Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vì cơ điện tử nhiều bậc tự do

Tuy nhiên, hiện vẫn tồn tại một số nhược điểm dễ mắc phải trong quátrình tính toán, thiết kế, chế tạo các cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa TFGnhư: tồn tại các dạng dao động đồng pha khô

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳmột công trình nào khác

Tác giả

Vũ Văn Thể

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viênhướng dẫn khoa học PGS TS Trần Quang Dũng, PGS TS Chử Đức Trình đã tậntình dìu dắt, chỉ bảo trong quá trình học tập và thực hiện luận án này

Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Vũ Công Hàm,

TS Bùi Thanh Tùng đã có những đóng góp quý báu giúp đỡ nghiên cứu sinhhoàn thành luận án

Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học máy, Khoa Cơ khí đãđồng hành cùng với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện luận án.Đặc biệt, nghiên cứu sinh muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân

đã tạo mọi điều kiện về thời gian, động viên về tinh thần giúp nghiên cứu sinhtoàn tâm toàn ý vào thực hiện luận án

Tác giả

Vũ Văn Thể

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC 5

1.1 Tổng quan về MEMS 5

1.1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS 5

1.1.2 Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS 7

1.1.3 Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS 8

1.2 Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng 10

1.2.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển 10

1.2.2 Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học 12

1.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử 13

1.3 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 15

1.3.1 Nguyên lý hoạt động 15

1.3.2 Các thông số đánh giá chất lượng của MVG 16

1.3.3 Phân loại cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 17

1.4 Các nghiên cứu về MVG 18

1.4.1 Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn 19

1.4.2 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động 19

1.4.3 Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục 20

1.4.4 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do 21

Kết luận chương 1 30

Chương 2 CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TÔC

GÓC 32

2.1 Nguyên lý chung về hoạt động của cảm biến vận tốc góc 32

2.2 Hiệu ứng tĩnh điện 33

2.2.1 Tụ điện phẳng 33

2.2.2 Lực pháp tuyến 35

2.2.3 Lực tiếp tuyến 36

2.2.4 Hiệu ứng viền giữa các bản tụ 37

2.2.5 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong các bộ vi kích hoạt răng lược 40 2.3 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong cảm ứng tín hiệu 43

2.3.1 Ảnh hưởng của khe hở giữa hai bản tụ 43

2.3.2 Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng 44

2.3.3 Hệ tụ điện cảm ứng vi sai 45

2.4 Điều chế và giải điều chế 47

2.4.1 Điều chế tín hiệu biên độ dao động 47

2.4.2 Giải điều chế 49

2.5 Cơ sở cơ học của vi cảm biến vận tốc góc 51

2.5.1 Hệ số độ cứng tương đương của các dầm đàn hồi 51

2.5.2 Thành phần cản trong mô hình dao động của hệ vi cơ điện tử 58

Kết luận Chương 2 62

Chương 3 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC HAI BẬC TỰ DO 63

3.1 Động lực học vi cảm biến vận tốc góc một phần tử hai bậc tự do 63

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của MVG cơ bản 63

3.1.2 Hệ phương trình vi phân dao động của MVG cơ bản 64

3.1.3 Dao động tự do của MVG cơ bản 67

3.1.4 Dao động cưỡng bức của MVG cơ bản 70

3.1.5 Hiện tượng quá điều chế 72

3.2 Xây dựng mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai phần tử khối lượng 73

3.2.1 Mô hình động lực học của MVG hai phần tử khối lượng 73

3.2.2 Mô hình 3D của MVG hai phần tử khối lượng 75

3.2.3 Xác định giá trị các tham số động lực học đặc trưng của MVG 77

3.3 Động lực học vi cảm biến vận tốc góc hai khối lượng, hai bậc tự do 81

3.3.1 Hệ phương trình vi phân dao động của MVG hai khối lượng 81

3.3.2 Các dạng dao động riêng 84

3.3.3 Đáp ứng biên độ tần số 88

3.3.4 Một số dạng dao động của MVG 91

Kết luận Chương 3 96

Chương 4 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM THOA 98

4.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa 98

4.2 Mô hình hóa vi cảm biến vận tốc góc kiểu TFG 99

4.2.1 Lựa chọn mô hình nghiên cứu 99

4.2.2 Phương trình vi phân mô tả dao động của hệ 103

4.3 Phân tích động lực học của khung liên kết kiểu quả trám 106

4.3.1 Đáp ứng động lực học khung quả trám 107

4.3.2 Lựa chọn kích thước phù hợp cho khung quả trám 111

4.4 Đặc trưng dao động của TFG 113

4.4.1 Dao động tự do trên phương dẫn 113

4.4.2 Đáp ứng biên độ tần số cho dao động dẫn của hai khung ngoài 114

4.4.3 Dao động ngược pha của hai khung dẫn ngoài 116

4.4.4 Dao động trên phương cảm của hai phần tử quán tính 118

4.5 Khả năng bù lệch pha của cấu trúc TFG đề xuất 119

4.5.1 Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn 120

4.5.2 Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm 122

4.6 Một số kết quả mô phỏng 123

4.6.1 Xây dựng mô hình 123

4.6.2 Phân tích Modal 124

4.6.3 Đáp ứng động lực học của TFG 127

Kết luận Chương 4 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

Tiếng Việt 134

Tiếng Anh 134

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

1 Chữ viết tắt:

ABS Anti-Lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh

trên ô tôFEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạnGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

INS Inertial Navigation System Hệ dẫn đường kiểu quán tínhLIGA Lithographie, Galvanoformung, Công nghệ khắc hình, mạ điện,

MEMS Micro-Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử

MG MEMS Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi cơ

điện tửMVG MEMS Vibratory Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi cơ

điện tử kiểu dao động

RLG Ring Laser Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu

vòng laserSOI Silicon On Insulator Tấm Silic kép

TFG Tuning Fork Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu âm

thoa

2 Ký hiệu:

A μmm2 Diện tích xếp chồng của hai bản tụ

a μmm Khoảng xếp chồng giữa hai bản tụ

E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu

F t , F n N Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ

F k N Lực đàn hồi tác dụng lên thành phần khối lượng

F c N Lực cản của không khí lên thành phần khối lượng

g μmm Khe hở giữa răng lược di động và răng lược cố định

k N/m Hệ số độ cứng của kết cấu khi kể đến tính đàn hồi

k single N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm đơn

k folder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập đơn

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

K double-folder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập kép

L c μmm Chiều dài răng lược

l 0 μmm Chiều dài đoạn xếp chồng của hai răng lược

m kg Khối lượng của phần tử khối lượng

m s kg Khối lượng phần tử quán tính bên trong

p Pa Áp suất môi trường làm việc

r m Khoảng cách giữa hai điện tích điểm

x 0 μmm Khoảng xếp chồng ban đầu giữa hai bản tụ

y 0 μmm Khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ

α d Độ Góc lệch pha điện giữa hai lực dẫn

β d Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động dẫn

β c Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động cảm

ε F/m Hằng số điện môi của môi trường

ε 0 F/m Hằng số điện môi của chân không

μ Pa.s Độ nhớt động học của không khí

ω rad/s Tần số vòng kích thích

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS 8

Bảng 3.1 Thông số cấu trúc mô hình MVG 76

Bảng 3.2 Thông số đặc trưng của vật liệu Silicon 77

Bảng 3.3 Một số tần số dao động riêng 85

Bảng 3.4 Tần số tương thích của hệ theo một số giá trị của dầm gập 87

Bảng 3.5 Thông số khảo sát cho hệ MVG hai phần tử 89

Bảng 4.1 Thông số kích thước cơ bản của khung quả trám 107

Bảng 4.2 Tần số dao động riêng của hai mô hình khung quả trám 108

Bảng 4.3 Giá trị các thông số cho hệ khảo sát 114

Bảng 4.4 Tỷ số lệch pha dẫn 121

Bảng 4.5 Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm 123

Bảng 4.6 Một số dạng dao động riêng của TFG 124

Bảng 4.7 Các tần số chính của TFG khi thay đổi kích thước 125

Bảng 4.8 Tham số của TFG 126

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29] 6

Hình 1.2 Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20] 10

Hình 1.3 Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do 11

Hình 1.4 Ứng dụng con quay trong các thiết bị dẫn hướng hàng hải 12

Hình 1.5 Sơ đồ cảm biến quang học loại 1 13

Hình 1.6 Cảm biến RLG loại 2 13

Hình 1.7 Một số ứng dụng trong quân sự của MG [30] 14

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của MVG 15

Hình 1.9 Vi cảm biến kiểu Gimbal 19

Hình 1.10 Cấu trúc con quay vi cơ kiểu vòng dao động 20

Hình 1.11 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu nhiều trục 21

Hình 1.12 Mô hình hai phần tử 4 bậc tự do 21

Hình 1.13 Con quay vi cơ kiểu tách riêng các dao động 22

Hình 1.14 Thiết kế TFG của phòng thí nghiệm Draper [34] 24

Hình 1.15 Mô hình TFG với hệ số Q cao [12] 25

Hình 1.16 Mô hình TFG có các khung ngoài 26

Hình 1.17 Mô hình liên kết hai nhánh của TFG nhờ dầm gập [64] 27

Hình 1.18 Cấu trúc TFG với vòng treo kết nối [65] 28

Hình 1.19 Mô hình TFG của nhóm ITIMS [59] 29

Hình 2.1 Sơ đồ khối hoạt động của MVG 32

Hình 2.2 Lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm 33

Hình 2.3 Cấu tạo tụ điện phẳng 34

Hình 2.4 Lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b) giữa hai bản tụ 34

Hình 2.5 Phân bố điện trường giữa hai bản tụ phẳng 38 Hình 2.6 Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ khi có hiệu ứng viền38

Hình 2.7 Thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ 39

Hình 2.8 Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động kiểu răng lược 40

Hình 2.9 Thiết kế sơ bộ hệ răng lược tạo lực dẫn trong MVG 42

Hình 2.10 Sơ đồ điện tạo lực dẫn 42

Hình 2.11 Ảnh hưởng của khe hở đến điện dung hai bản tụ 44

Hình 2.12 Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng đến điện dung hai bản tụ 44

Hình 2.13 Nguyên lý đo tín hiệu cảm 45

Hình 2.14 Ảnh hưởng của khe hở ban đầu đến biến thiên điện dung 46

Hình 2.15 Quan hệ gần tuyến tính giữa độ dịch chuyển và biến thiên điện dung của hai bản tụ 46

Hình 2.16 Đường bao cao tần thể hiện dạng tín hiệu điều chế 48

Hình 2.17 Sơ đồ mạch điện xác định tín hiệu điện dung 49

Hình 2.18 Sơ đồ mạch giải điều chế 49

Hình 2.19 Cấu trúc dầm đơn và các dạng mặt cắt ngang 52

Hình 2.20 Cấu trúc dầm đơn vuông góc 54

Hình 2.21 Cấu trúc dầm gập 55

Hình 2.22 Cấu trúc dầm gập kép 57

Hình 2.23 Sự phụ thuộc của hệ số η vào tỷ số hình dạng β 61

Hình 3.1 Cấu tạo (a) và nguyên lý hoạt động (b) của một MVG cơ bản 64

Hình 3.2 Các dao động thành phần khi hệ tự do không cản 68

Hình 3.3 Một số dạng dao động tự do không cản 69

Hình 3.4 Một số dạng quỹ đạo dao động tự do có cản 69

Hình 3.5 Quan hệ biên độ - tần số khi  f ≠ 0 (a) và khi  f = 0 (b) 70

Hình 3.6 Đáp ứng trên phương cảm của phần tử quán tính khi vận tốc góc có dạng tam giác (a), hình thang (b) và hình sin (c) 71

Hình 3.7 Một dạng quá điều chế của MVG một phần tử 73

Hình 3.8 Mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai bậc tự do 74

Hình 3.9 Mô hình 3D (a) và chia lưới (b) của MVG 75

Hình 3.10 Cấu tạo của các dầm gập đơn trên các phương dẫn và cảm 75

Hình 3.11 Sơ đồ đặt điều kiện và đáp ứng của một dầm gập đơn 78

Hình 3.12 Ảnh hưởng kích thước đến độ cứng của dầm 78

Hình 3.13 Sơ đồ đặt lực (a) và chuyển vị của MVG trên phương dẫn (b) 79

Hình 3.14 Điều kiện biên (a) và lực liên kết (b) của MVG trên phương cảm80 Hình 3.15 Một số dạng dao động riêng của MVG 85

Hình 3.16 Sự phụ thuộc của tần số tương thích vào các thông số kích thước của dầm gập dẫn và cảm 86

Hình 3.17 Quan hệ biên độ dao động dẫn (a) và dao động cảm (b) với tần số kích thích và vận tốc góc đưa vào 90

Hình 3.18 Đáp ứng biên độ và pha của các dao động 91

Hình 3.19 Đáp ứng hệ khi thay đổi lực kích thích và vận tốc góc 92

Hình 3.20 Các dạng dao động khi có vận tốc góc Ω =2,5 rad/s 93

Hình 3.21 Quan hệ giá trị vận tốc góc với biên độ các dao động 93

Hình 3.22 Quỹ đạo ổn định của phần tử quán tính 94

Hình 3.23 Ứng xử của hệ khi vận tốc góc có dạng khác nhau 95

Hình 4.1 Cấu trúc 3D của TFG nghiên cứu 99

Hình 4.2 Một số dạng khung liên kết trong mô hình TFG 100

Hình 4.3 Cấu tạo 2D của khung quả trám 101

Hình 4.4 Mô hình động lực học cho TFG đề xuất 102

Hình 4.5 Chuyển vị (a) và lực (b) trong khung quả trám 103

Hình 4.6 Các thành phần lực tác dụng lên khung ngoài 104

Hình 4.7 Một số dạng dao động riêng của khung 108

Hình 4.8 Xác định hệ số độ cứng của khung 109

Hình 4.9 Quan hệ lực kích thích và biến dạng của khung 110

Hình 4.10 Ảnh hưởng của độ rộng cổ đàn hồi đến tần số ngược pha 110

Hình 4.11 Độ cứng quy đổi của khung theo kích thước cổ đàn hồi 112

Hình 4.12 Hệ số độ cứng quy đổi của mô hình khung thứ hai 112

Hình 4.13 Dạng dao động tự do của các khung ngoài 113

Hình 4.14 Xác định lực kích thích 116

Hình 4.15 Dao động của khung ngoài khi kích thích có dạng điều hòa 117

Hình 4.16 Đáp ứng của hai khung dẫn khi khác nhau giá trị lực kích thích 117 Hình 4.17 Dao động cảm khi vận tốc góc là hằng số 118

Hình 4.18 Đáp ứng trên phương cảm theo quy luật thay đổi vận tốc góc 119

Hình 4.19 Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn 121

Hình 4.20 Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm 122

Hình 4.21 Mô hình 3D và chia lưới của TFG đề xuất 124

Hình 4.22 Một số dạng dao động riêng của TFG 127

Hình 4.23 Đáp ứng biên độ và pha theo tần số kích thích 128

Hình 4.24 Dạng dao động cảm của phần tử quán tính 128

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, MEMS đang cóđược bước tiến vượt bậc và đóng vai trò không nhỏ trong việc tạo động lựcthúc đẩy cuộc cách mạng 4.0 kết nối thế giới Với nhiều ưu điểm nổi trội nêncác thiết bị MEMS ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực

Các cảm biến MEMS là một phần của thế giới micro, vai trò của chúngtrong các hệ thống micro là rất quan trọng Cấu tạo của các cảm biến MEMSgồm có một cấu trúc cơ học kết hợp với bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu Cáctín hiệu được biến đổi từ dạng cơ học sang dạng điện hoặc ngược lại

Cảm biến vận tốc góc trong công nghệ vi cơ điện tử là một loại cảm biếnkhá phức tạp Nó được tích hợp với một số các cảm biến khác để tạo thành hệthống định vị, cho biết trạng thái và vị trí của các đối tượng Nhờ có kíchthước nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít, giá thành hạ, dễ điều khiển, độ chínhxác và độ tin cậy có thể chấp nhận được mà cảm biến này đã và đang đượcnghiên cứu và đưa vào sử dụng phổ biến trong kỹ thuật

Tuy nhiên, hiện vẫn tồn tại một số nhược điểm dễ mắc phải trong quátrình tính toán, thiết kế, chế tạo các cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (TFG)như: tồn tại các dạng dao động đồng pha không mong muốn có tần số làmviệc gần với tần số của hai dạng dao động chính là dạng dao động dẫn vàdạng dao động cảm ứng tạo ra các tín hiệu nhiễu khi làm việc; các sai số kíchthước hình học phát sinh trong quá trình chế tạo; …

Vì vậy, để có thể ứng dụng nhiều hơn nữa trong các lĩnh vực đòi hỏi độchính xác cao như y sinh, quân sự, … thì việc cần thiết là phải nghiên cứu các

mô hình cảm biến với cấu trúc phù hợp có thể đáp ứng các yêu cầu về thiết

kế, điều khiển và hoạt động

Từ thực tế đó, tác giả lựa chọn đề tài “Phân tích động lực học cảm biến

vận tốc góc vi cơ điện tử nhiều bậc tự do” để thực hiện luận án.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các cảm biến vận tốc góc vi cơ điện

tử Trong phạm vi nghiên cứu, luận án chỉ đề cập đến phần cấu trúc cơ họccủa hệ cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử với các đặc điểm:

- Các phần tử khối lượng có dao động thẳng và tuyến tính

- Dẫn động theo hiệu ứng tĩnh điện, cảm ứng theo hiệu ứng điện dung

Mục tiêu nghiên cứu

- Làm rõ cơ sở khoa học trong nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động (MVG)

- Xây dựng mô hình MVG thỏa mãn một số yêu cầu đặt ra, từ đó xác định các đặc trưng động lực học của hệ

- Chứng minh khả năng tạo và duy trì dạng dao động ngược pha của mô hình TFG, xác định mức độ bù lệch pha và bù lệch biên độ của mô hình này

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về MEMS và lý thuyết tĩnh điện Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vận tốc góc

- Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết và thiết lập hệ phương trình vi phân

mô tả dao động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động với các môhình có mức độ phức tạp tăng dần (mô hình cơ bản 1 phần tử khối lượng

2 bậc tự do, 2 khối lượng 2 bậc tự do và mô hình kiểu âm thoa 4 bậc tự do)

- Giải hệ phương trình vi phân, xác định đặc điểm dao động của các phần

tử khối lượng của các cảm biến đã nêu với những điều kiện đầu khác nhau

Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với tính toán và mô phỏng số sử dụng các phần mềm tính toán số (MATLAB) và mô phỏng (ANSYS Workbench):

- Sử dụng lý thuyết của động lực học cơ hệ, cơ học hệ nhiều vật, dao độngcủa hệ rời rạc để xây dựng mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân daođộng của hệ MVG cụ thể.

- Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp số để tính toán xácđịnh các thông số đặc trưng về động lực học của các mô hình vi cảm biến vàphân tích đáp ứng động lực học của hệ MVG

- Sử dụng các phần mềm trên nền tảng phần tử hữu hạn để mô phỏng động lực học và xác định kích thước hình học phù hợp của các cấu trúc

Ý nghĩa của luận án

Luận án góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng và cơ sở thiết kế của một lớp cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử Trọngtâm là làm rõ các đáp ứng động lực học của các thành phần cơ học bên trongcảm biến

Giới thiệu và phân tích đáp ứng động lực học cho cấu trúc cơ học cho ba

mô hình cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (mô hình cơ bản, mô hìnhgyroscope đơn hai phần tử có hai bậc tự do và mô hình kiểu TFG)

Luận án có thể dùng làm tài liệu cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cholớp cảm biến MVG ở trong nước

Bố cục của luận án

Luận án được trình bày trong 4 chương chính:

Chương 1 trình bày những vấn đề tổng quan về MEMS và các cảm biếnvận tốc góc, tập trung vào đối tượng mà luận án sẽ nghiên cứu

Chương 2 trình bày cơ sở của việc thiết kế cấu trúc cơ và các cấu trúckiểu răng lược theo hiệu ứng tĩnh điện nhằm tạo lực kích thích cho phần dẫn

và cảm ứng điện dung cho phần cảm Chương này cũng trình bày việc thiếtlập hệ phương trình vi phân chuyển động cho hệ MVG cơ bản gồm 1 phần tửkhối lượng, hai bậc tự do

Chương 3 giới thiệu về hệ MVG hai bậc tự do, phân tích các đáp ứngđộng lực học của 2 mô hình MVG tương ứng với 1 và 2 phần tử khối lượngkhi có các dạng vận tốc góc khác nhau

Chương 4 giới thiệu một mô hình cảm biến vi cơ điện tử kiểu âm thoa cókết cấu liên kết kiểu quả trám Chương này sẽ đưa ra cơ sở để tối ưu hóa kíchthước của khung quả trám, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động củacác phần tử trong mô hình TFG, khảo sát các đáp ứng động lực học của hệ.Đặc biệt, ở chương này, luận án cũng sẽ phân tích, chứng minh khả năng bùbiên độ và bù lệch pha của khung quả trám cho dao động của các phần tử ởhai bên của khung quả trám

Ngoài 4 chương chính, luận án cũng trình bày phần Mở đầu giới thiệuchung về luận án, phần Kết luận chung trình bày khái quát những kết quảnghiên cứu đạt được của luận án và phần Phụ lục trình bày các công trìnhkhoa học của NCS công bố có liên quan đến luận án

Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC

1.1 Tổng quan về MEMS

1.1.1 Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS

Vào khoảng đầu thế kỷ XX, các thiết bị điện tử phát triển theo xu hướng

tích hợp số lượng lớn các thiết bị trong một vi mạch (Integrated Circuit - IC)

có kích thước nhỏ gọn và thực hiện nhiều chức năng Điều này đã mang lại sựbiến đổi mạnh mẽ cả về mặt công nghệ và xã hội Vào cuối những năm 50 của

thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ Micro đã diễn ra, hứa hẹn một

tương lai mới cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử

(Micro-Electro Mechanical Systems, viết tắt là MEMS) cũng đã được ra đời

và phát triển trong giai đoạn này.

MEMS là một tổ hợp bao gồm các hệ thống cơ khí và hệ thống điện tử

có kích thước cỡ micro kết hợp với nhau Trên thực tế, bất kỳ thiết bị nàođược chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc ở kích cỡ micro, thực hiện cácchức năng của hệ cơ khí và điện tử đều có thể được xem là MEMS [20]

Hoặc theo [41], MEMS có thể được định nghĩa theo một cách khác: ʺHệ

thống vi cơ điện tử-MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp với các vi cảm biến, các bộ vi kích hoạt/chấp hành và các vi mạch điện tửʺ

Công nghệ MEMS được mở đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên

cơ sở công nghệ vi cơ khối Từ cuối những năm 1980, giai đoạn phát triển thứhai của công nghệ MEMS được đánh dấu bằng sự phát triển của công nghệ

vi cơ bề mặt Ngày nay, MEMS là giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãitrong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những đổi mới kỹthuật MEMS đang là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành pháttriển nhanh nhất hiện nay trên thế giới

Hình 1.1 Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29]

Trong công nghiệp sản xuất ô tô, các thiết bị MEMS được sử dụng gồm:cảm biến gia tốc để điều khiển hoạt động của túi khí an toàn (Hình 1.1), cảmbiến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảmbiến đo áp suất, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, theo dõi dung dịch làm nguội độngcơ,… Theo [29, 31] thống kê cho thấy, số lượng cảm biến MEMS sử dụngtrong ngành này đã tăng từ 1,13 tỷ đơn vị từ năm 2005 lên 1,49 tỷ đơn vị năm

2008 Thị trường Châu Âu và Mỹ tăng trưởng từ 5,66 tỷ đô la năm 2005 lên7,53 tỷ đô la năm 2008 Theo [28], thị trường toàn cầu cho cảm biến ô tô đạtgần 23,5 tỷ đô la trong năm 2015, 26,3 tỷ đô la trong năm 2016 và sẽ đạt 43,4

tỷ đô la vào năm 2021, tốc độ tăng trưởng hàng năm trong 5 năm là 10,6%.Trong công nghệ y sinh, các ứng dụng của công nghệ MEMS còn đượcthể hiện rõ ràng hơn [15] Chính sự tương thích giữa kích cỡ của các thiết bịMEMS với kích thước các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng và nghiên

cứu trong y học và sinh học mà công nghệ MEMS được ứng dụng nhiều Cácthiết bị đo huyết áp, nhịp tim [10], nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích mẫumáu, tế bào… đều có mặt các linh kiện MEMS Trong lĩnh vực viễn thông,MEMS được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị di động (các điện thoại thôngminh), hệ thống truyền tín hiệu, các hệ thống ra đa, … Các sản phẩm MEMScũng có đóng góp trong ngành chế tạo vũ khí cũng như hàng không vũ trụ, mộttrong những ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự và dân sự Công nghệMEMS cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sốnghàng ngày như trong các thiết bị giải trí, nghe nhìn, máy tính, máy in … [17].Ngày nay, các thiết bị MEMS ngày càng được ứng dụng nhiều trongquân sự Các loại tên lửa có điều khiển, các loại vũ khí thông minh, các hệthống không người lái, … đều sử dụng đến các thiết bị vi cơ điện tử Để đápứng các yêu cầu về tác chiến điện tử, tự động tác chiến hay tác chiến thôngminh đang từng bước phát triển đòi hỏi các thiết bị cần có độ chính xác về vịtrí, tốc độ thì việc nghiên cứu, phát triển hệ thống cảm biến vi cơ điện tử có

độ chính xác và tin cậy làm việc là một yêu cầu có tính cấp thiết cao

1.1.2 Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS

Các thiết bị MEMS hoạt động dựa trên các hiệu ứng vật lý như:

- Hiệu ứng tĩnh điện

- Hiệu ứng áp điện

- Hiệu ứng áp điện trở

- Hiệu ứng điện từ

- Hiệu ứng giãn nở nhiệt

Sự khác nhau về mức độ phức tạp trong công nghệ chế tạo, khả năngtích hợp, kích thước các thiết bị và độ ổn định làm việc của các hiệu ứng đượcthể hiện trong Bảng 1.1 [5]

Bảng 1.1 So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS

Hiệu ứng Chế tạo Tích hợp Kích thước Độ ổn định

Dựa theo các phân tích về đặc tính trên, có thể thấy hiệu ứng tĩnh điện mặc

dù có mức năng lượng tiêu thụ cao hơn song bù lại, hiệu ứng này có tốc độ đápứng nhanh, dễ chế tạo và điều khiển, có khả năng tạo ra hiệu suất cao và có thểtích hợp khá tốt Vì vậy, hiệu ứng tĩnh điện được sử dụng nhiều hơn trong thiết

kế, chế tạo các vi cảm biến hoặc vi kích hoạt/chấp hành theo công nghệ MEMS

1.1.3 Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS

Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS kế thừa các đặc điểm của công nghệ

vi điện tử và có phát triển thêm nhiều công nghệ mới đặc trưng của MEMS.Các kỹ thuật mới này nhằm mục đích chia tách các kết cấu cơ học với nềnSilic Công nghệ chế tạo được chia thành các nhóm chính sau [4]:

a) Công nghệ vi cơ khối

Bản chất của công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining) là dùng các

phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực), tạo ra trên phiến Silic các lỗ sâu,các rãnh, các chỗ lõm … nhằm lấy đi một phần thể tích của phiến vật liệu chếtạo từ đó hình thành cấu trúc mong muốn

Để hình thành các cấu trúc vi cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:

Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh Quá

trình này dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn Việc

ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc

dị hướng (có hướng mà tinh thể được ăn mòn nhanh, có hướng - chậm).

Ăn mòn khô: là quá trình dùng tia plasma tương tác vào bề mặt của tấm

silic tạo ra phản ứng hóa học ăn mòn silic Hình dạng, diện tích hố ăn mònđược xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăngcường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùngđiện thế để tăng tốc độ ion hóa tức là tăng tốc độ các chùm tia bắn phá

b) Công nghệ vi cơ bề mặt

Vi cơ bề mặt (Sacrificial Surface Micromachining) là một công nghệ gia

công dựa trên các phương pháp phủ bề mặt, ăn mòn và lắng đọng các lớp vậtliệu mỏng để tạo cấu trúc ba chiều Các lớp cấu trúc gồm nhiều lớp vật liệumỏng như các lớp vật liệu đệm và lớp vật liệu nền Các lớp vật liệu đệm sẽđược loại bỏ một phần trong các bước gia công sau cùng bằng cách ăn mònhóa học, các phần còn lại tạo thành một cấu trúc cơ học như mong muốn

c) Công nghệ quang khắc LIGA

LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung, theo tiếng Đức nghĩa là

khắc hình, mạ điện và làm khuôn Bản chất của phương pháp này là dùng chùmtia X có năng lượng lớn đi sâu vào chất cảm quang đến hàng milimet Chất cảmquang thường dùng thuộc loại acrylic Thông qua những chỗ bị khoét thủng trênkhuôn, chất cảm quang bị tia X chiếu vào và bị hoà tan trong dung dịch hóa học.Cấu trúc được hình thành từ phương pháp LIGA ở dạng ba chiều mà không phảihai chiều như phương pháp quang khắc thông thường

d) Công nghệ vi cơ dán

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, khoang kín cóthể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi dán úp hai mặt gia công lại với nhau.Trước hết, tạo một rãnh trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thườngrồi dán lên trên phiến đó một phiến khác để đậy rãnh đó lại Bản chất củaphương pháp gia công này là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm

một lớp lót để tăng cường sự kết dính

e) Công nghệ gia công vi cơ bằng tia laser

Có thể dùng tia laser để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lầnlượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên, cách gia công này rất chậm, không giacông đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng tia laserthường chỉ dùng để làm khuôn Tia laser thường dùng là tia laser eximơ mới

đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer

1.2 Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng

1.2.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển

Theo định nghĩa vật lí, cảm biến vận tốc góc, hay con quay hồi chuyển(Gyroscope) là một thiết bị dùng để đo đạc góc quay hoặc duy trì phươnghướng của một trục quay, dựa trên nguyên lý bảo toàn mômen động lượng

Hình 1.2 Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20]

Năm 1851, nhà khoa học người Pháp Jean-Bernard-Léon Foucault đã ápdụng chuyển động của con quay hồi chuyển để mô tả chuyển động quay củatrái đất Ông cũng là người đưa ra thuật ngữ Gyroscope, được ghép từ tiếng

Hi-lạp là “Gyro”- quay tròn và “skopeein”- quan sát [20].

Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (Hình 1.3), người ta sử dụng một đĩa

quay (có mô men động lượng L = IΩ) nằm trên một trục quay xuyên tâm, trục

quay này liên kết với khung quay bên ngoài thông qua các khớp quay Mỗi con

quay có thể có từ 2, 3 hoặc 4 bậc tự do bao gồm: chuyển động quay quanh trụcchính của đĩa quay so với khung trong, chuyển động quay của khung trong cóchứa đĩa quay so với khung ngoài, chuyển động quay của các khung ngoài.

Chuyển động tuế sai

Trục quay

L=IΩ

Hình 1.3 Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do

Tốc độ quay của con quay quanh trục của nó thường rất lớn (có thể tới22000÷30000 vòng/phút như trong thiết bị dẫn hướng của tên lửa), do đó conquay có momen động lượng lớn Khi có các lực tác động bên ngoài, do momenđộng lượng lớn mà trục quay của đĩa vẫn duy trì được phương của nó Nhờ tínhchất này mà con quay cơ cổ điển đã sớm được ứng dụng trong các công cụ địnhhướng và dẫn lái trên các thiết bị đường biển Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên

đã có mặt trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 nhờ các phát minh của nhàkhoa học người Mỹ, Elmer Sperry (Hình 1.4) Năm 1920, thiết bị này được ứngdụng vào trong các hệ thống dẫn lái của ngư lôi, đến năm 1930 thì được ứngdụng vào các bộ dẫn hướng cho hệ thống các tên lửa đạn đạo [45]

Tuy nhiên, do sử dụng các bậc tự do quay nên khi làm việc, tại các khớpquay thường xuất hiện ma sát làm khớp nhanh bị mòn, hiệu suất truyền độnggiảm xuống, gây ra các sai số làm nhiễu tín hiệu đầu ra

Hình 1.4 Ứng dụng con quay trong các thiết bị dẫn hướng hàng hải

Để khắc phục các nhược điểm trên đây của các Gyroscopes cổ điển,nhằm nâng cao độ chính xác, giảm kích thước và trọng lượng cũng như nguồnnuôi cảm biến, các dạng cảm biến vận tốc góc hiện đại hơn đã được nghiêncứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng Hai kiểu cảm biến vận tốc góc được giớithiệu trong phần tổng quan này gồm: cảm biến vận tốc góc kiểu quang học vàcảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử

1.2.2 Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học

Các cảm biến vận tốc góc kiểu quang học (Optical Gyroscope) có nguyên

lý hoạt động dựa trên hiệu ứng Sagnac Hiệu ứng này được tạo ra bằng cách táchtia sáng từ một nguồn phát thành hai tia sáng đồng pha và chiếu chúng theohướng ngược nhau nhờ các gương phản xạ, sau đó tạo ra sự giao thoa giữa haichùm tia này Các đặc tính giao thoa giữa hai chùm tia này được quan sát và là

cơ sở để tính toán góc xoay của vật quay [38] Ưu điểm vượt trội của các cảmbiến kiểu này là nhỏ gọn; có độ ổn định, độ chính xác cao do không có ma sát;không có các phần tử khối lượng chuyển động (sai số 0,001÷0,010/h)

Có hai cấu hình cho cảm biến vận tốc góc kiểu quang học Một trong đó

sử dụng nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang như mô tả trênHình 1.5 (Fiber Optical Gyroscope) Loại thứ hai (Ring Laser Gyroscopes -RLG) sử dụng nguồn ánh sáng laser để xác định tín hiệu vận tốc góc hoặc góc

quay Độ lệch tín hiệu của hai tia laser được phát ra từ một nguồn thông quacác gương phản xạ được cảm nhận nhờ cảm biến, độ lệch này tỷ lệ với vận tốcgóc đưa vào Mô hình của loại thứ hai được mô tả như trên Hình 1.6a.

Bộ tách nguồn

Bộ lọc Nguồn

tín hiệu Cuộn quang

Tia lazer

1.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử

Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử, hay vi cảm biến vận tốc góc (MEMSGyroscopes - MG), hoạt động theo hiệu ứng Coriolis, từ lâu đã được ứng dụngtrong lĩnh vực quân sự và nền công nghiệp dân dụng Một ứng dụng khá phổbiến của các MG được biết đến trong các thiết bị di động thông minh và các

Hình 1.7 Một số ứng dụng trong quân sự của MG [30]

Vi cảm biến tốc độ góc cũng được sử dụng trong các thiết bị định vị vàđiều khiển bay của một số loại tên lửa có điều khiển, chúng được kết hợp vớimột gia tốc kế tạo thành hệ thống để điều khiển quá trình bay của tên lửa (hệthống định vị toàn cầu GPS và dẫn đường quán tính INS) trong những điềukiện bất lợi cho điều khiển [17]

Một số ưu điểm của vi cảm biến vận tốc góc so với con quay cổ điển như:

- Có tính hiệu quả cao, được chế tạo sẵn dưới dạng chip nên dễ dàng tương thích với các mạch điện tử

- Chất lượng tốt, độ nhạy cao Chất lượng của MG ngày càng được cải thiện do sự phát triển của khoa học công nghệ

- Kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng

Đã có nhiều nghiên cứu và các thiết kế khác nhau cho vi cảm biến vận

tốc góc, trong đó vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động (MEMS Vibratory

Gyroscopes - MVG) chiếm phần lớn và được phát triển nhanh chóng [60].Nguyên lý cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại vi cảm biến này đượcgiới thiệu trong các mục tiếp theo

Ngày nay, khi cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang ở giai đoạn bắt đầu,việc nghiên cứu phát triển các thiết bị MEMS trong đó có các MVG theohướng tích hợp, nâng cao hơn nữa chất lượng của các thiết bị luôn là vấn đề

có tính thời sự Vì vậy, nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo các MVG nhằmtăng độ nhạy, độ chính xác; mở rộng dải đo; giảm năng lượng tiêu thụ; tíchhợp đồng bộ trong các mạch và có cấu trúc cơ học đơn giản, dễ chế tạo vẫn làthách thức đặt ra với các nhà nghiên cứu

1.3 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của MVG

Cấu tạo của các MVG bao gồm một phần tử khối lượng m, được gọi là phần tử quán tính (proofmass), và các dầm treo đàn hồi để tạo cho khối lượng

có hai bậc tự do theo hai phương vuông góc nhau Các dầm này có một đầuđược liên kết với các điểm neo Như vậy, chuyển động quay liên tục của đĩaquay trong con quay cơ cổ điển được thay bằng các phần tử dao động (daođộng thẳng hoặc dao động góc) Do cảm biến này được gắn trên các đối tượng

có chuyển động quay, nên hệ con quay vi cơ kiểu dao động được xem xét

trong hai hệ quy chiếu: hệ quy chiếu quán tính A (ijk) gắn với trái đất và hệ quy chiếu động (XYZ) gắn với con quay B (xyz) Mô hình một MVG đơn giản

được biểu diễn trên Hình 1.8

MVG hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis để chuyển năng lượng giữahai dạng dao động chính của hệ Phần tử quán tính được dẫn động bởi lực

kích thích Fd và có dao động trên phương Ox gọi là dao động sơ cấp hay dao

động dẫn Khi phần tử này cùng với MVG quay quanh trục vuông góc với

mặt phẳng dao động với vận tốc góc Ω, lực quán tính Coriolis (lực ảo FC )xuất hiện và được tính theo công thức:

trong đó, v là vectơ vận tốc của chuyển động sơ cấp,  là vận tốc góc đưa vào.Lực này tác dụng lên phần tử quán tính gây ra dao động trên phương cảm

(vuông góc với phương dẫn) Dao động này của phần tử quán tính là dao

động thứ cấp hay còn gọi là dao động cảm Có thể thấy trong biểu thức (1.1),

vận tốc góc của hệ là một thành phần tạo nên lực ảo Coriolis Lực này gây nên

dao động cảm của phần tử quán tính, biên độ của dao động cảm phụ thuộc vào

độ lớn của lực Coriolis, tức là giá trị của vận tốc góc Do đó, biên độ của daođộng cảm sẽ phản ánh giá trị của vận tốc góc, hay dựa vào biên độ của daođộng cảm mà vận tốc góc Ω của vật có chuyển động quay mà vi cảm biếnMVG đặt vào sẽ được xác định

1.3.2 Các thông số đánh giá chất lượng của MVG

Chất lượng của một MVG được đánh giá qua một số thông số sau [8, 20]:

- Độ phân giải (Resolution): là tín hiệu nhỏ nhất mà linh kiện có thể phân

biệt được Độ phân giải có thể được coi là độ nhạy của linh kiện, có đơn vịđược tính bằng 0/s hoặc 0/h

-Hệ số tỷ lệ (Scale factor): là tỷ lệ của sự thay đổi tốc độ tín hiệu đầu ra trên một đơn vị thay đổi của thông tin (vận tốc góc) đầu vào, có đơn vị mV/ 0 /s.

- Dải động lực (Dynamic range): là khả năng hoạt động của linh kiện

tương ứng với thông tin đầu vào

-Giá trị offset (Zero rate output): là giá trị tín hiệu đo được khi chưa có tín

hiệu đầu vào, đây là thông số đánh giá mức độ nhiễu ban đầu của cảm biến Khi chưa có thông tin đầu vào, tín hiệu đầu ra là hàm nhiễu ngẫu nhiên Giá trị offset

có đơn vị là 0 /s/ Hz hoặc0 /h/ Hz

- Bước góc ngẫu nhiên (Rate random walk): cũng là một dạng tín hiệu

nhiễu, đơn vị đo là 0 /h/ h Giá trị này xuất hiện do thông tin nhiễu từ tín hiệuvào và hoàn toàn độc lập với các đặc tính tạo nên các sai lệch về góc nghiêng

- Dải thông: là dải tín hiệu đầu vào mà cảm biến có thể xác định được Thường được xác định dựa vào đáp ứng tần số của thiết bị

- Thế dòng trôi (drift voltage): là một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập, không bị ảnh hưởng bởi các giá trị quán tính

- Hệ số phẩm chất Q (Quality factor): là tỷ số giữa biên độ dao động của

hệ với chuyển vị tĩnh của hệ đó Tỷ số này nếu được lấy với biên độ ở tần sốcộng hưởng với chuyển vị tĩnh của hệ dao động có cản yếu sẽ cho ta công

Trong một số thông số cơ bản trên đây, hệ số phẩm chất Q và dải thông

được xác định thông qua hệ dao động cơ học trong các vi cảm biến kiểu MVG

1.3.3 Phân loại cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

Dựa vào nhiều yếu tố như đối tượng cần đo, dạng dao động, số lượngphần tử khối lượng, cách ghép nối … mà có thể phân loại các MVG như sau:

- Theo các đại lượng cần xác định, MVG được chia thành 2 loại [13], [16]:MVG loại 1 dùng để xác định góc quay tuyệt đối của đối tượng quay Các

MVG kiểu này được gọi tên là Angle Gyroscopes hoặc Rate Integrating

Gyroscopes MVG loại 2 dùng để xác định vận tốc góc của đối tượng có

chuyển động quay Các vi cảm biến loại này có tên gọi là Rate Gyroscopes.

- Theo dạng chuyển động của dao động dẫn [60]: dao động dẫn có thể ở dạngchuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay Nếu chuyển động đó là tịnh

tiến ta có MVG kiểu Linear Gyroscopes Nếu chuyển động của dao động dẫn là dạng quay, MVG là Torsional Gyroscopes hoặc Gimbal Gyroscopes.

- Theo số phần tử khối lượng trong các MVG chúng ta có các dạng: một phần tử, hai phần tử và nhiều phần tử khối lượng [22], [60]

- Theo hiệu ứng được sử dụng để tạo dao động dẫn: hiệu ứng tĩnh điện, hiệu ứng áp điện, hiệu ứng điện từ và hiệu ứng nhiệt

- Theo số bậc tự do của các gyroscope: MVG hai bậc tự do (dạng đơn giản), MVG nhiều bậc tự do

- Theo đặc điểm ghép nối của các gyroscope: MVG kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscopes - TFG), MVG kiểu tách rời

1.4 Các nghiên cứu về MVG

Trên thế giới, vi cảm biến vận tốc góc đã được tính toán, thiết kế và chếtạo, đồng thời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: hàng không, hànghải, viễn thông, quân sự, …

Theo cách phân loại ở mục trước, các nghiên cứu về vi cảm biến vận tốcgóc dùng để xác định vận tốc góc của vật quay có thể được tổng hợp dựa trêndạng dao động cơ học và cấu trúc hình học như sau [22]:

- Vi cảm biến vận tốc góc với dầm đỡ chịu xoắn (Gimbal Gyroscopes)

- Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động (Vibrating Ring Gyroscopes)

- Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục (Multi-axis Input Gyroscopes)

- Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do

+ Vi cảm biến vận tốc góc có các phần tử liên kết trực tiếp (Coupled MVGs).+Vi cảm biến vận tốc góc có các phần tử liên kết gián tiếp (Decoupled MVGs).

+ Vi cảm biến vận tốc góc có hai phần tử quán tính được ghép nối (TFG)

1.4.1 Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn

Nghiên cứu đầu tiên về vi cảm biến vận tốc góc với dầm chịu xoắn đượcthực hiện bởi Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper [47] vào năm 1991 với

mô hình 2 dầm đàn hồi chịu xoắn như trên Hình 1.9

Hình 1.9 Vi cảm biến kiểu Gimbal

Dao động dẫn là dao động góc trong mặt phẳng Oxz gây bởi momen tĩnh điện, khi có vận tốc góc quanh trục Oz, dao động cảm xuất hiện cũng là dao động góc nhưng trong mặt phẳng Oyz Cảm biến có hai bậc tự do ứng với

chuyển động quay của khung ngoài quanh trục dẫn và chuyển động quay củaphần tử quán tính quanh trục cảm Độ phân giải của cảm biến 4 0 / s / Hz với

dải tần số vận tốc góc đầu vào 60Hz và được chế tạo theo công nghệ vi cơ khối.

1.4.2 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động

Nhóm nghiên cứu tại đại học Michigan, Mỹ đã giới thiệu cấu trúc vi cảmbiến vận tốc góc kiểu vòng dao động trong các công trình [24], [25], [51 ] nhưtrên Hình 1.10 Cấu trúc này gồm một vòng dao động, được đỡ bởi 8 dầm đànhồi kiểu bán nguyệt Vòng này nhận dao động dẫn từ các điện cực dẫn và tạo tínhiệu trên phương cảm cho các điện cực cảm Các dầm đàn hồi có một đầu được

gắn với trụ neo (Anchor) đặt ở giữa vòng tròn Khi tín hiệu vận tốc góc xuất hiện

trên phương vuông góc với mặt phẳng cấu trúc, lực Coriolis xuất hiện

làm cho vòng tròn bị lệch góc 450 so với phương dẫn, biên độ dao động cảm

tỷ lệ với vận tốc góc đưa vào Các điện cực cảm ứng sẽ cảm nhận sự thay đổikhoảng cách giữa vòng tròn với bề mặt của nó, từ đó xác định được giá trị củavận tốc góc đặt vào

Điện cực

Dầm đàn hồi Điểm neo

Phương dao động cảm

Vòng dao động

Phương dao Điện cực dẫn động dẫn

Hình 1.10 Cấu trúc con quay vi cơ kiểu vòng dao động

Năm 2002, nhóm này đã trình bày phiên bản hoàn thiện của vi cảm biếnvận tốc góc kiểu vòng dao động chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thểđịnh hướng với hệ số phẩm chất đạt Q = 12000, độ phi tuyến 0,02%, độ nhạy

132 mV/0/s, độ nhiễu ở tín hiệu ra thấp 10,4 0 /s/ Hz và độ phân giải 7,20/h [51] Vi

cảm biến vận tốc góc kiểu này có ưu điểm là độ chính xác cao, dễ tạo

sự kết hợp giữa các dạng dao động, ít bị nhiễu và hoạt động ổn định [22]

1.4.3 Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục

Nhóm nghiên cứu của đại học Berkeley [57] đã giới thiệu mô hình vi cảmbiến vận tốc góc dao động kiểu bánh xe được chế tạo bằng phương pháp vi cơ bềmặt, trên một phiến Silicon dạng đĩa có độ dày 2 μmm, có hình dạng một rôto cóbán kính 150 μmm Cấu trúc được treo cách nền 1,6 μmm nhờ 4 dầm đối xứng cómột đầu được gắn với điểm neo nối liền với đế Rôto được dẫn động quay quanh

trục Z, khi có vận tốc góc đưa vào trên trục X hoặc Y, gia tốc góc Coriolis xuất hiện quanh trục Y hoặc X làm cho rôto bị nghiêng góc quanh trục Y hoặc X Góc dịch chuyển ngẫu nhiên của thiết bị đạt 10 0 / h và có thể được giảm

xuống đến 2 0 / h khi tần số cộng hưởng của hai dạng dao động được thiết kế

gần nhau (matching).

Hình 1.11 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu nhiều trục

Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục có ưu điểm là giảm giá thành và cóhiệu suất cao hơn so với việc dùng nhiều con quay vi cơ một trục

1.4.4 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do

Các MVG kiểu này thường gồm một phần tử quán tính và một khung ngoàiliên kết với nhau Tùy từng mô hình mà vai trò của hai phần tử có thể đổi chỗcho nhau (khung ngoài - dẫn, phần tử quán tính - cảm hoặc ngược lại)

Cenk Acar và Andrei Shkel [18] đưa ra mô hình gồm một phần tử quán tínhđược dẫn động bởi lực tĩnh điện có dạng điều hòa nên có dao động dẫn trên

phương x (Hình 1.12) Khi xuất hiện vận tốc góc theo phương z (vuông góc với

mặt phẳng kết cấu), phần tử khối lượng này có thêm dao động trên phương cảm

y Phần tử khối lượng được liên kết đàn hồi với phần tử khung ngoài, nên dao

động cảm sẽ được truyền cho khung ngoài Biên độ dao động của khung tỷ lệ vớivận tốc góc đặt vào và được sử dụng để xác định giá trị của vận tốc góc đó.Ngoài ra, các tác giả này còn lần lượt giới thiệu các thiết kế trong đó códạng khung ngoài dẫn - phần tử quán tính cảm ứng bên trong hoặc hai khối dẫn

- một khối cảm, hai khối cảm - một khối dẫn, … [20]

Cấu tạo chung của loại vi cảm biến vận tốc góc kiểu này gồm nhiều phần tửkhối lượng trên cả hai phương dẫn và cảm, các phần tử này thường được liên kếtgián tiếp với nhau thông qua phần tử khối lượng khác Phần tử này không trựctiếp dẫn động và cũng không phải là phần tử trực tiếp tạo ra tín hiệu cảm Daođộng của các phần tử trên một phương thường là cùng pha với nhau

a) Thiết kế của Cenk Acar [ 19] b) Thiết kế của Emre Alper [ 53] Hình 1.13 Con quay vi cơ kiểu tách riêng

các dao động

Năm 2005, tác giả Cenk Acar và Andrei M.Shkel [19] tại đại học Irvine, California, Mỹ đã giới thiệu một vi cảm biến vận tốc góc có phần tử tạo

dao động dẫn riêng và phần tử có dao động cảm riêng, hai thành phần này đượcliên kết với nhau nhờ các dầm gập dạng chữ “U” như trên Hình 1.13a Thiết bị

có cấu trúc đối xứng, phần tử quán tính được dẫn động thông qua dao động dẫncủa khung ngoài, đồng thời có thêm dao động cảm nhờ hiệu ứng Coriolis, daođộng cảm này được truyền cho khung ngoài thứ hai, chuyển vị trên phương cảmcủa khung ngoài được sử dụng để xác định vận tốc góc đưa vào Thiết bị có hệ

số tỷ lệ là 0,91 mV/0/s, độ tuyến tính cao, độ nhiễu thấp nhất 0,250/s/

Hz ở vùng dải tần 50 Hz trong không khí

Nhóm tác giả Said Emre Alper và Tayfun Akin [53] trong công trìnhnghiên cứu của mình đã đề xuất mô hình một phần tử quán tính và hai khungngoài được liên kết với nhau nhờ các dầm đàn hồi Các khung ngoài được nốivới nền bằng các điểm neo ở bốn góc (Hình 1.13b) Thiết bị được chế tạo từvật liệu gốc Nikel với độ dày 16μmm, kích thước cấu trúc 1,9×1,9 mm Sau đó,nhóm này còn giới thiệu một cấu trúc khác có cấu tạo tương tự nhưng đượcchế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể với kích thước 1×1mm và độ dàylớp cấu trúc là 2 μmm Tần số hoạt động của thiết bị trên phương dẫn vàphương cảm lần lượt là 28535 và 30306 Hz [52], [54]

Ngoài ra, còn một số công trình của các nhóm nghiên cứu của các trườngđại học Hàn Quốc và Đài Loan cũng giới thiệu các thiết kế của mình về thiết

bị vi cảm biến vận tốc góc với các dao động riêng biệt trên các phương [22]

Vi cảm biến vận tốc góc kiểu này – Tuning Fork Gyroscopes (TFG) đang

được nhiều tác giả nghiên cứu do có độ chính xác và độ nhạy cao Các TFG đềuhoạt động theo hiệu ứng Coriolis [20, 60 ] và dao động theo kiểu âm thoa (daođộng ở hai nhánh có dạng ngược pha) Đặc điểm cấu tạo của các TFG gồm hainhánh hoàn toàn giống nhau, được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với nhaunhằm tạo ra các dao động ngược pha cho dao động dẫn, và do đó tạo ra sự

ngược pha cho các dao động cảm Các phần tử khối lượng có dao động dẫnngược pha nhau, khi có vận tốc góc trên phương vuông góc với mặt phẳng daođộng, lực Coriolis xuất hiện làm các phần tử quán tính có dao động ngược phatrên phương cảm, dao động này có biên độ phản ánh vận tốc góc đặt vào Khi cácdao động cảm có pha ngược nhau, biên độ dao động này dễ dàng được phát hiện

và giá trị biên độ được tăng lên giúp cho việc xử lý tín hiệu được dễ dàng vàchính xác hơn, từ đó làm tăng độ nhạy cho các cảm biến Do đặc điểm cấu tạokiểu âm thoa mà các cảm biến kiểu này thường có nhiều bậc tự do

Năm 1993, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm Draper [34], đạihọc Cambrige - Mỹ, đã giới thiệu thiết bị TFG được chế tạo bằng vật liệuSilicon đơn tinh thể có độ dày 1mm, các điện cực được chế tạo bằng vật liệuNikel Nhờ hiệu ứng tĩnh điện mà các phần tử quán tính được dẫn động trênphương dẫn với vận tốc V Khi cho cả hệ quay với vận tốc góc Ω theo phươngvuông góc với V, làm xuất hiện các lực Coriolis F1, F2 trên phương thứ 3(Hình 1.14) Các lực này tạo ra ngẫu lực làm cho các phần tử quán tính có

thêm dao động cảm trên phương vuông góc với mặt phẳng chứa TFG

(out-of-plane) Các thông số thực nghiệm cho thấy, độ phân giải của thiết bị đạt

10÷1000/h khi hoạt động ở dải tần số 60 Hz

Hình 1.14 Thiết kế TFG của phòng thí nghiệm Draper [34]

Điện cực cảm

Điện cực cân bằng Điện cực dẫn

Điện cực dẫn Điện cực

cân bằng

Điện cực cảm

Hình 1.15 Mô hình TFG với hệ số Q cao [12]

Năm 2004, công trình nghiên cứu của viện nghiên cứu Georgia, Atlanta,

Mỹ [12] đã giới thiệu một vi cảm biến kiểu TFG như mô tả trên Hình 1.15.Linh kiện được chế tạo trên một phiến SOI dày 40µm, có hệ số phẩm chất Qcao theo dạng dẫn và dạng cảm (Qdrive = 81000 và Qsense = 64000) Sai lệch

về tần số cộng hưởng của hai dạng này là 0,07%, độ nhạy của linh kiện đạt1,25 mV/0/s, hoạt động trong dải tần 12Hz

Đến năm 2008, nhóm tác giả này tiếp tục hoàn thiện mô hình của họ vàtạo ra linh kiện mới có hệ số phẩm chất Qdrive = 78000 và Qsense = 45000 Cácthiết kế sau có các thông số phẩm chất thấp hơn nhưng độ trôi giảm xuống0,150/h, độ nhạy linh kiện 88 mV/0/s, giải tần hoạt động 1÷10 Hz, bước gócngẫu nhiên đạt được giá trị thấp nhất trong các vi cảm biến vận tốc góc trongcấu trúc này là 0,0030/ h

Một số nhóm tác giả Châu Á cũng thực hiện các nghiên cứu về TFG Năm

2005, nhóm tác giả thuộc học viện khoa học Trung Quốc đã giới thiệu mô hìnhTFG với hệ số phẩm chất Q trên phương dẫn vầ cảm lần lượt là 965 và 716,

hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển [63] Thiết bị có độ nhạy là 6mV/0/s, độ phi tuyến đạt 0,5% Thiết bị được mô tả như trên Hình 1.16a

a) Thiết kế của Y Chen [63] b) Thiết kế của J Zhou [ 35]

Hình 1.16 Mô hình TFG có các khung ngoài

Nhóm tác giả trường đại học Tongji (Thượng Hải - Trung Quốc) [35] đãgiới thiệu một TFG như trên Hình 1.16b Cấu trúc gồm hai nhánh liên kết vớinhau nhờ dầm gập ở giữa Mỗi nhánh gồm hai khung (khung trong và khungngoài) được liên kết với nhau bằng 4 khung đàn hồi dạng chữ “U” Các khung

ngoài được dẫn động ngược pha nhau trên phương X Khi có vận tốc góc xuất hiện trên phương Z, các khung trong sẽ có dao động cảm trên phương Y Thiết bị

được chế tạo trên tấm Silicon dày 300 μmm theo công nghệ vi cơ khối Tần số daođộng trên phương dẫn và cảm của thiết bị lần lượt là 10240 Hz và 11160 Hz.Trong tài liệu trích dẫn [55], các tác giả đã chỉ ra những yếu tố dẫn đến sai

số cho quá trình dao động cơ học của các mô hình kiểu âm thoa Theo đó, có 3nguyên nhân chính gây ra sai số: tính phi tuyến của điện dung tại các điện cựccảm, tính phi đối xứng của các lực tĩnh điện trên phương dẫn của các điện cựcdẫn động, tính phi đối xứng của các lực tĩnh điện (chẳng hạn như điện dung cảm,

…) dọc theo hướng cảm tại các điện cực cảm Do đó, độ chính xác và ổn địnhtrong quá trình làm việc của thiết bị vẫn còn là bài toán cần có những lời

giải thuyết phục hơn.

Trong các nghiên cứu trên, có thể thấy chất lượng và hoạt động của TFG

bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các điều kiện môi trường như nhiệt độ, ápsuất, các tín hiệu nhiễu [39], [40], [55 ] Ngoài ra, độ cứng của các dầm đànhồi trong cấu trúc của các TFG cũng là yếu tố quan trọng quyết định đến hoạtđộng và chất lượng của các TFG [20]

Hình 1.17 Mô hình liên kết hai nhánh của TFG nhờ dầm gập [64]

Để nâng cao chất lượng hoạt động của các TFG, hai nhánh của cảm biến

có thể được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau nhờ những cấu trúc cơhọc có khả năng tạo và duy trì các dao động ngược pha Nhóm tác giả thuộcviện công nghệ Bắc Kinh [64] đã giới thiệu cấu trúc TFG với phần liên kết códạng dầm gập (Hình 1.17) Dầm gập này liên kết hai phần tử quán tính trênhai nhánh, nhằm tạo ra dao động ngược pha cho dao động cảm

Công trình mới chỉ đưa ra kết quả tính toán và mô phỏng cho tần số daođộng dẫn ngược pha là 3985 Hz và dao động dẫn cùng pha là 3716 Hz

Năm 2016, nhóm này tiếp tục giới thiệu một cấu trúc TFG mới trên cơ sởcấu trúc đã có nhưng thay đổi phần liên kết giữa hai nhánh của TFG [65] Trongcông trình này, nhóm tác giả sử dụng cấu trúc vòng tròn treo đối xứng, có vai trònhư một lò xo liên kết hai nhánh của TFG (Hình 1.18) Do thiết kế đối xứng, lạiđược treo trên nền, nên cấu trúc tồn tại một điểm ảo (tâm vòng tròn) có tọa độkhông đổi trong quá trình dao động, đảm bảo tạo ra dao động ngược pha cho