Mục tiêu nghiên cứu là 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.
Trang 1LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác
Tác giả
Vũ Văn Thể
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viên hướng dẫn khoa học PGS TS Trần Quang Dũng, PGS TS Chử Đức Trình đã tận tình 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 sinh hoàn thành luận án
Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học máy, Khoa Cơ khí đã đồng 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 sinh toàn tâm toàn ý vào thực hiện luận án
Tác giả
Vũ Văn Thể
Trang 3
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
Trang 4Chương 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
Trang 53.3.2 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
Trang 6DANH 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 tô FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
MEMS Micro-Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử
MG MEMS Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi cơ
điện tử MVG 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 laser SOI Silicon On Insulator Tấm Silic kép
TFG Tuning Fork Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu âm
thoa
Trang 72 Ký hiệu:
A μm2 Diện tích xếp chồng của hai bản tụ
a μm Khoảng xếp chồng giữa hai bản tụ
E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu
EC J Năng lượng điện trường
EB J Nội năng lượng của nguồn
Ft, Fn N Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ
Fk N Lực đàn hồi tác dụng lên thành phần khối lượng
Fc N Lực cản của không khí lên thành phần khối lượng
g μm Khe hở giữa răng lược di động và răng lược cố định
h, h' μm Độ dày của lớp vật liệu
J m4 Mô men quán tính của mặt cắt ngang
k N/m Hệ số độ cứng của kết cấu khi kể đến tính đàn hồi
ksingle N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm đơn
kfolder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập đơn
Trang 8Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
Kdouble-folder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập kép
Lc μm Chiều dài răng lược
l0 μm Chiều dài đoạn xếp chồng của hai răng lược
m kg Khối lượng của phần tử khối lượng
mk kg Khối lượng khung ngoài
ms kg Khối lượng phần tử quán tính bên trong
p Pa Áp suất môi trường làm việc
QC F Điện tích của tụ điện
r m Khoảng cách giữa hai điện tích điểm
V V Điện áp đặt vào các bản tụ
x0 μm Khoảng xếp chồng ban đầu giữa hai bản tụ
y0 μm Khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ
w μm Độ dày của răng lược
α, β Hệ số cản Rayleigh
αd Độ Góc lệch pha điện giữa hai lực dẫn
βd Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động dẫn
βc Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động cảm
ε F/m Hằng số điện môi của môi trường
ε0 F/m Hằng số điện môi của chân không
λ m Mức di chuyển của phân tử khí
μ Pa.s Độ nhớt động học của không khí
ω rad/s Tần số vòng kích thích
Trang 9DANH 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
Trang 10DANH 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
Trang 11Hình 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
Trang 12Hình 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
Trang 13Hình 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
Trang 14MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, MEMS đang có được bước tiến vượt bậc và đóng vai trò không nhỏ trong việc tạo động lực thúc đẩy cuộc cách mạng 4.0 kết nối thế giới Với nhiều ưu điểm nổi trội nên các 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 chúng trong các hệ thống micro là rất quan trọng Cấu tạo của các cảm biến MEMS gồm có một cấu trúc cơ học kết hợp với bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu Các tín 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 biến khá phức tạp Nó được tích hợp với một số các cảm biến khác để tạo thành hệ thống định vị, cho biết trạng thái và vị trí của các đối tượng Nhờ có kích thước nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít, giá thành hạ, dễ điều khiển, độ chính xác và
độ tin cậy có thể chấp nhận được mà cảm biến này đã và đang được nghiên 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 quá trình 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 làm việc gần với tần số của hai dạng dao động chính là dạng dao động dẫn và dạng dao động cảm ứng tạo ra các tín hiệu nhiễu khi làm việc; các sai số kích thước 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 độ chính 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
Trang 15Từ 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 học của 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 mô hình 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):
Trang 16- Sử dụng lý thuyết của động lực học cơ hệ, cơ học hệ nhiều vật, dao động của hệ rời rạc để xây dựng mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân dao động của hệ MVG cụ thể
- Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp số để tính toán xác định các thông số đặc trưng về động lực học của các mô hình vi cảm biến và phân 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 hoạt động và cơ sở thiết kế của một lớp cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử Trọng tâm là làm rõ các đáp ứng động lực học của các thành phần cơ học bên trong cảm 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 hình gyroscope 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 cho lớp 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 biến vận 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 trúc kiểu 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 thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho hệ MVG cơ bản gồm 1 phần tử khối lượng, hai bậc tự do
Trang 17Chương 3 giới thiệu về hệ MVG hai bậc tự do, phân tích các đáp ứng động lực học của 2 mô hình MVG tương ứng với 1 và 2 phần tử khối lượng khi có các dạng vận tốc góc khác nhau
Chương 4 giới thiệu một mô hình cảm biến vi cơ điện tử kiểu âm thoa có kết cấu liên kết kiểu quả trám Chương này sẽ đưa ra cơ sở để tối ưu hóa kích thước của khung quả trám, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của các 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 bù biên độ
và bù lệch pha của khung quả trám cho dao động của các phần tử ở hai bên của khung quả trám
Ngoài 4 chương chính, luận án cũng trình bày phần Mở đầu giới thiệu chung về luận án, phần Kết luận chung trình bày khái quát những kết quả nghiên cứu đạt được của luận án và phần Phụ lục trình bày các công trình khoa học của NCS công bố có liên quan đến luận án
Trang 18Chương 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 sự biến 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 nào được chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc ở kích cỡ micro, thực hiện các chức 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 thứ hai 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 rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những đổi mới kỹ thuật MEMS đang là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển nhanh nhất hiện nay trên thế giới
Trang 19Với ưu thế về việc có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé, tinh tế, nhạy cảm và tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ MEMS cho phép tạo ra các bộ
vi cảm biến (micro-sensors), các bộ vi kích hoạt/chấp hành (micro-actuators) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Trong công nghiệp, các sản phẩm của MEMS được ứng dụng trong các robot, các hệ thống tự động trong sản xuất, các thiết bị đo lường và kiểm tra…
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), cảm biến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo áp suất, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, theo dõi dung dịch làm nguội động cơ,… Theo [29, 31] thống kê cho thấy, số lượng cảm biến MEMS sử dụng trong 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 lên 7,53 tỷ
đô la năm 2008 Theo [28], thị trường toàn cầu cho cảm biến ô tô đạt gần 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 được thể hiện rõ ràng hơn [15] Chính sự tương thích giữa kích cỡ của các thiết bị MEMS với kích thước các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng và nghiên
Trang 20cứu trong y học và sinh học mà công nghệ MEMS được ứng dụng nhiều Các thiết bị đo huyết áp, nhịp tim [10], nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích mẫu máu, 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 thông minh), hệ thống truyền tín hiệu, các hệ thống ra đa, … Các sản phẩm MEMS cũng có đóng góp trong ngành chế tạo vũ khí cũng như hàng không vũ trụ, một trong những ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự và dân sự Công nghệ MEMS cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng 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 trong quân
sự Các loại tên lửa có điều khiển, các loại vũ khí thông minh, các hệ thống không người lái, … đều sử dụng đến các thiết bị vi cơ điện tử Để đáp ứng các yêu cầu về tác chiến điện tử, tự động tác chiến hay tác chiến thông minh đang từng bước phát triển đòi hỏi các thiết bị cần có độ chính xác về vị trí, 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 năng tích hợp, kích thước các thiết bị và độ ổn định làm việc của các hiệu ứng được thể hiện trong Bảng 1.1 [5]
Trang 21Bảng 1.1 So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS
Hiệu ứng Chế tạo Tích hợp Kích thước Độ ổn định
Áp điện Trung bình Trung bình Nhỏ Không tốt
Giãn nở nhiệt Dễ Trung bình Trung bình Tốt
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 đáp ứng nhanh, dễ chế tạo và điều khiển, có khả năng tạo ra hiệu suất cao và có thể tích 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 nền Silic 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 chế tạo 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
Trang 22dị 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 mòn được xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc
độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện 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 vật liệu mỏng để tạo cấu trúc ba chiều Các lớp cấu trúc gồm nhiều lớp vật liệu mỏng như các lớp vật liệu đệm và lớp vật liệu nền Các lớp vật liệu đệm sẽ được loại bỏ một phần trong các bước gia công sau cùng bằng cách ăn mòn hóa 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 chùm tia X có năng lượng lớn đi sâu vào chất cảm quang đến hàng milimet Chất cảm quang thường dùng thuộc loại acrylic Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, 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 phải hai 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
có thể 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 thường rồi dán lên trên phiến đó một phiến khác để đậy rãnh đó lại Bản chất của phương pháp gia công này là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm
Trang 23một 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 lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên, cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng tia laser thường 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 phương hướng 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 áp dụng chuyển động của con quay hồi chuyển để mô tả chuyển động quay của trái 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
Trang 24quay có thể có từ 2, 3 hoặc 4 bậc tự do bao gồm: chuyển động quay quanh trục chính của đĩa quay so với khung trong, chuyển động quay của khung trong có chứa 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 tới 22000÷30000 vòng/phút như trong thiết bị dẫn hướng của tên lửa), do đó con quay có momen động lượng lớn Khi có các lực tác động bên ngoài, do momen động lượng lớn mà trục quay của đĩa vẫn duy trì được phương của nó Nhờ tính chất này mà con quay cơ cổ điển đã sớm được ứng dụng trong các công cụ định hướng 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 nhà khoa học người Mỹ, Elmer Sperry (Hình 1.4) Năm 1920, thiết bị này được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của ngư lôi, đến năm 1930 thì được ứng dụng 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 khớp quay thường xuất hiện ma sát làm khớp nhanh bị mòn, hiệu suất truyền động giảm xuống, gây ra các sai số làm nhiễu tín hiệu đầu ra
Trang 25
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 nguồn nuôi cảm biến, các dạng cảm biến vận tốc góc hiện đại hơn đã được nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo và sử dụng Hai kiểu cảm biến vận tốc góc được giới thiệu trong phần tổng quan này gồm: cảm biến vận tốc góc kiểu quang học và cảm 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 tách tia sáng từ một nguồn phát thành hai tia sáng đồng pha và chiếu chúng theo hướng ngược nhau nhờ các gương phản xạ, sau đó tạo ra sự giao thoa giữa hai chùm 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 cảm biến 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 trên Hình 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
Trang 26quay Độ lệch tín hiệu của hai tia laser được phát ra từ một nguồn thông qua các gương phản xạ được cảm nhận nhờ cảm biến, độ lệch này tỷ lệ với vận tốc góc đưa vào Mô hình của loại thứ hai được mô tả như trên Hình 1.6a
Cuộn quang Nguồn
Tín hiệu
ra
Thấu kính phân cực
Cuộn tách tín hiệu
fm
Hình 1.5 Sơ đồ cảm biến quang học loại 1
Nguồn phát lazer
Gương phản xạ
Cảm biến tín hiệu ra
Tia lazer
Gương phản xạ
a) Nguyên lý hoạt động b) Một sản phẩm thương mại
Hình 1.6 Cảm biến RLG loại 2
Con quay kiểu quang học được chế tạo từ các vật liệu siêu bền và trong cấu trúc của nó không có các thành phần khối lượng chuyển động, vì vậy nó có thể hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt, ứng dụng trong cả các thiết bị quân sự cũng như dân dụng Hình 1.6b là một sản phẩm RLG thương mại được chế tạo bởi công ty Tokyo Keiki Inc - Nasu Plant - Nhật Bản
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 (MEMS Gyroscopes - MG), hoạt động theo hiệu ứng Coriolis, từ lâu đã được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và nền công nghiệp dân dụng Một ứng dụng khá phổ biến của các MG được biết đến trong các thiết bị di động thông minh và các
Trang 27máy tính bảng (Iphone 3, 4, 5, 6; Ipad, …), chúng kết hợp với cảm biến gia tốc
và được ứng dụng trong các game trên các thiết bị di động Với ưu điểm về độ chính xác, giá thành, kích thước và khối lượng mà các MG được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàng không
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 và điều khiển bay của một số loại tên lửa có điều khiển, chúng được kết hợp với một gia tốc kế tạo thành hệ thống để điều khiển quá trình bay của tên lửa (hệ thống định vị toàn cầu GPS và dẫn đường quán tính INS) trong những điều kiện 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 được giới thiệu trong các mục tiếp theo
Trang 28Ngày 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 theo hướng 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 nhằm tăng độ nhạy, độ chính xác; mở rộng dải đo; giảm năng lượng tiêu thụ; tích hợp đồng
bộ trong các mạch và có cấu trúc cơ học đơn giản, dễ chế tạo vẫn là thách thức đặt ra với các nhà nghiên cứu
1.3 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
1.3.1 Nguyên lý hoạt động
m C
θ O
x y
quán tính A
Hệ quy chiếu con quay B
F d
R C
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 đầu được liên kết với các điểm neo Như vậy, chuyển động quay liên tục của đĩa quay trong con quay cơ cổ điển được thay bằng các phần tử dao động (dao động 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
Trang 29MVG hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis để chuyển năng lượng giữa hai 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 ảoF C) xuất hiện và được tính theo công thức:
mà vận tốc góc Ω của vật có chuyển động quay mà vi cảm biến MVG 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 vị được 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
Trang 30hiệu 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
- Bước góc ngẫu nhiên (Rate random walk): cũng là một dạng tín hiệu
nhiễu, đơn vị đo là0
vào 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 số cộng hưởng với chuyển vị tĩnh của hệ dao động có cản yếu sẽ cho ta công thức
xác định hệ số Q:
m Q c
trong đó, m là khối lượng của phần tử dao động, ω là tần số dao động của hệ,
c là hệ số cản của hệ có cản yếu
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 lượng phần
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
Trang 31chuyển 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 dạng chuyển 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 chế tạo, đồng thời đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: hàng không, hàng hải, viễn thông, quân sự, …
Theo cách phân loại ở mục trước, các nghiên cứu về vi cảm biến vận tốc góc dùng để xác định vận tốc góc của vật quay có thể được tổng hợp dựa trên dạng 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)
Trang 321.4.1 Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn
Nghiên cứu đầu tiên về vi cảm biến vận tốc góc với dầm chịu xoắn được thực 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 của
phần tử quán tính quanh trục cảm Độ phân giải của cảm biến 40
/ /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 cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động trong các công trình [24], [25], [51] như trên Hình 1.10 Cấu trúc này gồm một vòng dao động, được đỡ bởi 8 dầm đàn hồi kiểu bán nguyệt Vòng này nhận dao động dẫn từ các điện cực dẫn và tạo tín hiệu 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
Trang 33làm 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 đổi khoảng cách giữa vòng tròn với bề mặt của nó, từ đó xác định được giá trị của vận tốc góc đặt vào
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 biến vận tốc góc kiểu vòng dao động chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể định 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 10,40
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 cảm biến vận tốc góc dao động kiểu bánh xe được chế tạo bằng phương pháp vi cơ
bề mặt, trên một phiến Silicon dạng đĩa có độ dày 2 μm, có hình dạng một rôto
có bán kính 150 μm Cấu trúc được treo cách nền 1,6 μm nhờ 4 dầm đối xứng
có một 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 100
/ h và có thể được giảm
Điểm neo
Điện cực cảm Dầm đàn hồi
Phương dao động cảm
Phương dao động dẫn
Vòng dao động
Điện cực dẫn
Trang 34xuống đến 20
/ 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 có hiệu 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
1.4.4.1 Vi cảm biến vận tốc góc có các phần tử liên kết trực tiếp
Các MVG kiểu này thường gồm một phần tử quán tính và một khung ngoài liên kết với nhau Tùy từng mô hình mà vai trò của hai phần tử có thể đổi chỗ cho nhau (khung ngoài - dẫn, phần tử quán tính - cảm hoặc ngược lại)
Hình 1.12 Mô hình hai phần tử 4 bậc tự do
Trang 35Cenk Acar và Andrei Shkel [18] đưa ra mô hình gồm một phần tử quán tính được 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 với vận 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 có dạng 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]
1.4.4.2 Vi cảm biến vận tốc góc có các phần tử tách rời
Cấu tạo chung của loại vi cảm biến vận tốc góc kiểu này gồm nhiều phần
tử khối lượng trên cả hai phương dẫn và cảm, các phần tử này thường được liên kết gián tiếp với nhau thông qua phần tử khối lượng khác Phần tử này không trực tiếp dẫn động và cũng không phải là phần tử trực tiếp tạo ra tín hiệu cảm Dao động của các phần tử trên một phương thường là cùng pha với nhau
Trang 36dao động dẫn riêng và phần tử có dao động cảm riêng, hai thành phần này được liên 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 dẫn của khung ngoài, đồng thời có thêm dao động cảm nhờ hiệu ứng Coriolis, dao động cảm này được truyền cho khung ngoài thứ hai, chuyển vị trên phương cảm của 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 trình nghiên cứu của mình đã đề xuất mô hình một phần tử quán tính và hai khung ngoài được liên kết với nhau nhờ các dầm đàn hồi Các khung ngoài được nối với nền bằng các điểm neo ở bốn góc (Hình 1.13b) Thiết bị được chế tạo từ vật liệu gốc Nikel với độ dày 16μm, 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 được chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể với kích thước 1×1mm và độ dày lớp cấu trúc là 2 μm Tần số hoạt động của thiết bị trên phương dẫn và phương cảm lần lượt là 28535 và 30306 Hz [52], [54]
Ngoài ra, còn một số công trình của các nhóm nghiên cứu của các trường đại 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]
1.4.4.3 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
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 đều hoạt động theo hiệu ứng Coriolis [20, 60] và dao động theo kiểu âm thoa (dao động ở hai nhánh có dạng ngược pha) Đặc điểm cấu tạo của các TFG gồm hai nhánh hoàn toàn giống nhau, được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau nhằm tạo ra các dao động ngược pha cho dao động dẫn, và do đó tạo ra sự
Trang 37ngược pha cho các dao động cảm Các phần tử khối lượng có dao động dẫn ngược pha nhau, khi có vận tốc góc trên phương vuông góc với mặt phẳng dao động, lực Coriolis xuất hiện làm các phần tử quán tính có dao động ngược pha trên phương cảm, dao động này có biên độ phản ánh vận tốc góc đặt vào Khi các dao 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
và chính xác hơn, từ đó làm tăng độ nhạy cho các cảm biến Do đặc điểm cấu tạo kiểu 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], đại học Cambrige - Mỹ, đã giới thiệu thiết bị TFG được chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể có độ dày 1mm, các điện cực được chế tạo bằng vật liệu Nikel Nhờ hiệu ứng tĩnh điện mà các phần tử quán tính được dẫn động trên phương dẫn với vận tốc V Khi cho cả hệ quay với vận tốc góc Ω theo phương vuông 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]
Trang 38Điện cực cân bằng Điện cực cảm
Điện cực dẫn
Điện cực cảm
Điện cực dẫn Điện cực
cân bằng
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 Q cao 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 đạt 1,25 mV/0/s, hoạt động trong dải tần 12Hz
Đến năm 2008, nhóm tác giả này tiếp tục hoàn thiện mô hình của họ và tạo ra linh kiện mới có hệ số phẩm chất Qdrive = 78000 và Qsense = 45000 Các thiết kế sau có các thông số phẩm chất thấp hơn nhưng độ trôi giảm xuống 0,150/h, độ nhạy linh kiện 88 mV/0/s, giải tần hoạt động 1÷10 Hz, bước góc ngẫu nhiên đạt được giá trị thấp nhất trong các vi cảm biến vận tốc góc trong cấu 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 hình TFG với hệ số phẩm chất Q trên phương dẫn vầ cảm lần lượt là 965 và 716,
Trang 39hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển [63] Thiết bị có độ nhạy là
6 mV/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] đã giới thiệu một TFG như trên Hình 1.16b Cấu trúc gồm hai nhánh liên kết với nhau nhờ dầm gập ở giữa Mỗi nhánh gồm hai khung (khung trong và khung ngoài) 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 μm theo công nghệ vi cơ khối Tần số dao động 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 3 nguyên nhân chính gây ra sai số: tính phi tuyến của điện dung tại các điện cực cảm, tính phi đối xứng của các lực tĩnh điện trên phương dẫn của các điện cực dẫn 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 định trong quá trình làm việc của thiết bị vẫn còn là bài toán cần có những lời
Trang 40giải 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, áp suất, các tín hiệu nhiễu [39], [40], [55] Ngoài ra, độ cứng của các dầm đàn hồi trong cấu trúc của các TFG cũng là yếu tố quan trọng quyết định đến hoạt động
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 cơ học có khả năng tạo và duy trì các dao động ngược pha Nhóm tác giả thuộc viện công nghệ Bắc Kinh [64] đã giới thiệu cấu trúc TFG với phần liên kết có dạng dầm gập (Hình 1.17) Dầm gập này liên kết hai phần tử quán tính trên hai 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 dao động 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 sở cấu trúc đã có nhưng thay đổi phần liên kết giữa hai nhánh của TFG [65] Trong công trình này, nhóm tác giả sử dụng cấu trúc vòng tròn treo đối xứng, có vai trò như một lò xo liên kết hai nhánh của TFG (Hình 1.18) Do thiết kế đối xứng, lại được treo trên nền, nên cấu trúc tồn tại một điểm ảo (tâm vòng tròn) có tọa
độ không đổi trong quá trình dao động, đảm bảo tạo ra dao động ngược pha cho