Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến gyroscopes

Luận Văn Thạc Sỹ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CAM ĐOAN Trong trình làm luận văn thạc sỹ, tơi đọc tham khảo nhiều loại tài liệu khác từ sách giáo trình, sách chuyên khảo báo đăng tải ngồi nước Tơi xin cam đoan tơi viết hồn tồn HIẾU thống khơng bịa đặt, nhữngĐẶNG kết quảVĂN đo đạc thực nghiệm đạt luận văn không chép từ tài liệu hình thức Những kết tơi nghiên cứu, tích lũy suốt thời gian làm luận văn Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ tài 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 ĐẶNG HIẾU LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ –VĂN VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2013 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu hoàn thiện luận văn em nhận giúp đỡ tận tình chu đáo thầy cô giáo Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, ĐẶNG VĂN Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia HIẾU Hà Nội Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế khảo sát hoạt động cảm biến Gyroscopes” triển khai thực hoàn thành với số kết thu có khả ứng dụng thời gian tới điều kiện thực tiễn 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 BIẾN GYROSCOPES trực tiếp hướng dẫn em trongCẢM trình nghiên cứu hồn thiện luận văn, với tất lịng nhiệt tình, chu đáo, ân cần với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc thẳng thắn nhà khoa học uy tín, mẫu mực, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy NGÀNH: – VIỄN THÔNG PGS.TS Vũ Ngọc Hùng CÔNG – Viện NGHỆ trưởng ĐIỆN ITIMS,TỬ trưởng nhóm MEMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đãCHUYÊN giúp đỡ đóng gópKỸ ý kiến cho em NGÀNH: THUẬT ĐIỆN TỬ Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, anh chị bạn có MÃ SỐ: 60 52 70 góp ý kịp thời bổ ích, giúp đỡ em suốt trình em nghiên cứu hồn thiện luận văn Một lần em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đễn tất giúp đỡ em thời gian vừa qua Em xịn kính chúc thầy cô, anh chị bạn mạnh khỏe hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013 Học viên NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH ĐẶNG VĂN HIẾU HÀ NỘI - 2013 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ 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 quay hồi chuyển (Gyroscopes) 1.2 Hiệu ứng Coriolis 1.3 Công nghệ vi điện tử (MEMS) 10 1.3.1 Giới thiệu chung 10 1.3.2 Các kỹ thuật MEMS 12 1.3.3 Đóng vỏ Chíp 13 1.4 Con quay hồi chuyển vi (Gyroscopes MEMS) 13 1.4.1 Nguyên lý hoạt động nguyên lý cấu trúc 13 4.2.2 Phân loại quay vi 17 Chương 2: THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS 23 2.1 Mục tiêu thiết kế 23 2.2 Cấu trúc dầm kiểu đàn hồi 24 2.2.1 Dầm treo thẳng (Linear beam) 24 2.2.2 Dầm treo gập (folded beam) 26 2.3 Cấu trúc tụ điện vi sai 27 2.3.1 Khái niệm tụ điện 27 2.3.2 Cấu trúc tụ điện ngang 29 2.3.3 Cấu trúc tụ điện kiểu lược 30 2.4 Cơ sở động lực học trình cản trở dao động (damping) 30 2.5 Mơ hình thiết kế ngun lý hoạt động Gyroscopes kiểu tuning fork 32 2.5.1 Mơ hình thiết kế 32 2.5.2 Mơ hình thiết kế 33 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ 2.5.3 Mơ hình thiết kế 34 2.5.4 Mơ hình thiết kế 34 Chương 3: KHẢO SÁT GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK 36 3.1 Phân tích nguyên lý hoạt động 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 điện 53 4.2 Thiết kế mạch phát điện dung Sensing-mode 54 4.3 Kết thực tế mô mạch điện 60 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64 5.1 Kết luận đề tài 64 5.2 Đề xuất hướng phát triển đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ thống vi điện tử LPF Low Pass Filter Mạch lọc thông thấp BPF Bank Pass Filter Mạch lọc thông dải GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu THD Through Hole Device Linh kiện chân cắm ZRO Zero rate output Lối với vận tốc góc SMD Surface Mount Device Linh kiện dán mặt Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Các sản phẩm MEMS 11 Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp 13 Hình 1.3: Cấu trúc nguyên lý hoạt động quay dao động 14 Hình 1.4: Cấu trúc (a) nguyên lý hoạt động (b, c) quay Drapper 18 Hình 1.5: Cấu trúc nguyên lý quay vi 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 nguyên lý quay vi kiểu Tuning Fork 21 Hình 2.1: Cấu trúc dầm thẳng 25 Hình 2.2: Ứng dụng dầm treo thẳng 25 Hình 2.3: Cấu trúc dầm treo gập (a) ,đáp ứng với tải dọc ngang (b) 26 Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép 26 Hình 2.5: Ứng dụng dầm treo gập 27 Hình 2.6: Mơ hình cấu tạo tụ song song 28 Hình 2.7: Sự biến đổi khoảng cách tĩnh điện mơ hình thiết bị truyền động 28 Hình 2.7: Cấu trúc tụ điện ngang 29 Bảng 2.1: Tóm tắt thông số cấu truc tụ điện ngang 29 Hình 2.8: Cấu trúc tụ điện kiểu lược nguyên lý hoạt động 30 Hình 2.9: Đặc trưng biên độ tần số hệ cộng hưởng 31 Hình 2.10: Mơ hình thiết kế quay vi kiểu Tuning Fork thứ 32 Hình 2.11: Mơ hình thiết kế quay vi kiểu Tuning Fork thứ hai 34 Hình 2.12: Mơ hình thiết kế quay vi kiểu Tuning Fork thứ ba 34 Hình 2.13: Mơ hình thiết kế quay vi kiểu Tuning Fork thứ tư 35 Hình 3.1: Mơ hình quay hồi chuyển kiểu Tuning Fork 37 Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực hệ quy chiếu 38 Hình 3.3: Sơ đồ phân tích lực đặt vận tốc góc vào hệ 40 Hình 3.4: Hình ảnh mode ngược pha sensing 50 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Hình 3.5: Hình ảnh mode đồng pha sensing 50 Hình 3.6: Hình ảnh mode ngược pha driving 51 Hình 3.7: Hình ảnh mode đồng pha driving 51 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Driving 53 Hình 4.2: Sơ đồ khối điều chế giải điều chế tín hiệu Gyroscopes 54 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân 55 Hình 4.4: Mạch khuếch đại cơng 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 trình giải điều chế đồng 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 mode dẫn động 61 Hình 4.11: Thiết lập khảo sát tần số Sensing 61 Hình 4.12: Đáp ứng tần số mode cảm ứng 62 Hình 4.13: Đáp ứng mơ hình 63 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ LỜI MỞ ĐẦU Trong khoảng 30 năm trở lại đời phát triển công nghệ MEMS, lĩnh vực công nghệ cao tạo cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ chế tạo linh kiện cảm biến (sensors) chấp hành (actuators) phạm vi kích thước milimet Ưu điểm vượt trội linh kiện độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng Nội dung nghiên cứu thực luận văn thiết kế, tính tốn mơ cảm biến đo vận tốc góc dựa cấu trúc quay vi kiểu tuning fork, hoạt động dựa nguyên lý hiệu ứng Coriolis với cấu trúc tụ kiểu lược Đây linh kiện có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp chế tạo ô tô, kỹ thuật hàng hải, kỹ thuật hàng không, quân sự, công nghiệp hàng điện tử dân dụng, điện tử viến thơng Tính toán thiết mạch điện, khảo sát mạch điện kích thích phát tín hiệu cảm biến, với đầu vào điều chế học, tính tốn thiết kế mạch điện giải điều chế đồng xử lý tín hiệu đầu cảm biến Tuy nhiên thời gian có hạn nên luận văn chưa thể để cập đầy đủ vấn đề liên quan, chắn tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận thông cảm hy vọng nhận nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm kiến thức quý báu cho công việc tương lai Em xin chân thành cảm ơn Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 1.1 Giới thiệu quay hồi chuyển (Gyroscopes) Thuật ngữ Gyroscopes lần đưa nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault, ghép từ ngơn ngữ Hy Lạp, theo đó, “Gyro” nghĩa “quay trịn”, “skopien” có nghĩa “quan sát” Khi đó, Foucault áp dụng định luật chuyển động quay gyrocope để giải thích chuyển động quay trái đất vào năm 1852 Con quay hồi chuyển thiết bị dùng để đo đạc trì phương hướng, dựa ngun tắc bảo tồn mơ men động lượng Thực chất, quay học bánh xe hay đĩa quay với trục quay tự theo hướng Phương hướng thay đổi nhiều hay tùy thuộc vào mơ men xoắn bên ngồi Mơ men xoắn tối thiểu hóa việc gắn kết thiết bị khớp vạn năng, hướng trì gần cố định với chuyển động vật thể mà tựa lên Do tính bảo tồn mơ men động lượng đĩa quay trình chuyển động, quay hồi chuyển ứng dụng để tạo công cụ định hướng dẫn lái giao thông hàng hải Những thiết bị dẫn hướng có mặt tàu biển lớn từ năm 1911 sở phát minh nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry Năm 1920, công cụ ứng dụng vào hệ thống dẫn lái loại bom ngư lơi, đến năm 1930 ứng dụng vào làm dẫn hướng cho hệ thông tên lửa đạn đạo 1.2 Hiệu ứng Coriolis Hiệu ứng Coriolis hiệu ứng xảy hệ qui chiếu quay so với hệ qui chiếu quán tính, đặt theo tên Gaspard-Gustave de Coriolis - nhà toán học, vật lý học người Pháp mơ tả năm 1835 thơng qua lý thuyết thủy triều Pierre-Simon Laplace Nó thể qua tượng lệch quỹ đạo vật chuyển động hệ qui chiếu Sự lệch quỹ đạo loại lực quán tính gây ra, gọi lực Coriolis Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Lực Coriolis xác định công thức sau: F  2mv   (1.1) Với: m khối lượng vật, v véctơ vận tốc vật,  véctơ vận tốc góc hệ, cịn dấu  tích véctơ Có thể dễ dàng xác định độ lệch quỹ đạo chuyển động vật thể khoảng thời gian chuyển động t biểu thức : d  v.t.sin  (1.2) Trong đó,  góc lệch quỹ đạo chuyển động thẳng vật Khi xét dịch chuyển nhỏ tương ứng góc  nhỏ, cách gần đúng, có: sin     .t (1.3) Thay biểu thức (1.3) vào (1.2) ta có: d  v.t.sin   v.t..t  v..t (1.4) So sánh với phương trình chuyển động vật thể chuyển động thẳng, ta suy biểu thức tính gia tốc dạng: a  ac  2.v.  (1.5)  Do véc tơ v  trực giao với nên viết lại biểu thức gia tốc dạng sau:    ac   Vr  (1.6)  Gia tốc ac gọi gia tốc Coriolis từ sinh lực Coriolis Fc    Fc  2.m  Vr (1.7) Lực Coriolis lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay qn tính 1.3 Cơng nghệ vi điện tử (MEMS) 1.3.1 Giới thiệu chung Với đời Transistor vào ngày 23.12.1947 phịng thí nghiệm Bell Telephone mở kỷ nguyên cho ngành công nghiệp điện tử, thiết bị điện tử tích hợp với số lượng ngày lớn, kích thước ngày nhỏ chức Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Sơ đồ nguyên lý thực hình 4.3 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân Vi Cs thường nhỏ nên dòng điện cảm ứng đầu nhỏ tần số tín hiệu sensing trùng với tần số tín hiệu driving, việc giải điều chế gặp khó khăn Kỹ thuật giải điều chế đồng thường sử dụng để khuếch đại biên độ tín hiệu cảm ứng tách chúng khỏi dải tần số tín hiệu nhiễu khác Phương pháp dựa việc ghi vào tín hiệu có tần số cao, chế độ đồng pha cấu trúc tụ điện vi sai sensing-mode Dòng điện từ tụ sensing tín hiệu sóng mang chuyển đổi thành tín hiệu điện áp khuếch đại, mạch điện hình 4.3 R1 -Vcc 1M U3 +Vcc 7 U5 OP37AP RV1 +Vcc IN R2 IN Output 100k 1M Vref -Vcc U4 -Vcc AD620 +Vcc OP37AP Hình 4.4: Mạch khuếch đại cơng cụ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 55 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Sự biến đổi biên độ sóng mang đầu hiệu ứng Coriolis tần số sóng driving Ta giả sử có tín hiệu sóng mang hình sin Vc đặt vào tụ cảm ứng vi sai Cs Cs , dòng cảm biến điều chế biên độ bảo thay đổi điện dung Các tín hiệu sóng mang điện dung cảm ứng có dạng sau: [2] Vc  vc sin t (4.2) Cs   Csn   Cs sin d t (4.3) Cs   Csn  Cs sin d t (4.4) Với Cs Cs giá trị điện dụng ban đầu, Cs giá trị thay đổi điện dung phản ứng với lực Coriolis d tần số sóng driving, c tần số tín hiệu sóng mang Dịng từ tụ cảm biến sau: [2] d d  is   dt Vc (t )Cs  (t )  dt Csn vc sin ct  Cs vc sin c t sin d t   i  d V (t )C (t )  d C v sin  t  C v sin  t sin  t  s sn  c c s c c d  s  dt c dt (4.5) Dòng điện cảm ứng tụ khuếch đại mạch khuếch với hệ số khuếch đại K, chuyển đổi thành tín hiệu điện áp Vs  Vs  [2] K Cs vc  V  K  C v c os  t  (c  d )sin(c  d )t  (c  d )sin(c  d )t  s  c sn  c c   V  K  C v cos t  K Cs vc  (   )sin(   )t  (   )sin(   )t  c sn  c c c d c d c d c d  s  Một khuếch đại vi sai dùng để khuếch đại khác biệt hai tín hiệu điện áp Khi giá trị tụ điện vi sai chịu ảnh hưởng sóng mang K cCsnvc cosct bị triệt tiêu, khuếch đại vi sai loại bỏ mức điện dung ký sinh đối xứng Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 56 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ C1 +Vcc input 11 R3 C2 R1 output U1 R2 OP37 -Vcc Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải Sau cho qua mạch lọc thơng dải hình 4.4 với tần số trung tâm c , kết sau mạch khuếch đại vi sai thu Vs là: [2] Vs  Vs   Vs   K Csvc  (c  d )sin(c  d )t  (c  d )sin(c  d )t  (4.6) Vs tín hiệu giải điều chế biên độ với sóng mang c việc nhân tín hiệu cảm ứng Vs với tín hiệu sóng mang (4.7) Vcr  vcr cos(ct   ) D1 (4.7) R5 R6 R10 10A02 +Vcc +Vcc +Vcc R3 D3 6 10A02 OP37AP OP37AP R7 U3 Out 4 U1 U4 OP37AP R8 IN 7 +Vcc R1 -Vcc U5 OP37AP D2 -Vcc -Vcc R9 -Vcc 10A02 +Vcc R2 IN R4 U2 OP37AP -Vcc Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân tần số Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 57 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Sau giải điều chế tín hiệu Vsd nhận sau: [2] Vsd   12 K Cs vc vcr (c  d ) cos(d t   )  cos((2c  d )t   )   12 K Cs vc vcr (c  d )  cos(d t   )  cos((2c  d )t   )  (4.8) Tín hiệu giải điều chế thu lớn   90o c  d Khi nhận tín hiệu giải điều chế Vsd cho qua mạch lọc thông dải với tần số trung tâm d , tín hiệu tần số cao 2c ,(2c  d )và(2c  d ) bị triệt tiêu, lại Vsd  K c Cso vc vcr sin d t (4.9) Tín hiệu giải điều chế biên độ tần số driving sử dụng tín hiệu drive tham chiếu từ dao động vịng Nếu xét tỷ lệ tín hiệu mạch giải điều chế biên độ đồng dịng điện khuếch đại Chúng ta có Vsd Vmotional  K c Csovc vcr c vc vcr  2K dVDC Cs 2d (2.10) Tỉ lệ cho thấy cải thiện đáng kể biên độ tín hiệu đầu việc sử dụng tín hiệu sóng mang cao tần, với c  d Trong thực tế, việc điều chế biên độ đồng làm cân tụ điện ký sinh mode cảm ứng, cấu trúc tụ điện vi sai đòi hỏi nguồn offset lớn để bù đắp làm yếu tín hiệu Coriolis Để khắc phục sử dụng cấu trúc lệch tụ điện không dùng DC offset Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 58 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Hình 4.7: Phổ tần số trình giải điều chế đồng Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 59 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ 4.3 Kết thực tế mô mạch điện Hình 4.8: Hình ảnh MEMS thực tế Trên sở kết phân tích với ba mơ hình thiết kế thực với tốn phần 3.1, mơ hình thiết kế thứ thể có cấu trúc tối ưu Vì vậy, mơ hình lựa chọn để tiếp tục thực tốn mơ đặc trưng điện thơng qua phép phân tích đáp ứng tức thời (Transient analysis) sử dụng phần mềm Simulink Mattab Đáp ứng tần số mơ hình thiết kế thứ hình 4.10 4.12 Linh kiện kích hoạt với tần số 10453 Hz biên độ dao động đạt khoảng  m Giá trị biên độ cho thấy cấu trúc có độ cứng cao Biên độ dao động cảm ứng lớn khoảng 3,7 nm tương ứng biến đổi điện dung lối khoảng fF Hình 4.9: Thiết lập khảo sát tần số driving Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 60 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Hình 4.10: Đáp ứng tần số mode dẫn động [1] Hình 4.11: Thiết lập khảo sát tần số Sensing Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 61 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Hình 4.12: Đáp ứng tần số mode cảm ứng [1] Lối vào tốn vận tốc góc dạng xung tín hiệu hình thang đáp ứng tín hiệu lối biến đổi điện dung Giả định, vận tốc góc tăng dần từ đến giá trị 0 khoảng thời gian ms, sau đó, trì độ lớn khoảng thời gian 15 ms, cuối giảm dần khoảng thời gian 6ms Để xác định đáp ứng gyroscope miền thời gian, phép phân tích tức thời thực Tín hiệu vận tốc góc có độ trễ khoảng 0.605s Để có biên độ dao động dẫn động đạt giá trị cực đại, cần có thời gian trễ lớn Kết phân tích nhận từ SIMULINK đáp ứng thời gian tương ứng cảm biến này, trình bày hình 4.13 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 62 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Hình 4.13: Đáp ứng mơ hình Giữa mode dẫn động mode cảm ứng cần phải có chênh lệch trị số tần số Đây đặc trưng quan trọng loại linh kiện này, gọi độ rộng dải tần (bandwidth) Thông số đạt giá trị khoảng 100 Hz, vừa thỏa mãn tiêu chí tách biệt tần số hai mode dao động dẫn động cảm ứng, vừa đảm bảo tốc độ đáp ứng linh kiện nhanh Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 63 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận đề tài Trong khoảng 30 năm trở lại đời phát triển công nghệ MEMS, lĩnh vực công nghệ cao tạo cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ chế tạo linh kiện cảm biến chấp hành phạm vi kích thước milimet Ưu điểm vượt trội linh kiện độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng Nội dung nghiên cứu thực luận văn thiết kế mơ tính chất điện cảm biến đo vận tốc góc hay quay vi kiểu Tuning Fork có nguyên lý hoạt động dựa hiệu ứng Coriolis Các kết luận văn đạt sau: - Tiến hành phân tích tính tốn đặc trưng động học để xác định số lược cần thiết cho cấu trúc hệ tụ điện để kích hoạt thu nhận tín hiệu cảm ứng lối Hệ thống cấu trúc lược dẫn động lược cảm ứng thiết kế đáp ứng yêu cầu như: thu chuyển vị lớn với kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển thu nhận tín hiệu - Đã tính tốn tìm giá trị khoảng cách tối ưu điện cực lược cấu trúc tụ điện cảm ứng - Đưa mơ hình thiết kế quay vi kiểu Tuning Fork với cấu trúc cải tiến, đáp ứng tốt với yêu cầu thiết kế đề như: Khử bỏ hạn chế mode dao động đồng pha mode dao động không mong muốn nguyên nhân gây nhiễu tín hiệu đo; hệ thống tụ điện dẫn động cảm ứng thiết kế hợp lý tạo chuyển vị lớn dễ dàng hoạt động thu nhận tín hiệu - Tiến hành mơ đặc trưng điện cảm biến Kết mô cho thấy đáp ứng tần số cấu trúc thu phù hợp với nguyên lí hoạt động dao động cộng hưởng; đáp ứng thời gian cấu trúc cho thấy linh kiện nhạy với thay đổi vận tốc góc (khi tăng, giảm vận tốc góc cách tuyến tính tín hiệu lối ra, biên độ cảm ứng hay độ thay đổi điện dung tăng giảm tuyến tính theo) - Ngồi ra, kết mơ cho thấy thay đổi điện dung cảm biến (ΔC) hàm tuyến tính vận tốc góc (ω) Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ - Thiết kế mạch điện thực hiên xử lý tách tín hiệu cảm biến sau thu từ phần khí, giải điều chế để tử nhận giá trị vận tốc góc mong muốn thơng qua giá trị lực Coriolis thu 5.2 Đề xuất hướng phát triển đề tài - Trên sở kết phân tích, tính tốn mơ với thơng số tối ưu mơ hình thực thiết kế Mask để triển khai chế tạo linh kiện sở công nghệ MEMS Có thể khẳng định rằng, phương án thiết kế phân tích, tính tốn mơ cách khoa học - Kết đạt luận văn dừng phần nghiên cứu thiết kế quay vi kiểu tuning fork có cấu trúc so với kết công bố trước đây, thiết kế mạch điện xử lý tín hiệu cho Gyroscopes Tuy nhiên, để khẳng định kết tính tốn linh kiện phải thực hóa thơng qua quy trình chế tạo ứng dụng thử nghiệm Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 65 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Quang Long, “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quán tính sử dụng cấu trúc lược sở công nghệ MEMS,” – Luận Văn Thạc sĩ Khoa học, Viện ITIM Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2012 [2] Cenk Acar and Andrei Shkel, “MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness,” University of California, June 2008 [3] C Acar, A Shkel Design Concept and Preliminary Experimental Demonstration of MEMS Gyroscopes with 4-DOF “Master-Slave ” Architecture SPIE Conference on Smart Electron-ics and MEMS, March 2002 [4] C Acar, and A Shkel A Class of MEMS Gyroscopes with Increased Parametric Space Proceedings of IEEE Sensors Conference, Orlando, Florida, 2002, pp 854-859 [5] M D Pottenger, “Design of Micromachined Inertial Sensors,” PhD Dissertation, Univ of California, 2001 [6] J E D Williams, “From Sails to Satellites: The Origin and Development of Navigational Science,” New York, Oxford University Press, 1994 [7] S E Alper, “Silicon Surface Micromachined Gyroscopes Using MEMS Technology,” M.S Thesis, Middle East Technical Univ, 2000 [8] K Kumar, N Barbour, and J M Elwell, “Emerging Low(er) Cost Inertial Sensors,” Proc AIAA GN&C Conf., pp 11-24, August 1992 [9] M Kraft, “Micromachined Inertial Sensors: The State of the Art and a Look into Future,” IMC Measurement and Control, Vol 33 No 6, pp 164-168, 2000 [10] N Yazdi, F Ayazi, and K Najafi, “Micromachined Inertial Sensors,” Proc of the IEEE, Vol 86, No 8, pp 1640-1659, August 1998 [11] H Kulah, “Closed-Loop Electromechanical Sigma-Delta Accelerometers,” PhD Dissertation, Univ of Michigan, 2003 Microgravity [12] J Dosher and C Kitchin, “Monitoring Machine Vibration with Micromachined Accelerometers,” Sensors 14(5), pp 33-34, May 1997 [13] P F Man, and C H Mastrangelo, “Surface micromachined shock sensor for impact detection,” Tech Digest of IEEE Solid-State Sensors and Actuator Workshop (Hilton Head’94), pp.156-159, 1994 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 66 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ [14] R S Seeley, “Micromachines Rev Up for Fast Growth,” Electronic Business Today, pp- 33-38, April 1996 [15] R F Yazıcıoğlu, “Surface Micromachined Capacitive Accelerometers Using MEMS Technology,” M.S Thesis, Middle East Technical Univ ,2003 132 [16] N Barbour, G Schmidt, “Inertial Sensor Technology Trends,” Workshop on Autonomous Underwater Vehicles, pp.55-62, 1998 [17] R L Craik and C A Oatis (Eds.), “Gait Analysis: Theory and Applications,” Mosby, 1995 [18] K Miller, D Hendelman, C Baggett, E Debold, and P Freedson, “Validation of Accelerometry to Assess Moderate Intensity Physical Activity in the Field,” Medicine & Science in Sports & Exercise, 31(5), pp.43, May 1999 [19] W Kuehnel and S Sherman, “A surface micromachined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry,” Sensors and Actuators Vol A-45, pp 7-16, 1994 [20] S J Sherman, W K Tsang, T A Core, R S Payne, D E Quinn, K H L Chau, J A Farash, and S K Baum, “A Low Cost Monolithic Accelerometer: Product/Technology Update,” Techncal Digest International Electron Devices Meeting, pp.501-504, 1992 [21] K Jost, “Yaw Sensing,” Automotive Engineering, pp 61-63, September 1995 [22] G He and K Najafi, “A Single-Crystal Silicon Vibrating Ring Gyroscope,” Proc IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS’02), pp 718721,January 2002 [23] W Qu, C Wenzel, and G Gerlach, “Fabrication of a 3D Differential-Capacitive Accelerometer by UV-LIGA,” Sensors and Actuators, Vol 77, pp 14-20, 1999 [24] J W Wiegold, K Najafi, ans S W Pang, “Design and Fabrication of Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.10, pp 558-524, Dec.2001 [25] K H –L Chau, S R Lewis, Y Zhao, R.T Howe, S F Bart, and R G Marcheselli, “An Integrated Force-Balanced Capacitive Accelerometer for low-g Applications,” Sensors and Actuators, Vol 54, pp 472-476, 1996 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 67 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ [26] B Guldimann, P Thiebauld, N F de Rooji, and R A Turpin, “Micromachined, Fiber-Optic Based Accelerometer with Shutter Modulation,” Proc IEEE Micro Electro Mechanical System Workshop (MEMS’00), 2000 [27] A Partidge, J K Reynolds, B W Chui, E M Chow, A M Fitzgerald, L Zhang, and N.I Maluf, “A High-Performance Planar Piozoresistive Accelerometer,” J Microelectromechanical Sys., Vol 9, No 1, pp 58-66, March 2000 [28] H Takao, Y Matsumoto, and M Ishida, “Stress-sensitive Differential Amplifiers Using Piozoresistive Effects of MOSFETs and Their Application to Three-Axis Accelerometers,” Sensors and Actuators, Vol 65, pp 61-68, 1998 [29] J A Plaza, M A Benitz, and Lora-Tamayo, “New FET Accelerometer Based on Surface Micromachining,” Sensors and Actuators, Vol 61, pp 342-345, 1997 [30] S D Senturia, “Microsystem Design,” Kluwer Academic Publishers, 2001 [31] F Paelotti, “A Silicon Micromachined Vibrating Gyroscope with Piezoresistive Detection and Electromagnetic Excitation,” MEMS’96, pp.162-167, 1996 [32] R Voss, “Silicon Angular Rate Sensor for Automotive Applications with Piezoelectric Drive and Piezoresistive Read-out,” Transducers’97, Vol.2 pp.879882, 1997 [33] Y Nemirovsky, A Nemirovsky, P Muralt, and N Setter, “Design of Novel ThinFilm Piezoelectric Accelerometer,” Sensors and Actuators, Vol 56, pp 239249,1996 [34] D L DeVoe, and A P Pisano, “Surface Micromachined Piezoelectric Accelerometers (PiXLs),” J Microelectromechanical Sys., Vol 10, No 2, pp 180186, June 2001 [35] V Milanovi, E Bowen, N Tea, J Suehle, B Payne, M Zaghloul, and M Gaitan, “Convection-Based Accelerometer and Tilt Sensor Implemented in Standard CMOS,” Proc Int Mech Eng Conf and Exp., MEMS Symposium, Anaheim, Nov 1998 [36] A A Seshia, M Palaniapan, T A Roessing, R T Howe, R W Gooch, T R Schimert, and S Montague, “A Vacuum Packaged Surface Micromachined Resonant Accelerometer,” J Microelectromechanical Sys., Vol 11, No 6, pp 784-793, Dec 2002 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận Văn Thạc Sỹ [37] C.-H Lui and T H Kenny, “A High-Precision, Wide-Bandwidth Micromachined Tunneling Accelerometer,” J Microelectromechanical Sys., Vol 10, No 3, pp 425-433, Sept 2001 [38] F Gretillat, M.-A Gretillat, and N F de Rooij, “Improved Design of a silicon Micromachined Gyroscope with Piezoresistive Detection and Electromagnetic Actuation,” J Microelectromechanical Sys., Vol 8, No 3, pp 243-250, September 1999 [39] A J Harris, J S Burdess, D Wood, R Langford, G Williams, M C L Lard, and M E McNie, “Issues Associated with the Design, Fabrication and Testing of a Crystalline Silicon Ring Gyroscope with Electromagnetic Actuation and Sensing,” J Micromech Microeng., pp 284-292, August 1998 [40] F P Beer and E R Johnston, “Mechanics of Materials,” McGraw-Hill, 1985 [41] R J Roark and W C Young, “Formulas for Stress and Strain,” McGraw-Hill, 1983 [42] M W Putty, “A Micromachined Vibrating Ring Gyroscope,” PhD Dissertation, Univ of Michigan, 1995 [43] A Burstein, “Highly Sensitive Single and Dual-Axis High Aspect Ratio Accelerometers with a CMOS Precision Interface Circuit,” PhD Dissertation, Univ of California, 1999 Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... ĐẶNG VĂN Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia HIẾU Hà Nội Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: ? ?Nghiên cứu thiết kế khảo sát hoạt động cảm biến Gyroscopes? ?? triển khai thực hoàn thành với số kết... thực tiễn 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 BIẾN GYROSCOPES trực tiếp hướng dẫn em trongCẢM trình nghiên cứu hồn... việc hai mode hoạt động mode dẫn động (mode driving) mode cảm ứng (mode sensing) Gyroscopes, tạo nhiễu tín hiệu đầu Gyroscopes hoạt động Do vậy, cấu trúc Gyroscopes thiết kế luận văn cần đảm bảo