Cảm biến đo vận tốc góc mems

Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước PHN M U Lý chn ti: MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) - công nghệ chế tạo tích hợp linh kiện linh kiện điện phỏt trin mạnh, gọi công nghệ chế tạo vi điện tử MEMS l s tớch hp ca cỏc yu t c, cm bin, b kớch hot v cỏc yu t in chung trờn mt Si da trờn cụng ngh vi ch to ó v ang to nhng thay i mang tớnh cỏch mng ch to linh kin kớch c micro, c ng dng cỏc lnh vc cụng nghip, in t dõn dng, quõn s Cụng ngh MEMS ó em li s phỏt trin mnh m cho cụng ngh in t, ng dng ch to nhng sn phm cụng ngh cao, c bit l cụng ngh ch to cỏc loi cm bin, mt nhng thit b cụng ngh cao c ng dng rt nhiu cỏc nghnh k thut Cỏc loi cm bin ó c ng dng thnh cụng nhiu lnh vc ca khoa hc cụng ngh, cỏc thit b: o lng, tỡm kim, phỏt hin, cm nhn v.v Cm bin o tc gúc c ng dng lnh vc o tc gúc hay mc thay i gúc quay, c s dng rt nhiu loi thit b khỏc tựy vo mc ớch s dng v ó em li nhiu kt qu quan trng khoa hc cụng ngh Chớnh s phỏt trin ca khoa hc cụng ngh, s cn thit ca cỏc thit b cụng ngh cao, cỏc thnh cụng v hn ch ca cỏc thit b, ó lụi cun tụi i vo tỡm hiu vi mc ớch mun hiu rừ hn v cm bin o tc gúc, cỏc kt cu ca nú, cỏc kt qu v hn ch, nhm tỡm phng hng khc phc hon thin hn cho cu trỳc ca cm bin Cựng vi tinh thn ham hc hi, s am mờ khỏm phỏ khoa hc v s ch bo, hng dn nhit tỡnh ca Thy giỏo TS inh Vn Dng, TS Trnh Quang Thụng cng nh s ng h nhit Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước tỡnh ca cỏc thy cụ v cỏc bn nờn tụi ó la chn ti: Cm bin o tc gúc MEMS Mc ớch nghiờn cu Tỡm hiu v h thng húa kin thc v nguyờn lý hot ng cm bin o tc gúc, cỏc cu trỳc c bn ca cm bin o tc gúc MEMS i tng nghiờn cu Cm bin o tc gúc MEMS Nhim v nghiờn cu Tỡm hiu lý thuyt v lc Coriolit; Cỏc cu trỳc ca cm bin o tc gúc: kt cu, hot ng, cỏc u nhc im; Cỏc hng nghiờn cu Phng phỏp nghiờn cu Thu thp thụng tin ó cú v cm bin, tng hp ti liu bỏo cỏo Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước PHN NI DUNG CHNG LC CORIOLIT V CM BIN O VN TC GểC MEMS 1.1 Lc Coriolit Nh ta bit, vt ng yờn h quy chiu quay thỡ chu tỏc dng ca lc quỏn tớnh li tõm Lc quỏn tớnh ny cú hng ngc vi hng ca lc hng tõm nờn gi l lc quỏn tớnh li tõm hay gi tt l lc li tõm Hin tng li tõm c ng dng nhiu k thut, nh mỏy quay li tõm, mỏy o tc Nu vt chuyn ng h quay thỡ ngoi chu tỏc dng ca lc li tõm vt cũn chu tỏc dng ca mt lc quỏn tớnh khỏc na, lc quỏn tớnh Coriolit hay gi tt l lc Coriolit Fc Lý thuyt v thc nghim cho bit lc Coriolit ph thuc vo tc gúc ca h quy chiu quay, vo tc v ' ca vt i vi h quy chiu quay v luụn vuụng gúc vi cỏc vộc t tc ú (Hỡnh 1.1) Biu thc tng quỏt ca lc Coriolit l: Fc 2m v ' (1.1) Hỡnh 1.1 Gia tc Corilit ca vt chuyn ng h quy chiu quay Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước hỡnh dung tỏc dng ca lc Coriolit v tỡm biu thc (1.1) ta ln lt kho sỏt cỏc ni dung sau õy: 1.1.1 Thớ d phỏt hin lc Coriolit Ly mt a nm ngang cú th quay quanh trc thng ng qua tõm ca nú Fc A O v' A A Hỡnh 1.2 Qu o chuyn ng ca viờn bi trờn a quay di tỏc dng ca lc Coriolit Vch trờn a mt bỏn kớnh OA Theo hng t O n A, ta cho qu cu ln vi tc v Nu a khụng quay thỡ qu cu ln dc theo bỏn kớnh OA (hỡnh 1.2) Nu a quay theo hng mi tờn chng hn, thỡ qu cu s ln theo ng cong OA (ng chm chm) ngha l tc thay i hng i vi a quay Chuyn ng cong ca qu cu trờn mt a xy phi mt lc no ú tỏc dng vuụng gúc vi tc v ' Lc ny l lc quỏn tớnh Coriolit 1.1.2 Biu thc lc Coriolit tng quỏt: Gi Oxyz l h quy chiu ng yờn, Oxyz l h quy chiu gn vi a quay, ú trc x trựng vi trc z v trựng vi trc ca a (Hỡnh 1.3) Vi quy c ny thỡ bỏn kớnh vộc t ca vt i vi h ng yờn v r ' i vi h quay l trựng Bỏn kớnh vộct ca vt c tớnh theo: r r ' x ' e ' x y ' e ' y z ' e 'z (1.2) Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Trong ú e 'x , e ' y , e ' z l cỏc vect n v trờn cỏc trc ta ca h Oxyz Cỏc vộct e 'x v e ' y quay theo h Oxyz vi cựng tc , ngha l chỳng nm yờn i vi h ny Cũn i vi h ng yờn Oxyz thỡ chỳng quay vi tc Do ú ly tớch phõn (1.2) i vi r thỡ phi coi e 'x v e ' y nh l hm ca thi gian t, cú o hm bng : e 'x e ' y ; e ' y e 'x (1.3) y e ' x e ' y e 'y e 'x z x Hỡnh 1.3 H ta quay v o hm bc hai bng: e 'x e ' y e 'x (1.4) e ' y e 'x e ' y Ta bt u tớnh gia tc a ca mt vt chuyn ng tựy ý S dng (1.2) ta cú: i vi h quay thỡ tc v ' ca vt l: v ' r ' x ' e 'x y ' e ' y z ' e ' z v gia tc a ' s l: a ' v ' xe 'x y e ' y z e 'z (1.5) (1.6) Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước i vi h ng yờn thỡ tc v ca vt l: v r x ' e ' x x ' e ' x y ' e ' y y ' e ' y z ' e 'z (1.7) v gia tc a s l: a v x ' e 'x x ' e 'x x ' e ' x y e ' y y ' e ' y y ' e ' y z e 'z hay T (1.3), (1.4), (1.6) suy (1.8) cú dng: a a ' ( x ' e 'x y ' e ' y ) ( xe ' x ye ' y ) a a ' 2(v 'x e 'x v ' y e ' y ) ( xe 'x ye ' y ) (1.8) (1.9) Biu thc cỏc du ngoc s hng cui ca (1.9) bng thnh phn vuụng gúc vi trc quay (trc z) ca bỏn kớnh vộct r ' (xem (1.2)) Ta kớ hiu thnh phn ny l R ú s hng cui cựng bng R S hng th hai ca (1.9) l khai trin ca tớch vộct 2( v ') Tht vy, ta hóy biu din tớch vộct ny di dng nh thc: e 'x v ' x v 'x e 'y y v 'y e 'z z v 'z 1.10 Chỳ ý thờm rng x = y = vỡ h quay quanh trc z vi tc , ú: e 'x e ' y e 'z v' 0 v 'x v ' y v 'z F qt m( a ' a ) m ( v ') m R 1.11 1.12 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Nh vy h thc (1.7) cú dng: a a ' v' R 1.13 Chỳ ý n (1.3) ta tỡm c lc quỏn tớnh tỏc dng lờn vt m l: F qt m( a ' a ) 2m( v ') m R (1.14) ú lc m R cú hng t tõm quay ngoi l lc quỏn tớnh li tõm xut hin s quay ca a, cũn lc 2m( v ') xut hin cú s chuyn ng tng i ca vt vi a quay vi tc l lc quỏn tớnh Coriolit Vy biu thc tng quỏt ca lc Coriolit l: FC 2m( v ') hay FC 2m(v ' ) (1.15) Nh vy bng cỏc phộp tớnh toỏn ta ó tỡm biu thc nh lng giỏ tr ca lc Coriolit v ta thy lc Coriolit ph thuc vo tc gúc quay v tc chuyn ng tng i v ' Biu hin ca lc Coriolit thc t cỏc hin tng t nhiờn nhỡn chung cú giỏ tr nh Tuy nhiờn nu nú tỏc dng thi gian di thỡ cng u gõy nh hng Lc giỳp ta ct ngha vỡ li cú hin tng bi n sy hai b sụng Hin tng ny cng xy i vi ng ray xe la mt chiu Lc Coriolit tỏc dng lờn c chuyn ng ca cỏc vt chuyn ng vi tc ln nh tu thy, mỏy bay, ng n, c bit l cỏc tờn la, cỏc trm v tr phúng t mt t Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước 1.2 Cm bin o tc gúc MEMS da trờn nguyờn lý lc Coriolit 1.2.1 Tng quan v cụng ngh MEMS Vo th k XX, cỏc thit b in t c tớch hp vi s lng ngy cng ln, kớch thc ngy cng nh v chc nng ngy cng c nõng cao iu ny ó mang li s bin i sõu sc c v mt cụng ngh ln xó hi Vo cui nhng nm 50 ca th k XX, mt cuc cỏch mng hoỏ v cụng ngh micro ó din v hn mt tng lai cho tt c cỏc ngnh cụng nghip H thng vi c in t (Micro ElectroMechanical Systems) vit tt l MEMS cng ó c i v phỏt trin giai on ny Cụng ngh vi c ó v ang tin xa hn nhiu so vi ngun gc ca nú l cụng nghip bỏn dn MEMS bao gm nhng cu trỳc vi c, vi sensor, vi chp hnh v vi in t cựng c tớch hp trờn cựng mt chip (on chip) Cỏc linh kin MEMS thng c ch to t silic Mt thit b MEMS thụng thng l mt h thng vi c tớch hp trờn mt chip m cú th kt hp nhng phn c chuyn ng vi nhng yu t sinh hc, hoỏ hc, quang hoc in Kt qu l cỏc linh kin MEMS cú th ỏp ng vi nhiu loi li vo: hoỏ, ỏnh sỏng, ỏp sut, rung ng tc v gia tc Vi u th cú th to nhng cu trỳc c hc nh tinh t v nhy cm c thự, cụng ngh vi c hin ó cho phộp to nhng b cm bin (sensor), nhng b chp hnh (actuator) c ng dng rng rói cuc sng Cỏc b cm bin siờu nh v rt tin ớch ny ó thay th cho cỏc thit b o c k, cng knh trc õy Tuy rng MEMS mi i cha lõu nhng ó cú rt nhiu ng dng gúp phn khụng nh vo s phỏt trin i sng xó hi Cỏc ng dng ph cp: Cỏc ng dng ph cp nht hin ca cụng ngh MEMS cỏc ngnh cụng nghip cú th túm tt nh sau: 10 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Sensor ỏp sut: Kim tra t l nhiờn liu v cỏc chc nng o c khỏc khỏc ụtụ, thit b o huyt ỏp v cỏc ng dng dõn dng khỏc Sensor gia tc v gyroscope: Tỳi khớ ụtụ, thit b nh hng cho tờn la v cỏc phng tin ti Hin th: Cỏc mn hỡnh phõn gii cao dựng cỏc vi gng cho cỏc thit b in t u phun mc: Hng trm triu chip phun mc mt nm cho cỏc mỏy in laser en trng v mu Cỏc sensor hoỏ hc: Cho cỏc mc ớch y t v y sinh hc Chuyn mch cho thụng tin quang si: Internet, truyn hỡnh v thụng tin gii rng dựng cỏp quang Vi van: Cỏc h sc k khớ cc nh s dng cỏc dóy vi van Chuyn mch in c: Cỏc vi rle cỏc ng dng mt chiu, xoay chiu v vụ tuyn 11 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước 1.2.2 Vi cm bin tc gúc MEMS Vn tc gúc l mc thay i gúc quay mt n v thi gian (Hỡnh 1.4).Vn tc gúc c xỏc nh: M d d dt M 1.16 O R A Hỡnh 1.4 S thay i gúc quay Cm bin tc gúc l thit b dựng o tc gúc õy ta s tỡm hiu v cm bin ng hi chuyn s dng hiu ng lc Coriolit (Hỡnh 1.5) Cm bin ng hi chuyn s dng mt proof-mass dao ng theo mt phng c gi l phng s cp Khi ny ng thi b quay quanh mt trc, lm xut hin lc Coriolit khin nú cú thờm dao ng theo phng khỏc, gi l phng th cp Trờn phng chuyn ng th cp ny cú gn bn cc t in nhn bit s thay i in dung gõy bi chuyn ng ny, v t ú l tc xoay Hỡnh 1.5 Cu trỳc cm bin s dng proof-mass 12 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước 2.3 Cu trỳc cng hng vũng xuyn Hỡnh 2.4 Cu trỳc vũng xuyn Cu trỳc (Hỡnh 2.4): Bao gm mt l khung vũng xuyn c bi tỏm na vnh trũn, tỏm na vnh trũn ny cú tỏc dng nh cỏc nhớp lũ xo cú th un cong ri li tr v hỡnh dng na trũn, chớnh iu ny giỳp cho cú th un mt cỏch nhp nhng Mt s lng ln in cc lỏi v in cc cm ng c gn vũng quanh cu trỳc c truyn ng tnh in nh chớnh cỏc in cc gn xung quanh v un nh hỡnh kiu elip vi biờn nht nh cựng mt phng Khi ch th quay trũn theo phng i qua tõm lc coriolit gõy cụng to s truyn t mode ban u sang mode un cp hai theo phng hp vi phng ban u gúc 450 (Hỡnh 2.5) Biờn ca dao ng cp hai l, ly theo t l mc thay i gúc quay v in dung bin i Dao ng ca kt cu cú s quan trng i vi cỏc thao tỏc trờn ng bao Mode lỏi v mode cm ng l nhng yu t chớnh, mt iu rt tt l vic x lớ tn s cng hng cú c kt qu di nhy rng, iu 21 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước ny giỳp ta r rng chn tn s cng hng phự hp nht cho hot ng ca cm bin v vic thu ly tớn hiu u Hỡnh 2.5 Biu th s un ca di tỏc dng ca lc coriolit Trờn kt cu ca ton b cú s khụng n khp tn s trờn cỏc phn lng hoc s biu hin khụng bn vng dao ng cụng ngh ch to cú th c bự tnh in bng vic ỏp dng thớch ng in ỏp lch trờn cỏc bn cc xung quanh kt cu 22 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Hỡnh 2.6 Hỡnh nh cu trỳc thc a) u im ca cu trỳc R rng chn tn s cng hng phự hp nht cho hot ng ca cm bin v vic thu ly tớn hiu u Vic lỏi v iu chnh dao ng thc hin r rng nh cỏc in cc xung quanh kt cu b) Nhc im ca cu trỳc Cú chuyn ng c cu trỳc nờn khụng th trỏnh ma sỏt, chớnh iu ny gõy mt tu sai Cụng ngh ch to phc tp, cn to s chớnh xỏc v mt i xng m bo cho vnh dao ng mt phng tng i 23 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước 2.4 Cu trỳc ci rng lc Hỡnh 2.7 Cu trỳc ci rng lc Cu trỳc (Hỡnh 2.7) s dng ng thi hai s dch chuyn ca c thnh phn lỏi v thnh phn cm ng cựng mt mt phng Cu trỳc lỏi l b phn truyn ng bi lc lỏi, cu to bi h thng cỏc in cc xen k ging nh cỏc rng lc Cu trỳc cm ng v cu trỳc lỏi c ghộp vi bi bn lũ xo cm ng, bn lũ xo mm ny cm nhn s lc ca khung lỏi s to s lc cm ng ca cm ng Khung lỏi c gn vi bi bn neo thụng qua cỏc lũ xo S dao ng ca cm bin c un nh hng theo trc dc ca cm bin Kt qu ca gia tc Coriolit t l vi s lỏi quay Khi cú s quay ca c h thng, lỳc ú s cú s dao ng ca khung lỏi c iu khin bi cỏc in cc lỏi, nh s liờn kt mm vi khung lỏi m b cm ng cng sy s dao ng, mc dao ng c cm nhn bi s 24 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước thay i tớn hiu in trờn cỏc bn t b cm ng T ú ly c kt qu ca mc thay i gúc thụng qua gia tc Coriolit a) u im ca cu trỳc Cu trỳc th hin c tớnh u vit ca s lỏi v cm ng b) Nhc im ca cu trỳc Cú chuyn ng c cu trỳc nờn khụng th trỏnh ma sỏt, chớnh iu ny gõy mt tu sai Cụng ngh ch to phc tp, ũi hi cao cho cỏc chi tit nhy cm 25 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước CHNG CC HNG NGHIấN CU ANG PHT TRIN 3.1 Phỏt trin cu trỳc cm bin mi Cựng vi s phỏt trin mnh nh v bóo ca khoa hc cụng ngh, ó to nhu cu phỏt trin mnh m ca cỏc ngnh k thut, ch to v.v D nhiờn, cụng ngh ch to cỏc loi cm bin núi chung v cụng ngh ch to cm bin o tc gúc núi riờng cng khụng nm ngoi quy lut ca s phỏt trin Cỏc loi cm bin hin c ng dng rt nhiu cỏc lnh vc khỏc v cú rt nhiu úng gúp quan trng cho s phỏt trin chung ca ton xó hi Tuy nhiờn, chớnh s phỏt trin mnh m ca khoa hc cụng ngh li t mt yờu cu cp thit i vi lnh vc cm bin l cn phi cú nhng cu trỳc mi, mi m bo c nhu cu ng dng ngy cng phong phỳ v hin i Núi v cm bin o tc gúc, hin cỏc cu trỳc ang c s dng nhiu nh: Turning-fock; Khung dao ng; Cng hng vũng xuyn v cu trỳc ci rng lc, ó cú nhiu thnh cụng nhng cng khụng th trỏnh nhng hn ch nht nh l kt cu hoc cụng ngh ch to m hot ng nhng iu kin nht nh ó to khc phc phn no nhng hn ch ca nhng kt cu ó cú ngi ta ó xõy dng lờn cỏc kt cu mi trờn c s ú Di õy s gii thiu mt s kt cu sau: S dao ng hi hũa gia hai proof-mass nh vo s liờn kt cỏc in cc lỏi gia hai ny c s dng kt cu nh hỡnh v (Hỡnh 3.1) Khi cú s quay ca c quanh trc z, tc gúc c nh hng theo phng oz, lc lỏi c nh hng theo phng ox l lc tnh in c to t cỏc in cc lỏi to s dch chuyn theo phng ny, lc coriolit xut hin theo phng oy to mode dao ng th hai ca hai proof-mass theo phng ny, mc dao ng ca hai ú t l vi 26 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước hng ca s quay v c cm nhn bng cỏc in cc cm ng Mt kt cu tng t nh hỡnh v (hỡnh 3.2) Hènh 3.1 Kt cu Mode-Matched Tuning Fork Gyroscope (M2-TFG) Hỡnh 3.2 Kt cu s dng hai proof-mass c liờn kt dao ng bng cỏc t in 27 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Trong cu u trỳc ci c rng lc, cú c c nhy cao hn h ngi ta s dng ng khụng ch mt khung cm ng m m cũn s dng kt cu vi hhn mt khung cm ng, gi l cu c trỳc thang (hỡnh 3.3) Hỡnh nh 3.3 3.3 Kiu kt cu thang cho cu trỳc ci i rng lc l Mt t s kt hp hon ho ho gia khung dao ng v cỏc kh dao ng c c ng dng kt cu ca quay cú bc t do, ó to cho kt cu u nhng tớnh nng vt v tri mode nhy v mode ccm ng (hỡnh 3.4) Vm VDL Vd VSL VSR VDR Hỡnh 3.4 Cm Cm bin kiu quay bc t 28 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Cỏc cu trỳc c ó cú nhiu s ci thin v tớnh nng nhng khụng trỏnh mt sai s khụng nh kt qu o, iu ny l s hot ng ca kt cu s dng hon ton l chuyn ng c nờn khụng th trỏnh s nh hng ca ma sỏt chuyn ng Kt cu khụng chu nh hng ca chuyn ng c hc ú l kt cu ng dng cỏc hiu ng quang hc Cu trỳc s dng s giao thoa ỏnh sỏng laser bờn mt vnh quang hc nhn bit thay i v phng hng v s xoay (hỡnh 3.5), ng dng hiu ng Sagnac H thng gm tia laser c phỏt t cựng mt ngun, i ngc chiu theo mt ng ng dn khộp kớn (nh cỏc gng hay si quang), trờn mt nn xoay Trờn ng tr v ngun phỏt, chỳng c cho thoỏt thit b theo cỏch cho cú th to giao thoa Hỡnh 3.5 S cu trỳc s dng laser 29 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước Khi nn xoay, v trớ ngun phỏt cng nh v trớ ớch n thay i sut thi gian truyn ca laser, ú, mt tia s cú hnh trỡnh ngn i cũn tia phi i di hn, kt qu l h giao thoa b dch chuyn v t dch chuyn ca h giao thoa cú th suy c tc xoay ca nn A f n. P Trong ú: A l din tớch c che kớn; P chu vi ng bao; bc súng ỏnh sỏng; n vộct chun húa A; vộct tc gúc Hỡnh 3.6 Cm bin s dng laser u im cu trỳc: Khụng cú b phn chuyn ng Khụng cú ma sỏt Chớnh xỏc hn cm bin c khớ Nh gn, vng chc Khụng cú xu hng chng li s thay i v hng nh cm bin c khớ 30 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước 3.2 Ci tin cụng ngh ch to Cụng ngh ch to cm bin vi mụ t nhng yờu cu rt kht khe, c bit l yờu cu giao din, s tỏn nhit, v s cn thit phi khc phc nhiu, n cho c thit b in v c Mi giao din mt h thng siờu vi luụn tn ti nhng thụng lng khụng mong mun (thụng lng tha), nh thụng lng in t, c khớ, nhit, hoỏ hc, õm thanh, v quang thụng Nh vy l mt yờu cu t l phi luụn luụn cú s ci tin v cụng ngh ch to hon thin v tng kh nng ng dng ca linh kin, vic ỏnh giỏ cỏc thụng s ca chỳng c bit quan trng Do kớch thc ca cỏc linh kin vi c núi chung v cm bin o tc gúc núi riờng l rt nh, t vi chc milimet cho n vi chc micromet, v nh hn na, nờn vic o c ỏnh giỏ chớnh xỏc cỏc tham s ca chỳng l mt nhng bi toỏn ũi hi chớnh xỏc cao, tinh t Vi linh kin MEMS núi chung v cm bin tc gúc núi riờng, cu trỳc kiu t cho phộp linh kin lm vic vi n nh nhit, nhy cao Tuy nhiờn, giao din in t tng i phc Cm bin o tc gúc c ch to bng vt liu silic Cu trỳc c ch to trờn c s cụng ngh vi c da trờn c tớnh n mũn d hng ca vt liu silic n tinh th dung dch kim potassium hydroxide (KOH) to nờn cỏc cu trỳc c hc dng u im ca cụng ngh ny l tng i n gin, ch dựng kt hp k thut quang khc vi phng phỏp n mũn t to cu trỳc Song nhc im ca nú l c im cú s khỏc v tc n mũn ca silic theo cỏc hng tinh th khỏc Chớnh vỡ vy, cu trỳc khụng cú cnh thng ng,v khụng th gim kớch thc n gii hn ngng i vi mt chiu dy nht nh Tuy cú s hn ch v cu trỳc c, song nhiu thụng s cụng ngh cú th c ci thin nh phn mch in t Cỏc phn t mch in c ghộp trc tip trờn cu trỳc 31 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước c to thnh cm bin hon chnh Thụng qua cỏc phn t mch in ta cú th iu chnh cỏc thụng s u vo cng nh vic x lớ cỏc tớn hiu u Nh vy t l cn phi xõy dng lờn cỏc phn t mch in hon chnh, xõy dng cỏc phng phỏp o hp lớ hn cú th khc phc phn no nhc im cụng ngh ch to vi c to Cụng ngh nano, mt cụng ngh y hn i vi nhiu lnh vc cuc sng ú cú cụng ngh cm bin Ri õy, cụng ngh nano s mang li nhng thnh cụng vt bc cho cụng ngh ch to cỏc loi cm bin Cụng ngh tớch hp nano cú th to nhng th h cm bin tớ hon, thụng minh, nhy, ớt hao in nng v cú th c sn xut hng lot vi giỏ thnh h 3.3 Nghiờn cu ng dng Cỏc loi cm bin núi chung v cm bin o tc gúc núi riờng, ó c ng dng rt nhiu cỏc lnh vc khỏc ca khoa hc cụng ngh mang li nhiu li ớch cho i sng xó hi Sau õy xin nờu mt vi ng dng ca cm bin o tc gúc: - Trong lnh vc Hng Khụng: Cm bin c dựng xỏc nh nghiờng ca mỏy bay Cm bin c gn trờn mỏy bay ti v trớ cõn bng tnh v c nh hng thng bng mt phng ca hai cỏnh mỏy bay, bay trờn khụng trung v cú s nghiờng ca mỏy bay tc l cú s quay dc theo trc ca thõn mỏy bay, nh vo cm bin ny cú th xỏc nh c gúc quay dc theo trc quay t ú bit c nghiờng ca mỏy bay - Trong lnh vc quõn s: Vic ch to cỏc loi tờn la v vic th nghim to cỏc loi ti u nht l rt quan trng Yờu cu c bn ca tờn la cú th nờu l kh nng bay xa v nh hng chớnh xỏc, cỏc yờu cu ny cú th hon thnh nh vo cụng ngh ch to v th 32 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước nghim Tựy vo mc ớch khỏc m cỏc yờu cu trờn s c la chn u tiờn Vi tờn la yờu cu bay xa c chỳ trng thỡ vic to s quay xung quanh trc bay s c la chn mc quay hp lớ, nh vo cm bin o tc gúc ta cú th xỏc nh c mc quay xung quang trc ca tờn la cú s iu chnh hp lớ, bng cỏch gn lờn tờn la th nghim cm bin ny mt cỏch thớch hp Ngc li, vi cỏc tờn la cn kh s quay xung quanh trc thỡ thụng qua cỏch trờn ta s xỏc nh v kh c s quay thụng qua iu chnh quy trỡnh k thut - Trong lnh vc gii trớ: Lnh vc ny ng dng cụng ngh t ng nhiu nht v cng s dng rt nhiu cm bin loi ny VD: Mt chic mỏy nh t ng s cú kh nng t ng iu chnh ng kớnh (t ngm) chp c nhng bc nh cú cht lng tt nh s dng s kt hp mt s loi cm bin ú cú cm bin o tc gúc, cỏc loi cm bin khỏc lm nhim v thu nhn v x lớ tớn hiu vo (ỏnh sỏng, khong cỏch, mc phn x nh) t vt cn chp ri a tớn hiu vo cm bin o tc gúc (cỏc tớn hiu ny ó c mc nh np trc) tớn hiu qua cm bin s cho kt qu l mt gúc xoay ng kớnh hp lớ, kt qu c truyn ti b iu khin v xoay ng kớnh ri t ng chp nh Trờn õy l mt vi ng dng cm bin o tc gúc, cũn rt nhiu ng dng cm bin loi ny cỏc lnh vc khỏc m tụi khụng trỡnh by khúa lun ny thi lng cú hn Mong rng vi cỏc kin thc m tụi ó trỡnh by trờn cỏc bn s t tỡm hiu cỏc ng dng khỏc Chc chn rng cỏc bn s thy rt thỳ v 33 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước KT LUN Kt qu t c t khúa lun Cm bin o tc gúc MEMS cho phộp rỳt mt s kt lun sau: ó tỡm hiu v h thng húa kin thc c bn v cm bin o tc gúc MEMS, bao gm cu trỳc, nguyờn lớ hot ng ca cm bin ó h thng húa kin thc v phõn loi c cu trỳc cm bin o tc gúc MEMS, bao gm Cu trỳc turning-fock; Cu trỳc khung dao ng; Cu trỳc cng hng vũng xuyn; Cu trỳc ci rng lc Bc u tỡm hiu c cỏc hng nghiờn cu ang phỏt trin v cm bin o tc gúc MEMS 34 Tháng 05 năm 2009 Khóa Luận Tốt Nghiệp Giáp Văn Phước TI LIU THAM KHO Dr Dinh Van Dung, Introduction to Gycroscope, HaNoi Pedagogical University No.2 Dau Thanh Van, Study on Silicon Thermoresistive Fluidic Inertial Sensors Utilizing Microelectromechanical Systems (MEMS) Technology, Ritsumeikan University Graduate School of Science and Engineering Doctoral Program in Science and Engineering, 25th December 2006 Doctoral Thesis Yoichi Mochida, Yoshitaka Kato, Yoshihiro Konaka, Akira Mori, Masato Kobayashi and Shinji Kobayasshi, PRECISE MEMS GYROSCOPE WITH LADDER STRUC, The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, June 10-14, 2007 Ajit Sharma, Mohammad Faisal Zaman, Mark Zucher and Farrokh Ayazi, A 0.1/HR BIAS DRIFT ELECTRONICALLY MATCHED TUNING FORK MICROGYROSCOPE, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, USA Nguyn Th Minh Hng, V Ngc Hựng, Nguyn Phỳ Thựy Trnh Quang Thụng, inh Vn Dng, CM BIN VN TC GểC DRAPPER: CễNGNGH CH TO V GIAO DIN IN T, E-mail: hang_imet@yahoo.com, hangntm@itims.edu.vn, Tel : 84-4-8680787, Fax : 84-4-8692963 Adam R Schofield, Alexander A Trusov, Cenk Acar, and Andrei M Shkel, ANTI-PHASE DRIVEN RATE GYROSCOPE WITH MULTIDEGREE OF FREEDOM SENSE MODE, The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, June 10-14, 2007 35 Tháng 05 năm 2009 [...]... NghiÖp Gi¸p V¨n Ph­íc KẾT LUẬN Kết quả đạt được từ khóa luận “ Cảm biến đo vận tốc góc MEMS cho phép rút ra một số kết luận sau: 1 Đã tìm hiểu và hệ thống hóa kiến thức cơ bản về cảm biến đo vận tốc góc MEMS, bao gồm cấu trúc, nguyên lí hoạt động của cảm biến 2 Đã hệ thống hóa kiến thức và phân loại được cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc MEMS, bao gồm Cấu trúc turning-fock; Cấu trúc khung dao động;... nhiều cảm biến loại này VD: Một chiếc máy ảnh tự động sẽ có khả năng tự động điều chỉnh ống kính (tự ngắm) để chụp được những bức ảnh có chất lượng tốt nhờ sử dụng sự kết hợp một số loại cảm biến trong đó có cảm biến đo vận tốc góc, các loại cảm biến khác làm nhiệm vụ thu nhận và xử lí tín hiệu vào (ánh sáng, khoảng cách, mức độ phản xạ ảnh) từ vật cần chụp rồi đưa tín hiệu vào cảm biến đo vận tốc góc. .. Ph­íc Cảm biến được gắn trên vật chủ cần đo vận tốc góc, tín hiệu lấy ra từ cảm biến được đưa qua bộ khuếch đại biên độ rồi cho qua bộ lọc, lọc tín hiệu cần thiết rồi được đưa qua một máy tính xử lí tín hiệu cho kết quả đầu ra Hệ thống đo như sơ đồ (Hình 1.6): Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống đo Trên kết cấu của cảm biến người ta gắn các cơ cấu lái và cảm ứng là các tụ điện thay đổi được điện dung hoặc các biến. .. cuộc sống trong đó có công nghệ cảm biến Rồi đây, công nghệ nano sẽ mang lại những thành công vượt bậc cho công nghệ chế tạo các loại cảm biến Công nghệ tích hợp nano có thể tạo ra những thế hệ cảm biến tí hon, thông minh, nhạy, ít hao điện năng và có thể được sản xuất hàng loạt với giá thành hạ 3.3 Nghiên cứu ứng dụng Các loại cảm biến nói chung và cảm biến đo vận tốc góc nói riêng, đã được ứng dụng... dụng của cảm biến đo vận tốc góc: - Trong lĩnh vực Hàng Không: Cảm biến được dùng để xác định độ nghiêng của máy bay Cảm biến được gắn trên máy bay tại vị trí cân bằng tĩnh và được định hướng thăng bằng trong mặt phẳng của hai cánh máy bay, khi bay trên không trung và khi có sự nghiêng của máy bay tức là có sự quay dọc theo trục của thân máy bay, nhờ vào cảm biến này có thể xác định được góc quay dọc... quan trọng Do kích thước của các linh kiện vi cơ nói chung và cảm biến đo vận tốc góc nói riêng là rất nhỏ, từ vài chục milimet cho đến vài chục micromet, và nhỏ hơn nữa, nên việc đo đạc đánh giá chính xác các tham số của chúng là một trong những bài toán đòi hỏi độ chính xác cao, tinh tế Với linh kiện MEMS nói chung và cảm biến vận tốc góc nói riêng, cấu trúc kiểu tụ cho phép linh kiện làm việc với... vuông góc với phương lực lái hay các kết quả của gia tốc Coriolit được định hướng vuông góc với phương lái Lực Coriolit có thể được phát hiện từ độ cong của chân dĩa nhờ sự dao động ổn định của chân dĩa hoặc từ sự dao động xoắn của thân dĩa thông qua sự biến đổi điện dung của tụ điện cảm ứng hoặc sự biến thiên điện trở của biến trở cảm nhận Một bài toán về sự cảm nhận một biến đổi tốc độ góc của những cảm. .. ĐANG PHÁT TRIỂN 3.1 Phát triển cấu trúc cảm biến mới Cùng với sự phát triển mạnh như vũ bão của khoa học công nghệ, đã tạo ra nhu cầu phát triển mạnh mẽ của các ngành kĩ thuật, chế tạo v.v… Dĩ nhiên, công nghệ chế tạo các loại cảm biến nói chung và công nghệ chế tạo cảm biến đo vận tốc góc nói riêng cũng không nằm ngoài quy luật của sự phát triển Các loại cảm biến hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều... tìm hiểu cụ thể về các cấu trúc đó 14 Th¸ng 05 n¨m 2009 Khãa LuËn Tèt NghiÖp Gi¸p V¨n Ph­íc CHƯƠNG 2 PHÂN LOẠI CẤU TRÚC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS 2.1 Cấu trúc turning-fork: Fcoriolit Fdriver Ω Hình 2.1 Cấu trúc turning-fork Kết cấu đã được sử dụng trong cảm biến đo mức độ biến đổi góc là một kết cấu dạng dĩa (turning-fork) biểu diễn trên hình (2.1) Chân dĩa là các trục dao động chế tạo bằng một loại... thể suy được vận tốc xoay của nền 4 A   f  n. P Trong đó: A là diện tích được che kín; P chu vi đường bao;  bước sóng   ánh sáng; n véctơ chuẩn hóa A;  véctơ vận tốc góc Hình 3.6 Cảm biến sử dụng laser Ưu điểm cấu trúc: Không có bộ phận chuyển động → Không có ma sát → Chính xác hơn cảm biến cơ khí Nhỏ gọn, vững chắc Không có xu hướng chống lại sự thay đổi về hướng như cảm biến cơ khí 30 ... Cảm biến đo vận tốc góc MEMS Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu hệ thống hóa kiến thức nguyên lý hoạt động cảm biến đo vận tốc góc, cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc MEMS Đối tượng nghiên cứu Cảm biến. .. Vi cảm biến vận tốc góc MEMS Vận tốc góc mức độ thay đổi góc quay đơn vị thời gian (Hình 1.4) .Vận tốc góc xác định: M’ d  d dt M  1.16  O R A Hình 1.4 Sự thay đổi góc quay Cảm biến vận tốc. .. khóa luận “ Cảm biến đo vận tốc góc MEMS cho phép rút số kết luận sau: Đã tìm hiểu hệ thống hóa kiến thức cảm biến đo vận tốc góc MEMS, bao gồm cấu trúc, nguyên lí hoạt động cảm biến Đã hệ thống