Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vì cơ điện tử nhiều bậc tự do

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Vũ Văn Thể ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viên hướng dẫn khoa học PGS TS Trần Quang Dũng, PGS TS Chử Đức Trình tận tình dìu dắt, bảo trình học tập thực luận án Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn đến PGS TS Vũ Công Hàm, TS Bùi Thanh Tùng có đóng góp quý báu giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án Xin cảm ơn đồng nghiệp Bộ mơn Cơ học máy, Khoa Cơ khí đồng hành với nghiên cứu sinh suốt thời gian thực luận án Đặc biệt, nghiên cứu sinh muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân tạo điều kiện thời gian, động viên tinh thần giúp nghiên cứu sinh toàn tâm toàn ý vào thực luận án Tác giả Vũ Văn Thể iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU Chương MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC 1.1 Tổng quan MEMS 1.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng MEMS 1.1.2 Các hiệu ứng sử dụng MEMS 1.1.3 Công nghệ chế tạo thiết bị MEMS 1.2 Cảm biến vận tốc góc ứng dụng 10 1.2.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu quay cổ điển 10 1.2.2 Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học 12 1.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi điện tử 13 1.3 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 15 1.3.1 Nguyên lý hoạt động 15 1.3.2 Các thông số đánh giá chất lượng MVG 16 1.3.3 Phân loại cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 17 1.4 Các nghiên cứu MVG 18 1.4.1 Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn 19 1.4.2 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động 19 1.4.3 Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục 20 1.4.4 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự 21 Kết luận chương 30 iv Chương CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TÔC GÓC 32 2.1 Nguyên lý chung hoạt động cảm biến vận tốc góc 32 2.2 Hiệu ứng tĩnh điện 33 2.2.1 Tụ điện phẳng 33 2.2.2 Lực pháp tuyến 35 2.2.3 Lực tiếp tuyến 36 2.2.4 Hiệu ứng viền tụ 37 2.2.5 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện vi kích hoạt lược 40 2.3 Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện cảm ứng tín hiệu 43 2.3.1 Ảnh hưởng khe hở hai tụ 43 2.3.2 Ảnh hưởng khoảng xếp chồng 44 2.3.3 Hệ tụ điện cảm ứng vi sai 45 2.4 Điều chế giải điều chế 47 2.4.1 Điều chế tín hiệu biên độ dao động 47 2.4.2 Giải điều chế 49 2.5 Cơ sở học vi cảm biến vận tốc góc 51 2.5.1 Hệ số độ cứng tương đương dầm đàn hồi 51 2.5.2 Thành phần cản mơ hình dao động hệ vi điện tử 58 Kết luận Chương 62 Chương ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC HAI BẬC TỰ DO 63 3.1 Động lực học vi cảm biến vận tốc góc phần tử hai bậc tự 63 3.1.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc MVG 63 3.1.2 Hệ phương trình vi phân dao động MVG 64 3.1.3 Dao động tự MVG 67 3.1.4 Dao động cưỡng MVG 70 3.1.5 Hiện tượng điều chế 72 3.2 Xây dựng mơ hình vi cảm biến vận tốc góc hai phần tử khối lượng 73 3.2.1 Mơ hình động lực học MVG hai phần tử khối lượng 73 3.2.2 Mơ hình 3D MVG hai phần tử khối lượng 75 3.2.3 Xác định giá trị tham số động lực học đặc trưng MVG 77 3.3 Động lực học vi cảm biến vận tốc góc hai khối lượng, hai bậc tự 81 3.3.1 Hệ phương trình vi phân dao động MVG hai khối lượng 81 v 3.3.2 Các dạng dao động riêng 84 3.3.3 Đáp ứng biên độ tần số 88 3.3.4 Một số dạng dao động MVG 91 Kết luận Chương 96 Chương ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM THOA 98 4.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa 98 4.2 Mơ hình hóa vi cảm biến vận tốc góc kiểu TFG 99 4.2.1 Lựa chọn mơ hình nghiên cứu 99 4.2.2 Phương trình vi phân mơ tả dao động hệ 103 4.3 Phân tích động lực học khung liên kết kiểu trám 106 4.3.1 Đáp ứng động lực học khung trám 107 4.3.2 Lựa chọn kích thước phù hợp cho khung trám 111 4.4 Đặc trưng dao động TFG 113 4.4.1 Dao động tự phương dẫn 113 4.4.2 Đáp ứng biên độ tần số cho dao động dẫn hai khung 114 4.4.3 Dao động ngược pha hai khung dẫn 116 4.4.4 Dao động phương cảm hai phần tử quán tính 118 4.5 Khả bù lệch pha cấu trúc TFG đề xuất 119 4.5.1 Khả bù lệch pha cho dao động dẫn 120 4.5.2 Khả bù lệch pha cho dao động cảm 122 4.6 Một số kết mô 123 4.6.1 Xây dựng mơ hình 123 4.6.2 Phân tích Modal 124 4.6.3 Đáp ứng động lực học TFG 127 Kết luận Chương 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 Tiếng Việt 134 Tiếng Anh 134 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt: Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa ABS Anti-Lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh ô tô FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị tồn cầu IC Integrated Circuit Mạch tích hợp INS Inertial Navigation System Hệ dẫn đường kiểu quán tính LIGA Lithographie, Galvanoformung, Cơng nghệ khắc hình, mạ điện, Abformung làm khuôn MEMS Micro-Electro Mechanical Systems Hệ thống vi điện tử MG MEMS Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi điện tử MVG MEMS Vibratory Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi điện tử kiểu dao động Q RLG Quality factor Hệ số phẩm chất Ring Laser Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu vòng laser SOI Silicon On Insulator Tấm Silic kép TFG Tuning Fork Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa vii Ký hiệu: Ký hiệu A a b C [C] c D d dm E EC EB {F} Ft, Fn Fk Fc Fx f fd fc g h, h' J [K] Kn KB k ksingle kfolder Đơn vị μm2 μm μm F Ns/m μm μm N/m2 J J N N N N Hz Hz Hz μm μm m4 N/m N/m N/m Ý nghĩa Diện tích xếp chồng hai tụ Khoảng xếp chồng hai tụ Độ rộng tụ Điện dung tụ điện Ma trận cản Hệ số cản khơng khí Đường kính phân tử khí Khoảng cách hai tụ Tỷ số khối lượng Mô đun đàn hồi vật liệu Năng lượng điện trường Nội lượng nguồn Vectơ ngoại lực tác dụng Lực tiếp tuyến pháp tuyến hai tụ Lực đàn hồi tác dụng lên thành phần khối lượng Lực cản khơng khí lên thành phần khối lượng Lực dẫn tĩnh điện Tần số dao động Tần số dẫn Tần số cảm Khe hở lược di động lược cố định Độ dày lớp vật liệu Mơ men qn tính mặt cắt ngang Ma trận độ cứng Hệ số Knudsen Hằng số Boltzmann Hệ số độ cứng kết cấu kể đến tính đàn hồi Hệ số độ cứng tương đương dầm đơn Hệ số độ cứng tương đương dầm gập đơn viii Ký hiệu Đơn vị Kdouble-folder N/m L μm Lc μm l0 μm [M] m kg mk kg ms kg p Pa Q QC F q C r m T J V V x0 μm y0 μm w μm α, β αd Độ β βd Độ βc Độ ε F/m ε0 F/m λ m μ Pa.s σ ω rad/s Ω rad/s Ý nghĩa Hệ số độ cứng tương đương dầm gập kép Chiều dài dầm đàn hồi Chiều dài lược Chiều dài đoạn xếp chồng hai lược Ma trận khối lượng Khối lượng phần tử khối lượng Khối lượng khung Khối lượng phần tử qn tính bên Áp suất mơi trường làm việc Hệ số chất lượng MVG Điện tích tụ điện Điện tích điểm Khoảng cách hai điện tích điểm Động hệ Điện áp đặt vào tụ Khoảng xếp chồng ban đầu hai tụ Khoảng cách ban đầu hai tụ Độ dày lược Hệ số cản Rayleigh Góc lệch pha điện hai lực dẫn Tỷ số hình dạng Góc lệch pha hai dao động dẫn Góc lệch pha hai dao động cảm Hằng số điện môi môi trường Hằng số điện môi chân không Mức di chuyển phân tử khí Độ nhớt động học khơng khí Hệ số nén khí Tần số vòng kích thích Vận tốc góc ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 So sánh hiệu ứng MEMS Bảng 3.1 Thông số cấu trúc mơ hình MVG 76 Bảng 3.2 Thông số đặc trưng vật liệu Silicon 77 Bảng 3.3 Một số tần số dao động riêng 85 Bảng 3.4 Tần số tương thích hệ theo số giá trị dầm gập 87 Bảng 3.5 Thông số khảo sát cho hệ MVG hai phần tử 89 Bảng 4.1 Thơng số kích thước khung trám 107 Bảng 4.2 Tần số dao động riêng hai mô hình khung trám 108 Bảng 4.3 Giá trị thông số cho hệ khảo sát 114 Bảng 4.4 Tỷ số lệch pha dẫn 121 Bảng 4.5 Khả bù lệch pha cho dao động cảm 123 Bảng 4.6 Một số dạng dao động riêng TFG 124 Bảng 4.7 Các tần số TFG thay đổi kích thước 125 Bảng 4.8 Tham số TFG 126 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Vi cảm biến gia tốc túi khí bảo vệ tơ [29] Hình 1.2 Thí nghiệm mơ chuyển động quay trái đất [20] 10 Hình 1.3 Mơ hình quay cổ điển bậc tự 11 Hình 1.4 Ứng dụng quay thiết bị dẫn hướng hàng hải 12 Hình 1.5 Sơ đồ cảm biến quang học loại 13 Hình 1.6 Cảm biến RLG loại 13 Hình 1.7 Một số ứng dụng quân MG [30] 14 Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động MVG 15 Hình 1.9 Vi cảm biến kiểu Gimbal 19 Hình 1.10 Cấu trúc quay vi kiểu vòng dao động 20 Hình 1.11 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu nhiều trục 21 Hình 1.12 Mơ hình hai phần tử bậc tự 21 Hình 1.13 Con quay vi kiểu tách riêng dao động 22 Hình 1.14 Thiết kế TFG phòng thí nghiệm Draper [34] 24 Hình 1.15 Mơ hình TFG với hệ số Q cao [12] 25 Hình 1.16 Mơ hình TFG có khung ngồi 26 Hình 1.17 Mơ hình liên kết hai nhánh TFG nhờ dầm gập [64] 27 Hình 1.18 Cấu trúc TFG với vòng treo kết nối [65] 28 Hình 1.19 Mơ hình TFG nhóm ITIMS [59] 29 Hình 2.1 Sơ đồ khối hoạt động MVG 32 Hình 2.2 Lực tĩnh điện hai điện tích điểm 33 Hình 2.3 Cấu tạo tụ điện phẳng 34 Hình 2.4 Lực pháp tuyến (a) lực tiếp tuyến (b) hai tụ 34 Hình 2.5 Phân bố điện trường hai tụ phẳng 38 Hình 2.6 Lực tiếp tuyến pháp tuyến hai tụ có hiệu ứng viền38 ... cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn 19 1.4.2 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động 19 1.4.3 Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục 20 1.4.4 Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động. .. hệ vi điện tử 58 Kết luận Chương 62 Chương ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC HAI BẬC TỰ DO 63 3.1 Động lực học vi cảm biến vận tốc góc phần tử hai bậc tự 63 3.1.1... biến vận tốc góc ứng dụng 10 1.2.1 Cảm biến vận tốc góc kiểu quay cổ điển 10 1.2.2 Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học 12 1.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi điện tử 13 1.3 Vi cảm