Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ

Đối với cảm biến gia tốc, nghiên cứu phát triển vi cảm biến gia tốc điện dung đa bậc tự do cho phép xác định đồng thời các thành phần gia tốc của vật thể chuyển động đã được đặt ra nhằm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS Vũ Ngọc Hùng Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố

Người hướng dẫn khoa học

GS TS Vũ Ngọc Hùng

Tác giả

Nguyễn Ngọc Minh

LỜI CÁM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến GS.TS Vũ Ngọc Hùng người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án Những lúc gặp khó khăn trong công việc cũng như trong cuộc sống, thầy luôn ở bên quan tâm, động viên, khích lệ tôi kịp thời Là nhà khoa học mẫu mực, thầy đã truyền cảm hứng, truyền lửa cho tôi giúp tôi vượt qua mọi thử thách, khó khăn để học tập, để nghiên cứu khoa học và vươn tới đỉnh cao của trí thức

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, Phòng đào tạo, trường ĐH Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Phúc Dương, PGS.TS Nguyễn Văn Quy, PGS.TS Mai Anh Tuấn, PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, PGS.TS Nguyễn Văn Duy, PGS.TS Trịnh Quang Thông, TS Nguyễn Văn Toán và cán bộ Viện ITIMS đã dạy bảo và động viên giúp tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu Mạnh Hoàng, TS Vũ Thu Hiền, TS Ngô Đức Quân, TS Nguyễn Quang Long, ThS Hà Sinh Nhật, ThS Lê Văn Tâm cùng các anh chị và các bạn trong phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS, trường

ĐH Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, động viên chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học và có những thảo luận đóng góp bổ ích giúp tôi hoàn thiện luận án

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã luôn ở bên, động viên khích lệ tôi trong thời gian qua Tôi xin cảm ơn các anh chị đồng nghiệp ở bộ môn Điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã quan tâm, hỗ trợ tôi trong công việc để tôi có điều kiện hoàn thành luận án

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn tới những người thân yêu trong gia đình tôi Sự động viên và hy sinh thầm lặng của bố mẹ, vợ con, các anh chị và các cháu là tình cảm vô giá, là động lực tinh thần lớn lao khích lệ tôi vượt qua mọi khó khăn trở ngại trong học tập và cuộc sống để đạt kết quả cuối cùng

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Tác giả

Nguyễn Ngọc Minh

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 2

5 Những đóng góp mới của luận án 3

6 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

I.1 Công nghệ vi cơ điện tử MEMS 5

I.1.1 Giới thiệu chung 5

I.1.2 Lịch sử phát triển 6

I.1.3 Phân loại công nghệ MEMS 8

I.2 Cảm biến vận tốc góc 9

I.2.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển 9

I.2.2 Cảm biến vận tốc góc quang học 11

I.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG) 12

I.2.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 13

I.2.4.1 Nguyên lý hoạt động 13

I.2.4.2 Phương trình động lực học của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động 14

I.2.4.3 Quá trình phát triển, phân loại cảm biến vận tốc góc 17

I.2.5 Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến 18

I.2.5.1 Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope) 18

I.2.5.2 Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes) 19

I.2.5.3 Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope) 21

I.2.5.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG) 21

I.3 Cảm biến gia tốc 26

I.3.1 Bối cảnh lịch sử 27

I.3.2 Phân loại cảm biến gia tốc 28

I.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 28

I.3.2.2 Cảm biến gia tốc cân bằng lực (Force balance accelerometer) 29

I.3.2.3 Cảm biến gia tốc kiểu lệch (Deflection accelerometer) 30

I.3.3 Các đặc trưng của cảm biến gia tốc 31

I.3.4 Cảm biến gia tốc MEMS 32

I.3.4.1 Cảm biến gia tốc áp điện 32

I.3.4.2 Cảm biến gia tốc áp điện trở 33

I.3.4.3 Cảm biến gia tốc điện dung 34

I.3.4.4 So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc 35

I.3.5 Cảm biến gia tốc điện dung MEMS 35

Kết luận Chương 1 39

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 40

II.1 Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS 40

II.2 Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc 44

II.2.1 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 44

II.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc 45

II.2.3 Thông tin kỹ thuật đối với các bước công nghệ chế tạo cảm biến 47

II.3 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến 51

II.3.1 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc 51

II.3.2 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc 53

II.4 Xây dựng hệ đo vận tốc góc 54

II.5 Xây dựng hệ đo gia tốc 59

Kết luận Chương 2 63

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA 64

III.1 Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa 64

III.1.1 Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc 64

III.1.2 Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến 69

III.1.3 Kết quả tính toán mô phỏng 73

III.1.3.1 Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng 73

III.1.3.1.1 Cấu hình tụ điện MEMS 73

III.1.3.1.2 Tính toán tối ưu khoảng cách điện cực của tụ vi sai cảm ứng 77

III.1.3.2 Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến 80

III.1.3.3 Mô phỏng phân tích mode của cảm biến 83

III.1.3.4 Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến 87

III.2 Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 93

III.2.1 Thiết kế mặt nạ 93

III.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 95

III.2.3 Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc 99

III.2.3.1 Đặc trưng tần số 99

III.2.3.1 Đặc trưng điện áp-vận tốc góc 100

Kết luận Chương 3 102

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN GIA TỐC BA BẬC TỰ DO 103

IV.1 Thiết kế vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do 103

IV.1.1 Thiết kế cảm biến gia tốc 103

IV.1.2 Kết quả mô phỏng cảm biến gia tốc 105

IV.1.2.1 Mô phỏng phân tích mode 105

IV.1.2.2 Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến 107

IV.2 Chế tạo vi cảm biến gia tốc 110

IV.2.1 Thiết kế mặt nạ 110

IV.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc 111

IV.3 Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc 113

IV.3.1 Đặc trưng tần số 113

IV.3.2 Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của cảm biến 114

Kết luận Chương 4 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MEMS (Micro Electro-Mechanical System): Hệ thống vi cơ điện tử

TFG (Tuning Fork Gyroscope): Vi cảm biến vận tốc góc

SOI (Silicon On Insulator): Đế silic có lớp SiO2 mỏng nằm giữa đế silic và lớp silic linh kiện

DRIE (Deep Reactive Ion Etching): Ăn mòn sâu ion hoạt hóa

BHF (Buffered HF): Dung dịch HF pha thêm NH4F theo tỷ lệ nhất định

SEM (Scanning Electronic Microscope): Hiển vi điện tử quét

IMU (Inertial Measurement Units): Đo lường quán tính

IC (Integrated Circuit): Mạch tích hợp

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình 7

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của cảm biến vận tốc góc 17

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị AVT-CZ 62

Bảng 3.1 Thông số thiết kế của vi cảm biến vận tốc góc 68

Bảng 3.2: Thông số dầm dẫn động và cảm ứng 72

Bảng 3.3 Hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm và đế khung 82

Bảng 3.4 Kết quả phân tích mode của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa 85

Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của vi cảm biến vận tốc góc được chế tạo 101

Bảng 4.1 Thông số thiết kế của cảm biến gia tốc 104

Bảng 4.2 Kết quả phân tích mode của cảm biến gia tốc 107

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của vi cảm biến gia tốc 117

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên 5

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ vi cơ điện tử (MEMS) 5

Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ - điện tử tích hợp trong một chip 6

Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý chuyển động của con quay cơ học cổ điển 10

Hình 1.5 Mô hình con quay dẫn hướng sử dụng trong lĩnh vực hàng hải 10

Hình 1.6 Cấu hình cảm biến vận tốc góc loại sợi quang 11

Hình 1.7 Cảm biến RLG 11

Hình 1.8 Một số ứng dụng của MG trong dân dụng 12

Hình 1.9 Giản đồ nguyên lý xác định gia tốc coriolis 13

Hình 1.10 Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động 14

Hình 1.11 Cảm biến dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối 18

Hình 1.12 Cảm biến khung kép phẳng chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt 19

Hình 1.13 Cảm biến vận tốc góc kiểu mâm tròn 20

Hình 1.14 Cảm biến vận tốc góc 2 trục 21

Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý và hoạt động của cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa 22

Hình 1.16 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa Drapper 22

Hình 1.17 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số Q cao do nhóm nghiên cứu F Ayazi tại trường đại học Georgia phát triển 23

Hình 1.18 (a) Sơ đồ của vi cảm biến gia tốc đo biến dạng đầu tiên và (b) ảnh của cảm biến gia tốc áp điện đầu tiên 27

Hình 1.19 (a) Chip cảm biến gia tốc ADXL50 và (b) các thành phần chức năng 28

Hình 1.20 Mô hình hệ cảm biến gia tốc 29

Hình 1.21 Sơ đồ khối của (a) hệ gia tốc vòng hở và (b) hệ gia tốc vòng kín 31

Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý của vi cảm biến gia tốc áp điện 33

Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc của cảm biến gia tốc silic đầu tiên: (a) Mặt trên (b) Mặt cắt ngang 34

Hình 1.24 So sánh hoạt động giữa các cảm biến gia tốc áp điện, cảm biến gia tốc áp trở và cảm biến điện dung MEMS 35

Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý tụ vi sai: (a) thay đổi khoảng cách và (b) thay đổi diện tích, với điện cực động được hiển thị bằng màu xanh lam 36

Hình 1.26 Cảm biến gia tốc điện dung vi sai: (a) thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực và (b) thay đổi diện tích 37

Hình 2.1 Các dạng biên chung giữa các phần tử 41

Hình 2.2 Cấu trúc bài tính toán bằng phần mềm ANSYS 43

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc 44

Hình 2.4 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc

trên cơ sở công nghệ vi cơ khối 45

Hình 2.5 Mô hình cấu trúc vi cảm biến gia tốc 46

Hình 2.6 Quy trình chế tạo vi cảm biến gia tốc 46

Hình 2.7 Máy hàn dây Westbond 7400C 50

Hình 2.8 (a) Máy quay phủ lớp cảm quang 1H-D7; (b) Máy quang khắc hai mặt PEM800; (c) Hệ làm sạch chip sử dụng H2SO4:H2O2; (d) Hệ O2 plasma;

(e) Cốc Teflon sử dụng trong quá trình ăn mòn SiO2 bằng hơi HF;

(f) Hệ gia nhiệt cho quá trình tạo hơi HF 51

Hình 2.9 Hệ thiết bị được sử dụng để đánh giá sơ bộ khả năng hoạt động

của cảm biến 51

Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số cảm biến gia tốc 52

Hình 2.11 Hệ đo đáp ứng tần số: (a) Sơ đồ mạch điều khiển điện áp AC và DC; (b) Ảnh chụp mạch lắp ráp khảo sát 53

Hình 2.12 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng tần số của cảm biến gia tốc 53

Hình 2.13 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số kiểu chấp hành hai cổng 54

Hình 2.14 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số kiểu chấp hành một cổng 54

Hình 2.15 Hệ đo đặc trưng vận tốc góc 55

Hình 2.16 Động cơ servo có điều khiển để tạo vận tốc góc 55

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của mô đun chuyển đổi C-V MS3110 57

Hình 2.18 Card thu thập dữ liệu NI USB – 6009 58

Hình 2.19 Chương trình đo (a) và giao diện trên máy tính (b) 59

Hình 2.20 Hệ đo đặc trưng vận tốc góc 59

Hình 2.21 Hệ đo đặc trưng vi cảm biến gia tốc 60

Hình 2.22 Hệ tạo dao động chuẩn 61

Hình 2.23 Thiết bị gia tốc kế tiêu chuẩn AVT-CZ Mitutoyo 61

Hình 2.24 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng gia tốc 62

Hình 3.1 Mô hình cấu trúc của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa 65

Hình 3.2 Cấu hình vi cảm biến vận tốc góc âm thoa đế khung 67

Hình 3.3 Cấu trúc thanh dầm đơn 69

Hình 3.4 Cấu trúc thanh dầm kiểu fixed-guided trong trường hợp lệch tịnh tiến 69

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hệ hai thanh dầm song song và nối tiếp 71

Hình 3.6 Cấu trúc thanh dầm gập 71

Hình 3.7 Cấu trúc thanh dầm gập kép 72

Hình 3.8: Cấu trúc thanh dầm được thiết kế sử dụng trong luận án: (a) Dầm gấp cảm ứng, (b) Dầm gấp kép dẫn động 72

Hình 3.9 Cấu hình tụ điện bản cực song song 73

Hình 3.10 Cấu hình tụ điện răng lược 75

Hình 3.11 Cấu hình tụ điện răng lược cảm ứng vi sai 76

Hình 3.12 Cấu trúc hệ tụ điện cảm ứng vi sai (a) và cấu trúc của một cặp tụ (b) 77

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của độ thay đổi điện dung vào d 79

Hình 3.14 Sự phụ thuộc độ thay đổi điện dung vào chuyển vị

của răng lược cảm ứng 79

Hình 3.15 Mô hình phân tích FE 83

Hình 3.16 Kết quả phân tích FE đối với vi cảm biến vận tốc góc 84

Hình 3.17 Ảnh hưởng của bề dày lớp Si linh kiện tới tần số đối với 10 mode đầu tiên 87

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điện cấp cho hệ tụ răng lược dẫn động 88

Hình 3.19 Sự phụ thuộc của biên độ dẫn động vào tần số điện áp xoay chiều kích thích cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm 89

Hình 3.20 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào tần số điện áp xoay chiều với Ω = 10 rad/s cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm 89

Hình 3.21 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm 90

Hình 3.22 Sự phụ thuộc thay đổi điện dung cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm 90

Hình 3.23 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vào tần số điện áp xoay chiều với Ω = 10 rad/s cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung 91

Hình 3.24 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung 92

Hình 3.25 Sự phụ thuộc thay đổi điện dung cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung 92

Hình 3.26 Cấu trúc mặt nạ tổng thể của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa được thiết kế bằng phần mềm Clewin 93

Hình 3.27 Thiết kế mặt nạ mô tả các cấu trúc dầm liên kết, cấu trúc đẩy kéo chống mode cảm ứng đồng pha, khung dẫn động, khung cảm ứng,

của vi cảm biến vận tốc góc 94

Hình 3.28 Ảnh chụp cấu trúc bánh xe tự quay (a) và cấu trúc tụ răng lược cảm ứng (b) của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trong tấm mặt nạ Cr 94

Hình 3.29 Ảnh quang học chụp kiểm tra hệ dầm dạng hình thoi liên kết giữa hai

khối gia trọng của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa sau quá trình quang khắc 95

Hình 3.30 Ảnh SEM chụp cảm biến vi cảm biến vận tốc góc âm thoa: (a) Toàn bộ cấu trúc cảm biến; (b) Vòng tự xoay và dầm liên kết hình thoi; (c) Dầm kết nối khung dẫn động và khung cảm ứng; (d) Hệ răng lược cảm ứng; (e) Các hốc trên khung dẫn động và khung cảm ứng 97

Hình 3.31 Ảnh SEM chụp mặt dưới của vi cảm biến vận tốc góc

với lớp ôxít đệm SiO2 chưa được tẩy bỏ 97

Hình 3.32 Sơ đồ kết nối dây điện cực (a) và ảnh chụp vi cảm biến vận tốc góc

sau khi hàn dây (b) và đóng gói (c) 98

Hình 3.33 Đặc trưng tần số của mode dẫn động 99

Hình 3.34 Đặc trưng tần số của mode cảm ứng 99

Hình 3.35 Đặc trưng điện áp - vận tốc góc của vi cảm biến vận tốc góc 100

Hình 4.1 Sơ đồ 3-D của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậctự do 103

Hình 4.2 Mode X của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS 105

Hình 4.3 Mode Y của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS 106

Hình 4.4 Mode Z của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS 106

Hình 4.5 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode X 107

Hình 4.6 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Y 108

Hình 4.7 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Z 108

Hình 4.8 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode X 109

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Y 109

Hình 4.10 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Z 110

Hình 4.11 Hình ảnh mặt nạ của cảm biến gia tốc 111

Hình 4.12 Hình ảnh tấm mặt nạ tổng thể 111

Hình 4.13 Ảnh SEM chụp vi cảm biến gia tốc 112

Hình 4.14 Ảnh SEM chụp cấu trúc thanh dầm gấp của vi cảm biến gia tốc 113

Hình 4.15 Ảnh SEM chụp cấu trúc hệ tụ điện răng lược của vi cảm biến gia tốc 113

Hình 4.16 Đặc trưng tần số đối với mode X của vi cảm biến gia tốc 113

Hình 4.17 Đặc trưng tần số đối với mode Y của vi cảm biến gia tốc 114

Hình 4.18 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương X 115

Hình 4.19 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương Y 115

Hình 4.20 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương X 116

Hình 4.21 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương Y 116

Hình 4.22 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương Z 116

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Ngày nay, vấn đề đánh dấu vị trí của một vật thể là một kỹ thuật rất được quan tâm bởi khả năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như quân sự, công nghiệp, y học và dân dụng Vấn đề trên có thể giải quyết một cách hiệu quả trên cơ sở ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính (IMU) Hệ IMU thường có cấu hình bao gồm

ba cảm biến gia tốc và ba cảm biến vận tốc góc được đặt vuông góc với nhau Hệ thống này được gắn lên vật thể chuyển động và cho phép xác định gia tốc và vận tốc góc của vật thể đó

Các cảm biến quán tính MEMS, vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc, đã được quan tâm nghiên cứu bởi có các ưu điểm nổi trội như giá thành thấp, kích thước nhỏ, năng lượng sử dụng thấp, có thể chế tạo hàng loại và dễ dàng tích hợp với các mạch điện tử Để ứng dụng trong quân sự, hệ thống IMU cần đáp ứng các yêu cao về tính năng kỹ thuật vì vậy các cảm biến cần có độ chính xác và độ ổn định cao chẳng hạn như độ trôi của của cảm biến vận tốc góc phải nhỏ hơn 0,1

o/giờ Khi đó các cảm biến quán tính quang thường được sử dụng Đối với các ứng dụng trong công nghiệp robot, công nghiệp ô tô, và thiết bị dân dụng, các cảm biến quán tính MEMS hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về tiêu chí kỹ thuật nên đã được sử dụng trong một số ứng dụng chẳng hạn như hệ thống túi khí bảo vệ, hệ thống IMU xác định vị trí của vật thể, hệ thống camera,

Các cảm biến quán tính sau khi chế tạo thường được đóng vỏ trong chân không nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng suy hao chẳng hạn như hiệu ứng suy hao nén (squeeze damping) và hiệu ứng suy hao trượt (slide damping) là những yếu

tố ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của linh kiện Các hiệu ứng suy hao đó làm giảm

hệ số phẩm chất Q của linh kiện cũng như độ nhạy của linh kiện Tuy nhiên, đóng

vỏ chân không là một công nghệ phức tạp đòi hỏi đầu tư thiết bị rất tốn kém Mặt khác, các công bố khoa học về nghiên cứu thiết kế chế tạo cảm biến quán tính có thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển vẫn còn hạn chế Chính vì vậy, định hướng nghiên cứu thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS có khả năng hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển đã được quan tâm

Với định hướng ứng dụng cho hệ thống dẫn đường quán tính, việc tiếp tục nghiên cứu nâng cao phẩm chất hoạt động các vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc cũng đã được đặt ra Để xác định vận tốc góc, vi cảm biến vận tốc góc âm thoa (Tunning Fork Gyroscope) kiểu tụ là một lựa chọn thích hợp bởi đây là loại vi cảm biến vận tốc góc dao động có độ nhạy cao Tuy nhiên, để đảm bảo tính ổn định của

cảm biến, việc hạn chế hiện tượng đồng pha của các mode dẫn động và mode cảm ứng là vấn đề cần được xem xét trên cơ sở đưa ra các cấu trúc thích hợp Đối với cảm biến gia tốc, nghiên cứu phát triển vi cảm biến gia tốc điện dung đa bậc tự do cho phép xác định đồng thời các thành phần gia tốc của vật thể chuyển động đã được đặt ra nhằm tăng cường hiệu quả ứng dụng của loại linh kiện này trong thực tế đặc biệt trong tích hợp với vi cảm biến vận tốc góc trong hệ thống dẫn đường quán tính MEMS

Từ các phân tích trên, luận án với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ” đã được lựa chọn

2 Mục tiêu của luận án

- Thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động có hệ số phẩm chất

và độ nhạy cao trong môi trường áp suất khí quyển

- Thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có thể cho phép xác định đồng thời các thành phần gia tốc theo ba phương vuông góc và có độ nhạy chéo trục thấp

3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án đã được thực hiện trên cơ sở phương pháp mô phỏng lý thuyết

và phương pháp thực nghiệm:

- Bài toán phân tích mode, mô phỏng các đặc trưng tần số, sự phụ thuộc của chuyển vị và độ thay đổi điện dung vào vận tốc góc đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vào gia tốc đối với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ đã được thực hiện trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS

- Công nghệ vi cơ khối khô với các kỹ thuật chính như kỹ thuật quang khắc,

kỹ thuật tạo màng mỏng, kỹ thuật ôxi hóa và kỹ thuật khắc khô/ ăn mòn khô sâu DRIE đã được sử dụng để chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do

- Các đặc trưng tần số và đặc trưng tín hiệu ra của các cảm biến đã được khảo sát trên cơ sở các hệ đo được xây dựng Trên cơ sở các khảo sát đó, độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do đã được đánh giá

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Trong khuôn khổ của luận án, vấn đề thiết kế đưa ra mô hình vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do trên cơ sở mô phỏng phân tích mode và các đặc trưng của hai loại cảm biến quán tính đã được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS Trong

trường hợp vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, độ tổn hao nén và độ tổn hao trượt có giá trị thấp do cảm biến được thiết kế có cấu trúc kiểu trục Z và được treo trên đế khung Cấu trúc đẩy kéo với bánh xe tự quay được đề xuất đã hạn chế được các mode dẫn động đồng pha và mode cảm ứng đồng pha không mong muốn Đối với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ, cấu trúc thanh dầm gập dạng L cho phép xác định đồng thời ba thành phần gia tốc Các cảm biến đã được chế tạo thành công trên cơ

sở quy trình chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ khối khô Các hệ đo đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc trên cơ sở sử dụng bộ mạch chuyển đổi C-V MS3110 và phần mềm xử lý tín hiệu LabvieW đã được xây dựng Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số phẩm chất và độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đạt giá trị khá lớn trong môi trường áp suất khí quyển Đối với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ, hiện tượng chéo trục đã được hạn chế

- Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công vi cảm biến vận tốc góc kiểu

âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do mở ra khả năng tích hợp chúng trong hệ linh kiện dẫn đường quán tính MEMS

5 Những đóng góp mới của luận án

- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc đế khung kiểu âm thoa có độ tổn hao nén và trượt thấp và cho phép hạn chế các mode dẫn động đồng pha và mode cảm ứng đồng pha Vi cảm biến vận tốc góc với hệ số phẩm chất mode cảm ứng 111,2 và độ nhạy 11,56 mV/o/s cho thấy khả năng hoạt động của linh kiện trong môi trường không khí

- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có cấu trúc thanh dầm gập dạng L Cấu trúc của cảm biến cho phép giảm thiểu hiện tượng chéo trục và cho phép xác định đồng thời ba thành phần gia tốc với độ nhạy theo phương

X, Y và Z tương ứng là 13 mV/g, 11 mV/g và 0,2 mV/g

Kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 03 bài báo quốc tế:

[1] Minh Ngoc Nguyen et al (2017), Z-Axis Micromachined Tuning Fork

Gyroscope with Low Air Damping, Micromachines, Volume 8, Issue 2, pp.1-10

[2] Minh Ngoc Nguyen et al (2018), Z-axis tuning fork gyroscope having a

controlled anti-phase and freestanding architecture: design and fabrication,

International Journal of Nanotechnology (IJNT), Vol 15, pp.14-23

[3] Minh Ngoc Nguyen et al (2019), A Two Degrees of Freedom Comb

Capacitive-Type Accelerometer with Low Cross-Axis Sensitivity, Journal of

Mechanical Engineering and Sciences (JMES), Vol 13, pp.5334-5346

6 Cấu trúc của luận án

- Chương I: Tổng quan

Trong chương này, tổng quan về một số vấn đề liên quan đến công nghệ vi cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được trình bày Trên cơ sở tổng quan tài liệu, các hướng nghiên cứu liên quan đến vi cảm biến vận tốc góc dao động kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do đã được đề xuất

- Chương II: Cơ sở phương pháp mô phỏng và thực nghiệm

Trong chương này, các vấn đề liên quan tới cơ sở mô phỏng linh kiện và các

kỹ thuật thực nghiệm sẽ được trình bày Đối với mô phỏng linh kiện, phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS sẽ được giới thiệu Về các kỹ thuật thực nghiệm, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc trên cơ sở công nghệ vi cơ khối khô sẽ được trình bày Để khảo sát hoạt động của linh kiện, phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được đề cập Các vấn đề liên quan tới xây dựng hệ đo vận tốc góc và hệ đo gia tốc của cảm biến cũng sẽ được trình bày trong chương này

- Chương III: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu

âm thoa

Trong chương này, các nội dung chính luận án liên quan đến nghiên cứu thiết

kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa sẽ trình bày, bao gồm: (i).Thiết kế và mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa dao động trong mặt phẳng với cấu trúc có khối dao động kích thích và khối dao động cảm ứng được treo

tự do trên đế khung nhằm giảm thiểu hiệu ứng suy hao trong không khí; (ii) Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa dao động trên cơ sở công nghệ MEMS; (iii) Khảo sát các đặc trưng của linh kiện vi cảm biến vận tốc góc nhằm đánh giá các thông số chính của cảm biến như hệ số phẩm chất và độ nhạy

- Chương IV: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự

do

Trong chương này, các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế và chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do sẽ được trình bày: (i).Thiết kế và mô phỏng vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do kiểu tụ sử dụng cấu trúc tụ điện vi sai; (ii) Chế tạo vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do trên cơ sở công nghệ MEMS; (iii) Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc và đánh giá sự ảnh hưởng chéo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong chương này, tổng quan về một số vấn đề liên quan đến công nghệ vi

cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được trình bày

I.1 Công nghệ vi cơ điện tử MEMS

I.1.1 Giới thiệu chung

MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro Electro-Mechanical System MEMS là Hệ Vi cơ-Điện tử, một hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động trên cơ sở tính chất điện và cơ có kích thước dưới milimet (submillimeter) như được minh họa ở hình 1.1

Hình 1.1 Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên

MEMS được hiểu như là một hệ thống thông minh với kích thước thu nhỏ bao gồm các chức năng cảm nhận/thu thông tin từ môi trường bên ngoài (sensing),

xử lý thông tin (processing) và điều khiển (actuating) tác động trở lại môi trường (thế giới vật lý) (hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ vi cơ điện tử (MEMS)

Ngày nay, MEMS được xem là hệ thống thông minh tích hợp các thành phần như vi cảm biến, vi chấp hành, vi cấu trúc cơ và mạch vi điện tử trên cùng một chip (hình 1.3) Các linh kiện này có thể thực hiện các chức năng đơn giản một cách riêng rẽ ở mức độ vi mô trong khi vẫn được kết hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở mức độ vĩ mô [1-3]

Một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như sau:

- Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng,

- Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau,

Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ - điện tử tích hợp trong một chip

- Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một thiết bị hoàn chỉnh,

- Có độ lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt

I.1.2 Lịch sử phát triển

Thời điểm được coi như cột mốc đầu tiên cho sự ra đời các linh kiện MEMS

là vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge) Tiếp sau đó là ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được đề xướng bởi Richard P Feymann trong bài thuyết trình nổi tiếng có tên gọi “Plenty of Room at the Bottom” vào cuối năm 1959 Thập

kỷ 60 của thế kỷ 20 đã đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển khai đưa đến sự ra đời của 2 nhánh công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ điện

tử là công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử (Integrated Circuit - IC) với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật

ăn mòn vật liệu Thập kỷ 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành thương phẩm trên thị trường, mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông Bên cạnh đó là các nghiên cứu mới về vi cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc truyền động (actuator) làm các động cơ Những năm cuối thế kỷ 20, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn i-ôn hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ hóa linh kiện (hay tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử

Bảng 1.1 Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình [4]

Tên sản

phẩm

Giai đoạn Phát minh

Giai đoạn Hoàn thiện

Giai đoạn Cải tiến

Thương phẩm phổ biến

Quá trình phát triển (năm) Cảm biến

áp suất 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990 36 Cảm biến

gia tốc 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998 24 Đầu phun

đà phát triển tiến trình phát triển từ ý tưởng đến sản phẩm cụ thể đã được ngày càng rút ngắn về thời gian như được chỉ ra ở bảng 1.1

Hiện nay, trên thế giới có trên 6000 trung tâm nghiên cứu phát triển về MEMS tại các trường Đại học, viện nghiên cứu, các hãng công nghiệp với số tiền đầu tư mỗi năm vào các hoạt động nghiên cứu, chế thử khoảng 1 tỉ USD [5] Châu

Âu nổi tiếng với Laboratoire d’electronic et de Technologie d’Instrumentation (LETI) ở Pháp; Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) ở Bỉ; Viện nghiên cứu (Insititut fur Festkoerpertechnik -IFT) và các phòng thí nghiệm R&D của các tập đoàn công nghiệp Siemen/Infinion, Bosch, Aktiv-sensor ở Đức; MESA+ research institute, Delf ở Hà Lan; Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) của Thụy Sĩ Nhật nổi bật với các trung tâm nghiên cứu R&D công nghiệp như Toyota Central Research and Development Laboratory, Nippondenso Research Laboratories, okogawa Electric Corporation, Matsushita Research Institute, Nissan Motor Company Central Engineering Laboratories, Fuji Electric Company, Hitachi bên cạnh các trung tâm nghiên cứu điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công nghệ Matsachuset (MIT), cơ quan hàng không-vũ trụ NASA, các cơ sở công nghiệp mạnh như Analog Devices, Motorola, Draper Lab

Hàng năm, kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm của các trung tâm nghiên cứu và của các công ty công nghiệp ở khắp nơi trên thế giới đã được công

bố tại các hội nghị khoa học lớn tổ chức ở Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản cũng như trên hàng chục tạp chí uy tín như Sensor and Actuator A, B, và C, hay các

ấn bản của tổ chức quốc tế IEEE về lĩnh vực kỹ thuật điện-điện tử…

I.1.3 Phân loại công nghệ MEMS

Công nghệ MEMS là loại hình công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản của công nghệ này như quang khắc (photolithography), khuếch tán (diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật liệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging) Bên cạnh đó là các kỹ thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế tạo ra các vi cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching) và hàn ghép phiến (silic to silic/ silic to glass bonding)

Công nghệ MEMS được phân loại thành ba loại chính:

- Công nghệ vi cơ khối: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ thuật chính

như quang khắc, ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô trong môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến… Công nghệ

vi cơ khối được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc MEMS ba chiều trong các vật liệu đế như tinh thể Si, tinh thể thạch anh, SiC, GaAs, thủy tinh,

- Công nghệ vi cơ bề mặt: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ thuật

chính như quang khắc, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô,… Công nghệ vi cơ bề mặt được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc MEMS ba chiều trên bề mặt đế

- Công nghệ LIGA: LIGA là chữ viết tắt của các từ tiếng Đức X – ray

Lithographie (quang khắc tia X), Galvanoformung (mạ điện) và Abformtechnik (vi đúc) Công nghệ LIGA liên quan đến quá trình quang khắc tia X, trong đó lớp vật liệu cảm tia X dày cỡ từ micrô mét đến xăng-ti- mét được chiếu xạ bởi chùm tia X năng lượng cao Cấu trúc ba chiều trong lớp cảm bức xạ thu được sau quá trình hiện hình Trên cơ sở quá trình mạ điện, cấu trúc trong vật liệu cảm bức xạ được điền đầy bởi vật liệu kim loại Sau khi loại bỏ chất cảm bức xạ ta thu được cấu trúc kim loại như thiết kế Cấu trúc kim loại có thể là sản phẩm cuối cùng hoặc được tiếp tục sử dụng như là vi khuôn để tạo ra các sản phẩm tiếp theo trên cơ sở quá trình đúc sử dụng vật liệu chất dẻo Các cấu trúc chất dẻo thu được có thể được sử dụng làm vi khuôn để tạo ra các cấu trúc bằng kim loại ở dạng hàng loạt trên cơ sở tiến hành quá trình đúc lần thứ hai Như vậy, công nghệ LIGA được thực

hiện dựa trên kỹ thuật nền tảng như kỹ thuật khắc bằng chùm tia X, kỹ thuật

vi đúc và kỹ thuật lắng đọng điện hóa (mạ điện)

I.2 Cảm biến vận tốc góc

I.2.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển

Cảm biến vận tốc góc hay con quay hồi chuyển (Gyroscope) là thiết bị dùng

để đo hoặc duy trì phương hướng dựa vào nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Năm 1852, lần đầu tiên chuyển động quay của trái đất được giải thích theo quy luật chuyển động quay của gyroscope bởi nhà khoa học người Pháp Jean-Bernad-Léon Foucault Thuật ngữ “Gyroscope” được ghép lại từ các chữ Hy Lạp, đó là “Gyro” -

quay tròn và “skopeein” - quan sát [6]

Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý chuyển động của con quay cơ học cổ điển

Cấu trúc của con quay cơ học cổ điển bao gồm một đĩa có trục quay xuyên tâm được liên kết với hệ khung quay bên ngoài bởi các khớp quay đóng vai trò làm

hệ khung giá đỡ, sao cho trục quay của bánh đà và các khung treo trực giao với

nhau (hình 1.4) Khi bánh đà quay với vận tốc Ω sẽ sinh ra một động lượng góc (L)

khá lớn nhưng luôn được bảo toàn Khi gắn vào một hệ chuyển động thì cấu trúc này sẽ bị nghiêng đi một góc Do tính bảo toàn mô men động lượng mà trục quay của đĩa quay sẽ luôn được giữ một hướng cố định Do vậy, con quay cơ học cổ điển

đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định hướng và dẫn lái theo một hướng xác định trong giao thông hàng hải Những thiết bị dẫn hướng kiểu này đã có mặt trên những con tàu lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa trên hình 1.5 Năm 1920 công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của các loại bom ngư lôi, đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn hướng cho hệ thông các tên lửa, đạn đạo và rockets [7]

Hình 1.5 Mô hình con quay dẫn hướng sử dụng trong lĩnh vực hàng hải

Do sử dụng nhiều bậc tự do quay nên khi làm việc, các khớp này xuất hiện

ma sát làm nhanh bị mài mòn, hiệu suất truyền động giảm xuống, gây sai số và làm nhiễu tín hiệu đầu ra

Như vậy nhược điểm trên của Gyroscope đã được nghiên cứu khắc phục, hơn nữa nhằm nâng cao độ chính xác cũng như giảm kích thước, trọng lượng và nguồn nuôi cảm biến, các loại cảm biến hiện đại hơn đã được phát triển

I.2.2 Cảm biến vận tốc góc quang học

Các cảm biến vận tốc góc/con quay quang học được chế tạo dựa trên hiệu ứng Sagnac đã được nghiên cứu Hiệu ứng này được thực hiện bằng cách tách nguồn tia sáng từ một nguồn phát thành hai và được giao thoa với nhau thông qua

hệ thống gương phản xạ Các đặc tính giao thoa được quan sát và tính toán góc của vật quay [8] Cảm biến vận tốc góc quang này đã được sử dụng thay thế cho các con quay cơ học trong các ứng dụng dẫn hướng trong các ngành công nghệ hàng không

vũ trụ Các cảm biến vận tốc góc quang học có ưu điểm vượt trội là độ ổn định cao (sai số < 0,0010/h) và dải động học của cảm biến đạt đến cỡ 106 [9] Hai loại cấu hình đã được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân sự và quân sự, loại cấu hình thứ nhất dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang (Interferometric fiber optic gyrocope) như được chỉ ra ở hình 1.6

Hình 1.6 Cấu hình cảm biến vận tốc góc loại sợi quang [10]

Loại thứ hai sử dụng vòng tia laze (Ring laser gyroscope - RLG) Độ lệch của hai tín hiệu quang được nhận biết bởi cảm biến, tỷ lệ với vận tốc góc Cấu trúc loại này được mô tả ở hình 1.7a

Hình 1.7 Cảm biến RLG [11]

Đặc điểm của hai loại cảm biến vận tốc góc quang là trong cấu trúc không có thành phần chuyển động và được tạo từ vật liệu siêu bền, vì thế chúng có thể hoạt động ở những môi trường khắc nghiệt và được ứng dụng trong các lĩnh vực quan trọng yêu cầu độ tin cậy cao như thiết bị trong quân sự Hình 1.7b là ảnh chụp phiên bản RLG của Honeywell 1342 - WSN-7° được sử dụng trong tàu ngầm

I.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)

Trong khoảng 40 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS, một lĩnh vực công nghệ cao, đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ chế tạo các linh kiện cảm biến (sensors) và chấp hành (actuators) ở phạm

vi kích thước dưới milimet Trong số đó, vi cảm biến vận tốc góc là một trong những linh kiện đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị di động thông minh, máy tính bảng, la bàn số

Hình 1.8 Một số ứng dụng của MG trong dân dụng

Cảm biến đó cũng được sử dụng trong công nghiệp ô tô (thiết bị định vị GPS, chống lật và trượt xe , ), kỹ thuật hàng hải, kỹ thuật hàng không, quân sự, công nghiệp hàng điện tử dân dụng và điện tử viễn thông [7,12,13]

Ưu điểm vượt trội của các linh kiện này so với kiểu cổ điển và kiểu quang học:

- Được chế tạo dưới dạng chíp nên phù hợp với các mạch điện tử xử lý – hiệu suất cao;

- Chất lượng tốt, độ nhạy cao (ngày càng được cải thiện với xu thế phát triển công nghệ hiện nay);

- Kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít

Đối với vi cảm biến vận tốc góc, cảm biến kiểu dao động (MEMS Vibratory Gyroscopes - MVG) đã được quan tâm nghiên cứu phát triển bởi các đặc tính nổi trội như có độ nhạy và độ ổn định cao cũng như công nghệ chế tạo không phức tạp

I.2.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

I.2.4.1 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến vận tốc góc là linh kiện được sử dụng để đo đặc trưng cơ bản của chuyển động quay đó là vận tốc góc Do cảm biến được gắn trên các hệ chuyển động nên vận tốc góc sẽ có mối liên hệ với với đặc trưng gia tốc quán tính của hệ quy chiếu phi tuyến Vì thế, nguyên lý hoạt động của cảm biến vận tốc góc sẽ được xem xét trong hệ quy chiếu quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiện tượng lệch quỹ đạo chuyển động của một vật khi

nó chuyển động trong hệ quy chiếu quay do tác dụng của lực quán tính Khi đó, gia tốc quán tính được phát sinh trong hệ chuyển động quay gọi là gia tốc Coriolis Gia tốc này làm xuất hiện lực quán tính Coriolis

Xét một vật chuyển động tịnh tiến từ tâm một đĩa tròn, đang chuyển động quay quanh trục của nó với một vận tốc góc , (vector  trực giao mặt phẳng đĩa),

ra đến mép của đĩa (hình 1.9)

Hình 1.9 Giản đồ nguyên lý xác định gia tốc coriolis

Độ lệch của quỹ đạo chuyển động trong khoảng thời gian t được xác định

như sau:

d  v t  sin  (1.1) Trong đó,  là góc lệch của quỹ đạo trong quá trình chuyển động thẳng của

vật Với giá trị góc lệch  nhỏ, một cách gần đúng, ta có:

sinθ ≈ θ = Ω.∆t (1.2)

Thay (1.2) vào (1.1), ta có :

d  v  t sin   v  t   t  v  (  t )2 (1.3)

So sánh với phương trình chuyển động của một vật trong chuyển động thẳng,

là gia tốc Coriolis Sự xuất hiện của gia tốc này sẽ sinh ra lực

Nguyên lý cấu trúc của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động

được mô tả bởi hệ gồm khối gia trọng (m), lò xo (k x , k y ), giảm chấn (c x , c y), kiểu 2 bậc tự do (hệ tọa độ 2 chiều XY) như được chỉ ra ở hình 1.9 Hệ quy chiếu gắn với

cảm biến (XY - B) là quy chiếu phi quán tính, vì hệ này chuyển động với gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính (ij - A) gắn với trái đất

Hình 1.10 Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử

kiểu dao động

Khối gia trọng (m) của hệ cảm biến vận tốc góc được kích thích để có dao động dọc theo phương X (gọi là thành phần kích thích) bởi lực F d Khi đó, do hệ

đồng thời chuyển động quay với vận tốc góc không đổi  const, khối gia

trọng sẽ dao động theo phương Y (gọi là thành phần cảm ứng) do tác động của lực

quán tính Coriolis gây bởi gia tốc quán tính Coriolis

Vị trí khối gia trọng m tại thời gian t bất kỳ trong hệ quy chiếu quán tính A

được xác định bởi vector vị trír A

:

rA  RrB (1.7) Trong đó, vector vị trí r B

có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ XY của vi

cảm biến vận tốc góc dưới dạng:

rB x X y Y



 (1.8) Vận tốc của khối gia trọng đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc V 

của hệ cảm biến vận tốc góc trong hệ quy chiếu quán tính và vận tốc v B

của khối gia trọng trong hệ quy chiếu cảm biến vận tốc góc Tuy nhiên trong hệ quy chiếu cảm biến, khối gia trọng vừa tham gia chuyển động tịnh tiến vừa tham gia chuyển động quay, vì thế, v B

sẽ bao gồm vận tốc chuyển động tịnh tiến

(Translational motion), v B T  r B, và vận tốc liên hệ với chuyển động quay

(Rotation motion), v B R     r B được xác định bởi:

ý chỉ xét các thành phần theo 2 phương X và Y đối với r B

và z =   0 (do vector

 có phương dọc theo trục Z), ta sẽ nhận được vector vận tốc của khối gia trọng

trong hệ quy chiếu vi cảm biến vận tốc góc, như sau:

của hệ cảm biến vận tốc góc với hệ quy chiếu quán tính và gia tốc a B

của khối gia trọng trong hệ quy chiếu cảm biến vận tốc góc, trong đó, a B

cũng sẽ bao gồm gia tốc chuyển động tịnh tiến, và gia tốc liên hệ với chuyển động quay, được xác định bởi:

a AaB RrB  rB   rB rB  rB

Hay: a   R     r B         r B     r B  2     r B (1.11) Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.11)

với lưu ý chỉ xét đến các thành phần theo 2 phương X và Y đối với r B

và v B

, đồng thời z =   0, gia tốc của khối gia trọng trong hệ quy chiếu cảm biến cũng được xác định như sau:

Phương trình động lực học của hệ lò xo - khối gia trọng - giảm chấn trong

hệ quy chiếu cảm biến vận tốc góc theo 2 phương X, Y có dạng:

F x k v c ma

y y y y

d x

x x x

(1.13)

Trong đó, v x và v y là các thành phần của vector vận tốc v 

và ax, ay là các thành phần của vector gia tốca 

theo 2 phương X và Y Thay (1.7), (1.8) và (1.12)

2

.

2

2 2

x m x m y m k y x c y m

F y m y m x m k y x c x m

y y

d x

Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo mọi

phương (tức là kx = ky= k) và nếu coi vận tốc góc  nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng hưởng kích thích, tức là, k / m , thì k >> m.2

2

x m ky y c y m

F y m kx x c x m

y

d x

tuần hoàn F d = F 0 sint thì lực sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng

hưởng theo phương cảm ứng Các số hạng2m yvà 2m xtrong các phương trình (1.15) chính là các thành phần lực Coriolis theo 2 phương X và Y, tạo ra sự liên kết ghép (coupling) về mặt động lực học giữa 2 mode dao động Khi hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng nhau, các tần số cộng hưởng của 2 mode cũng sẽ như nhau Biên độ dao động tạo thành sẽ tỷ lệ với lực Coriolis và do đó tỷ

lệ với vận tốc góc cần đo

I.2.4.3 Các thông số cơ bản của cảm biến vận tốc góc

Linh kiện cảm biến vận tốc góc đã có quá trình phát triển trong khoảng 30 năm trở lại đây Tùy thuộc vào lĩnh vực ứng dụng, cảm biến vận tốc góc có các thông số kỹ thuật phù hợp khác nhau

Để xác định chất lượng của một cảm biến vận tốc góc, các thông số như dải hoạt động, góc dịch ngẫu nhiên, thế dòng trôi, đã được sử dụng (bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của cảm biến vận tốc góc [14]

Thông số Đơn vị đo Thiết bị đo

tốc độ

Thiết bị đo tọa độ

Thiết bị đo quán tính

Góc dịch ngẫu nhiên 0/ h  0,5 0,5  0,05  0,001 Thế dòng trôi 0/h 10  1000 0,1  10  0,01

Thế dòng trôi: Một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập, không chịu ảnh hưởng

bởi các giá trị quán tính

Sai số: Là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo được hoặc tính được và giá trị

thực hay giá trị chính xác của một đại lượng nào đó

Dải hoạt động: Phạm vi mà linh kiện cho thông tin phù hợp

Sốc max: được xác định theo trục, hướng, hình dạng sóng, cường độ (thường

được đo bởi giá trị đỉnh [m/s2] hoặc bội số của gia tốc trọng trường g và thời gian

Dải tần hoạt động: Phạm vi tần số hoạt động của linh kiện ở trạng thái cộng

hưởng

I.2.5 Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến

Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi

cơ điện tử MEMS, đã và đang được nghiên cứu phát triển ở nhiều nước trên thế giới đặc biệt ở Mỹ, Nhật, Trong phần này, một số mô hình cảm biến vận tốc góc MEMS được các phòng thí nghiệm nổi tiếng trên thế giới nghiên cứu phát triển sẽ được trình bày

I.2.5.1 Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope)

Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper là nơi đầu tiên phát triển loại cảm biến này vào năm 1991 qua việc chế tạo thành công linh kiện bằng phương pháp vi

cơ khối trên phiến silic loại p++

[15] (hình 1.11)

Thành phần khung ngoài (outer gimbal) của cảm biến được dẫn động với biên độ không đổi bằng một mô men xoắn tĩnh điện (electrostatic torque) khi sử dụng điện cực kích hoạt và dao động này sẽ được truyền vào khung trong (inner gimbal) Khi đặt trong chuyển động quay có vector vận tốc góc vuông góc với mặt phẳng linh kiện, khung trong sẽ dao động do hiệu ứng coriolis với một tần số bằng tần số kích hoạt ban đầu Như vậy, độ phân giải lớn nhất đạt được khi khung ngoài được dẫn động bằng đúng tần số dao động riêng của khung trong Nhược điểm của thiết bị loại này là có giới hạn về độ phân giải (chỉ đạt 40/s tương ứng dải làm việc 1 Hz)

Hình 1.11 Cảm biến dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối [15]

Năm 2000, trường đại học Middle East đã phát triển cảm biến khung kép phẳng (plannar double gimbal gyroscopes), được chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt [16] (hình 1.12)

Hình 1.12 Cảm biến khung kép phẳng chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt [16]

Mặc dù có khó khăn trong tạo hình cấu trúc do công nghệ này sử dụng các lớp vật liệu silic đa tinh thể có độ dày rất mỏng, ưu điểm của cấu trúc này là có thể tạo ra một biên độ dẫn động và độ thay đổi điện dung cảm ứng lớn, nghĩa là giúp tăng cường về độ nhạy của cảm biến Kết quả thử nghiệm cho thấy, độ chênh lệch

về tần số của 2 mode dẫn động và cảm ứng là 4,65%, độ nhạy của cảm biến đạt 45mV/fF và độ phân giải tương ứng là 0,1fF

I.2.5.2 Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes)

Đại học Michigan là trung tâm nghiên cứu đầu tiên phát triển nghiên cứu loại cảm biến này [17,18,19] Hoạt động của linh kiện được dựa trên biến dạng đàn hồi của 8 dầm bán nguyệt xếp kiểu cánh quạt tạo ra dao động trong vòng tròn (hình 1.13), được nâng đỡ bởi một điểm chốt cố định (Anchor) ở chính giữa Vòng dao động sẽ được kích thích bằng lực tĩnh điện thông qua các điện cực dẫn động Khi có vận tốc góc theo chiều vuông góc với mặt phẳng cấu trúc, lực coriolis xuất hiện sẽ làm cho vòng dao động lệch góc một góc là 450

so với mode dao động chính ban đầu và tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào, tức là tương ứng mode dao động thứ 2, được xác định bằng các điện cực cảm ứng Do đó chúng ta sẽ xác định được vận tốc góc đặt vào thông qua sự thay đổi điện dung của các tụ cảm ứng

Hình 1.13 Cảm biến vận tốc góc kiểu mâm tròn [18]

Cấu trúc cảm biến vận tốc góc này được chế tạo đầu tiên vào năm 1994 trên

cơ sở sử dụng vật liệu Nickel và polyimit bằng công nghệ LIGA đúc điện (electro –forming nickel) [20] Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân giải đạt khoảng 0,50

/s trong dải tần 25Hz Tuy nhiên, một vài hạn chế ảnh hưởng tới chất lượng linh kiện, như là:

- Do linh kiện được chế tạo dựa trên phương pháp mạ điện, khe hở giữa các điện cực cần đủ lớn để có thể thực hiện thành công kỹ thuật này Tuy nhiên, điều này dẫn đến điện dung của các tụ điện cảm ứng nhỏ, nghĩa là tín hiệu nhận được sẽ yếu

- Do hệ số dãn nở nhiệt của đế silic khác so với vật liệu làm cấu trúc cảm biến (Nicken), sự thay đổi nhiệt độ vòng dao động sẽ làm giãn hoặc co lại các điện cực được gắn chặt với đế, dẫn tới làm cho khe hở của cấu trúc và điện cực cũng sẽ thay đổi Như vậy, nhiệt độ sẽ ảnh hưởng mạnh đến các thông số như thế offset và hệ số tỷ lệ (scale factor) Ngoài ra, vật liệu Nicken cũng làm tăng việc thất thoát điện năng, làm giảm hệ số phẩm chất của cấu trúc, tức là làm giảm chất lượng của cảm biến

Năm 2001, cấu trúc này cũng đã được chế tạo thử nghiệm với vật liệu silic đa tinh thể trên cơ sở công nghệ ăn mòn khô, cho phép tạo ra hốc ăn mòn có tỉ lệ cạnh giữa chiều sâu và độ rộng rất cao (high aspect ratio) [21] Việc sử dụng vật liệu Silic

đa tinh thể đã mang lại một số các ưu điểm như sau:

- Các điện cực xung quanh cấu trúc có thể được chế tạo dày hơn

- Khe hở giữa cấu trúc và các điện cực cảm ứng có thể giảm đến kích thước micrômét bằng việc điều chỉnh độ dày của lớp hy sinh (sacrificial layer) trong quá trình chế tạo Điều này làm tăng rất nhiều giá trị điện dung cảm ứng

và dẫn đến tăng độ lớn tín hiệu đo được Hệ quả là, hệ số phẩm chất Q tăng (đạt~1200), biên độ dẫn động đạt 0,15µm, điện dung tụ cảm ứng kí sinh đạt 2pF, độ phân giải của linh kiện nhỏ hơn 10

/s trong dải hoạt động 1Hz

I.2.5.3 Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)

Cảm biến vận tốc góc với cấu trúc dựa trên 2 hay nhiều trục có ưu điểm nổi trội như giá thành hạ và đạt hiệu suất cao hơn (khi so sánh với việc sử dụng 3 cảm biến đơn trục)

Đại học UC Berkeley đã công bố một nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc quay 2 trục (dual input axis vibrating wheel gyrocopes), được chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt [22], trên phiến silic có độ dày 2µm, có hình dạng như một rôto quán tính với bán kính 150 µm (hình 1.14) Cảm biến được chế tạo có góc dịch ngẫu nhiên nhỏ hơn 10/h Mặt khác, độ phân dải có thể đạt giá trị cỡ 2o/h bằng cách

thiết kế tần số cộng hưởng của 2 mode dao động chính có giá trị gần tương đương

Hình 1.14 Cảm biến vận tốc góc 2 trục [22]

I.2.5.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)

Sơ đồ tương đương của cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa bao gồm hai khối

gia trọng m được gắn với khung cố định bởi các dầm treo đàn hồi k1 và được liên

kết với nhau qua hệ dầm đàn hồi k2 (hình 1.15a) Khi hai khối gia trọng m dịch chuyển về hai phía ngược chiều nhau theo phương x với vận tốc v

, và đồng thời hệ cấu trúc tham gia chuyển động quay với vector vận tốc góc  theo phương z, cặp lực Coriolis theo phương y, có trị số như nhau nhưng ngược chiều nhau (hình 1.15b)

sẽ được xuất hiện Kết quả là, hai khối gia trọng sẽ dao động theo phương y trùng

với phương và chiều của cặp lực Coriolis tác dụng Như vậy, độ dịch chuyển của khối gia trọng theo phương y sẽ tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào

(a)

(b)

Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý và hoạt động của cảm biến

vận tốc góc kiểu âm thoa

Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có các ưu điểm nổi trội như tín hiệu lối

ra lớn và có khả năng tích hợp với cảm biến quán tính gia tốc để tạo thành một hệ

cảm biến quán tính hoàn chỉnh nhằm ứng dụng trong thiết bị dẫn hướng và định vị

Chính vì vậy, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát

triển loại cảm biến này

Năm 1993, phòng thí nghiệm Draper tại học viện MIT đã chế tạo thành công

cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa trên phiến SOI (Silicon on Insulator) có độ dày 1

mm [23] (hình 1.16)

Hình 1.16 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa Drapper [23]

Linh kiện này cũng được dẫn động bằng lực tĩnh điện và tín hiệu được nhận

biết nhờ sự thay đổi điện dung của hệ các tụ điện phẳng Khi cảm biến được kích

hoạt và đồng thời tham gia chuyển động quay, lực Coriolis sẽ làm cho hai khối gia

trọng dao động lệch khỏi mặt phẳng (out of plane) của cấu trúc Kết quả thực

nghiệm cho thấy, hệ số phẩm chất của linh kiện Q kích thích đạt 40000 và Q cảm ứng đạt 5000 trong điều kiện môi trường tương ứng áp suất 100 Torr, với độ phân giải 0,02 0/s trong dải hoạt động 1 Hz

Nhóm nghiên cứu F Ayazi (Phòng thí nghiệm vi hệ thống tích hợp, viện công nghệ Georgia, Atlanta, GA, USA) đã đưa ra cấu trúc cảm biến vận tốc góc silic kiểu âm thoa hoạt động trong mặt phẳng với khối gia trọng lớn và có hệ số phẩm chất cao (hình 1.16) [24] Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đã đáp ứng yêu cầu thiết kế để giảm nhiễu nền Brownian, bằng cách đó làm tăng độ phân giải vận tốc góc đến cấp độ dưới 100/hr Trong nghiên cứu của nhóm này, thiết kế của cấu trúc cảm biến vận tốc góc đã loại trừ sai số cầu phương dư để đạt được sự phù hợp mode giữa hai chế độ kích thích và cảm ứng, nghĩa là độ chênh tần số giữa hai mode kích thích và cảm ứng cỡ 0 Hz Mặt khác, sự phù hợp mode cũng đã được điều khiển nhờ hệ thống mạch điện tử chuyên biệt Cảm biến đã được chế tạo trên phiến SOI có hệ số phẩm chất Q đối với các mode dẫn động và mode cảm ứng đạt giá trị tương ứng là 81 000 và 64 000 Sự sai lệch về tần số cộng hưởng của 2 mode dẫn động và cảm ứng đạt 0,07% Độ nhạy của linh kiện đạt 1,25 mV/0/s trong dải tần 12 Hz và nhiễu xác định cỡ 0,30/h/ Hz1/2

Hình 1.17 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số Q cao do nhóm nghiên cứu

F Ayazi tại trường đại học Georgia phát triển [24]

A A Trusov và các cộng sự (Phòng thí nghiệm Microsystem, Đại học California Irvine) đã cải tiến thiết kế của cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc và đưa ra loại linh kiện hoạt động ở tần số cao (trên 2,5 kHz) và dải thông cao hơn 250 Hz, với hệ số điện áp không bù nhiệt và hệ số quy mô đạt giá trị tương ứng 313 o/hr/oC

và 351 ppm/oC [25] Với mạch thu tín hiệu nằm ngoài linh kiện, độ phân dải đo được là 0,09 o

/s/Hz1/2 và thế dòng trôi đạt 0,08 o/s

Nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm khoa học và công nghệ trọng điểm thuộc khoa Vi điện tử và công nghệ Micro/Nano, trường đại học Peking đã đề xuất một cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc silic đơn tinh thể kiểu phương ngang được kích thích bằng lực tĩnh điện cân bằng (EFB) và có cơ chế cảm ứng xoắn theo phương z [26, 27] Cấu trúc răng lược được kích thích tĩnh điện cân bằng trong có thể loại bỏ một cách hiệu quả hiệu ứng kết cặp mode Chuyển động quay của mode cảm ứng ngoài mặt phẳng gây bởi gia tốc Coriolis được xác định nhờ cấu trúc đàn hồi uốn cong và điện cực răng lược so sánh Linh kiện vi cảm biến vận tốc góc nhạy với lực Coriolis theo phương z của nhóm nghiên cứu có hệ số phẩm chất Q cao nên

có thể hoạt động trong áp suất khí quyển Khi khảo sát linh kiện trong không khí, cấu trúc này có độ nhạy 2,9 mV/o/s và có nhiễu nền 0,035 o

/s/Hz1/2 Cảm biến vận tốc góc phương z có hệ số phẩm chất cao đã được phát triển tại nhóm nghiên cứu của giáo sư A.M.Shkel (Phòng thí nghiệm vi hệ thống, Đại học California Irvine) [28, 29] Nhóm nghiên cứu đã đưa ra thiết kế cảm biến vận tốc góc mới có khối cảm ứng hai bậc tự do (2-DOF), trong đó chế độ cảm ứng có thể hoạt động hoán vị giữa hai cơ chế, cơ chế hoạt động chính xác (phù hợp tần số giữa mode kích thích và mode cảm ứng) và cơ chế hoạt động ổn định (phổ tần số rộng)

Hệ thống 2 bậc tự do có các đặc điểm kĩ thuật nổi trội như tần số cộng hưởng của khối cảm ứng có thể nhận các giá trị khác nhau cũng như tính độc lập của tần số ghép nối Chế độ hoạt động ổn định liên quan đến tần số cộng hưởng khác nhau của chế độ cảm ứng 2 bậc tự do đã cho phép sự tăng cường hồi đáp và dải tần hoạt động được điều khiển bởi khoảng cách tần số cộng hưởng Hệ số phẩm chất Q của cảm biến vận tốc góc với khối cảm ứng hai bậc tự do đạt giá trị cỡ 76 trong điều kiện áp suất khí quyển

Một cấu trúc cảm biến vận tốc góc mới gồm bốn khối gia trọng đã được phát triển để phát huy và mở rộng những ưu điểm về cấu trúc của thiết kế hai khối gia trọng [30] Khác với những linh kiện cảm biến vận tốc góc âm thoa truyền thống, cấu trúc này có khả năng loại bỏ những ảnh hưởng của rung động bên ngoài và hiện tượng sốc đối với cả hai trục kích thích và cảm ứng Cấu trúc đối xứng của linh kiện cho thấy sự cải tiến mạnh mẽ để giảm thiểu sự không hoàn hảo trong quá trình chế tạo và giảm sự trôi tần số gây bởi thay đổi nhiệt độ vốn được biết đến là nguyên nhân của hiện tượng trôi tín hiệu trong con quay dao động có hệ số phẩm chất cao Điều quan trọng là thiết kế này được kì vọng có thể cho phép chế độ hoạt động cảm

ứng với toàn bộ góc quay dựa trên sự kết hợp duy nhất về tiêu hao ít năng lượng với tính đẳng hướng của tần số cộng hưởng và suy hao

Nhóm nghiên của giáo sư A.M.Shkel cũng đã đưa ra cấu trúc cảm biến vận tốc góc âm thoa phương z mới nhằm nâng cao hệ số phẩm chất của chế độ cảm ứng

và trật tự sắp xếp các chế độ dao động cơ [31] Trong thiết kế cấu trúc của cảm biến vận tốc góc này, các vấn đề như kỹ thuật ghép cặp tuyến tính, cân bằng động ngược pha của chế độ cảm ứng đã được quan tâm nhằm tối thiểu sự mất mát năng lượng trên đế hay tối đa hệ số phẩm chất Q Cơ cấu kiểu gánh của khối kích thích sẽ làm tăng cường mode ngược pha đối với chuyển động của các khối gia trọng giúp hạn chế sự xuất hiện mode ngoại lai tần số thấp và loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố sốc

và gia tốc từ bên ngoài

Một phương pháp cân bằng động của cấu trúc cộng hưởng vi cơ kiểu âm thoa cho phép tối ưu hệ số phẩm chất Q với sự không hoàn hảo đã được phát triển [32]

Độ cứng không đối xứng trong cấu trúc cộng hưởng 2 bậc tự do được nâng cao nhờ

sử dụng hiệu ứng lò xo tĩnh điện âm Độ cứng biến thiên cho thấy khả năng điều chỉnh lực phản hồi của cấu trúc tại các chân neo (anchors), giúp cân bằng hiệu quả các cấu trúc dầm treo không hoàn hảo bởi lỗi quá trình chế tạo Cân bằng cấu trúc thông qua sự kết hợp độ cứng sẽ làm giảm tối đa sự mất mát năng lượng qua đế và tăng tối đa hệ số phẩm chất Q của các mode ngược pha trong cảm biến vận tốc góc

Ở Việt nam, nghiên cứu phát triển cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đã được một số nhóm nghiên cứu quan tâm Nhóm nghiên cứu của PGS Nguyễn Văn Chúc (Viện khoa học và công nghệ quốc phòng) đã triển khai hướng nghiên cứu thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc xoắn phương z với cấu trúc kích thích kiểu khung thăng bằng

Nhóm nghiên cứu của PGS Chử Đức Trình (Phòng thí nghiệm MEMS, khoa điện tử viễn thông, đại học công nghệ đại học quốc gia Hà Nội) đã triển khai nghiên cứu mô phỏng cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa nhằm tăng cường tính phù hợp dao động của mode dẫn động trên cơ sở cấu trúc khung dẫn động treo vi sai [33]

Nhóm nghiên cứu của GS Vũ Ngọc Hùng (Phòng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS) đã triển khai thiết kế mô phỏng cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa nhằm tăng cường độ phẩm chất của linh kiện [34] Nhằm loại trừ dao động đồng pha của mode dẫn động, hệ hai khối gia trọng được kết nối với nhau nhờ cấu trúc thanh dầm dạng hình thoi Mặt khác, để nhận được dao động ngược pha đối với mode cảm ứng, cấu trúc đẩy kéo trên cơ sở sử dụng hai thanh dầm gắn với khung tròn tự xoay

đã được đưa vào thiết kế của linh kiện Kết quả mô phỏng cho thấy độ nhạy của cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đạt giá trị cỡ 2,92 fF/rad/s

Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng đối với cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, các công bố khoa học được đề cập ở trên của các nhóm nghiên cứu đã tập trung giải quyết các vấn đề: (i) Tăng cường biên độ dao động của mode kích thích; (ii) Tăng cường hệ số phẩm chất của mode cảm ứng bằng cách giảm thiểu hiệu ứng suy hao (iii) Tối đa khối lượng khối gia trọng để tạo lực Coriolis, đồng thời tối thiểu khối lượng bị kích thích bởi lực Coriolis; (iv) Tăng cường độ ổn định của linh kiện

mà nguyên nhân liên quan tới sai sót trong chế tạo và thế dòng trôi gây bởi nhiệt độ; (v) Khống chế sự phù hợp mode cộng hưởng trên cơ sở cơ cấu cơ học và mạch điện

tử điều khiển

Mặt khác, các nghiên cứu về vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển chưa được quan tâm nhiều Để có thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển, các hiệu ứng suy hao cần được tính đến trong thiết kế mô phỏng nhằm tăng cường hệ số phẩm chất Q

Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số phẩm chất Q cao trong môi trường áp suất khí quyển

đã được đặt ra

I.3 Cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc là thiết bị được sử dụng để cảm nhận chuyển động tĩnh hoặc động hoặc gia tốc trọng trường Mô tả chính xác nhất về chức năng cảm biến gia tốc là chúng cho phép xác định gia tốc của một khối lượng nhất định, bằng cách cảm nhận hoặc đo các lực gia tốc đầu vào và so sánh chúng với một lực hiệu chỉnh

đã biết Các phép đo này được xác định theo tỷ lệ của định luật chuyển động Newton Bằng cách kết hợp một cảm biến gia tốc với cảm biến vận tốc góc và từ kế, định hướng hệ thống có thể được phát hiện chính xác

Nhiều ứng dụng trong cuộc sống của chúng ta sử dụng cảm biến gia tốc, và danh sách liên tục được mở rộng Vài thập kỷ trước, chúng chủ yếu được sử dụng trong giám sát kết cấu và hệ thống máy bay Ngày nay, chúng được sử dụng trong nhiều hệ thống, từ vệ tinh không gian đến đồ chơi điện tử Tầm quan trọng của chúng là trong các ứng dụng mà các hệ thống khác không thể cung cấp thông tin tương tự, ví dụ: góc nghiêng của mũi khoan trong giếng dầu Chúng cũng có thể được sử dụng để đo các rung động địa chấn, là các gia tốc động nhỏ Trong những năm gần đây, cảm biến gia tốc cũng đã tìm được ứng dụng trong hệ thống cấy ghép tim

Trong phần này, tổng quan chung về cảm biến gia tốc sẽ được đề cập Đầu tiên, khái quát lịch sử phát triển của cảm biến gia tốc sẽ được xem xét Tiếp theo,

các vấn đề liên quan tới phân loại cảm biến gia tốc, các đặc trưng chính của cảm biến gia tốc và các loại vi cảm biến gia tốc MEMS sẽ được trình bày

I.3.1 Bối cảnh lịch sử

Được thúc đẩy bởi hai cuộc chiến tranh thế giới và những tiến bộ khoa học nhanh chóng, thế kỷ 20 đã chứng kiến việc tạo ra nhiều thiết bị mà trước đây không thể thực hiện được, bao gồm cả máy đo gia tốc hoặc cảm biến gia tốc Burton McCollum và O S Peters đã phát triển một máy đo biến dạng vào năm 1924, gọi

nó là một máy điện báo điện tử mới (Hình 1.18 (a)) [35] Nó có khả năng thực hiện các loại phép đo, chẳng hạn như sức căng, áp suất, chuyển vị nhỏ và gia tốc Phải mất thêm ba năm trước khi nó được thương mại hóa vào năm 1927 để được sử dụng trong máy bay, cầu và động lực kế Nó được coi là cảm biến gia tốc đầu tiên và phương pháp cảm ứng này đã thành công đến mức nó đã dẫn đầu trong hai thập kỷ sau đó với cảm biến gia tốc và cảm biến rung Per Bruel và Viggo Kjaer bắt đầu công ty B & K của họ vào năm 1942 tại Đan Mạch, trong năm sau đó họ đã cho ra mắt Kiểu Type 4301, một máy đo gia tốc áp điện thương mại đầu tiên trên thế giới (Hình 1.18 (b)) [36]

Hình 1.18 (a) Sơ đồ của vi cảm biến gia tốc đo biến dạng đầu tiên và (b) ảnh của

cảm biến gia tốc áp điện đầu tiên [35,36]

Năm 1959, Richard Feynman đã trình bày bài giảng nổi tiếng của mình trong cuộc họp thường niên của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ [37] Trong bài nói chuyện của mình, Feynman khuyến khích sử dụng thêm vật liệu ở kích thước nhỏ nhất Trong phần kết thúc bài nói chuyện của mình, Feynman đã đưa ra cho khán giả hai thử thách với giải thưởng trị giá 1.000 USD mỗi lần, một trong số đó là chế tạo một động cơ điện chức năng nhỏ hơn ¼ inch Thách thức đó đã được đáp ứng vào năm sau bởi William McLellan, người đã xây dựng giải pháp mong muốn bằng các công

cụ thông thường Bốn năm sau, H C Nathanson và nhóm của ông đã chế tạo ra thứ

có thể được mô tả là thiết bị MEMS đầu tiên, một bóng bán dẫn cộng hưởng [38]

Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển các giải pháp và cảm biến mới bằng cách

sử dụng cách tiếp cận từ trên xuống để tạo ra một nền tảng vững chắc cho các cảm biến MEMS Năm 1979, vi cảm biến gia tốc MEMS đầu tiên được chế tạo tại Đại học Stanford [39]

Năm 1991 đánh dấu một cột mốc quan trọng cho cảm biến gia tốc Analog Divices đã giới thiệu ADXL50 là cảm biến đo gia tốc MEMS thương mại đầu tiên (Hình 1.19) [40,41] ADXL50 là một cảm biến điện dung được thiết kế để phát hiện tai nạn xe cộ và có thể đo gia tốc lên tới ± 50 g Cảm biến bao gồm một tính năng tự kiểm tra giúp giải tỏa những nghi ngờ về việc sử dụng công nghệ mới này trong ngành công nghiệp ô tô Cảm biến có độ tin cậy cao và được bán với giá 5 đô la, bằng một phần tư giá của các vi cảm biến gia tốc được sử dụng trước đây Thành công của nó đã mở ra cơ hội cho nhiều cảm biến MEMS trong ngành công nghiệp ô

tô (đặc biệt là cảm biến gia tốc), được đưa vào trong các sản phẩm tiêu dùng

Hình 1.19 (a) Chip cảm biến gia tốc ADXL50 và (b) các thành phần chức năng

[40]

Năm 2008, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Nguyễn Phú Thùy với luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Tân đã thiết kế, mô phỏng, chế tạo và phân tích chất lượng vi cảm biến gia tốc kiểu áp trở [42] Luận án dã chế tạo vi cảm biến gia tốc 3 bậc tự do với độ phân giải trục Z có thể đạt 0,33 mg – độ nhạy đạt 0,61 mV/g Trục

X, Y có độ nhạy đạt 0,28 mV/g

I.3.2 Phân loại cảm biến gia tốc

I.3.2.1 Nguyên lý hoạt động

Mô hình cơ học chung của cảm biến gia tốc bao gồm ba thành phần cơ bản: khối gia trọng, lò xo và bộ giảm chấn (Hình 1.20) Chuyển động của khối gia trọng

do tác động gia tốc được mô tả theo định luật chuyển động thứ hai của Newton và

có thể được phát hiện hoặc đo bằng các phương tiện khác nhau Khi hệ thống có tổng khối lượng M chịu tác dụng của một lực gia tốc F1, khối gia trọng cảm biến gia tốc m sẽ chịu tác dụng của một lực F2 = F1 nhưng theo hướng ngược lại Phương trình chuyển động của khối gia trọng có thể được biểu thị như sau:

𝐹1 = 𝐹2 (1.16)

𝑀 𝑥 𝑀 = 𝑚𝑥 + 𝐷𝑥 + 𝑘𝑥, (1.17) Trong đó 𝑥 𝑀 là gia tốc của hệ thống; D là độ tổn hao; 𝑥 , 𝑥 và x là gia tốc, vận tốc và chuyển vị của khối gia trọng Khi có gia tốc đầu vào, khối gia trọng cần nhanh chóng đạt đến trạng thái ổn định Do đó, khối gia trọng phải ở trong một môi trường có độ tổn hao xác định nhằm thúc đẩy quá trình ổn định Như vậy, cảm biến cần hoạt động trong môi trường có độ tổn hao được kiểm soát, chẳng hạn như linh kiện được đóng gói trong chân không

Trong một hệ thống quán tính của một tham chiếu cụ thể, theo định luật chuyển động thứ hai của Newton, tổng lực tác dụng lên một vật thể được xác định bằng tích khối lượng của nó với gia tốc Lực đó có thể được xác định bằng ba cách như sau [43]:

1 So sánh lực chưa biết với một lực gây bởi một khối lượng và gia tốc xác định

2 So sánh lực chưa biết với lực được hiệu chuẩn, chẳng hạn như cảm biến gia tốc cân bằng lực

3 So sánh lực chưa biết với một lực xác định gây ra lệch thanh dầm tuân theo định luật Hooke, chẳng hạn như gia tốc kế MEMS với sự lệch khối gia trọng

Hình 1.20 Mô hình hệ cảm biến gia tốc

I.3.2.2 Cảm biến gia tốc cân bằng lực (Force balance accelerometer)

Cảm biến gia tốc cân bằng lực là một hệ thống vòng kín còn được gọi là cảm biến gia tốc servo Trong các cảm biến gia tốc đó, một khối gia trọng được treo giữa