Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến gyroscopes

Nội dung nghiên cứuthực hiện trong luận văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốcgóc dựa trên cấu trúc con quay vi cơ kiểu tuning fork, hoạt động dựa trên nguyên lýhiệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệukhác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tảitrong và ngoài nước Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính

trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Những kếtquả đó là những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ cáctài liệu khác

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA

CẢM BIẾN GYROSCOPES

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013

TÁC GIẢ

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN ẶNG

TỬ– VĂN VIỄN HIẾ THÔNG U

HÀ NỘI - 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡtận tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông,

ĐẶNG VĂN HIẾU

Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của

cảm biến Gyroscopes” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả

thu được có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Chử Đức Trình người đã trực tiếp hướng

dẫn em trongCquáẢMtrìnhBIẾnghiênNGYROSCOPEScứuvàhoànthiện luận văn, với tất cả lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực, và em xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Vũ Ngọ NGÀNH:

Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em.

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có

những MÃ SỐ: 60 52 70góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoànthiện luận văn này

Một lần nữa em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đễn tất cả mọi sựgiúp đỡ em trong thời gian vừa qua Em xịn kính chúc các thầy cô, các anh chị và cácbạn mạnh khỏe và hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013

Học viênNGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

ĐẶNG VĂN HIẾU

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES

1.1 Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes)

1.2 Hiệu ứng Coriolis

1.3 Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

1.3.1 Giới thiệu chung

1.3.2 Các kỹ thuật MEMS

1.3.3 Đóng vỏ Chíp

1.4 Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)

1.4.1 Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc

4.2.2 Phân loại con quay vi cơ

Chương 2: THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS

2.1 Mục tiêu thiết kế

2.2 Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi

2.2.1 Dầm treo thẳng (Linear beam)

2.2.2 Dầm treo gập (folded beam)

2.3 Cấu trúc tụ điện vi sai

2.3.1 Khái niệm cơ bản về tụ điện

2.3.2 Cấu trúc tụ điện thanh ngang

2.3.3 Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược

2.4 Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping)

2.5 Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork

2.5.1 Mô hình thiết kế 1

2.5.2 Mô hình thiết kế 2

2.5.3 Mô hình thiết kế 3 34

2.5.4 Mô hình thiết kế 4 34

Chương 3: KHẢO SÁT GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK 36

3.1 Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork 37

3.2 Thiết kế cấu trúc 49

3.2.1 Phần sensing 50

3.2.2 Phần Driving 51

Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 53

4.1 Phương pháp phát hiên bằng điện 53

4.2 Thiết kế mạch phát hiện điện dung Sensing-mode 54

4.3 Kết quả thực tế và mô phỏng của mạch điện 60

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64

5.1 Kết luận của đề tài 64

5.2 Đề xuất hướng phát triển của đề tài 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GPS

Global Positioning System

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS 11

Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp 13

Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động 14

Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper 18

Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn 19

Hình 1.6: (a) Dụng cụ âm thoa, (b) Các phương hoạt động với vận tốc góc 20

Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork 21

Hình 2.1: Cấu trúc của dầm thẳng 25

Hình 2.2: Ứng dụng của dầm treo thẳng 25

Hình 2.3: Cấu trúc dầm treo gập (a) ,đáp ứng với tải dọc và ngang (b) 26

Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép 26

Hình 2.5: Ứng dụng của dầm treo gập 27

Hình 2.6: Mô hình cấu tạo tụ song song 28

Hình 2.7: Sự biến đổi khoảng cách tĩnh điện của mô hình thiết bị truyền động 28

Hình 2.7: Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29

Bảng 2.1: Tóm tắt các thông số của cấu truc tụ điện thanh ngang 29

Hình 2.8: Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược và nguyên lý hoạt động 30

Hình 2.9: Đặc trưng biên độ tần số của hệ cộng hưởng 31

Hình 2.10: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nhất 32

Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 34

Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ ba 34

Hình 2.13: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư 35

Hình 3.1: Mô hình con quay hồi chuyển kiểu Tuning Fork 37

Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực và hệ quy chiếu 38

Hình 3.3: Sơ đồ phân tích lực khi đặt vận tốc góc vào hệ 40

Hình 3.5: Hình ảnh của mode đồng pha của sensing 50

Hình 3.6: Hình ảnh của mode ngược pha của driving 51

Hình 3.7: Hình ảnh của mode đồng pha của driving 51

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Driving 53

Hình 4.2: Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế tín hiệu Gyroscopes 54

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân 55

Hình 4.4: Mạch khuếch đại công cụ 55

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải 57

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân tần số 57

Hình 4.7: Phổ tần số của quá trình giải điều chế đồng bộ 59

Hình 4.8: Hình ảnh MEMS thực tế 60

Hình 4.9: Thiết lập khảo sát tần số driving 60

Hình 4.10: Đáp ứng tần số của mode dẫn động 61

Hình 4.11: Thiết lập khảo sát tần số Sensing 61

Hình 4.12: Đáp ứng tần số của mode cảm ứng 62

Hình 4.13: Đáp ứng ra của mô hình 4 63

LỜI MỞ ĐẦU

Trong khoảng 30 năm trở lại đây sự ra đời và phát triển của công nghệMEMS, một lĩnh vực công nghệ cao đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹthuật và công nghệ chế tạo các linh kiện cảm biến (sensors) và chấp hành (actuators)

ở phạm vi kích thước dưới milimet Ưu điểm vượt trội của các linh kiện này là

độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng ít Nội dung nghiên cứuthực hiện trong luận văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốcgóc dựa trên cấu trúc con quay vi cơ kiểu tuning fork, hoạt động dựa trên nguyên lýhiệu ứng Coriolis với cấu trúc tụ kiểu răng lược Đây là linh kiện có ứng dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, kỹ thuật hàng hải, kỹthuật hàng không, quân sự, công nghiệp hàng điện tử dân dụng, điện tử viến thông

Tính toán và thiết các mạch điện, khảo sát các mạch điện kích thích và pháthiện tín hiệu của cảm biến, với đầu vào là một điều chế cơ học, tính toán thiết kếmạch điện giải điều chế đồng bộ và xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn chưa thể để cập được đầy

đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rấtmong nhận được sự thông cảm và hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp để

em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc tương lai

Em xin chân thành cảm ơn.

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 1.1 Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes)

Thuật ngữ Gyroscopes lần đầu tiên được đưa

ra bởi nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault,

được ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó, “Gyro”

trong nghĩa là “quay tròn”, và “skopien” có nghĩa là

“quan sát” Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật

chuyển động quay của gyrocope để giải thích

chuyển động quay của trái đất vào năm 1852

Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng,dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Thực chất, con quay cơ học

là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng Phươnghướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài Mô men xoắnđược tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nóduy trì gần như cố định với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên

Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyểnđộng, con quay hồi chuyển đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định hướng vàdẫn lái trong giao thông hàng hải Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặttrên những con tàu biển lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học

Mỹ, Elmer Sperry Năm 1920, công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệthống dẫn lái của các loại bom ngư lôi, và đến năm 1930 thì được ứng dụng vàolàm các bộ dẫn hướng cho hệ thông các tên lửa và đạn đạo

1.2 Hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui

chiếu quay so với các hệ qui chiếu quán tính, được đặt theo

tên của Gaspard-Gustave de Coriolis - nhà toán học, vật lý học

người Pháp đã mô tả nó năm 1835 thông qua lý thuyết

thủy triều của Pierre-Simon Laplace Nó được thể hiện

qua hiện tượng lệch quỹ đạo của những vật chuyển

động trong hệ qui chiếu này Sự lệch quỹ đạo do một

loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis.

Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau:

F 2mv

Với: m là khối lượng của vật, v là véctơ vận tốc của

vật, của hệ, còn dấu là tích véctơ

Trong đó, là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng

của chuyển nhỏ tương ứng góc nhỏ, một cách gần đúng, có:

Thay biểu thức (1.3) vào (1.2) ta có:

(1.2)vật Khi xét dịch

Lực Coriolis là lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính

1.3 Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)

1.3.1 Giới thiệu chung

Với sự ra đời của Transistor vào ngày 23.12.1947 tại phòng thí nghiệm BellTelephone đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị

năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả vềmặt công nghệ lẫn xã hội, đã diễn ra một cuộc cách mạng về công nghệ micro vàhứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử(Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS được ra đời Một số sảnphẩm MEMS được chỉ ra như (hình 1.1).

Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là côngnghiệp bán dẫn Một linh kiện MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến(sensor), vi chấp hành (actuator) và vi điện tử được tích hợp trên cùng một chip (onchip) nên có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoáhọc, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loạilối vào: sinh học, hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc

Với một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như:

- 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

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

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

Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảmđặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những bộchấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ vàrất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây

Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ – điện tử gọi tắt là công nghệ MEMS.Đây là ngành khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử, côngnghệ này bao gồm các kỹ thuật cơ bản như: Kỹ thuật quang khắc tạo hình(photolithography), khuếch tán (diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vậtliệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemicalvapor deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện(packaging), kết hợp với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiềukích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu.Những năm 60 của thế kỷ XX đánh dấu những thành công trong các nghiên cứutriển khai đưa đến sự ra đời công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt.đến những năm 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 phổ biếntrên thị trường, cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc làm động cơ chuyển động(actuator), mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông Nhữngnăm cuối thế kỷ XX, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khôtrên cơ sở kỹ thuật ăn mòn ion 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 (làmtăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử

1.3.2 Các kỹ thuật MEMS

Công nghệ vi cơ khối: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình,

ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô ion hoạt hóa môi

trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến…

Công nghệ vi cơ bề mặt: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô…

Công nghệ LIGA: dựa trên kỹ thuật tạo khuôn bằng vật liệu polymer sử dụng

1.3.3 Đóng vỏ Chíp

Do các chip cảm biến MEMS nhỏ và rất mảnh nên việc đóng vỏ đóng vai trò nhưcông cụ bảo vệ dưới tác dụng của môi trường bên ngoài như rung động, va đập,nhiệt độ, thuận tiện cho quá trình đo đạc và sử dụng Đóng vỏ là một trong nhữngkhâu công nghệ quan trọng và chiếm đến 3/5 giá thành của một cảm biến hoàn chỉnh.Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính:

Loại chân cắm (Through Hole Device - THD): là loại vỏ được sử dụng phổ biến thích hợp cho việc đóng vỏ chip đơn lẻ, sau khi đóng vỏ cảm biến được sử

dụng trong các ứng dụng cụ thể

Loại chân dán - chân phẳng (Surface Mount Device - SMD): là loại vỏ thích

hợp với một hệ chíp đa chức năng cùng gắn trên một vỏ như các bộ vi xử lý(microprocessor) sử dụng cho các máy tính cá nhân hoặc xách tay

Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp

1.4 Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệMEMS đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học công nghệ trong việc chế tạo cáclinh kiện cảm biến (sensors) và chấp hành (actuators) ở phạm vi kích thước dướimilimet Ưu điểm vượt trội của các linh kiện này là độ nhạy cao, kích thước nhỏgọn, tiêu thụ năng lượng ít Trong số đó, cảm biến đo vận tốc góc hay con quay

vi cơ (MEMS Gyroscopes) là một trong những linh kiện có ứng dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, kỹ thuật hàng hải, kỹ thuật hàngkhông, quân sự, công nghiệp hàng điện tử dân dụng, điện tử viễn thông

1.4.1 Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc [2]

Con quay vi cơ hay vi cảm biến đo vận tốc góc là linh kiện đo một đặc trưng cơbản của chuyển động quay đó là vận tốc góc Do cảm biến được gắn trên các hệ chuyểnđộng nên vận tốc góc sẽ có mối liện hệ với đặc trưng cơ bản của hệ quy chiếu

phi tuyến là gia tốc quán tính Vì thế các nguyên lí hoạt động của con quay đượcxét trong hệ quy chiếu phi quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis.

Cảm biến đo vận tốc góc được nghiên cứu trong luận văn này thuộc loại con quaydao động Nguyên lý hoạt động của loại con quay này được mô tả bởi mô hình tương

y , giảm chấn Cx , C

độ 2 chiều XY ) được chỉ ra như (hình 1.3) Coi hệ quy chiếu gắn với con quay (

XY B ) là hệ quy chiếu phi quán tính, vì hệ này chuyển động có gia tốc đối với hệquy chiếu quán tính ( ij A ) gắn với trái đất

chuyển động quay với vận tốc góc không đổi const , sẽ sinh ra dao động của khốigia trọng theo phương Y (gọi là thành phần cảm ứng) do tác động của lực quántính Coriolis gây bởi gia tốc quán tính Coriolis

Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động [2]

Vị trí khối gia trọng m tại thời gian t

quay dưới dạng:

rB x X yY

Vận tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc V của hệcon quay với hệ quy chiếu quán tính và vận tốc vB của m trong hệ quy chiếu conquay Tuy nhiên, trong hệ con quay, m vừa tham gia chuyển động tịnh tiến (chuyểnđộng thẳng) vừa tham gia chuyển động quay, vì thế, vB sẽ bao gồm vận tốc chuyển

động tịnh tiến (translational motion),

R

quay (rotation motion), vB

v V v B rA

Thực hiện khai triển phép nhân vector có hướng ở vế phải của (1.10) với lưu

ý chỉ xét các thành phần theo 2 phương X và Y đối với rB và chỉ có z0 (do

vector có phương dọc theo trục Z ), ta sẽ nhận được vector vận tốc của m trong

hệ quy chiếu con quay, như sau:

Gia tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp gia tốc

con quay với hệ quy chiếu quán tính và gia tốc

quay, trong đó,

với chuyển động quay, được xác định bởi:

a A a B R r B r B( rB )rB r B

a R

Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.12) với

chỉ có z 0 , gia tốc của m trong hệquy chiếu con quay cũng sẽ được xác định:

Đây là các phương trình chuyển động đối với hệ con quay lý tưởng Nếu con quay

hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng theo phương cảm ứng Các số hạng

nhau, các tần số cộng hưởng của 2 mode cũng sẽ như nhau Biên độ dao độngtạo thành sẽ tỷ lệ với lực Coriolis và do đó tỷ lệ với vận tốc góc cần đo.

4.2.2 Phân loại con quay vi cơ

Con quay vi cơ thực chất là linh kiện dùng để đo vận tốc góc hoặc là góc nghiêngđược chế tạo bằng công nghệ MEMS Với từng loại Gyroscopes có độ phân giải, độnhạy khác nhau thì có các ứng dụng kèm theo khác nhau Gyroscopes được ứng dụngrộng rãi nhất trong công nghiệp ô tô Các loại Gyroscopes nguyên tử có thể có độ phân giải,

và độ nhạy rất cao trong phòng thí nghiệm nhưng chúng lại không thông dụng trên thịtrường bằng các Gyroscopes quang và Gyroscopes tĩnh điện bởi vì giá thành của chúngthường rất đắt Đối với các con quay vi cơ những thông số sau xác định chất

lượng của một linh kiện:

Độ phân giải (Resolution): Tín hiệu nhỏ nhất mà linh kiện có thể phân biệt được Độ

Hệ số tỷ lệ (Scale factor): Tỷ lệ của sự thay đổi tín hiệu lối ra trên một đơn vị

thay đổi của thông tin (vận tốc góc) đầu vào, có đơn vị là mV/0/s

Dải động (Dynamic range): Khả năng hoạt động của linh kiện tương ứng với thông tin đầu vào.

Giá trị offset (ZRO – Zero rate output): Giá trị của tín hiệu đo được khi chưa có

tín hiệu đầu vào, đây là thông số đánh giá mức độ nhiễu ban đầu của linh kiện Cụthể, khi chưa có thông tin đầu vào, tín hiệu lối ra của linh kiện là một hàm ngẫu nhiên

do tín hiệu nhiễu tự nhiên tạo ra và thường có sự thay đổi rất ít Giá trị của tín hiệu

Bước góc ngẫu nhiên (Angle random walk): Cũng là một tín hiệu nhiễu, giá trị của nó được đo bằng 0/h Nhiễu này xuất hiện chủ yếu là do nhiễu từ thông tintín hiệu vào và hoàn toàn độc lập với các đặc tính tạo lên các sai lệch về gócnghiêng như là nhiễu hệ số tỷ lệ hay là thế dòng trôi

Dải thông (Bandwidth): Độ rộng dải tần số hoạt động của linh kiện ở trạng thái cộng hưởng.

Điện áp trôi (Drift voltage): Là một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập, không chịu ảnh hưởng bởi các giá trị quán tính.

Ngày nay, các mẫu Gyroscope được phát triển chế tạo chủ yếu vẫn dựa trên nguyên lí

học công nghệ vật liệu nên các thiết kế mới với các cải tiến về cấu trúc cơ họcđược đưa ra để phù hợp với phương pháp chế tạo hoặc vật liệu mới Dựa trênchế độ dao động cơ học và cấu trúc hình học người ta phân loại các Gyroscopethành một số loại cơ bản như sau:

- Con quay vi cơ Drapper (Gimbal Gyroscope)

- Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring Gyroscope)

- Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocope)

1.4.1.1 Con quay vi cơ Drapper (Gimbal Gyroscope)

Đây là loại linh kiện có cấu trúc đơn giản nhất, thuộc thế hệ đầu tiên tronglịch sử phát triển con quay vi cơ, được thiết kế và chế tạo vào năm 1991, tạiphòng thí nghiệm Drapper, Mỹ

Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper [2]

Cấu trúc của linh kiện gồm một khối gia trọng được gắn với hệ khung treo ngoàibằng hai cặp dầm (beam) đối xứng, trong đó cặp dầm ngoài cùng sẽ được gắn với cácđiểm chốt cố định (anchor), như được minh họa trên (hình 1.4 a) Các dầm này có dạnghình hộp chữ nhật với đặc điểm kích thước là chiều rộng nhỏ hơn rất nhiều so với

độ dày Cả cấu trúc nói trên được gắn lên một tấm đế bằng thủy tinh Pyrex có vaitrò như một phía bản cực để hình thành cấu trúc tụ điện bằng kỹ thuật hàn anode.Khung treo có vai trò là một phía bản cực còn lại tạo ra cặp tụ điện đối xứng nhau

để thực hiện chế độ kích thích, khối gia trọng là bản cực của cặp tụ điện để nhậnbiết tín hiệu cảm ứng Tác động một điện áp xoay chiều ngược pha vào cặp tụđiều khiển sẽ tạo ra các lực kéo – đẩy giữa các cặp bản cực, khung sẽ bị xoaynghiêng đi làm các dầm treo bị xoắn một góc giống như một cầu bập bênh (hình1.4 b) Khi đặt cấu trúc vào một chuyển động quay với vận tốc góc, có phươngvuông góc bề mặt cấu trúc ( Z) , khối gia trọng sẽ bị xoay lệch nghiêng cũng dướidạng bập bênh làm cho điện dung của tụ thay đổi (hình 1.4 c) Thu nhận tín hiệuthay đổi này ta sẽ xác định được vận tốc góc cần đo

1.4.1.2 Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring Gyroscopes)

Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn

Loại linh kiện này được triển khai nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu tiên ở ĐạiHọc Michigan (Mỹ) và Học viện Hàng không Vũ trụ Anh vào năm 1994 Linh kiện sửdụng hệ cấu trúc tụ điện răng lược để kích hoạt và nhận biết tín hiệu Hình 1.5 là mộtdạng cấu trúc điển hình của kiểu con quay này Hoạt động của linh kiện là do biếndạng đàn hồi của 8 dầm bán nguyệt xếp kiểu cánh quạt tạo ra dao động trong vòngtròn, được nâng đỡ bởi môt điểm chốt cố định (Anchor) ở chính giữa Vòng dao động

sẽ được kích động bằng lực tĩnh điện thông qua các điện cực dẫn động

Khi có thêm một chuyển động quay tác động theo chiều vuông góc với mặt phẳng

mode dao động chính ban đầu và tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào, tức là tương ứngmode dao động thứ 2, được xác định bằng các điện cực cảm ứng Do đó chúng ta

sẽ xác định được vận tốc góc quay đặt vào thông qua sự thay đổi của điện dung các tụ cảm ứng.

trong dải tần 25Hz Tuy nhiên, có một vài hạn chế cho việc tăng chất lượng sản phẩm,như là:

tạo khe hở giữa các điện cực đủ lớn để có thể thực hiện thành công kỹ thuật này Tuynhiên, điều này dẫn đến điện dung của các tụ điện cảm ứng nhỏ, nghĩa là tín hiệu nhận được sẽ yếu

(Nicken), nên khi có sự thay đổi về nhiệt độ thì vòng dao động sẽ giãn hoặc co lại nhiềuhơn các điện cực được gắn chặt với đế, làm cho khe hở của cấu trúc và điện cực cũng

sẽ thay đổi Kết quả là ảnh hưởng của nhiệt độ 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 conquay hồi chuyển (Gyroscopes)

1.4.2.3 Con quay vi cơ hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocopes) [5]

Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocopes) hoạt động dựatrên nguyên lý hoạt động của âm thoa Âm thoa là một dụng cụ cộng hưởng âm cócấu trúc gồm hai thanh kim loại dạng chữ U gắn lên một đế đỡ Dụng cụ nàysẽ phát

ra các âm thanh cộng hưởng nhất định tương ứng các chế độ (mode) dao độngkhác nhau từ thấp lên cao khi hai nhánh của thanh chữ U được cho dao động cùngphương nhưng ngược chiều nhau (hình 1.6 a)

Hình 1.6: (a) Dụng cụ âm thoa, (b) Các phương hoạt động với vận tốc góc

Tần số của âm thanh phát ra lớn hơn tần số dao động cơ bản rất nhiều Trongtrường hợp áp dụng các phương thức hoạt động của một cảm biến vận tốc góc, ta sẽ

có ba phương hoạt động của cấu trúc âm thoa này như minh họa ở hình 1.6 b.Dựa trên nguyên lý hoạt động của âm thoa như vậy, người ta thiết kế một hệdao động với hai khối nặng (khối gia trọng – m ) được gắn cố định bởi các dầmtreo đàn hồi k1 và được gắn với nhau qua hệ lo xo đàn hồi k2 (hình 1.7 a) Bằngcách cho hai khối nặng m chuyển động ngược chiều nhau theo phương x với vậntốc v, rồi đặt hệ trên trong một chuyển động quay, sao cho, vector vận tốc góc theophương Z , sẽ tạo ra cặp lực Coriolis theo phương Y , có trị số như nhau nhưngcũng ngược chiều nhau (hình 1.7 b) Kết quả là, hai khối dao động sẽ dao độngtheo phương Y trùng với phương và chiều của cặp lực Coriolis Độ dịch chuyểntheo phương Y tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào nó

Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork

Kể từ khi được công bố lần đầu tiên của phòng thí nghiệm Drapper (Mỹ) vàonăm 1993, đến nay, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork đang nhận được sự quantâm đáng kể tại các trung tâm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về công nghệ linhkiện MEMS, xuất phát từ một số ưu điểm sau:

trưng như độ cứng của cấu trúc, tần số cộng hưởng ở hai chế độ hoạt động chính(driving và sensing) như mong đợi

- Linh kiện hoạt động trong mặt phẳng thuận lợi cho quá trình tích hợp vớilinh kiện khác (như cảm biến đo gia tốc kiểu tụ) và mạch tổ hợp để tạo thành một

hệ hoàn chỉnh như thiết bị dẫn hướng, định vị

Hiện nay, con quay vi cơ đã được chế tạo và thương mại hóa và được sửdụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, hàng không dân dụng và quân sự Tuy nhiên,vẫn còn một số vấn đề còn tồn tại, cần được tiếp tục cải thiện, đó là:

nhân chủ yếu gây ra các tạp nhiễu tín hiệu đo sau này Đây là một vấn đề ảnh hưởngchính đến chất lượng của linh kiện Các thiết kế đã công bố từ trước tới nay mớichỉ khắc phục nhược điểm này bằng cách thiết kế mạch xử lý tín hiệu lối ra Điềunày dẫn đến sự phức tạp cho cấu trúc của linh kiện và không kinh tế, bên cạnh đó,

độ ổn định tín hiệu cũng không cao, phụ thuộc nhiều vào điều kiện đo, và cáctín hiệu nhiễu vẫn không tách được hoàn toàn

được coi như một bộ cộng hưởng Vì sự tương thích tần số giữa hai mode chính là yếu

tố quyết định đến các thông số khác, chẳng hạn mức độ đáp ứng hay độ nhạy của hệthống với sự thay đổi của điều kiện môi trường làm việc nên việc tương thích tần

số của hai mode dao động này là một vấn đề cần được quan tâm đặc biệt trongyêu cầu thiết kế nhằm cải thiện chất lượng của sản phẩm

Do vậy, luân văn này sẽ tập trung vào nghiên cứu thiết kế các phươngpháp cải tiến thiết kế các mô hình của con quay vi cơ nhằm giảm thiểu cácnhược điểm đã được đề cập Với mục đích thực hiện chế tạo linh kiện này vớichất lượng cao phù hợp các điều kiện công nghệ sẵn có hiện nay

Chương 2 THIẾT KẾ CẢM BIẾN GYROSCOPES MEMS

Như đã giới thiệu trong chương 1, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork có cấu trúcgồm hai khối gia trọng được treo bởi hệ các thanh dầm đàn hồi (hình 1.7 a) Khi hoạt

cảm ứng theo phương vuông góc với phương dẫn động sẽ xuất hiện khi toàn bộ cấutrúc được đặt trong một chuyển động quay tròn với vận tốc góc (hình 1.7 b)

2.1 Mục tiêu thiết kế

Tín hiệu đầu ra được cảm nhận bằng hệ thống tụ điện thiết kế theo kiểu rănglược (comb structure capacitors), sự thay đổi của tín hiệu ra tỷ lệ với điện dung trên tụ.Cấu trúc Gyroscope theo kiểu Tuning Fork có hai khối gia trọng có tác dụng làmloại bỏ đi gia tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó giúp cho việc xác định chính xácđược vận tốc góc cần đo

Ngoài ra với 2 khối gia trọng chuyển động ngược pha nhau trong mode dao độngcảm ứng, giúp cho tín hiệu lối ra sẽ tăng gấp đôi, tức là làm tăng độ nhạy của cảm biến.Tuy nhiên cấu trúc này cũng có một số nhược điểm cần khắc phục như sau:

lược tách biệt Điều này có ưu điểm là có thể tăng được độ lớn của lực tĩnh điện lênnhưng nó lại làm điện thế dẫn động và lực tĩnh điện của hai khối khi dẫn động là không đồng nhất Làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của thiết bị khi hoạt động

- Cấu trúc này còn tồn tại các mode đồng pha không mong muốn có tần số gầnvới tần số làm việc của hai mode hoạt động chính là mode dẫn động (mode driving)

và mode cảm ứng (mode sensing) của Gyroscopes, tạo ra các nhiễu tín hiệu ở đầu rakhi Gyroscopes hoạt động

Do vậy, cấu trúc Gyroscopes được thiết kế trong luận văn này cần đảm bảo các tiêu chí sau:

- Khử bỏ hoặc hạn chế các mode dao động đồng pha khi dẫn động bằng lựctĩnh điện nhằm cải thiện biên độ dẫn động của cấu trúc

- Khử bỏ hoặc hạn chế các mode dao động cảm ứng đồng pha để giảm các nhiễu gây ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra

dẫn động (driving)

- Thiết kế bố trí hệ thống cấu trúc răng lược dẫn động đồng nhất cho cả hai khối gia trọng cùng một lúc.

2.2 Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi

Một cảm biến đo vận tốc góc dựa trên hiệu ứng Coriolis sẽ tuân theo các nguyên lýdao động của một hệ cơ học với hai bậc tự do Một hệ dao động cơ học với hai bậc

tự do (2-DOF) sẽ có 2 tần số dao động riêng tương ứng, tần số dẫn động x

Dầm đàn hồi (elastic beam) có vai trò để treo khối gia trọng tách biệt khỏi đếthông qua các điểm chốt được gọi là anchor Các dầm phải được thiết kế đảmbảo các tiêu chí như sau :

- Độ cứng đủ lớn để có thể treo được cấu trúc tách khỏi đế, không bị võng theo trục Z

các phương hoạt động (phương dẫn động và phương cảm ứng)

Do nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork theo hai phương dẫn động và cảm ứng trực giao nhau, cho nên:

được thiết kế gần xấp xỉ như nhau để linh kiện có thể hoạt động tại tần số cộng hưởng,

- Độ cứng của dầm tính theo phương dẫn động và tính theo phương cảmứng phải thiết kế sao cho là nhỏ nhất theo các phương ngược lại để đảm bảo chỉhoạt động theo hai thành phần chính là dẫn động và cảm ứng

Một số loại dầm treo điển hình thường được sử dụng trong thiết kế, chế tạocác cảm biến vi cơ:

2.2.1 Dầm treo thẳng (Linear beam)

Đây là một kiểu dầm đơn giản có hình dạng là một thanh thẳng (hình 2.1) Kiểu này

có ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo và có ít thông số, cụ thể chỉ có hai thông số là chiều dàidầm và chiều rộng của dầm bởi độ dày của dầm luôn được cố định với giá trị

là 25 µm Nhưng kiểu dầm này có tính phi tuyến lớn và hạn chế về biến dạng dọc theo chiều ngang (axial loading limitation) [7, 15, 41]

X , Y , Z trong không gian

Một số cấu trúc ứng dụng dầm treo thẳng được chỉ ra trong hình 2.2

Hình 2.2: Ứng dụng của dầm treo thẳng [2]

2.2.2 Dầm treo gập (folded beam)

Đây là sự kết hợp giữa hai thanh dầm thẳng để tạo ra dạng dầm hình chữ Unhư mô tả trên hình 2.3 Do đó, độ cứng cấu trúc kiểu dầm nay được coi là sự kết

hợp của độ cứng hai dầm treo thẳng theo phương y, tức là:

Cụ thể:

Hình 2.3: Cấu trúc dầm treo gập (a), đáp ứng với tải dọc và ngang (b) [2]

Cấu trúc thanh dầm treo gấp có khả năng khắc phục được nhược điểm về tínhphi tuyến của dầm treo thẳng nhưng lại có nhược điểm là độ cứng theo phươngnằm ngang giảm như thể hiện ở hình 2.3 b Để khắc phục, người ta thường kết hợphai dầm gập đối xứng nhau thành một cấu trúc gọi là dầm gập kép như hình 2.4

Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép

Hệ số độ cứng của kiểu dầm này được xác định như sau:

của dầm, W là khoảng cách giữa hai thanh dầm, E là mô-đun đàn hồi của vật liệu.

Một số cấu trúc ứng dụng dầm treo thẳng được chỉ ra trong hình 2.5

Hình 2.5: Ứng dụng của dầm treo gập [2]

2.3 Cấu trúc tụ điện vi sai

2.3.1 Khái niệm cơ bản về tụ điện [2]

Tụ điện được cấu tạo bởi hai bản cực làm bằng chất dẫn điện ghép songsong với nhau, ở giữa được ngăn cách bởi chất điện môi (chất cách điện) Giá trịđiện dung được xác định bởi công thức (2.4)

C 0Cảm biến thay đổi

0

8.854 10 12 F / m

thay đổi khoảng cách y0 ta có thể thu được các giái trị điện dung khác nhau Việcnhận biết thay đổi này ta có thể nhận biết được lực tác động và độ dịch chuyểncủa các bản cực, sự dịch chuyển này được sinh ra bởi một điện áp

Hình 2.6: Mô hình cấu tạo tụ song song [2]

Mối quan hệ giữa động năng và thể năng với tụ điện và điện áp là tuyếntính được thể hiện như công thức (2.5) và (2.6)

Trong cơ cấu truyền động Khoảng các thay đổi, các lực đẩy tĩnh điện quantâm là thành phần lực được tạo ra theo hướng bình thường với mặt phẳng củađiện cực Nếu chúng ta biểu thị hướng pháp tuyến trên trục y và có khoảng cách là

y0 như trong Hình 2.7, các lực lượng trong hướng y được tính như sau:

2.3.2 Cấu trúc tụ điện thanh ngang [2]

Hình 2.7 mô tả cấu trúc tụ điện theo kiểu thanh ngang song song Trong cấu trúcnày có một cực di chuyển giữa hai cực cố định Khi đó điện dung ra trên hai cực cốđịnh A, B là vi sai với nhau, cấu hình này cho thấy lực tác động và điện áp là tuyếntính với nhau Ngoài ra cấu trúc này cho độ nhạy cao vì sự dịch chuyển khoảng cách

Hình 2.7: Cấu trúc tụ điện thanh ngang [2]

Khi không có lực tác dụng điện cực nằm ở điểm giữa hai điện cực cố định.Trong thực tế, người ta thường chế tạo lệch với điện áp V0 và V0/2 lực cũng cóthể nhận được tương tự Trong cấu trúc này, cấu trúc tụ điện thanh ngang với điện

áp ra được dùng để đánh giá lực tác động ở đầu vào như bảng 2.1

Bảng 2.1: Tóm tắt các thông số của cấu truc tụ điện thanh ngang [1]

2.3.3 Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược

Trong cấu hình này, khoảng cách giữa các răng lược là giống nhau Sự thayđổi của điện dung được hình thành bởi sự thay đổi tiết diện tiếp xúc của các rănglược Cấu hình này cho phép sử dụng một lục hút tĩnh điện để chuyển đổi, nhưng

có độ nhạy rất kém do sự thay đổi về cấu trúc hình học, như hình 2.8a

Hình 2.8: Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược và nguyên lý hoạt động [1,2]

Do tuyến tính và kém nhạy này cấu hình này thường được sử dụng trong mode dẫn động của cảm biến

Trong hình 2.8b mỗi tụ được hình thành bởi hai tấm song song, khoảng các củacác tấm song song này tỉ nghịch với giá trị điện dung của tụ, vì sự biến đổi này là rấtnhỏ, nên để tăng tín hiệu đầu ra của cẩm biến hay tăng độ nhạy thì người ta đătnhiều thanh trên một bản cực điện dung ra được tính theo công thức (2.8)

C 2N0

Trong đó Y là độ dich chuyển của bản cực theo hướng chuyển động

2.4 Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping) [2]

Trong khi hoạt động thì hệ luôn phải chịu ảnh hưởng của các yếu tố cản trởdao động (damping) Nguyên nhân là do ảnh hưởng của lực ma sát không khí giữakhối gia trọng với đế hay giữa các khe hẹp răng lược với nhau trong cấu trúc dẫnđộng và cảm ứng Lực ma sát này được đặc trưng bởi hệ số độ nhớt không khí

Để cảm biến hoạt động được ở chế độ cộng hưởng thì yếu tố về cản trởdao động được tính toán và xem xét rất cẩn thận

Để xảy ra cộng hưởng thì tần số của dao động theo hướng dẫn động (driving) và tần

số dao động theo hướng (sensing) bằng nhau Do đó, có thể xác định gần đúng theo

công thúc sau:

x

driving m axy

sen sin g max

Trong đó, x drivingmax và y sensingmax là biên độ dao động cực đại theo hướng

dẫn động và theo hướng cảm ứng Q driving và Q sensing là hệ số phẩm chất dẫn động

và cảm ứng x drivingstatic là biên độ dẫn động tĩnh sinh ra bởi lực tĩnh điện và

y sensingstatic là biên độ cảm ứng sinh ra nhờ lực Coriolis.

từ 5 V đến 10 V thì độ lớn biên độ x drivingstatic chỉ đạt vài trăm nm (nano mét) Do

đó, để có được một lực coriolis có giá trị sinh ra một tín hiệu đủ lớn theo thànhphần cảm ứng có thể nhận biết được thì chúng ta cần phải thiết kế làm tăng hệ số

phẩm chất Q driving và Q sensing đủ lớn theo yêu cầu

Với một hệ dao động cộng hưởng, hệ số phẩm chất Q được tính theo biểu thức:

Q

f

ch

f

động tại đó có biên độ dao động bằng ½ giá trị biên độ dao động tại cộng hưởng

Hình 2.9: Đặc trưng biên độ tần số của hệ cộng hưởng

Đối với cấu trúc con quay vi cơ kiểu Tuning Fork, có thể xác định được:

Tần số dao động đồng pha của hai khối gia trọng: 1

k

1 , m

Tần số dao động ngược pha của hai khối gia trọng:

Để có thể nhận biết được tín hiệu của 2 mode dao động tách biệt, cấu trúc phải được thiết kế sao cho, 2 1 Muốn vậy, k 2 phải lớn hơn k1 rất nhiều (k 2 >> k1).

2.5 Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork [1]

2.5.1 Mô hình thiết kế 1

Mô hình thiết kế thứ nhất được đưa ra ở hình 2.10

Hình 2.10: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nhất [1]

Ghi chú:

(1) Khung driving (2) Khung sensing (3) Các dầm treo cố định (4) Dầm treo Sensing

Nguyên lý hoạt động:

Hai khối gia trọng của cấu trúc này cũng được cấu tạo từ hệ hai khung lồngvào nhau Khung ngoài (1) của mô hình có vai trò duy trì dao động theo phươngdẫn động Khung trong (2) được treo trong khung (1) bắng một hệ thanh dầm đànhồi dạng elíp và được nối với nhau bằng thanh chống đồng pha Các dầm gập kép(3) cũng có vai trò gắn và treo toàn bộ hai hệ khung ngoài và trong Hai khối giatrọng cũng được liên kết với nhau bằng một dầm đàn hồi dạng elip (5) Hệ cácdầm gập kép có nhiệm vụ neo giữ dầm liên kết elip, nhằm chống lại các biến dạngvặn xoắn (out of plane) sẽ dẫn đến mode dẫn động đồng pha Mô hình này đạtđược tiêu chí thu gọn kích thước của linh kiện

Những điểm khác biệt rõ nét của thiết kế này là:

- Hệ tụ răng lược dẫn động (8) được đặt bên ngoài hệ khung cấu trúc để có thể tăng số răng lược cần thiết cho mục đích tăng lực dẫn động

- Hệ tụ răng lược (9) để nhận biết tín hiệu cảm ứng lối ra được đặt bên trongcủa hệ khung trong (1)

- Cơ cấu cần đẩy (7) được đặt ở chính giữa thanh liên kết hai khung cảmứng bên trong Như vậy, với cấu trúc như trên sẽ khử được các modedao động không mong muốn (dẫn động đồng pha và cảm ứng đồng pha).Khi cho một tác động ở đầu vào dẫn động, làm cho khung driving dao độngtheo phương dẫn động (trục x), khi đó các dầm treo (3) và (6) bị tác động

Khi cấu trúc quay một góc , thì sẽ sinh ra một lực Coriolit tác động lên khungcủa sensing, làm cho nó dịch chuyển theo phương cảm ứng (trục y), làm cho hệthống tụ răng lược thay đổi khoảng cách, dẫn đến làm thay đổi điện dụng của tụ

và nó tỷ lệ với vận tốc góc quay tác động lên nó

2.5.2 Mô hình thiết kế 2

Mô hình 2 lặp lại hầu hết các chi tiết thiết kế của mô hình thứ nhất Điểm khácbiệt của thiết kế thứ hai này là việc bỏ thanh chống đồng pha của sensing và thayvào đó là trống đồng pha cho khung driving Việc đưa ra thêm cấu trúc mới nàynhằm so sánh độ tin cậy với các biến dạng xoắn, vênh của cấu trúc trống đồng phacho sensing và không có trống đồng pha cho sensing Mô hình thiết kế 2 cũng khảosát sự khác nhau về cách dẫn động theo một hướng và theo hai hướng

Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 2.5.3 Mô hình thiết kế 3

Mô hình 3 được thể hiện trên hình 2.12, khắc phục cấu trúc của sensing trong môhinh thiết kế 1, với mô hình thiết kế 3 thì các hệ tụ của đầu sensing vi phân với nhautheo 2 nửa ở hai bên của một cảm biến, sử dụng các dẫn động theo hai hướng

Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ ba [1] 2.5.4 Mô hình thiết kế 4

Mô hình 4 được thể hiện trên hình 2.13, mô hình này được đưa ra nhằm so sánh với mô hình thiết kế 3

Hình 2.13: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư

Mô hình 4 đã được thiết kế và mô phỏng cơ trên phần mềm ANSYS cho thấy cácđáp ứng tần số ở đầu ra của các mode driving và mode sensing như hình 3.4, hình 3.5,hình 3.6 và hình 3.7

Chương 3 KHẢO SÁT CẢM BIẾN GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK

Con quay vi cơ đã đạt được nhiều thành công lớn từ ngành công nghiệp ô tô chođến công nghiệp điện tử dân dụng Tất cả các con quay vi cơ trên thị trường hiện naythuộc dạng sensor đo vận tốc góc, sử dụng sự chuyển năng lượng từ dao động dẫnđộng vòng kín (mode driving) tới dao động thứ cấp là dao động của mode sensing Độphân giải và độ nhạy của con quay MEMS thường được nâng cao lên nhờ sự tăng hệ sốphẩm chất Q và giảm sự đồng pha giữa hai mode driving và sensing Sự phối ghép hai conquay vi cơ độc lập với hệ số Q trên 100000 đã tạo được độ ổn định cao Sự cải tiến củadải tần vận tốc thường được giải quyết bằng cách điều khiển mode sensing trong vòngkín, hoặc với dạng dùng lực để tái tạo cân bằng Tuy nhiên, sự đánh đổi này thường làmtăng các nhiễu do sự khuếch đại của vòng kín, cũng như là giới hạn của dải do sự cốđịnh của điện áp tham chiếu cần để cân bằng khối gia trọng

Một cách khác thay thế cho cơ cấu dùng lực dẫn động cân bằng là giữ modehoạt động với toàn bộ góc, việc này có thể đáp ứng một cách căn bản là không giớihạn về dải đầu vào cũng như dải tần đo đạc Mode toàn bộ góc, hoặc là mode tích hợpvận tốc cho phép đo được vị trí quay hay hướng của vật một cách trực tiếp từchuyển động của khối gia trọng mà không cần tích hợp số với tín hiệu vận tốc góc Tínhiệu ra này rất có ích trong việc dẫn hướng bằng bộ đo quán tính, theo dõi gócphương vị, thiết lập định hướng trong hệ thống ước lượng và tìm mục tiêu, đặc biệttrong môi trường mà GPS không thể hoạt động được Thêm nữa, chế độ toàn bộ góc

có hệ số khuếch đại góc cực kì chính xác, thứ nhất là độc lập với tính chất của vật liệuhay thiết bị điện tử, đồng thời xác định hoàn toàn bởi hình dạng của khối gia trọng

Để kích hoạt việc đo toàn bộ góc, yêu cầu các sensor phải có cấu trúc đốixứng và hệ số Q khắt khe hơn rất nhiều so với việc đo vận tốc, và cần đến nhữngkiến trúc thiết kế mới Ví dụ như, con quay hồi chuyển cộng hưởng bán cầu vớikích thước vĩ mô (HRG) với độ phân giải góc phụ thứ hai đẳng hướng và yêu cầuphẩm chất cao lên tới 26 triệu Đạt được mức đối xứng của giảm chấn (damping)

và độ cứng (ví dụ 10-4 Hz) bằng công nghệ chế tạo con quay silicon MEMS, rất khókhăn để thực hiện một tỷ lệ tích hợp con quay hồi chuyển trong MEMS silicon, mộtthiết kế gộp hai khối gia trọng lần đầu tiên được giới thiệu và sau đó các ứngdụng của phương pháp này đã được chứng minh