp lớn hơn V thỡ vựng ổn định là nhỏ hơn

E( x) cú giỏ trị cực đại tại x  0 , vỡ vậy

x  0 tương ứng với trạng thỏi khụng ổn định Trong trường hợp này

dớnh điện cực cố định gần nú Vỡ vậy, để hoạt động được ổn định, phải cú giỏ trị đủ lớn Điều này cú lẽ khụng quỏ khú khi thiết kế cấu trỳc cài răng lược cú

 C

độ cứng k lớn theo hướng trục x Tuy nhiờn, sự dịch chuyển quay trong mặtphẳng x - y cú thể gõy ra rắc rối bởi vỡ k trong dịch chuyển xoay cú thể hoàntoàn nhỏ đối với bất kỳ cấu trỳc nào Đối với cấu trỳc trờn hỡnh 2.7a, cỏcrăng lược trờn mặt trỏi cú thể dịch chuyển lờn trờn, cỏc răng bờn mặt phải

cú thể dịch chuyển xuống dưới

2.5 Sự tiờu thụ năng lượng trong cỏc bộ chấp hành cài răng lượcCụng suất tiờu thụ bởi cấu trỳc cài răng lược cú thể tớnh bởi:

Trong đó C là điện dung toàn bộ hệ cấu trỳc (gần điện dung giữa cỏcđiện cực, điện dung ký sinh giữa cỏc dõy nối và đế v.v…) V là điện ỏp cungcấp và f là tần số lỏi

2.6 Nguyờn lý hoạt động của cảm biến

Đặt một điện ỏp xoay chiều giữa cỏc bản điện cực cố định và cỏc bảnđiện cực gắn trờn khung dao động điều khiển thỡ khung dao động điều khiển

sẽ nhận được gia tốc theo phương Ox do tỏc dụng của lực tĩnh điện Cỏc bảnđiện cực đối diện được bố trớ so le và nằm ở chớnh giữa (hỡnh 2.1) Gọi x làchiều dài của điện cực, g0 là khoảng cỏch giữa hai bản cực

Điện dung của tụ được xỏc định bằng biểu thức:

C  A 0

Với h là bề rộng của điện cực

Khi đó tụ cú một năng lượng dự trữ:

1

2 2 g0Lực tĩnh điện giữa hai bản cực của tụ sẽ kộo trượt bản điện cực nằm trờn khung dao động điều khiển theo trục Ox Khi cỏc bản điện cực trờn

khung dao động điều khiển dịch chuyển, sẽ khụng cú sự dịch chuyển theohướng vuụng gúc vỡ cỏc điện cực được đặt ở chớnh giữa và song song nờn

cú sự cõn bằng lực theo hướng vuụng gúc (Oy)

Gọi Ft là lực tĩnh điện làm dịch chuyển bản điện cực theo Ox, chỳng taxỏc định được:

F  h  0 V 2 (2.34)

2 g02.6.2 Dao động cảm ứng và thu tớn hiệu cảm ứng

Khung dao động điều khiển được kết nối với khung dao động cảm ứngthụng qua giỏ đàn hồi Khi khung dao động điều khiển nhận được gia tốc theophương Ox, nú 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 Oxđồng thời quay với tốc độ gúc  theo phương Oz thỡ nú sẽ nhận được gia tốcdưới tỏc dụng của lực Coriolis và dao động theo phương Oy Trờn khung daođộng cảm ứng cú gắn cỏc bản điện cực, cỏc bản cực cũn lại của bộ tụ điệncảm ứng được đặt cố định Khi khung dao động cảm ứng dao động theophương Oy thỡ khoảng cỏch giữa cỏc điện cực của bộ tụ cảm ứng thay đổidẫn

đến điện dung của bộ tụ cũng thay đổi Như vậy khi thay đổi vận tốc gúc  thỡ độ lệch của khung dao động cảm ứng cũng thay đổi do vậy khoảng cỏchgiữa bản điện cực gắn trờn khung dao động cảm ứng với bản điện cực cố địnhthay đổi nờn ta cú thể xỏc định độ thay đổi điện dung của bộ tụ cảm ứng theovận tốc gúc

CHƯƠNG III.

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRèNH Mễ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO VẬNTỐC GểC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC DỰA TRấN PHẦNMỀM ANSYS

3.1 Nhiệm vụ bài toỏn mụ phỏng

ANSYS là một trong nhiều chương trỡnh phần mềm cụng nghiệp, sửdụng phương phỏp phần tử hữu hạn để phõn tớch cỏc bài toỏn Vật lý – Cơ học,chuyển cỏc phương trỡnh vi phõn, phương trỡnh đạo hàm riờng từ dạnggiải tớch về dạng số, bằng việc sử dụng phương phỏp rời rạc hoỏ và gầnđúng để giải ANSYS là chương trỡnh phõn tớch tớnh toỏn dựa trờn phần

tử hữu hạn (FEA - Finte Element Analysis) hàng đầu trong hơn 35 năm qua.Phiờn bản sử dụng ở đõy là ANSYS 10.0 Multiphysis khụng những chophộp giải cỏc bài toỏn kỹ thuật phục vụ cụng nghiệp mà cũn cho phộpgiải cỏc bài toỏn trong lĩnh vực MEMS phự hợp với kớch thướcmicromet ANSYS khụng những giải những bài toỏn kỹ thuật đơn trường màcũn cho phộp giải cỏc bài toỏn đa trường tương tỏc như là: phõn tớch nhiệt -ứng suất, phõn tớch điện - cơ, phõn tớch chất lỏng - cơ, phõn tớch nhiệt -điện,… Ngoài ra, chương trỡnh cũn cho phộp sử dụng cả giao diện đồ họa vàcõu lệnh trong mụi trường Windows và Linux đó giỳp phần mềm này trở nờn

dễ sử dụng hơn [3], [7]

Ngoài chương trỡnh ANSYS, hiện tại cũn cú cỏc chương trỡnhphần mềm sử dụng phương phỏp phần tử hữu hạn khỏc như là: FEMLAB,SUGAR, MEMSPro,… Đối với phần mềm FEMLAB, SUGAR cú thể chophộp chạy liờn kết với mụi trường Matlab MEMSPro là chương trỡnh đượcviết cho lĩch vực MEMS, nú cú thể sử dụng mụi trường ANSYS để phân tớchcỏc bài toỏn