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

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 biến trên thị trường, cảm biến

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải trong và ngoài nước Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không bịa đặt, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Những kết quả 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 các tài liệu khác

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

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

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

trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện 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 Ngọc Hùng – Viện trưởng ITIMS, trưởng nhóm MEMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đễn tất cả mọi sự giúp đỡ

em trong thời gian vừa qua Em xịn kính chúc các thầy cô, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013

LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS CHỬ ĐỨC TRÌNH

HÀ NỘI - 2013

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

Chương 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 9

1.1 Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes) 9

1.2 Hiệu ứng Coriolis 9

1.3 Công nghệ vi cơ 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 cơ (Gyroscopes MEMS) 13

1.4.1 Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc 13

4.2.2 Phân loại con quay vi cơ 17

Chương 2:THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS 23

2.1 Mục tiêu thiết kế 23

2.2 Cấu trúc các thanh 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 cơ bản về tụ điện 27

2.3.2 Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29

2.3.3 Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược 30

2.4 Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping) 30

2.5 Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork 32

2.5.1 Mô hình thiết kế 1 32

2.5.2 Mô hình thiết kế 2 33

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

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ thống vi cơ 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 ra với vận tốc góc bằng 0 SMD Surface Mount Device Linh kiện dán mặt

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 3.4: Hình ảnh của mode ngược pha của sensing 50

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 nghệ MEMS, một lĩnh vực công nghệ cao đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật 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 cứu thực hiện trong luận văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc dựa trên cấu trúc con quay vi cơ kiểu tuning fork, hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng Coriolis với cấu trúc tụ kiểu răng lược Đây là linh kiện có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như 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 thông

Tính toán và thiết các mạch điện, khảo sát các mạch điện kích thích và phát hiện tín hiệu của cảm biến, với đầu vào là một điều chế cơ học, tính toán thiết kế mạch 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 rất mong 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 Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài Mô men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy 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 chuyển động, con quay hồi chuyển đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định hướng và dẫn lái trong giao thông hàng hải Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặt trên 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 hệ thống dẫn lái của các loại bom ngư lôi, và đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm 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:

2

F  mv   (1.1) Với: mlà khối lượng của vật, vlà 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) Trong đó,  là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật Khi xét dịch chuyển nhỏ tương ứng góc  nhỏ, một cách gần đúng, có:

sin       t (1.3) Thay biểu thức (1.3) vào (1.2) ta có:

2

d   v t         v t t v t (1.4)

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:



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 Bell Telephone đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức

năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội, đã diễn ra một cuộc cách mạng về công nghệ micro và hứa 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 sản phẩm 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 công nghiệp 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 (on chip) nên có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối 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 cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những bộ chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất 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, công nghệ 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 vật liệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging), kết hợp với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu Những năm 60 của thế kỷ XX đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển 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 biến trên 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 Những năm cuối thế kỷ XX, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên 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 (làm tăng 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

kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng điện hóa

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 nghệ MEMS

đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học công nghệ trong việc 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 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 trong nhiều lĩnh vực như 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 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 cơ bản của chuyển động quay đó là vận tốc góc Do cảm biến được gắn trên các hệ chuyển động nên vận tốc góc sẽ có mối 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 được xét 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 quay dao động Nguyên lý hoạt động của loại con quay này được mô tả bởi mô hình tương đương gồm khối gia trọng m, lò xo kx , ky, giảm chấn Cx ,Cy và 2 bậc tự do (hệ tọa

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 hệ quy chiếu quán tính (ij  A) gắn với trái đất

Thông thường, khối gia trọng (m) của hệ con quay được kích thích để có dao động dọc theo phương X (gọi là thành phần kích thích) bởi lực Fd Khi cho cả hệ chuyển động quay với vận tốc góc không đổi  const

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

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

được xác định bởi vector vị trí rA



của m trong hệ quy chiếu con quay Tuy nhiên, trong hệ con quay, mvừa tham gia chuyển động tịnh tiến (chuyển động thẳng) vừa tham gia chuyển động quay, vì thế, v B

sẽ bao gồm vận tốc chuyển động tịnh tiến (translational motion), vB T rB ,

có phương dọc theo trục Z ), ta sẽ nhận được vector vận tốc của m trong hệ quy chiếu con quay, như sau:

của m trong hệ quy chiếu con quay, trong đó, a B

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

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:

F x k v c ma

y y y y

d x

x x x

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:

2

.

2

2 2

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

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

y y

d x

2

x m ky y c y m

F y m kx x c x m

y

d x

số hạng 2m y  và 2m x  trong các phương trình (1.16) chính là các thành phần lực Coriolis theo 2 phương X và Y , tạo ra sự liên kết ràng buộc về mặt động lực học giữa

2 mode dao động Khi hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng

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

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 nghiêng được chế tạo bằng công nghệ MEMS Với từng loại Gyroscopes có độ phân giải, độ nhạy khác nhau thì có các ứng dụng kèm theo khác nhau Gyroscopes được ứng dụng rộng 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 thị trường bằng các Gyroscopes quang và Gyroscopes tĩnh điện bởi vì giá thành của chúng thường 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 phân giải có thể được coi là độ nhạy của linh kiện, có đơn vị tính bằng 0/s hoặc 0/h

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 Cụ thể, 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 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): 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 tin tín hiệu vào và hoàn toàn độc lập với các đặc tính tạo lên các sai lệch về góc nghiêng 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 và hiệu ứng cơ bản của nhiều năm trước Nhưng với sự phát triển của khoa

học công nghệ vật liệu nên các thiết kế mới với các cải tiến về cấu trúc cơ học được đưa ra để phù hợp với phương pháp chế tạo hoặc vật liệu mới Dựa trên chế độ dao động cơ học và cấu trúc hình học người ta phân loại các Gyroscope thành 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 trong lịch sử phát triển con quay vi cơ, được thiết kế và chế tạo vào năm 1991, tại phòng 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 ngoài bằng hai cặp dầm (beam) đối xứng, trong đó cặp dầm ngoài cùng sẽ được gắn với các điểm chốt cố định (anchor), như được minh họa trên (hình 1.4 a) Các dầm này có dạng hình 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 vai trò 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 nhận biết tín hiệu cảm ứng Tác động một điện áp xoay chiều ngược pha vào cặp tụ điều khiển sẽ tạo ra các lực kéo – đẩy giữa các cặp bản cực, khung sẽ bị xoay nghiêng đi làm các dầm treo

bị xoắn một góc giống như một cầu bập bênh (hình 1.4 b) Khi đặt cấu trúc vào một chuyển động quay với vận tốc góc, có phương vuông góc bề mặt cấu trúc ( , khối Z)gia trọng sẽ bị xoay lệch nghiêng cũng dưới dạng bập bênh làm cho điện dung của tụ thay đổi (hình 1.4 c) Thu nhận tín hiệu thay 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 Đại Học Michigan (Mỹ) và Học viện Hàng không Vũ trụ Anh vào năm 1994 Linh kiện sử dụng hệ cấu trúc tụ điện răng lược để kích hoạt và nhận biết tín hiệu Hình 1.5 là một dạng cấu trúc điển hình của kiểu con quay này Hoạt động của linh kiện là do biến dạng đàn hồi của 8 dầm bán nguyệt xếp kiểu cánh quạt tạo ra dao động trong vòng tròn, 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 cấu trúc, sẽ xuất hiện lực Coriolis làm cho vòng dao động lệch góc một góc là

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

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

Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân giải đạt khoảng 0,5 o/s trong dải tần 25Hz Tuy nhiên, có một vài hạn chế cho việc tăng chất lượng sản phẩm, như là:

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

- Do hệ số dãn nở nhiệt của đế Silic khác so với vật liệu làm cấu trúc cảm biến (Nicken), nên khi có sự thay đổi về nhiệt độ thì vòng dao động sẽ giãn hoặc co lại nhiều hơn 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 con quay 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 dựa trên nguyên lý hoạt động của âm thoa Âm thoa là một dụng cụ cộng hưởng âm có cấu 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 động khác nhau từ thấp lên cao khi hai nhánh của thanh chữ U được cho dao động cùng phương 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 Trong trường 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 hệ dao động với hai khối nặng (khối gia trọng – m) được gắn cố định bởi các dầm treo đàn hồi k1 và được gắn với nhau qua hệ lo xo đàn hồi k2 (hình 1.7 a) Bằng cách cho hai khối nặng m chuyển động ngược chiều nhau theo phương x với vận tốc v  ,

rồi đặt hệ trên trong một chuyển động quay, sao cho, vector vận tốc góc  

theo phương Z , sẽ tạo ra cặp lực Coriolis theo phương Y , có trị số như nhau nhưng cũng ngược chiều nhau (hình 1.7 b) Kết quả là, hai khối dao động sẽ dao động theo phương Y trùng với phương và chiều của cặp lực Coriolis Độ dịch chuyển theo 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) vào năm 1993, đến nay, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork đang nhận được sự quan tâm đáng kể tại các trung tâm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về công nghệ linh kiện MEMS, xuất phát từ một số ưu điểm sau:

- Cấu trúc có khả năng điều chỉnh các thông số kích thước để cải thiện các đặc 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 với linh 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 sử dụng 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:

- Chưa khử bỏ được các mode dao động tự nhiên không mong muốn, là nguyên nhân chủ yếu gây ra các tạp nhiễu tín hiệu đo sau này Đây là một vấn đề ảnh hưởng chính đến chất lượng của linh kiện Các thiết kế đã công bố từ trước tới nay mới chỉ khắc phục nhược điểm này bằng cách thiết kế mạch xử lý tín hiệu lối ra Điều này 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 các tín hiệu nhiễu vẫn không tách được hoàn toàn

- Với kết cấu và cơ chế làm việc kiểu dao động, nên thực chất con quay vi cơ 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 hệ thống 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 trong yêu 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 phương pháp cải tiến thiết kế các mô hình của con quay vi cơ nhằm giảm thiểu các nhược điểm đã được

đề cập Với mục đích thực hiện chế tạo linh kiện này với chất 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 trúc gồm hai khối gia trọng được treo bởi hệ các thanh dầm đàn hồi (hình 1.7 a) Khi hoạt động, hai khối gia trọng được kích hoạt để dao động ngược pha nhau 1800 Một dao động cảm ứng theo phương vuông góc với phương dẫn động sẽ xuất hiện khi toàn bộ cấu trúc 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 răng lược (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 làm loại bỏ đi gia tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó giúp cho việc xác định chính xác được vận tốc góc cần đo

Ngoài ra với 2 khối gia trọng chuyển động ngược pha nhau trong mode dao động cảm 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:

- Hai khối gia trọng phần lớn là được dẫn động riêng lẻ theo các hệ cấu trúc răng lược tách biệt Điều này có ưu điểm là có thể tăng được độ lớn của lực tĩnh điện lên nhưng 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 gần với 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 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

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

lý dao 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 x

k m

và tần số cảm ứng y y

k m

  Nếu các thành phần độ cứngk kx, yđược thiết kế, sao

cho, kx  kythì khi đó x  y và hệ dao động đạt trạng thái cộng hưởng

Dầm đàn hồi (elastic beam) có vai trò để treo khối gia trọng tách biệt khỏi đế thông qua các điểm chốt được gọi là anchor Các dầm phải được thiết kế đảm bảo 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

- Tính đàn hồi đủ mềm dẻo đảm để toàn bộ cấu trúc có thể dễ dàng dao động theo 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:

- Độ cứng tổng hợp của dầm theo phương dẫn động và phương cảm ứng phải 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 cảm ứng phải thiết kế sao cho là nhỏ nhất theo các phương ngược lại để đảm bảo chỉ hoạt 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 tạo các 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 dài dầm 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]

Trong đó, lb là chiều dài dầm, wblà độ rộng của dầm, tb là chiều dày của dầm,

E là mô-đun đàn hồi của vật liệu, k k kx, y, z lần lượt là độ cứng theo các phương , ,

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 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:

w2

b b fold ed

Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép

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

3 3

Trong đó, l b và l b1 là chiều dài dầm, wb là độ rộng của dầm, t b là chiều dày 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 song song với nhau, ở giữa được ngăn cách bởi chất điện môi (chất cách điện) Giá trị điện dung được xác định bởi công thức (2.4)

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 tuyến tính được thể hiện như công thức (2.5) và (2.6)

2( )

2

CV

Trong cơ cấu truyền động Khoảng các thay đổi, các lực đẩy tĩnh điện quan tâm

là thành phần lực được tạo ra theo hướng bình thường với mặt phẳng của điện 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 0

y

z x C

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 trúc này có một cực di chuyển giữa hai cực cố định Khi đó điện dung ra trên hai cực cố định A, B là vi sai với nhau, cấu hình này cho thấy lực tác động và điện áp là tuyến tính 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 có thể 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

2 C V d



2.3.3 Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược

Trong cấu hình này, khoảng cách giữa các răng lược là giống nhau Sự thay đổi của điện dung được hình thành bởi sự thay đổi tiết diện tiếp xúc của các răng lược 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 của các tấm song song này tỉ nghịch với giá trị điện dung của tụ, vì sự biến đổi này là rất nhỏ, nên để tăng tín hiệu đầu ra của cẩm biến hay tăng độ nhạy thì người ta đăt nhiều thanh trên một bản cực điện dung ra được tính theo công thức (2.8)

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 trở dao động (damping) Nguyên nhân là do ảnh hưởng của lực ma sát không khí giữa khối gia trọng với đế hay giữa các khe hẹp răng lược với nhau 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 được ở chế độ cộng hưởng thì yếu tố về cản trở dao 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:

m ax

x  Q  x (2.9)

sin max sin sin

y  Q  y (2.10) 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

Ở điều kiện làm việc trong môi trường không khí, với điện thế dẫn động khoảng

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 thành phần 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:

1

f

f f

Trong đó, f ch là tần số cộng hưởng của cấu trúc, ∆f là độ rộng của dải tần hoạt

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

1

k m

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 (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 hoạt động:

Hai khối gia trọng của cấu trúc này cũng được cấu tạo từ hệ hai khung lồng vào nhau Khung ngoài (1) của mô hình có vai trò duy trì dao động theo phương dẫn động Khung trong (2) được treo trong khung (1) bắng một hệ thanh dầm đàn hồi 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 gia trọng cũng được liên kết với nhau bằng một dầm đàn hồi dạng elip (5) Hệ các dầm gập kép có nhiệm vụ neo giữ dầm liên kết elip, nhằm chống lại các biến dạng vặn xoắn (out of plane) sẽ dẫn đến mode dẫn động đồng pha Mô hình này đạt được 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 trong của

hệ khung trong (1)

- Cơ cấu cần đẩy (7) được đặt ở chính giữa thanh liên kết hai khung cảm ứng bên trong Như vậy, với cấu trúc như trên sẽ khử được các mode dao 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 động theo 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 khung của sensing, làm cho nó dịch chuyển theo phương cảm ứng (trục y), làm cho hệ thống

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

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

mô hinh thiết kế 1, với mô hình thiết kế 3 thì các hệ tụ của đầu sensing vi phân với nhau theo 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