CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES
Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes)
Thuật ngữ "Gyroscopes" được giới thiệu bởi nhà khoa học Pháp Leon Foucault, xuất phát từ tiếng Hy Lạp với "Gyro" có nghĩa là "quay tròn" và "skopien" nghĩa là "quan sát" Năm 1852, Foucault đã sử dụng định luật chuyển động quay của gyroscope để giải thích chuyển động quay của Trái Đất.
Con quay hồi chuyển là thiết bị đo đạc và duy trì phương hướng dựa trên nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Nó hoạt động như một bánh xe hoặc đĩa quay với trục quay tự do, cho phép thay đổi phương hướng tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài Mô men xoắn được giảm thiểu nhờ gắn thiết bị vào các khớp vạn năng, giúp hướng của con quay duy trì gần như cố định bất chấp chuyển động của vật thể mà nó tựa lên.
Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay, con quay hồi chuyển đã được ứng dụng để phát triển các công cụ định hướng và dẫn lái trong giao thông hàng hải Thiết bị dẫn hướng đầu tiên xuất hiện trên các tàu biển lớn từ năm 1911, dựa trên các phát minh của nhà bác học Elmer Sperry Đến năm 1920, công cụ này được ứng dụng trong hệ thống dẫn lái của bom ngư lôi, và vào năm 1930, nó đã trở thành bộ dẫn hướng cho các hệ thống tên lửa và đạn đạo.
Hiệu ứng Coriolis
Hiệu ứng Coriolis là hiện tượng xảy ra trong các hệ quy chiếu quay so với các hệ quy chiếu quán tính, được đặt theo tên của nhà toán học và vật lý học người Pháp Gaspard-Gustave de Coriolis, người đã mô tả nó vào năm 1835 Hiệu ứng này thể hiện qua sự lệch quỹ đạo của các vật chuyển động trong hệ quy chiếu quay, do một loại lực quán tính gọi là lực Coriolis gây ra.
Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau:
Với: m là khối lượng của vật, v là véctơ vận tốc của vật, là véctơ vận tốc góc của hệ, còn dấu là tích véctơ
Có thể dễ dàng xác định được độ lệch của quỹ đạo chuyển động của vật thể trong khoảng thời gian chuyển động t bằng biểu thức : d v t sin (1.2)
Góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật được ký hiệu là Khi xem xét dịch chuyển nhỏ tương ứng với góc nhỏ, có thể gần đúng rằng sin t Thay biểu thức này vào công thức trước đó sẽ cho ra kết quả mới.
So sánh với phương trình chuyển động của một vật thể trong chuyển động thẳng, ta suy ra biểu thức tính gia tốc dưới dạng: a a c 2 v (1.5)
trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của gia tốc này dưới dạng như sau: a c 2 V r
được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis F c
Lực Coriolis là lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính.
Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)
Sự ra đời của Transistor vào ngày 23.12.1947 tại phòng thí nghiệm Bell Telephone đã khởi đầu một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp điện tử, với thiết bị ngày càng nhỏ gọn và chức năng nâng cao Cuộc cách mạng công nghệ micro đã mang lại sự biến đổi sâu sắc về mặt công nghệ và xã hội, mở ra tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đã được phát triển, với nhiều sản phẩm ứng dụng đa dạng.
Hình 1.1: Các s ản phẩm của MEMS
Công nghệ vi cơ (MEMS) đã phát triển vượt bậc từ nền tảng công nghiệp bán dẫn, với các linh kiện MEMS bao gồm cấu trúc vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành và vi điện tử được tích hợp trên cùng một chip Điều này cho phép kết hợp các phần cơ chuyển động với các yếu tố sinh học, hóa học, quang học và điện Nhờ đó, linh kiện MEMS có khả năng phản ứng với nhiều loại tín hiệu đầu vào như sinh học, hóa 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
Công nghệ vi cơ hiện nay cho phép tạo ra các cấu trúc cơ học nhỏ bé và nhạy cảm, dẫn đến sự phát triển của các bộ cảm biến và chấp hành ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Những bộ cảm biến siêu nhỏ và tiện ích này đã thay thế hiệu quả các thiết bị đo cũ kỹ và cồng kềnh trước đây.
Công nghệ MEMS, viết tắt của công nghệ chế tạo linh kiện vi cơ - điện tử, là một ngành khoa học công nghệ mới, phát triển từ nền tảng công nghệ vi điện tử Công nghệ này bao gồm các kỹ thuật cơ bản như photolithography, diffusion, ion implantation, và lắng đọng vật liệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học Những năm 60 của thế kỷ XX chứng kiến sự ra đời của công nghệ vi cơ khối ướt và bề mặt, trong khi những năm 70 và 80 đánh dấu sự phát triển mạnh mẽ với sự xuất hiện của các cảm biến áp suất, gia tốc, và động cơ chuyển động Cuối thế kỷ XX, công nghệ LIGA và vi cơ khối khô dựa trên kỹ thuật ăn mòn ion hoạt hóa theo quy trình BOSCH đã cách mạng hóa ngành này, giúp tăng số lượng linh kiện trên một chip và theo kịp xu hướng thu nhỏ hóa của công nghệ vi điện tử.
Công nghệ vi cơ khối sử dụng 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 trong môi trường khí (vi cơ khối khô), và hàn ghép phiến để chế tạo các thiết bị vi mô.
Công ngh ệ vi cơ b ề m ặ t: 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 ngh ệ LIGA: dựa trên kỹ thuật tạo khuôn bằng vật liệu polymer sử dụng kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng điện hóa
Vỏ bảo vệ cho chip cảm biến MEMS rất quan trọng, giúp bảo vệ chúng khỏi tác động của môi trường như rung động, va đập và nhiệt độ Quá trình đóng vỏ không chỉ đảm bảo độ bền mà còn thuận tiện cho việc đo đạc và sử dụng cảm biến Đáng chú ý, chi phí đóng vỏ chiếm tới 60% giá thành của một cảm biến hoàn chỉnh, cho thấy tầm quan trọng của công nghệ này trong sản xuất cảm biến.
Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính:
Loại chân cắm (Through Hole Device - THD) là một dạng vỏ phổ biến, thường được sử dụng để đóng vỏ cho chip đơn lẻ Sau khi hoàn tất quá trình đóng vỏ, cảm biến sẽ được ứng dụng trong các lĩnh vực cụ thể.
Chân dán (Surface Mount Device - SMD) là loại vỏ phù hợp cho các hệ chip đa chức năng, cho phép gắn nhiều bộ vi xử lý trên cùng một vỏ, thường được sử dụng trong máy tính cá nhân và máy tính xách tay.
Hình 1.2: M ột số h ình d ạng vỏ chíp
Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)
Trong 30 năm qua, công nghệ MEMS đã cách mạng hóa lĩnh vực chế tạo linh kiện cảm biến và chấp hành với kích thước dưới milimet Các linh kiện này nổi bật với độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ năng lượng thấp Đặc biệt, cảm biến đo vận tốc góc hay con quay vi cơ (MEMS Gyroscopes) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp ô tô, kỹ thuật hàng hải, hàng không, quân sự, và điện tử dân dụng.
1.4.1 Nguyên lý ho ạt động v à nguyên lý c ấu trúc [2]
Con quay vi cơ, hay còn gọi là vi cảm biến đo vận tốc góc, là linh kiện quan trọng dùng để đo vận tốc góc - một đặc trưng cơ bản của chuyển động quay Cảm biến này hoạt động trên các hệ phi tuyến, liên quan đến gia tốc quán tính Nguyên lý hoạt động của con quay được phân tích trong hệ quy chiếu phi quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis, giúp hiểu rõ hơn về chuyển động quay.
Cảm biến đo vận tốc góc trong luận văn này là loại con quay dao động, hoạt động dựa trên mô hình tương đương với khối gia trọng m, lò xo k x, k y, và các yếu tố giảm chấn C x, C y Hệ tọa độ hai chiều XY của con quay được coi là hệ quy chiếu phi quán tính, vì nó chuyển động có gia tốc so với hệ quy chiếu quán tính gắn với trái đất (ij - A).
Khối gia trọng (m) của hệ con quay được kích thích để dao động dọc theo phương X, gọi là thành phần kích thích, nhờ vào lực F d Khi hệ thống này chuyển động quay với vận tốc góc không đổi θ const, các dao động sẽ diễn ra theo cách nhất định.
Dao động của khối gia trọng theo phương Y, hay còn gọi là thành phần cảm ứng, được sinh ra do tác động của lực quán tính Coriolis, mà nguyên nhân là gia tốc quán tính Coriolis.
Hình 1.3: C ấu trúc v à nguyên lý ho ạt động của con quay dao động [2]
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 trí r A
Trong đó, vector vị trí r B
có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ X, Y của con quay dưới dạng: r B x X yY
Vận tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc V
Trong hệ con quay, vật m có vận tốc v B trong hệ quy chiếu quán tính và đồng thời tham gia cả chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Do đó, vận tốc v B sẽ bao gồm vận tốc của chuyển động tịnh tiến, ký hiệu là v B T r B.
và vận tốc liên hệ với chuyển động quay (rotation motion), v B R r B ,
Thực hiện phép nhân vector có hướng ở vế phải của (1.10) chỉ xét các thành phần theo 2 phương X và Y đối với vector B, với điều kiện z 0, ta sẽ nhận được vector vận tốc của m trong hệ quy chiếu con quay.
Gia tốc của m trong hệ quy chiếu quán tính được xác định bằng cách tổng hợp gia tốc A của hệ con quay và gia tốc B của m trong hệ quy chiếu con quay Gia tốc B bao gồm cả gia tốc chuyển động tịnh tiến và gia tốc liên quan đến chuyển động quay.
Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.12) với lưu ý chỉ xét đến các thành phần theo 2 phương X và Y đối với r B và v B
, đồng thời chỉ có z 0 , gia tốc của m trong hệ quy chiếu con quay cũng sẽ được xác định:
Phương trình động lực học của hệ lò xo, khối gia trọng, giảm chấn trong hệ quy chiếu con quay theo 2 phương X , Y có dạng:
Trong đó, v x và v y là các thành phần của vector vận tốc v và a a x , y là các thành phần của vector gia tốc a theo 2 phương X và Y Thay (1.8), (1.9) và (1.13) vào (1.14) ta có:
Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) đồng nhất theo mọi phương, tức là kx = ky = k, và khi vận tốc góc Ω nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng hưởng kích thích, thì k có vai trò quan trọng trong phân tích hệ thống.
, thì k m 2 Ngoài ra, do c ons t nên
, cũng như có x y , y x , hệ phương trình (1.15) sẽ được rút gọn thành hệ phương trình (1.16):
Các phương trình chuyển động cho hệ con quay lý tưởng cho thấy rằng khi con quay bị kích thích đến tần số cộng hưởng bởi lực tuần hoàn F d = F 0 sin(Ωt), lực sinh ra từ hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng theo phương cảm ứng Các thành phần lực Coriolis, được biểu diễn qua các số hạng 2m y Ω và 2m x Ω trong các phương trình, tạo ra sự liên kết động lực học giữa hai phương X và Y.
Khi hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng nhau, tần số cộng hưởng của hai mode cũng sẽ đồng nhất Biên độ dao động được tạo ra sẽ tỷ lệ thuận với lực Coriolis, từ đó tương ứng với vận tốc góc cần đo.
4.2.2 Phân lo ại con quay vi cơ
Con quay vi cơ, hay còn gọi là gyroscope, là linh kiện dùng để đo vận tốc góc và góc nghiêng, được sản xuất bằng công nghệ MEMS Mỗi loại gyroscope có độ phân giải và độ nhạy khác nhau, dẫn đến nhiều ứng dụng đa dạng Chúng được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô Mặc dù gyroscopes nguyên tử có độ phân giải và độ nhạy cao trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng chúng không phổ biến trên thị trường như gyroscopes quang và gyroscopes tĩnh điện do chi phí cao Để đánh giá chất lượng của một con quay vi cơ, các thông số quan trọng bao gồm độ phân giải (Resolution), tức tín hiệu nhỏ nhất mà linh kiện có thể phân biệt, thường được đo bằng đơn vị 0/s hoặc 0/h.
Hệ số tỷ lệ (Scale factor) là tỷ lệ giữa sự thay đổi tín hiệu đầu ra và sự thay đổi của thông tin đầu vào (vận tốc góc), được đo bằng đơn vị mV/°/s.
D ải độ ng (Dynamic range): Khả năng hoạt động của linh kiện tương ứng với thông tin đầu vào
Giá trị offset (ZRO – Zero rate output) là tín hiệu đo được khi không có tín hiệu đầu vào, phản ánh mức độ nhiễu ban đầu của linh kiện Khi không có thông tin đầu vào, tín hiệu đầu ra của linh kiện trở thành một hàm ngẫu nhiên do nhiễu tự nhiên gây ra, thường có sự biến đổi rất nhỏ Giá trị này được xác định qua độ phân giải của linh kiện, có đơn vị là 0 /s/Hz hoặc 0 /h/Hz.
Bước góc ngẫu nhiên (Angle random walk) là một dạng tín hiệu nhiễu, với giá trị đo được là 0/h Nhiễu này chủ yếu phát sinh từ thông tin tín hiệu vào và hoàn toàn độc lập với các đặc tính gây ra sai lệch về góc nghiêng, chẳng hạn như nhiễu hệ số tỷ lệ và thế dòng trôi.
THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS
Mục tiêu thiết kế
Tín hiệu đầu ra được cảm nhận qua hệ thống tụ điện kiểu răng lược, với sự thay đổi tín hiệu tỷ lệ thuận với điện dung của tụ Cấu trúc Gyroscope kiểu Tuning Fork bao gồm hai khối gia trọng, giúp loại bỏ gia tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó nâng cao độ chính xác trong việc xác định vận tốc góc cần đo.
Cấu trúc với hai khối gia trọng chuyển động ngược pha trong chế độ dao động cảm ứng giúp tín hiệu đầu ra tăng gấp đôi, từ đó nâng cao độ nhạy của cảm biến Tuy nhiên, cấu trúc này cũng tồn tại một số nhược điểm cần được khắc phục.
Hai khối gia trọng thường được dẫn động riêng lẻ thông qua các hệ cấu trúc răng lược tách biệt, giúp tăng độ lớn của lực tĩnh điện Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến sự không đồng nhất trong điện thế dẫn động và lực tĩnh điện của hai khối, ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của thiết bị khi hoạt động.
Cấu trúc này chứa các mode đồng pha không mong muốn có tần số gần với tần số hoạt động của hai mode chính là mode dẫn động và mode cảm ứng của Gyroscopes, dẫn đến việc phát sinh nhiễu tín hiệu ở đầu ra khi 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 lực tĩnh 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
- Khử bỏ hoặc hạn chế sự mất đồng đều của lực tĩnh điện tác động vào các hệ tụ 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.
Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi
Cảm biến đo vận tốc góc dựa trên hiệu ứng Coriolis hoạt động theo nguyên lý dao động của hệ cơ học với hai bậc tự do Hệ dao động này có hai tần số dao động riêng, tương ứng với các tần số dẫn động khác nhau.
m và tần số cảm ứng y y k
m Nếu các thành phần độ cứng k k x , y được thiết kế, sao cho, k x k y thì khi đó x y và hệ dao động đạt trạng thái cộng hưởng
Dầm đàn hồi (elastic beam) đóng vai trò quan trọng trong việc treo khối gia trọng tách biệt khỏi đế thông qua các điểm chốt được gọi là anchor Thiết kế của các dầm cần phải đáp ứng các tiêu chí cụ thể để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
- Độ cứng đủ lớn để có thể treo được cấu trúc tách khỏi đế, không bị võng theo trục Z
Cấu trúc có tính đàn hồi đủ mềm dẻo, cho phép dễ dàng dao động theo các phương hoạt động, bao gồm cả 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:
Độ cứng tổng hợp của dầm cần được thiết kế đồng nhất giữa phương dẫn động và phương cảm ứng để đảm bảo linh kiện hoạt động hiệu quả tại tần số cộng hưởng.
Để đảm bảo dầm hoạt động hiệu quả, độ cứng cần được thiết kế sao cho tối thiểu theo hai phương dẫn động và cảm ứng, nhằm tập trung vào 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 tạo các cảm biến vi cơ:
2.2.1 D ầ m treo th ẳ ng (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 dài dầm và chiều rộng của dầm bởi độ dày của dầm luôn được cố định với giá trị là 25 àm Nhưng kiểu dầm này cú tớnh phi tuyến lớn và hạn chế về biến dạng dọc theo chiều ngang (axial loading limitation) [7, 15, 41]
Các thành phần của hệ số độ cứng (đàn hồi) của kiểu dầm này được xác định như sau: w b b x b k E t
Trong đó, l b là chiều dài dầm, w b là độ rộng của dầm, t b là chiều dày của dầm,
E là mô-đun đàn hồi của vật liệu, k k k x , y , z lần lượt là độ cứng theo các phương , ,
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 D ầ m treo g ậ p (folded beam) Đây là sự kết hợp giữa hai thanh dầm thẳng để tạo ra dạng dầm hình chữ U như 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: fo ld e d y y
Hình 2.3: C ấ u trúc d ầ m treo g ậ p (a), đáp ứ ng v ớ i t ả i d ọ c và ngang (b) [2]
Cấu trúc thanh dầm treo gấp khắc phục nhược điểm phi tuyến của dầm treo thẳng, nhưng lại làm giảm độ cứng theo phương nằm ngang Để cải thiện vấn đề này, người ta thường kết hợp hai dầm gập đối xứng, tạo thành cấu trúc dầm gập kép.
Hệ số độ cứng của kiểu dầm này được xác định như sau:
Chiều dài dầm được ký hiệu là l b và l b1, trong khi độ rộng của dầm là w b và chiều dày của dầm là t b Khoảng cách giữa hai thanh dầm được ký hiệu là W, còn E đại diện cho 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]
Cấu trúc tụ điện vi sai
2.3.1 Khái ni ệm cơ bả n v ề t ụ điệ n [2]
Tụ điện bao gồm hai bản cực bằng chất dẫn điện được đặt song song, với một chất điện môi ngăn cách ở giữa Giá trị điện dung của tụ điện được tính toán theo công thức (2.4).
Cảm biến thay đổi điện dung được ứng dụng rộng rãi, khi
Hằng số điện môi (ε) ảnh hưởng đến giá trị điện dung, và bằng cách thay đổi khoảng cách (y0), ta có thể thu được các giá trị điện dung khác nhau Sự thay đổi này cho phép nhận biết lực tác động và độ dịch chuyển của các bản cực, mà sự dịch chuyển này được sinh ra bởi một điện áp.
Hình 2.6: Mô hình c ấ u t ạ o t ụ song song [2]
Mối quan hệ giữa động năng và thể năng với tụ điện và điện áp là tuyến tính được thể hiện như công thức (2.5) và (2.6)
Trong cơ cấu truyền động, các lực đẩy tĩnh điện là thành phần lực tác động theo hướng bình thường với mặt phẳng của điện cực Nếu biểu thị hướng pháp tuyến trên trục y với khoảng cách y0 như trong Hình 2.7, các lực trong hướng y được tính toán dựa trên phương pháp này.
Hình 2.7: S ự bi ến đổ i kho ả ng cách t ĩnh điệ n c ủ a mô hình thi ế t b ị truy ền độ ng
Hình 2.7 minh họa cấu trúc tụ điện kiểu thanh ngang song song, trong đó một cực di chuyển giữa hai cực cố định Điện dung giữa hai cực cố định A và B có sự khác biệt, cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động và điện áp Cấu trúc này cũng mang lại độ nhạy cao nhờ sự thay đổi khoảng cách.
Hình 2.7: C ấ u trúc t ụ điệ n thanh ngang [2]
Khi không có lực tác dụng điện cực giữa hai điện cực cố định, thực tế cho thấy người ta thường chế tạo lệch với điện áp V0 và V0/2 để tạo ra lực tương tự Trong cấu trúc này, tụ điện thanh ngang với điện áp ra được sử dụng để đánh giá lực tác động ở đầu vào, như trình bày trong bảng 2.1.
B ảng 2.1: Tóm t ắt các thông s ố c ủa c ấu truc tụ điện thanh ngang [1]
Các thông số Công thức xác định Điện dung 2 0 2 A
Hằng số co giãn tĩnh điện 2 C 0 2 2 d V
2.3.3 C ấ u trúc t ụ điệ n ki ểu răng lượ c
Trong cấu hình này, khoảng cách giữa các răng lược là đồng nhất, và sự thay đổi điện dung xảy ra do biến đổi tiết diện tiếp xúc của các răng Mặc dù cấu hình này cho phép sử dụng lục hút tĩnh điện để thực hiện chuyển đổi, nhưng độ nhạy của nó rất kém do sự thay đổi về cấu trúc hình học.
Hình 2.8: C ấ u trúc t ụ điệ n ki ểu răng lượ c và nguyên lý ho ạt độ ng [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 điện được tạo thành từ hai tấm song song, với khoảng cách giữa các tấm tỉ lệ nghịch với giá trị điện dung Để tăng tín hiệu đầu ra của cảm biến hoặc nâng cao độ nhạy, người ta thường đặt nhiều thanh trên một bản cực điện dung, theo công thức (2.8).
Trong đó Y là độ dich chuyển của bản cực theo hướng chuyển động.
Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping)
Trong quá trình hoạt động, hệ thống luôn phải đối mặt với các yếu tố cản trở dao động, chủ yếu do lực ma sát không khí giữa khối gia trọng và đế, cũng như giữa các khe hẹp trong cấu trúc dẫn động và cảm ứng Lực ma sát này được đặc trưng bởi hệ số độ nhớt không khí Để cảm biến hoạt động hiệu quả ở chế độ cộng hưởng, cần tính toán và xem xét cẩn thận các yếu tố cản trở dao động Cộng hưởng xảy ra khi tần số dao động theo hướng dẫn động và tần số dao động theo hướng cảm ứng bằng nhau Do đó, có thể xác định gần đúng theo công thức: \( x_{max} = Q \times x_{static} \) và \( y_{max} = Q \times y_{static} \).
Trong bài viết này, x drivingmax và y sensingmax đại diện cho biên độ dao động cực đại theo hướng dẫn động và cảm ứng, trong khi Q driving và Q sensing là hệ số phẩm chất của chúng Biên độ dẫn động tĩnh x drivingstatic do lực tĩnh điện và biên độ cảm ứng y sensingstatic do lực Coriolis tạo ra Khi làm việc trong môi trường không khí với điện thế dẫn động từ 5 V đến 10 V, biên độ x drivingstatic chỉ đạt vài trăm nm Do đó, để tạo ra lực Coriolis với tín hiệu cảm ứng đủ lớn, cần thiết kế để tăng cường hệ số phẩm chất Q driving và Q sensing theo yêu cầu.
Với một hệ dao động cộng hưởng, hệ số phẩm chất Q được tính theo biểu thức:
Tần số cộng hưởng của cấu trúc được ký hiệu là f_ch, trong khi ∆f đại diện cho độ rộng của dải tần hoạt động Độ rộng này được xác định tại điểm biên độ dao động đạt giá trị tối đa tại tần số 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
Tần số dao động ngược pha của hai khối gia trọng: 2 k 1 2 k 2
m 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 k 1 rất nhiều (k 2 >> k 1 ).
Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork
2.5.1 Mô hình thi ết kế 1
Mô hình thiết kế thứ nhất được đưa ra ở hình 2.10
Hình 2.10: Mô hình thi ết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nh ất [1]
(1) Khung driving (6) Dầm gấp kép
(2) Khung sensing (7) Cơ cấu cần đẩy
(3) Các dầm treo cố định (8) Hệ thống tụ dẫn động (kiểu răng lược)
(4) Dầm treo Sensing (9) Hệ thống tụ cảm ứng (kiểu răng lược)
(5) Dầm liên kết đàn hồi
Nguyên lý ho ạt độ ng:
Cấu trúc này bao gồm hai khối gia trọng được tạo thành từ hệ thống khung lồng nhau Khung ngoài giữ vai trò duy trì dao động theo phương dẫn động, trong khi khung trong được treo trong khung ngoài bằng hệ thanh dầm đàn hồi dạng elíp và kết nối bằng thanh chống đồng pha Các dầm gập kép gắn kết và treo toàn bộ hai khung, đồng thời liên kết hai khối gia trọng bằng dầm đàn hồi dạng elip Hệ thống dầm gập kép giúp neo giữ dầm liên kết elip, ngăn chặn biến dạng vặn xoắn ngoài mặt phẳng dẫn đến chế độ dẫn động đồng pha, đồng thời đạt tiêu chí thu gọn kích thước linh kiện.
Những điểm khác biệt rõ nét của thiết kế này là:
Hệ tụ răng lược dẫn động (8) được lắp đặt bên ngoài hệ khung cấu trúc nhằm tăng số lượng răng lược, từ đó nâng cao hiệu suất dẫn động.
- Hệ tụ răng lược (9) để nhận biết tín hiệu cảm ứng lối ra được đặt bên trong của hệ khung trong (1)
Cơ cấu cần đẩy (7) được bố trí ở giữa thanh liên kết hai khung cảm ứng, giúp loại bỏ các mode dao động không mong muốn, bao gồm dẫn động đồng pha và cảm ứng đồng pha.
Khi cho một tác động ở đầu vào dẫn động, làm cho khung driving dao động theo phương dẫn động (trục x), khi đó các dầm treo (3) và (6) bị tác động
Khi cấu trúc quay với một góc nhất định, lực Coriolit sẽ tác động lên khung cảm biến, khiến nó di chuyển theo phương cảm ứng (trục y) Sự dịch chuyển này làm thay đổi khoảng cách của hệ thống tụ răng lược, dẫn đến sự thay đổi điện dung của tụ, tỷ lệ thuận với vận tốc góc quay tác động lên nó.
2.5.2 Mô hình thi ết kế 2
Mô hình 2 giữ lại hầu hết các chi tiết thiết kế của mô hình đầu tiên, nhưng có sự khác biệt ở việc loại bỏ thanh chống đồng pha của sensing và thay thế bằng trống đồng pha cho khung driving Cấu trúc mới này được đưa ra nhằm so sánh độ tin cậy giữa các biến dạng xoắn và vênh của trống đồng pha cho sensing và không có trống đồng pha cho sensing Ngoài ra, mô hình thiết kế 2 còn khảo sát sự khác biệt trong cách dẫn động theo một hướng và theo hai hướng.
Hình 2.11: Mô hình thi ết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 2.5.3 Mô hình thi ế t k ế 3
Mô hình 3, được minh họa trong hình 2.12, cải tiến cấu trúc của hệ thống cảm biến trong mô hình thiết kế 1 Trong mô hình thiết kế 3, các đầu cảm biến vi phân được sắp xếp đối xứng ở hai bên của một cảm biến, sử dụng các dẫn động theo hai hướng khác nhau.
Hình 2.12: Mô hình thi ế t k ế con quay vi cơ kiể u Tuning Fork th ứ ba [1] 2.5.4 Mô hình thi ế t k ế 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 thi ết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư
Mô hình 4 đã được thiết kế và mô phỏng trên phần mềm ANSYS, cho thấy các phản ứng tần số ở đầu ra của các chế độ điều khiển và chế độ cảm biến, như được minh họa trong 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 thành công lớn trong ngành công nghiệp ô tô và điện tử dân dụng, với tất cả sản phẩm hiện tại là sensor đo vận tốc góc Chúng hoạt động dựa trên việc chuyển năng lượng từ dao động dẫn động vòng kín sang dao động thứ cấp của mode sensing Độ phân giải và độ nhạy của con quay MEMS được cải thiện nhờ tăng hệ số phẩm chất Q và giảm sự đồng pha giữa hai mode Việc phối ghép hai con quay vi cơ độc lập với hệ số Q trên 100000 mang lại độ ổn định cao Cải tiến dải tần vận tốc thường được thực hiện bằng cách điều khiển mode sensing trong vòng kín hoặc dùng lực để tái tạo cân bằng, nhưng điều này có thể làm tăng nhiễu do khuếch đại vòng kín và giới hạn dải do điện áp tham chiếu cần thiết cho cân bằng khối gia trọng.
Một phương pháp thay thế cho cơ cấu dùng lực dẫn động cân bằng là duy trì chế độ hoạt động với toàn bộ góc, giúp mở rộng dải đầu vào và tần đo đạc Chế độ toàn bộ góc, hay chế độ tích hợp vận tốc, cho phép đo vị trí quay hoặc hướng của vật một cách trực tiếp từ chuyển động của khối gia trọng mà không cần tích hợp số với tín hiệu vận tốc góc Tín hiệu này rất hữu ích trong dẫn hướng bằng bộ đo quán tính, theo dõi góc phương vị và thiết lập định hướng trong các hệ thống ước lượng và tìm mục tiêu, đặc biệt trong môi trường không có GPS Chế độ toàn bộ góc có hệ số khuếch đại góc chính xác, độc lập với tính chất vật liệu và thiết bị điện tử, chỉ phụ thuộc vào hình dạng của khối gia trọng Để kích hoạt đo toàn bộ góc, các cảm biến cần có cấu trúc đối xứng và hệ số Q cao hơn nhiều so với đo vận tốc, đòi hỏi thiết kế mới Ví dụ, con quay hồi chuyển cộng hưởng bán cầu với kích thước vĩ mô (HRG) yêu cầu độ phân giải góc phụ thứ hai và phẩm chất cao lên tới 26 triệu Đạt được mức đối xứng của giảm chấn và độ cứng bằng công nghệ chế tạo con quay silicon MEMS là thách thức lớn, đặc biệt trong việc tích hợp con quay hồi chuyển trong MEMS silicon, dẫn đến việc giới thiệu thiết kế gộp hai khối gia trọng với các ứng dụng đã được chứng minh.
Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork
Một con quay hồi chuyển đo góc lý tưởng là một hệ gia trọng – lò xo đẳng hướng
Khi một hệ thống dao động với tần số tự nhiên ω và có chuyển động quay quán tính với tốc độ Ω, phương trình chuyển động theo các tọa độ x, y sẽ được mô tả trong hệ quy chiếu phi quán tính của gyroscope.
Với k là hệ số khuếch đại, góc được xác định bởi cấu trúc hình học của con quay
Giá trị lớn nhất cho hằng số hình học k là 1, với các thành phần lực ly tâm và gia tốc góc được xác định trong dải tần và độ rộng chuyển động quay Các phương trình động học đã giả định bỏ qua thành phần giảm chấn, coi các dao động là tự do, từ đó giúp con quay vi cơ đạt được hệ số phẩm chất cao và thời gian phân rã lâu hơn.
Ngoài ra, phương trình động học của các con quay vi cơ là không lý tưởng
Bài toán mới được đặt ra như sau: Cho hai vật nặng m 1 m 01 m 3 ,
2 02 4 m m m treo trên một hệ lò xo, k k k 1 , 2 , 3 như hình 3.1 Để bài toán đơn giản và dễ thiết kế ta có thể chọn sao cho m 01 m 02 , m 3 m 4 m 1 m 2 và k 1 k 2
Hình 3.1: Mô hình con quay h ồi chuyển kiểu Tuning Fork
Do việc thiết kế các thông số của hệ là đối xứng, ta có sơ đồ phân tích lực như hình 3.2 Với các ký hiệu như sau:
1 , 2 m m : Là hai khối gia trọng
1 , 2 k k : Là hai lò xo theo phương 0x k 3 : Là lò xo treo theo phương 0y
4 , 5 k k : Là thanh dầm đàn hồi treo m 3 l 0 : Là độ dài ban đầu của lò xo k 1 l 1 : Là chiều dài của thanh dầm cánh tay đòn
A: Là điểm nối giữa hai thanh dầm cánh tay đòn với k 3
F F : Là lực tác động vào m m 1 , 2 với F 1 F 2
F F F : Là lực đàn hồi của lò xo k k k 1 , 2 , 3
Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực và h ệ quy chiếu
Vì ta thiết kế hệ có tính chất đối xứng nên ta chỉ cần xét phương trình dao động cho m 1
Xét tại m 1 ta có phương trình như sau:
Chiếu phương trình (3.3) lên trục 0x ta được:
Xét tại điểm A ta có phương trình sau:
(3.7) Chiếu phương trình (3.7) lên 0x ta được:
(3.8) Chiếu phương trình (3.7) lên 0y ta được:
Từ các phương trình (3.4), (3.5), (3.6) và (3.10) ta có hệ phương thình sau:
1 1 os cos = cos + sin = sin
(3.11) Đây chính là hệ phương trình dao động của m 1 theo trục 0x
Khi có vận tốc góc tác động vào hệ, lực F c sẽ xuất hiện vuông góc với lực F1, dẫn đến việc m1 dịch chuyển một đoạn y và lệch một góc φ.
Giả sử ban đầu m 3 đứng yên, m 1 chịu tác động của F c làm nó dao động theo phương 0y làm m 3 bi dịch đi một khoảng là s, làm cho k k 4 , 5 nén giãn
Hình 3.3: S ơ đồ phân tích lực khi đặt vận tốc góc v ào h ệ
Ta có phương trình như sau:
Kh ả o sát s ự ph ụ thu ộ c gi ữa đầ u vào v ới đầ u ra c ủ a h ệ dao độ ng
Ta dẫn động hệ bằng một dao động với tần số là 10KHz với biên độ là 0.5 và có dạng: 0.5sin(10000 )
Coi tín hiệu góc quay là một dao động điều hòa có dạng:
Tín hiệu dẫn động F 0.5sin(10000 ) t
Tín hiệu góc quay 1sin(10 ) t
Tín hiệu đầu ra của cảm ứng
Ta dẫn động hệ bằng một dao động với tần số là 10KHz với biên độ là 1.5 và có dạng: 1.5sin(10000 )
Coi tín hiệu góc quay là một dao động điều hòa có dạng:
Tín hiệu dẫn động F 1.5sin(10000 ) t
Tín hiệu góc quay 1sin(10 ) t
Tín hiệu đầu ra của cảm ứng
Ta dẫn động hệ bằng một dao động với tần số là 10KHz với biên độ là 2.5 và có dạng: 2.0sin(10000 )
Coi tín hiệu góc quay là một dao động điều hòa có dạng:
Tín hiệu dẫn động F 2.0sin(10000 ) t
Tín hiệu góc quay 1sin(10 ) t
Tín hiệu đầu ra của cảm ứng
Hệ thống được dẫn động bằng một dao động có tần số 10KHz và biên độ 1.5, được mô tả bởi phương trình F = 1.5sin(10000t) Tín hiệu góc quay được coi là một dao động điều hòa.
Tín hiệu dẫn động F 1.5sin(10000 ) t
Tín hiệu góc quay 0.5sin(10 ) t
Tín hiệu đầu ra của cảm ứng
Tín hiệu ra là một dạng tín hiệu điều chế, trong đó tín hiệu điều chế thể hiện vận tốc góc, còn tín hiệu sóng mang đóng vai trò là dao động kích thích của hệ thống.
Tín hiệu tốt nhất được ghi nhận khi biên độ của dẫn động ở mức 1.5 và tần số đạt 10KHz (trường hợp 2) Khi có sự thay đổi tín hiệu góc quay, đáp ứng đầu ra sẽ thay đổi tương ứng như trong trường hợp 4.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU
Thiết kế mạch phát hiện điện dung Sensing-mode
Việc phát hiện lực Coriolis trong chế độ cảm biến (sensing-mode) là một quá trình phức tạp, do nó phụ thuộc vào việc đo lường dao động trong chế độ này, trong khi biên độ dao động trong chế độ điều khiển (driving-mode) chỉ đạt khoảng vài chục micron.
Một phương pháp đơn giản để khuếch đại dòng điện do dao động ở chế độ cảm biến tạo ra là cấp một điện áp DC vào một cực của cảm biến, kết hợp với điện dung s sn s sin d.
Sơ đồ nguyên lý thực hiện như hình 4.3
Hình 4.3 : Sơ đồ nguy ên lý m ạch vi phân
Việc sử dụng Vi C s có kích thước nhỏ dẫn đến dòng điện cảm ứng đầu ra thấp và tần số tín hiệu sensing trùng với tần số tín hiệu driving, gây khó khăn trong quá trình giải điều chế.
Kỹ thuật giải điều chế đồng bộ được sử dụng để khuếch đại biên độ tín hiệu cảm ứng và tách chúng khỏi dải tần số nhiễu Phương pháp này ghi nhận tín hiệu tần số cao trong chế độ đồng pha của tụ điện vi sai Dòng điện ra từ tụ sensing được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp qua sóng mang và sau đó được khuếch đại.
Hình 4.4: M ạch khuếch đại công cụ
Hiệu ứng Coriolis ở tần số sóng driving gây ra sự biến đổi biên độ sóng mang tại đầu ra Khi tín hiệu sóng mang hình sin V c được đưa vào các tụ cảm ứng vi sai C s và C s , dòng cảm biến sẽ được điều chế biên độ, phản ánh sự thay đổi điện dung Các tín hiệu sóng mang và điện dung cảm ứng sẽ có hình dạng đặc trưng.
Giá trị điện dung ban đầu được ký hiệu là C s và C s , trong khi C s đại diện cho sự thay đổi của điện dung do lực Coriolis Tần số sóng driving được ký hiệu là d và tần số của tín hiệu sóng mang là c Dòng ra từ các tụ cảm biến được mô tả như sau: [2]
( ) ( ) sin sin sin s c s sn c c s c c d s c s sn c c s c c d d d i V t C t C v t C v t t dt dt d d i V t C t C v t C v t t dt dt
Dòng điện cảm ứng trên mỗi tụ được khuếch đại bằng một mạch khuếch với hệ số khuếch đại K, rồi chuyển đổi thành tín hiệu điện áp V s và V s [2]
Bộ khuếch đại vi sai có chức năng khuếch đại sự khác biệt giữa hai tín hiệu điện áp Khi tụ điện vi sai bị ảnh hưởng bởi sóng mang K c C v c sn c os c t bị triệt tiêu, bộ khuếch đại vi sai cũng có khả năng loại bỏ các mức điện dung ký sinh một cách đối xứng.
Hình 4.5 : Sơ đồ nguyên lý m ạch lọc thông dải
Sau đó cho qua một mạch lọc thông dải hình 4.4 với tần số trung tâm c , kết quả sau mạch khuếch đại vi sai thu được V s là: [2]
V s là tín hiệu giải điều chế biên độ với sóng mang c bằng việc nhân tín hiệu cảm ứng V s với tín hiệu sóng mang đó (4.7) os( ) cr cr c
Sau khi giải điều chế tín hiệu V sd nhận được như sau: [2]
( ) os( ) os((2 ) ) sd s c cr c d d c d s c cr c d d c d
Tín hiệu giải điều chế đạt giá trị tối đa khi góc bằng 90 độ và tần số c lớn hơn nhiều so với tần số d Khi tín hiệu giải điều chế V sd được truyền qua mạch lọc thông dải với tần số trung tâm d, các tín hiệu có tần số cao như 2 c, (2 c + d) và (2 c - d) sẽ bị triệt tiêu, chỉ còn lại tín hiệu mong muốn.
Tín hiệu giải điều chế biên độ ở tần số driving sử dụng tín hiệu drive tham chiếu từ dao động vòng Khi xem xét tỷ lệ tín hiệu ra của mạch giải điều chế biên độ đồng bộ, dòng điện cơ bản sẽ được khuếch đại.
2 2 sd c so c cr c c cr motional d DC s d
Tỉ lệ này cho thấy rằng việc sử dụng tín hiệu sóng mang cao tần với c d có thể cải thiện đáng kể biên độ tín hiệu đầu ra Tuy nhiên, điều chế biên độ đồng bộ có thể gây ra mất cân bằng ở các tụ điện ký sinh trong chế độ cảm ứng, dẫn đến việc cấu trúc tụ điện vi sai cần một nguồn offset lớn để bù đắp cho tín hiệu Coriolis yếu Để khắc phục vấn đề này, chúng ta áp dụng cấu trúc lệch của tụ điện mà không cần sử dụng DC offset.
Hình 4.7: Ph ổ tần số của quá trình gi ải điều chế đồng bộ