Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cẩm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC MINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC ÂM THOA VÀ CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU TỤ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC MINH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC ÂM THOA VÀ CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU TỤ Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS VŨ NGỌC HÙNG Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn GS.TS Vũ Ngọc Hùng Các số liệu, kết nghiên cứu trung thực chưa tác giả khác công bố Người hướng dẫn khoa học Tác giả GS TS Vũ Ngọc Hùng Nguyễn Ngọc Minh i LỜI CÁM ƠN Trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Vũ Ngọc Hùng người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực luận án Những lúc gặp khó khăn công việc sống, thầy bên quan tâm, động viên, khích lệ tơi kịp thời Là nhà khoa học mẫu mực, thầy truyền cảm hứng, truyền lửa cho giúp vượt qua thử thách, khó khăn để học tập, để nghiên cứu khoa học vươn tới đỉnh cao trí thức Tơi xin chân thành cảm ơn Viện ITIMS, Phịng đào tạo, trường ĐH Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thời gian, vật chất tinh thần giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Phúc Dương, PGS.TS Nguyễn Văn Quy, PGS.TS Mai Anh Tuấn, PGS.TS Nguyễn Anh Tuấn, PGS.TS Nguyễn Văn Duy, PGS.TS Trịnh Quang Thơng, TS Nguyễn Văn Tốn cán Viện ITIMS dạy bảo động viên giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu Mạnh Hoàng, TS Vũ Thu Hiền, TS Ngô Đức Quân, TS Nguyễn Quang Long, ThS Hà Sinh Nhật, ThS Lê Văn Tâm anh chị bạn phịng thí nghiệm MEMS, Viện ITIMS, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn, động viên chia sẻ kinh nghiệm nghiên cứu khoa học có thảo luận đóng góp bổ ích giúp tơi hồn thiện luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp người thân ln bên, động viên khích lệ thời gian qua Tôi xin cảm ơn anh chị đồng nghiệp môn Điều khiển & Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên quan tâm, hỗ trợ cơng việc để tơi có điều kiện hồn thành luận án Cuối tơi xin bày tỏ lịng biết ơn vơ hạn tới người thân u gia đình Sự động viên hy sinh thầm lặng bố mẹ, vợ con, anh chị cháu tình cảm vơ giá, động lực tinh thần lớn lao khích lệ tơi vượt qua khó khăn trở ngại học tập sống để đạt kết cuối Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Nguyễn Ngọc Minh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án .1 Mục tiêu luận án .2 Phương pháp nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án .2 Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I.1 Công nghệ vi điện tử MEMS I.1.1 Giới thiệu chung I.1.2 Lịch sử phát triển .6 I.1.3 Phân loại công nghệ MEMS .8 I.2 Cảm biến vận tốc góc I.2.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển I.2.2 Cảm biến vận tốc góc quang học .10 I.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi điện tử (MEMS Gyroscopes - MG) 11 I.2.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động 13 I.2.4.1 Nguyên lý hoạt động 13 I.2.4.2 Phương trình động lực học cảm biến vận tốc góc vi điện tử kiểu dao động 14 I.2.4.3 Các thông số cảm biến vận tốc góc 17 I.2.5 Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến 18 I.2.5.1 Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope) 18 I.2.5.2 Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes) 19 iii I.2.5.3 Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope) 21 I.2.5.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)21 I.3 Cảm biến gia tốc 26 I.3.1 Bối cảnh lịch sử 27 I.3.2 Phân loại cảm biến gia tốc 29 I.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 29 I.3.2.2 Cảm biến gia tốc cân lực (Force balance accelerometer) 30 I.3.2.3 Cảm biến gia tốc kiểu lệch (Deflection accelerometer) 30 I.3.3 Các thông số đặc trưng cảm biến gia tốc .31 I.3.4 Cảm biến gia tốc MEMS 33 I.3.4.1 Cảm biến gia tốc áp điện 33 I.3.4.2 Cảm biến gia tốc áp điện trở 34 I.3.4.3 Cảm biến gia tốc điện dung 35 I.3.4.4 So sánh đánh giá hoạt động ba loại cảm biến gia tốc 35 I.3.5 Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS .36 Kết luận Chƣơng 40 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 41 II.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn phần mềm ANSYS 41 II.2 Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc cảm biến gia tốc 45 II.2.1 Quy trình cơng nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 45 II.2.2 Quy trình cơng nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc .46 II.2.3 Thông tin kỹ thuật bước công nghệ chế tạo cảm biến 48 II.3 Phƣơng pháp đo đáp ứng tần số vi cảm biến 52 II.3.1 Phương pháp đo đáp ứng tần số vi cảm biến gia tốc 52 II.3.2 Phương pháp đo đáp ứng tần số vi cảm biến vận tốc góc 54 II.4 Xây dựng hệ đo vận tốc góc 55 II.5 Xây dựng hệ đo gia tốc 60 Kết luận Chƣơng 64 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA 65 III.1 Thiết kế mô vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa 65 III.1.1 Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc .65 iv III.1.2 Cấu trúc dầm sử dụng thiết kế cảm biến 70 III.1.3 Kết tính tốn mơ 74 III.1.3.1 Tính tốn tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng 74 III.1.3.2 Tính tốn hệ số suy hao hệ số phẩm chất cảm biến 81 III.1.3.3 Mô phân tích mode cảm biến 84 III.1.3.4 Mô đặc trưng cảm biến 88 III.2 Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 94 III.2.1 Thiết kế mặt nạ 94 III.2.2 Kết chế tạo vi cảm biến vận tốc góc 96 III.2.3 Khảo sát đặc trưng vi cảm biến vận tốc góc .100 III.2.3.1 Đặc trưng tần số 100 III.2.3.1 Đặc trưng điện áp-vận tốc góc 101 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN GIA TỐCBA BẬC TỰ DO…………………………………………………104 IV.1 Thiết kế vi cảm biến gia tốc ba bậc tự 104 IV.1.1 Thiết kế cảm biến gia tốc 104 IV.1.2 Kết mô cảm biến gia tốc 106 IV.1.2.1 Mơ phân tích mode 106 IV.1.2.2 Mô đặc trưng cảm biến 108 IV.2 Chế tạo vi cảm biến gia tốc 111 IV.2.1 Thiết kế mặt nạ 111 IV.2.2 Kết chế tạo vi cảm biến gia tốc 112 IV.3 Khảo sát đặc trƣng vi cảm biến gia tốc 114 IV.3.1 Đặc trưng tần số 114 IV.3.2 Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc cảm biến .115 Kết luận Chƣơng 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 121 CỦA LUẬN ÁN .121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MEMS (Micro Electro-Mechanical System): Hệ thống vi điện tử TFG (Tuning Fork Gyroscope): Vi cảm biến vận tốc góc SOI (Silicon On Insulator): Đế silic có lớp SiO2 mỏng nằm đế silic lớp silic linh kiện DRIE (Deep Reactive Ion Etching): Ăn mòn sâu ion hoạt hóa BHF (Buffered HF): Dung dịch HF pha thêm NH4F theo tỷ lệ định SEM (Scanning Electronic Microscope): Hiển vi điện tử quét IMU (Inertial Measurement Units): Đo lường quán tính IC (Integrated Circuit): Mạch tích hợp vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tiến trình phát triển số linh kiện MEMS điển hình [4] Bảng 1.2 Các thông số cảm biến vận tốc góc [14] 17 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật thiết bị AVT-CZ 63 Bảng 3.1 Thông số thiết kế vi cảm biến vận tốc góc .69 Bảng 3.2: Thông số dầm dẫn động cảm ứng 73 Bảng 3.3 Hệ số suy hao hệ số phẩm chất vi cảm biến vận tốc góc loại đế đế khung 83 Bảng 3.4 Kết phân tích mode vi cảm biến vận tốc góc âm thoa 86 Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật vi cảm biến vận tốc góc 102 Bảng 4.1 Thông số thiết kế cảm biến gia tốc 105 Bảng 4.2 Kết phân tích mode cảm biến gia tốc 108 Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật vi cảm biến gia tốc 118 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kích thước vật lý giới tự nhiên .5 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ vi điện tử (MEMS) Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi - điện tử tích hợp chip Hình 1.4 Cấu trúc nguyên lý chuyển động quay học cổ điển Hình 1.5 Mơ hình quay dẫn hướng sử dụng lĩnh vực hàng hải 10 Hình 1.6 Cấu hình cảm biến vận tốc góc loại sợi quang [10] 11 Hình 1.7 Cảm biến RLG [11] .11 Hình 1.8 Một số ứng dụng MG dân dụng 12 Hình 1.9 Giản đồ nguyên lý xác định gia tốc coriolis 13 Hình 1.10 Nguyên lý cấu trúc hoạt động cảm biến vận tốc góc vi điện tử kiểu dao động 14 Hình 1.11 Cảm biến dầm dao động chế tạo phương pháp vi khối [15] 18 Hình 1.12 Cảm biến khung kép phẳng chế tạo công nghệ vi bề mặt [16] .19 Hình 1.13 Cảm biến vận tốc góc kiểu mâm trịn [18] 20 Hình 1.14 Cảm biến vận tốc góc trục [23] 21 Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý hoạt động cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa .22 Hình 1.16 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa Drapper [24] 22 Hình 1.17 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số Q cao nhóm nghiên cứu F Ayazi trường đại học Georgia phát triển [25] .23 Hình 1.18 (a) Sơ đồ vi cảm biến gia tốc đo biến dạng (b) ảnh cảm biến gia tốc áp điện [39,40] .28 Hình 1.19 (a) Chip cảm biến gia tốc ADXL50 (b) thành phần chức [44] 29 Hình 1.20 Mơ hình hệ cảm biến gia tốc .30 viii Hình 4.14 Ảnh SEM chụp cấu trúc dầm gấp vi cảm biến gia tốc Hình 4.15 Ảnh SEM chụp cấu trúc hệ tụ điện lược vi cảm biến gia tốc IV.3 Khảo sát đặc trƣng vi cảm biến gia tốc IV.3.1 Đặc trƣng tần số Đặc trưng tần số mode X mode Y vi cảm biến gia tốc trình bày Hình 4.16 4.17 Hình 4.16 Đặc trưng tần số mode X vi cảm biến gia tốc 114 Hình 4.17 Đặc trưng tần số mode Y vi cảm biến gia tốc Kết khảo sát đặc trưng tần số cho thấy tần số cộng hưởng vi cảm biến gia tốc theo phương x (mode X) phương y (mode Y) có giá trị tương ứng 5325 Hz 5850 Hz Sự khác biệt tần số cộng hưởng mode X mode Y khác biệt độ cứng dầm gấp kiểu L theo phương x phương y gây cấu trúc không đối xứng thân dầm Tần số cộng hưởng thu từ kết thực nghiệm có khác biệt so với kết mô Trong trường hợp mô phỏng, khối gia trọng coi mơi trường liên tục Trong cảm biến chế tạo, khối lượng khối gia trọng giảm xuống cần thiết tạo hốc thiết diện vng để dẫn khí phản ứng HF tới ăn mòn SiO2 để giảm thời gian khắc SiO2 Kết tần số cộng hưởng mode X Y cảm biến thực tế tăng so với trường hợp mô IV.3.2 Khảo sát đặc trƣng điện áp – gia tốc cảm biến Đặc trưng điện áp phụ thuộc vào gia tốc vi cảm biến gia tốc kiểu tụ khảo sát hai phương pháp: Phương pháp gia tốc tĩnh phương pháp gia tốc động Đặc trưng điện áp gia tốc tĩnh vi cảm biến gia tốc khảo sát sở thành phần gia tốc trọng trường tác dụng lên cảm biến khống chế nhờ thay đổi góc  mặt phẳng cảm biến phương gia tốc trọng trường, a = g.sin Kết đo đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương X Y trình bày Hình 4.18 Hình 4.19 115 Hình 4.18 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương X Hình 4.19 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương Y Kết thu cho thấy, điện áp lối biến gia tốc theo phương x y tăng tuyến tính theo gia tốc Như vậy, vi cảm biến gia tốc chế tạo có khả ứng dụng để xác định độ nghiêng sở phụ thuộc tuyến tính điện áp vào góc nghiêng Đây ứng dụng thực điều khiển chuyển động người khuyết tật hay người máy Trong trường hợp phương pháp gia tốc động, đặc trưng điện áp – gia tốc khảo sát sở hệ đo mơ tả hình 2.22 chương hai Khi đó, vi cảm biến gia tốc đặt hệ rung tạo dao động Giá trị gia tốc phụ thuộc vào biên độ tần số dao động Các đặc trưng điện áp – gia tốc vi cảm biến gia tốc theo phương x, y z trình bày Hình 4.20, 4.21 4.22 116 Hình 4.20 Đặc trưng điện áp – gia tốc động cảm biến theo phương X Hình 4.21 Đặc trưng điện áp – gia tốc động cảm biến theo phương Y Hình 4.22 Đặc trưng điện áp – gia tốc động cảm biến theo phương Z 117 Kết cho thấy điện áp lối cảm biến tỷ lệ tuyến tính với gia tốc đặt lên cảm biến Độ nhạy cảm biến đạt giá trị 13 mV/g, 11 mV/g 0,2 mV/g tương ứng cho phương x, y z Độ nhạy vi cảm biến gia tốc theo phương z có giá trị nhỏ so với với phương x y độ cứng dầm gấp theo phương z có giá trị lớn hai phương cịn lại Ảnh hưởng chéo trục mode X mode Y vi cảm biến gia tốc khảo sát Quá trình thực sở cảm biến dao động theo phương xác định (X Y), tín hiệu đầu cảm biến không xác định theo thành phần gia tốc phương dao động mà xác định theo phương vng góc với Đặc trưng điện áp – gia tốc ( Hình 4.20 4.21) cho thấy tín hiệu điện áp phương vng góc với phương dao động (phương gia tốc) tăng không đáng kể gia tốc tăng Kết khảo sát cho thấy độ nhạy chéo trục vi cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5 % theo phương X % phương Y Kết cho thấy vi cảm biến gia tốc chế tạo đáp ứng ứng dụng thực tế [95] Thông số kỹ thuật vi cảm biến gia tốc tổng hợp bảng 4.3 Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật vi cảm biến gia tốc STT Thông số kỹ thuật Giá trị Kích thước 2000 m x 2000 m Dải đo (0  4,5) g Độ nhạy mode X 13 mV/g Độ nhạy mode Y 11 mV/g Độ nhạy mode Z 0,2 mV/g Độ nhạy chéo trúc phương X 4,5% Độ nhạy chéo trúc phương Y 5% 118 Kết luận Chƣơng - Đã xây dựng mơ hình vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự sử dụng hệ tụ lược Cấu trúc dầm treo kiểu gập L đề xuất cho phép xác định ba thành phần gia tốc giảm thiểu hiệu ứng chéo trục - Kết mô vi cảm biến gia tốc cho thấy tần số cộng hưởng theo phương X, Y Z có giá trị tương ứng 4583 Hz, 5065 Hz 8606 Hz Độ nhạy vi cảm biến gia tốc tính tốn theo phương X, Y Z có giá trị tương ứng 13,3 fF/g, 11,1 fF/g 0,216 fF/g - Đã chế tạo thành công cảm biến vi cảm biến gia tốc sở quy trình cơng nghệ vi khối khơ - Vi cảm biến gia tốc chế tạo có độ nhạy theo phương X, Y Z tương ứng 13 mV/g, 11 mV/g 0,2 mV/g Độ nhạy chéo trục vi cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5 % theo phương X % phương Y Nội dung chương IV đăng tạp chí quốc tế Journal of Mechanical Engineering and Sciences 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - - - - - - - Các kết nghiên cứu luận án đạt bao gồm: Đã xây dựng mô hình vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa trục Z đế khung sử dụng cấu trúc lược để kích thích dao động cảm ứng tín hiệu Đã xây dựng mơ hình vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự với hệ tụ cảm ứng kiểu lược Cấu trúc dầm treo kiểu gập L đề xuất cho phép xác định đồng thời ba thành phần gia tốc giảm thiểu hiệu ứng chéo trục Đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, kết mơ cho thấy độ chênh tần số mode dẫn động mode cảm ứng đạt giá trị 27 Hz Trong điều kiện áp suất khí quyển, hệ số phẩm chất mode cảm ứng vi cảm biến vận tốc góc đế khung (118,3) đạt giá trị lớn so với trường hợp đế (84,7) Độ nhạy vi cảm biến vận tốc góc đế khung đế đạt giá trị tương ứng 0,034 pF/rad/s 0,021 pF/rad/s Trong trường hợp cảm biến gia tốc, kết mô cho thấy tần số cộng hưởng theo phương X, Y Z có giá trị tương ứng 4583 Hz, 5065 Hz 8606 Hz Độ nhạy vi cảm biến gia tốc tính tốn theo phương X, Y Z có giá trị tương ứng 13,3 fF/g, 11,1 fF/g 0,216 fF/g Đã chế tạo thành công cảm biến vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa vi cảm biến gia tốc sở quy trình sử dụng cơng nghệ vi khối khơ Đã xây dựng hệ đo đặc trưng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa vi cảm biến gia tốc sở sử dụng mạch chuyển đổi C-V MS3110 phần mềm xử lý tín hiệu LabvieW Kết khảo sát môi trường áp suất khí vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đế khung chế tạo cho thấy hệ số phẩm chất mode dẫn động mode cảm ứng đạt giá trị tương ứng 375 111,2 Tín hiệu lối cảm biến phụ thuộc tuyến tính theo vận tốc góc dải từ -200 0s-1 to 200 0s-1 Độ nhạy cảm biến đạt giá trị 11,56 mV/o/s Vi cảm biến gia tốc chế tạo có độ nhạy theo phương X, Y Z tương ứng 13 mV/g, 11 mV/g 0,2 mV/g Độ nhạy chéo trục vi cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5 % theo phương X % phương Y Dự kiến hướng nghiên cứu với hai loại vi cảm biến vận tốc góc cảm biến gia tốc: Nghiên cứu hồn thiện công nghệ chế tạo cảm biến Nghiên cứu tích hợp hai loại cảm biến quán tính đế nhằm tạo cấu trúc tổ hợp ứng dụng hệ dẫn đường qn tính Hồn thiện quy trình đóng vỏ cảm biến để nâng cao chất lượng linh kiện 120 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang, Nguyen Quang Long, Ha Sinh Nhat, Nguyen Ngoc Minh (2015), “High Q MEMS Tuning Fork Gyroscope: Simulation and Fabrication”, Proceeding IWNA 2015, pp.24-27 Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Hà Sinh Nhật, Trịnh Quang Thơng, Chu Mạnh Hồng Vũ Ngọc Hùng (2015), “Thiết kế chế tạo quay vi kiểu âm thoa trục Z”, Advances in Applied and Engineering Physics IV, ISBN: 978- 604-913-232-2, pp 83-88 Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Hà Sinh Nhật, Chu Mạnh Hoàng Vũ Ngọc Hùng (2016), “Nghiên cứu thiết kế chế tạo quay vi kiểu âm thoa có độ suy hao thấp mơi trường khơng khí”, Hội nghị Cơ điện tử Toàn quốc lần thứ 8-VCM2016, ISBN: 978-604-913-503-3, pp 448-453 Minh Ngoc Nguyen, Nhat Sinh Ha, Long Quang Nguyen, Hoang Manh Chu and Hung Ngoc Vu (2017), “Z-Axis Micromachined Tuning Fork Gyroscope with Low Air Damping”, Micromachines, Volume 8, Issue 2, pp.1-10 (ISI) Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Chu Mạnh Hoàng, Vũ Ngọc Hùng (2017), “Vi cảm biến gia tốc kiểu điện dung hai bậc tự với độ nhạy chéo trục thấp”, Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc lần thứ 10– SPMS2017, ISBN: 978-604-95-0325-2, pp 396-399 Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Chu Mạnh Hoàng, Vũ Ngọc Hùng (2017), “Con quay vi trục z kiểu âm thoa có độ suy hao thấp mơi trường khơng khí”, Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc lần thứ 10– SPMS2017, ISBN: 978-604-95-0325-2, pp 365-368 Minh Ngoc Nguyen, Long Quang Nguyen, Nhat Sinh Ha, Hoang Manh Chu, Hung Ngoc Vu, Trinh Duc Chu (2018), “Z-axis tuning fork gyroscope having a controlled anti-phase and freestanding architecture: design and fabrication”, International Journal of Nanotechnology (IJNT), Vol 15, pp.1423 (ISI) Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Chu Mạnh Hoàng, Vũ Ngọc Hùng (2018), “Hệ đo đặc trưng điện vi cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork”, Tạp chí Nghiên cứu KH & CN Quân sự, ISSN 1859 – 1043, pp 354-369 Minh Ngoc Nguyen, Long Quang Nguyen, Hoang Manh Chu, Hung Ngoc Vu (2019), “A two degrees of freedom comb capacitive-type accelerometer with low cross-axis sensitivity”, Journal of Mechanical Engineering and Sciences (JMES), Vol 13, Issue 3, pp 5334-5346 (Scopus Q2) 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] M J Madou (2001), “Microfabrication”, CRC Press, Boca Raton, Florida N P Mahalik (2006), “Micromanufacturing and Nanotechnology”, Springer Verlag, Berlin-Heidenberg Mohamed Gas-El-Hak (2002), “The MEMS Handbook”, CRC Press S.Walsh, J.Linton, R.Grace, Marshall, S.Knutti (2000), “MEMS and MOEMS Technology and Applications”, edited by Rai Choudry, P.SPIE, The International Society for Optical Engineering, Bellingham, WA, Ch 8, 2000 F Dickson (2005), “MEMS Industry Overview and Forecast”, Research Report IN0502565ESCA, Publication Date: August 2005 C Acar, A Shkel (2009), “MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness”, Springer N Yazdi, F Ayazi, K Najafi (1998), “Micromachined inertial sensors”, Proceedings of the IEEE/Inertial sensors, University of Michigan, Vol 86, No.8, 1640 – 1659 K T V Grattan, T Sun (2000), “Fiber optic sensor technology: an overview”, Sensor and Actuators A, Vol 82, No 1-3, pp 40-61 K Liu, W Zhang, W Chen, K Li, F Dai, F Cui, X Wu, G Ma, Q Xiao (2009), “The development of microgyrocopes technology”, J Micromech Microeng, 19, 113001 (29pp) Hervé C Lefèvre (1997), “Fundamentals of the Interferometric Fiber-Optic Groscope”, Pptical review, Vol.4, No.1A, 20-27 https://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=4&iid=8 K M et al.( 2003), “Proc Commercialization of Microsystems”, COMS 2003 Y Mochida, M Tamura and K Ohwada (2000), “A Micromachined Vibrating Rate Gyroscope with independent beams for the drive and detection modes” Sensors Actuators A, Vol 80, pp.170-178 Tatyana Sviridova, Yuriy Kushnir, Mykhaylo Lobur, Dmytro Korpyljov (2008), “A Description of Electrostatic Ring Gyroscope”, MEMSTECH’2008, May 21-24, Polyana, UKRAINE P Greiff, B Boxenhorn, T King (1991), “Silicon monolithic micromechanical gyrocopes”, Solid State Sensor and Actuators Transducer’91, pp 966-968 S E Alper, T Akin (2000), “A planar Gyroscopes using a standard surface micromechanical process”, 14th European Conf on Solid State Transducer, Eurosensor XIV, Copenhagen, Aug.27-30, 2000 122 [17] M W Putty, K Najafi (1994), “A micromachined vibrating ring gyroscope”, Tech Dig Solid-State Sens Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, June 1994, pp 213-220 [18] F Ayazi, K Najafi (2001), “A HARPSS polysilicon vibrating ring gyroscopes”, Microelectromech Syst, 10, pp 169-179 [19] G He, K Najafi (2002), “A single crystal silicon vibrating ring gyrocopes”, 15th IEEE Int Conf on Micro Electro Mechanical Systems, Las Vegas, NV, USA, USA, pp 718-721 [20] F Ayazi, K Najafi (1998), “Design and fabrication of a high performance polysilicon vibrating ring gyrocopes”, Proc,IEEE microelectromechanical Systems Workshop (MEMS98), Heideberg, Germany, pp 621-626 [21] A Selvakumar, K Najafi (1994), “High density vertical comb array microactuators fabricated using a novel bulk/ poly-silicon trench refill technology”, Tech Dig Solid-State sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC, USA , pp 138-141 [22] Qin Z., Gao Y.; Jia J., Ding X., Huang L., Li H (2019), “The Effect of the Anisotropy of Single Crystal Silicon on the Frequency Split of Vibrating Ring Gyroscopes”, Micromachines, 10, 126, pp.1-13 [23] T Juneau, A P Pisano, J H Smith (1997), “Dual axis operation of a micromachined rate gyroscopes”, Solid-State Sensor and Actuator, 2, pp 833-6 [24] J Berstein, S Cho, A T King, A Kourepenis, P Maciel, M Weinberg (1993), “A micromachined comb-drive tuning fork rate gyrocopes”, Proc IEEE microelectromechanical Systems, Fort Lauderdale, FL , pp 143-148 [25] A Sharma, F M Zaman, B V Amini (2004), “A high Q in plan SOI tuning fork gyroscopes”, Proc IEEE, Vienna, Austria,1, pp 467-470 [26] A A Trusov, A R Schofield, A M Shkel (2008), “New architectural design of a temperature robust MEMS gyroscope with improved gain-bandwidth characteristics”, Hilton Head Workshop in Solid State Sensors Actuators and Microsystems, pp 14-17 [27] J Cui, Z Y Guo, Z C Yang, Y L Hao, G Z Yan (2011), “Electrical coupling suppression and transient response improvement for a microgyroscope using ascending frequency drive with a 2-DOF PID controller”, J Micromech Microeng, 21, 095020 [28] Z Y Guo, Z C Yang, Q C Zhao, L T Lin, H T Ding, X S.Liu, J Cui, H Xie, G Z Yan (2010), “A lateral-axis micromachined tuning fork gyroscope 123 [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] with torsional Z-sensing and electrostatic force-balanced driving”, Journal of Micromechanics and Microengineering, Volume 20, Issue 2, 025007, pp A A Trusov, A R Schofield, A M Shkel (2009), "Performance Characterization of a New Temperature-Robust Gain-Bandwidth Improved MEMS Gyroscope Operated in Air", Sensors and Actuators A: Physical, Volume 155, Issue 1, pp 16-22 A R Schofield, A A Trusov, A M Shkel (2011), "Micromachined Gyroscope Concept Allowing Interchangeable Operation in Both Robust and Precision Modes", Sensors and Actuators A: Physical, Vol 165, pp 35-42 A A Trusov, I P Prikhodko, S A Zotov, A M Shkel (2009), “LowDissipation Silicon Tuning Fork Gyroscopes for Rate and Whole Angle Measurements”, IEEE Sensors Journal, Volume 11, No 11, pp 2763-2770 A A Trusov, A R Schofield, A M Shkel (2011), "Micromachined rate gyroscope architecture with ultra-high quality factor and improved mode ordering", Sensors and Actuators A: Physical, Vol 165, Issue 1, pp 26-34 S A Zotov, B R Simon, I P Prikhodko, A A Trusov, A M Shkel (2014), "Quality Factor Maximization through Dynamic Balancing of Tuning Fork Resonator", IEEE Sensors Journal, Vol 14 (8), pp 2706-2714 Jia J., Ding X., Gao Y., Li H (2018), “Automatic Frequency Tuning Technology for Dual-Mass MEMS Gyroscope Based on a Quadrature Modulation Signal”, Micromachines, 9, 511, pp.1-18 Huiliang Cao, Hongsheng Li, Xingling Shao, Zhiyu Liu, Zhiwei Kou, Yanhu Shan, Yunbo Shia, Chong Shen, Jun Liu (2018), “Sensing mode coupling analysis for dual-mass MEMS gyroscope and bandwidth expansion within wide-temperature range”, Mechanical Systems and Signal Processing, 98, pp.448-464 Huiliang Cao, Yingjie Zhang, Ziqi Han, Xingling Shao, Jinyang Gao, Kun Huang, Yunbo Shi (2019), “Pole-Zero Temperature Compensation Circuit Design and Experiment for Dual-Mass MEMS Gyroscope Bandwidth Expansion” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 24(2), pp.677 – 688 Thang Nguyen Van, Tran-Duc Tan, Hung Vu Ngoc, Trinh Chu Duc (2016), “Improvement of Tuning Fork Gyroscope Drive-mode Oscillation Matched using a Differential Driving Suspension Frame”, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), Vol 6, No 6, pp 2716-2729 Thong Quang Trinh, Long Quang Nguyen, Dzung Viet Dao, Hoang Manh Chu, Hung Ngoc Vu (2014), “Design and analysis of a lateral axis tuning fork 124 [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] gyroscope with guided-mechanical coupling”, Microsystem Technologies, 20, pp 281-289 B McCollum, O S Peters (1924), “A new electrical telemeter”, US Government Printing Office P L Walter (1999), "Review: Fifty years plus of accelerometer history for shock and vibration (1940–1996)”, Shock and Vibration, Vol 6, No 4, pp 197-207 R P Feynman (1960), "There's plenty of room at the bottom", Engineering and science, Vol 23, No 5, pp 22-36 J A Pelesko, D H Bernstein (2002), “Modeling Mems and Nems”, CRC press L M Roylance, J B Angell (1979), "A batch-fabricated silicon accelerometer", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 26, No 12, pp 1911-1917 B Riedel (1993), "Surface-machined Monolithic Accelerometer", Analog Dialogue, Vol 27, No 2, pp 3-7 B Bhushan (2010), “Springer handbook of nanotechnology”, Springer Science & Business Media Tran Duc Tan (2008), “Design, simulation, fabrication and performance analysis of a piezoresistive micro accelerometer”, Doctor thesis, College of Technology, VietNam National University, Ha Noi D M Stefanescu (2011), “Handbook of force transducers: principles and components”, Springer Science & Business Media Z Zhou, Z Wang, L Lin (2012), “Microsystems and nanotechnology”, Springer J J Allen (2005), “Micro electro mechanical system design”, CRC Press M J Madou (2002), “Fundamentals of microfabrication: the science of miniaturization”, CRC press IEEE Std 528-2001, "IEEE Standard for Inertial Sensor Terminology", 2001, J G Webster and H Eren (2014), “Measurement, instrumentation, and sensors handbook: electromagnetic, optical, radiation, chemical, and biomedical measurement”, CRC press T Li, Z Liu (2017), “Outlook and Challenges of Nano Devices”, Sensors and MEMS, Springer S Beeby (2004), “MEMS Mechanical Sensors”, Artech House X Jiang, K Kim, S Zhang, J Johnson, G Salazar (2013), "High-temperature piezoelectric sensing", Sensors, Vol 14, No 1, pp 144-169 125 [56] M Vijaya (2012), “Piezoelectric Materials and Devices: Applications in Engineering and Medical Sciences”, CRC Press [57] J C Doll, B L Pruitt (2013), “Piezoresistor Design and Applications”, Springer [58] M H Bao (2000), “Micro Mechanical Transducers: Pressure Sensors, Accelerometers and Gyroscopes”, Elsevier [59] W Y Du (2014), “Resistive, Capacitive, Inductive, and Magnetic Sensor Technologies”, CRC Press [60] Yang J., Zhang M., He Y., Su Y., Han G., Si C., Ning J., Yang F., Wang X (2019), “A Resonant Z-Axis Aluminum Nitride Thin-Film Piezoelectric MEMS Accelerometer”, Micromachines, 10,589, pp.1-9 [61] M Bao (2005), “Analysis and Design Principles of MEMS Devices”, Elsevier [62] Zhao X., Wang Y., Wen D (2019), “Fabrication and Characteristics of a SOI Three-Axis Acceleration Sensor Based on MEMS Technology”, Micromachines, 10, 238, pp.2-13 [63] Colibrys (2015), "Advantage of capacitive MEMS accelerometers vs other technologies" [64] Yole Développement (2015), "High-End Gyroscopes, Accelerometers and IMUs for Defense”, Aerospace & Industrial Report [65] Yole Développement (2014), "6&9-Axis Sensors Consumer Inertial Combos", Aerospace & Industrial Report [66] E K Chan, R W Dutton (2000), "Electrostatic micromechanical actuator with extended range of travel", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol 9, No 3, pp 321-328 [67] V Kempe (2011), “Inertial MEMS: Principles and Practice”, Cambridge University Press [68] A Selvakumar, F Ayazi, K Najafi (1996), "A high sensitivity z-axis torsional silicon accelerometer", IEDM'96 IEEE, pp.765-768 [69] S Kavithaa, K.S.R Joseph Daniel (2016), “High performance MEMS accelerometers for concrete SHM applications and comparison with COTS accelerometers”, Mechanical Systems and Signal Processing, 66, pp.410-424 [70] Haitao Liu, Kai Wei, Zhengzhou Li, Wengang Huang, Yi Xu, and Wei Cui (2018), “A Novel, Hybrid-Integrated, High-Precision, Vacuum Microelectronic Accelerometer with Nano-Field Emission Tips”, Micromachines, 9, 481, pp.1-12 [71] Huan Liu, Runiu Fang, Min Miao, Yichuan Zhang, Yingzhan Yan, Xiaoping Tang, Huixiang Lu, and Yufeng Jin (2018), “Design, Fabrication, and 126 [72] [73] [74] [75] [76] Performance Characterization of LTCC-Based Capacitive Accelerometers”, Micromachines, 9, 120, pp.1-15 Liu Y., Wen K (2019), “Implementation of a CMOS/MEMS Accelerometer with ASIC Processes” Micromachines,10, 50, pp.1-15 Mohammed Z., Elfadel I., Rasras M (2018), “Monolithic Multi Degree of Freedom (MDoF) Capacitive MEMS Accelerometers”, Micromachines, 9, 602, pp.1-20 J Yubin, H Yilong, Z Rong (2005), “Bulk silicon resonant accelerometer”, J Semicond, 26, pp.281-286 K S Kumar, P Chatterjee, B Mukherjee, K.B.M Swamy, S Sen (2018), “A Differential Output Interfacing ASIC for Integrated Capacitive Sensors”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 67 (1), pp 196-203 R Tirupathi, K.S Kumar (2018), “A Differential Output Switched Capacitor based Capacitive Sensor Interfacing Circuit”, Region 10 Conference TENCON 2018-2018 IEEE, pp.0565-0569 [77] B V Amini, R Abdolvand, F Ayazi (2006), “A 4.5-mW Closed-Loop ∑ Micro-Gravity CMOS SOI Accelerometer”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 41, pp 2983-2991 [78] Z Xiaofeng, C Lufeng, J Wu, X Li, Y Wang (2012), “A novel sandwich capacitive accelerometer with a symmetrical structure fabricated from a DSOI wafer”, J Micromech Microeng, 22, 085031 (8pp) [79] K K Mistry, K B M Swamy, S Sen (2010), “Design of an SOI-MEMS high resolution capacitive type single axis accelerometer”, Microsyst Technol, 16, pp 2057-2066 [80] S H Tseng, M S C Lu, P C Wu, Y C Teng, H H Tsai, Y Z Juang (2012), “Implementation of a monolithic capacitive accelerometer in a waferlevel 0.18 µm CMOS MEMS process”, J Micromech Microeng, 22, 055010 [81] Y Matsumoto, M Nishimura, M Matsuura, M Ishida (1999), “Three-axis SOI capacitive accelerometer with PLL C-V converter”, Sens Actuat A, 75, pp 77-85 [82] J S Lee, S S Lee (2008), “An isotropic suspension system for a biaxial accelerometer using electroplated thick metal with a HAR SU-8 mold”, J Micromech Microeng,18, 025036 (10pp) [83] J Xie, D Agarwal, R Y Liu, J M Tsai, N Ranganathan, J Singh (2011), “Compact electrode design for an in-plane accelerometer on SOI with refilled isolation trench”, J Micromech Microeng, 21, 095005 (9pp) 127 [84] Trần Ích Thịnh, Ngơ Như Khoa (2007), “Giáo trình Phương pháp Phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học & Kỹ thuật [85] Irvine Sensors Cor (2009), “Evaluation/Programming Board and Support Software-Operating Specifications and Users Manual” [86] M A Erismis (2004), “MEMS accelerometers and gyroscopes for inertial measurement units”, Thesis, Middle East Technical University, Turkey [87] M Weinberg, A Kourepenis (2006), “Error Sources in in-plane silicon tuning-fork MEMS gyroscopes”, J Microelectromech Syst., Vol 15, No 3, pp 479-491 [88] S E Alper (2000), “Silicon Surface Micromachined Gyroscopes Using MEMS Technology” , Thesis, Middle East Technical University, Turkey [89] R J Roark, W C Young (1983), “Formulas for Stress and Strain”, McGrawHill, USA [90] R F Yazıcıoğlu (2003), “Surface Micromachined Capacitive Accelerometers Using MEMS Technology”, Thesis, Middle East Technical University, Turkey [91] T Veijola, M Turowski (2001), “Compact damping models for laterally moving microstructures with gas-rarefaction effects”, J Microelectromech Syst., 10, pp 263-273 [92] T Veijola, H Kuisma, J Lahdenpera, T Ryhenen (1995), “Equivalent circuit model of the squeezed gas film in a silicon accelerator”, Sen Actuators A Physical, 48, pp 239-248 [93] N Lobontiu, E Garcia (2005), “Mechanics of microelectromechanical systems”, Kluwer Academic Publishers, New York [94] A A Trusov, A R Schofield, A M Shkel (2009), “Gyroscope Architecture with Structurally Forced Anti-Phase Drive-Mode and linearly coupled AntiPhase Sense-Mode”, Transducers 2009: the 15th International Conference on Solid-State Sensor, Actuators & Microsystems, pp 660-663 [95] K Jono, M Hashimoto, M Esashi (1994), “Electrostatic servo system for multi-axis accelerometers”, Proceeding IEEE MEMS, pp 251-256 128 ... luận án với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa cảm biến gia tốc kiểu tụ? ?? lựa chọn Mục tiêu luận án - Thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động có hệ... nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự trình bày: (i) Thiết kế mơ vi cảm biến gia tốc ba bậc tự kiểu tụ sử dụng cấu trúc tụ điện vi sai; (ii) Chế tạo vi cảm biến gia tốc. .. loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc góc vi cảm biến gia tốc trình bày Trên sở tổng quan tài liệu, hướng nghiên cứu liên quan đến vi cảm biến vận tốc góc dao động kiểu âm thoa vi cảm biến