Hình 4.8: Hình ảnh MEMS thực tế
Trên cơ sở các kết quả phân tích với cả ba mô hình thiết kế đã thực hiện với bài toán cơ ở phần 3.1, mô hình thiết kế thứ 4 đã thể hiện có cấu trúc tối ưu nhất. Vì vậy, mô hình này đã được lựa chọn để tiếp tục thực hiện bài toán mô phỏng các đặc trưng điện thông qua phép phân tích đáp ứng tức thời (Transient analysis) sử dụng phần mềm Simulink trong Mattab. Đáp ứng tần số của mô hình thiết kế thứ 4 được chỉ ra trên hình 4.10 và 4.12. Linh kiện được kích hoạt với tần số 10453 Hz và biên độ dao động đạt khoảng 2m. Giá trị biên độ này cho thấy cấu trúc có độ cứng khá cao. Biên độ dao động cảm ứng lớn nhất khoảng 3,7 nm tương ứng biến đổi điện dung lối ra khoảng 2fF.
Hình 4.10: Đáp ứng tần số của mode dẫn động [1]
Hình 4.12: Đáp ứng tần số của mode cảm ứng [1]
Lối vào của bài toán là vận tốc góc dưới dạng một xung tín hiệu hình thang và đáp ứng tín hiệu lối ra sẽ là biến đổi điện dung. Giả định, vận tốc góc tăng dần từ 0 đến giá trị 0trong khoảng thời gian 6 ms, sau đó, được duy trì ở độ lớn này trong khoảng thời gian 15 ms, cuối cùng giảm dần về 0 cũng trong khoảng thời gian 6ms. Để xác định đáp ứng của gyroscope trong miền thời gian, phép phân tích tức thời đã được thực hiện. Tín hiệu vận tốc góc có độ trễ khoảng 0.605s. Để có được biên độ dao động dẫn động đạt giá trị cực đại, cần có thời gian trễ lớn.
Kết quả phân tích nhận được từ SIMULINK là đáp ứng thời gian tương ứng của cảm biến này, được trình bày trên hình 4.13.
Hình 4.13: Đáp ứng ra của mô hình 4
Giữa mode dẫn động và mode cảm ứng cần phải có sự chênh lệch trị số tần số. Đây cũng là một đặc trưng quan trọng của loại linh kiện này, gọi là độ rộng dải tần (bandwidth). Thông số này đạt giá trị khoảng 100 Hz, vừa vẫn thỏa mãn tiêu chí tách biệt về tần số giữa hai mode dao động dẫn động và cảm ứng, vừa đảm bảo tốc độ đáp ứng của linh kiện nhanh.
Chương 5
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1. Kết luận của đề tài
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 và chấp hành 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 và mô phỏng các tính chất điện của cảm biến đo vận tốc góc hay con quay vi cơ kiểu Tuning Fork có nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis. Các kết quả chính trong bản luận văn đạt được như sau:
-Tiến hành phân tích và tính toán đặc trưng động học để xác định số răng lược cần thiết cho cấu trúc hệ tụ điện để kích hoạt và thu nhận tín hiệu cảm ứng ở lối ra. Hệ thống cấu trúc răng lược dẫn động và răng lược cảm ứng thiết kế đã đáp ứng được các yêu cầu như: thu được chuyển vị lớn với kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và thu nhận tín hiệu.
-Đã tính toán tìm ra giá trị khoảng cách tối ưu của các điện cực răng lược trong cấu trúc tụ điện cảm ứng.
-Đưa ra các mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork với cấu trúc cải tiến, đáp ứng rất tốt với yêu cầu thiết kế đề ra như: Khử bỏ và hạn chế các mode dao động đồng pha cũng như các mode dao động không mong muốn là nguyên nhân gây ra các nhiễu tín hiệu đo; hệ thống tụ điện dẫn động và cảm ứng được thiết kế hợp lý tạo ra được các chuyển vị lớn dễ dàng hoạt động và thu nhận tín hiệu.
-Tiến hành mô phỏng các đặc trưng điện của cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng tần số của cấu trúc thu được là phù hợp với nguyên lí hoạt động của bộ dao động cộng hưởng; đáp ứng thời gian của cấu trúc cho thấy linh kiện khá nhạy với sự thay đổi của vận tốc góc (khi tăng, giảm vận tốc góc một cách tuyến tính thì tín hiệu lối ra, biên độ cảm ứng hay độ thay đổi điện dung cũng sẽ tăng giảm tuyến tính theo).
-Ngoài ra, kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi điện dung của cảm biến (ΔC) là một hàm tuyến tính đối với vận tốc góc (ω).
-Thiết kế các mạch điện thực hiên xử lý và tách tín hiệu cảm biến sau khi thu được từ phần cơ khí, giải điều chế để tử đó nhận được giá trị vận tốc góc mong muốn thông qua giá trị của lực Coriolis thu được.
5.2. Đề xuất hướng phát triển của đề tài
-Trên cơ sở các kết quả phân tích, tính toán và mô phỏng với những thông số tối ưu của các mô hình đã thực hiện thiết kế một bộ Mask để triển khai chế tạo linh kiện trên cơ sở công nghệ MEMS. Có thể khẳng định rằng, các phương án thiết kế đã được phân tích, tính toán và mô phỏng một cách khoa học.
-Kết quả đạt được trong luận văn mới chỉ dừng ở phần nghiên cứu thiết kế con quay vi cơ kiểu tuning fork có cấu trúc mới so với những kết quả đã công bố trước đây, thiết kế mạch điện xử lý tín hiệu cho Gyroscopes. Tuy nhiên, để khẳng định các kết quả tính toán này thì linh kiện phải được hiện thực hóa thông qua quy trình chế tạo và ứng dụng thử nghiệm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Quang Long, “Nghiên cứu chế tạo cảm biến quán tính sử dụng cấu trúc răng lược trên cơ sở công nghệ MEMS,” – Luận Văn Thạc sĩ Khoa học, Viện ITIM Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2012.
[2] Cenk Acar and Andrei Shkel, “MEMS Vibratory Gyroscopes Structural Approaches to Improve Robustness,” University of California, June 2008.
[3] C. Acar, A. Shkel. Design Concept and Preliminary Experimental Demonstration of MEMS Gyroscopes with 4-DOF “Master-Slave ” Architecture. SPIE Conference on Smart Electron-ics and MEMS, March 2002.
[4] C. Acar, and A. Shkel. A Class of MEMS Gyroscopes with Increased Parametric Space. Proceedings of IEEE Sensors Conference, Orlando, Florida, 2002, pp. 854-859.
[5] M. D. Pottenger, “Design of Micromachined Inertial Sensors,” PhD. Dissertation, Univ. of California, 2001.
[6] J. E. D. Williams, “From Sails to Satellites: The Origin and Development of Navigational Science,” New York, Oxford University Press, 1994.
[7] S. E. Alper, “Silicon Surface Micromachined Gyroscopes Using MEMS Technology,” M.S. Thesis, Middle East Technical Univ, 2000.
[8] K. Kumar, N. Barbour, and J. M. Elwell, “Emerging Low(er) Cost Inertial Sensors,” Proc. AIAA GN&C Conf., pp. 11-24, August 1992.
[9] M. Kraft, “Micromachined Inertial Sensors: The State of the Art and a Look into Future,” IMC Measurement and Control, Vol. 33 No. 6, pp. 164-168, 2000. [10] N. Yazdi, F. Ayazi, and K. Najafi, “Micromachined Inertial Sensors,” Proc. of
the IEEE, Vol. 86, No 8, pp. 1640-1659, August 1998.
[11] H. Kulah, “Closed-Loop Electromechanical Sigma-Delta Microgravity Accelerometers,” PhD. Dissertation, Univ. of Michigan, 2003.
[12] J. Dosher and C. Kitchin, “Monitoring Machine Vibration with Micromachined Accelerometers,” Sensors 14(5), pp. 33-34, May 1997.
[13] P. F. Man, and C. H. Mastrangelo, “Surface micromachined shock sensor for impact detection,” Tech. Digest of IEEE Solid-State Sensors and Actuator Workshop (Hilton Head’94), pp.156-159, 1994.
[14] R. S. Seeley, “Micromachines Rev Up for Fast Growth,” Electronic Business Today, pp- 33-38, April 1996.
[15] R. F. Yazıcıoğlu, “Surface Micromachined Capacitive Accelerometers Using MEMS Technology,” M.S. Thesis, Middle East Technical Univ. ,2003. 132 [16] N. Barbour, G. Schmidt, “Inertial Sensor Technology Trends,” Workshop on
Autonomous Underwater Vehicles, pp.55-62, 1998.
[17] R. L. Craik and C. A. Oatis (Eds.), “Gait Analysis: Theory and Applications,” Mosby, 1995.
[18] K. Miller, D. Hendelman, C. Baggett, E. Debold, and P. Freedson, “Validation of Accelerometry to Assess Moderate Intensity Physical Activity in the Field,” Medicine & Science in Sports & Exercise, 31(5), pp.43, May 1999.
[19] W. Kuehnel and S. Sherman, “A surface micromachined silicon accelerometer with on-chip detection circuitry,” Sensors and Actuators Vol. A-45, pp. 7-16, 1994.
[20] S. J. Sherman, W. K. Tsang, T. A. Core, R. S. Payne, D. E. Quinn, K. H. L. Chau, J. A. Farash, and S. K. Baum, “A Low Cost Monolithic Accelerometer: Product/Technology Update,” Techncal Digest International Electron Devices Meeting, pp.501-504, 1992.
[21] K. Jost, “Yaw Sensing,” Automotive Engineering, pp. 61-63, September 1995. [22] G. He and K. Najafi, “A Single-Crystal Silicon Vibrating Ring Gyroscope,” Proc.
IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS’02), pp. 718- 721,January 2002.
[23] W. Qu, C. Wenzel, and G Gerlach, “Fabrication of a 3D Differential-Capacitive Accelerometer by UV-LIGA,” Sensors and Actuators, Vol. 77, pp. 14-20, 1999. [24] J. W. Wiegold, K. Najafi, ans S. W. Pang, “Design and Fabrication of
Submicrometer, Single Crystal Si Accelerometer,” Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.10, pp. 558-524, Dec.2001.
[25] K. H. –L. Chau, S. R. Lewis, Y. Zhao, R.T. Howe, S. F. Bart, and R. G. Marcheselli, “An Integrated Force-Balanced Capacitive Accelerometer for low-g Applications,” Sensors and Actuators, Vol. 54, pp. 472-476, 1996.
[26] B. Guldimann, P. Thiebauld, N. F. de Rooji, and R. A. Turpin, “Micromachined, Fiber-Optic Based Accelerometer with Shutter Modulation,” Proc. IEEE Micro Electro Mechanical System Workshop (MEMS’00), 2000.
[27] A. Partidge, J. K. Reynolds, B. W. Chui, E. M. Chow, A. M. Fitzgerald, L. Zhang, and N.I. Maluf, “A High-Performance Planar Piozoresistive Accelerometer,” J. Microelectromechanical Sys., Vol. 9, No. 1, pp. 58-66, March 2000.
[28] H. Takao, Y. Matsumoto, and M. Ishida, “Stress-sensitive Differential Amplifiers Using Piozoresistive Effects of MOSFETs and Their Application to Three-Axis Accelerometers,” Sensors and Actuators, Vol. 65, pp. 61-68, 1998.
[29] J. A. Plaza, M. A. Benitz, and Lora-Tamayo, “New FET Accelerometer Based on Surface Micromachining,” Sensors and Actuators, Vol. 61, pp. 342-345, 1997. [30] S. D. Senturia, “Microsystem Design,” Kluwer Academic Publishers, 2001. [31] F. Paelotti, “A Silicon Micromachined Vibrating Gyroscope with Piezoresistive
Detection and Electromagnetic Excitation,” MEMS’96, pp.162-167, 1996. [32] R. Voss, “Silicon Angular Rate Sensor for Automotive Applications with
Piezoelectric Drive and Piezoresistive Read-out,” Transducers’97, Vol.2 pp.879- 882, 1997.
[33] Y. Nemirovsky, A. Nemirovsky, P. Muralt, and N. Setter, “Design of Novel Thin- Film Piezoelectric Accelerometer,” Sensors and Actuators, Vol. 56, pp. 239- 249,1996.
[34] D. L. DeVoe, and A. P. Pisano, “Surface Micromachined Piezoelectric Accelerometers (PiXLs),” J. Microelectromechanical Sys., Vol. 10, No. 2, pp. 180186, June 2001.
[35] V. Milanovi, E. Bowen, N. Tea, J. Suehle, B. Payne, M. Zaghloul, and M. Gaitan, “Convection-Based Accelerometer and Tilt Sensor Implemented in Standard CMOS,” Proc. Int. Mech. Eng. Conf. and Exp., MEMS Symposium, Anaheim, Nov. 1998.
[36] A. A. Seshia, M. Palaniapan, T. A. Roessing, R. T. Howe, R. W. Gooch, T. R. Schimert, and S. Montague, “A Vacuum Packaged Surface Micromachined Resonant Accelerometer,” J. Microelectromechanical Sys., Vol. 11, No. 6, pp. 784-793, Dec 2002.
[37] C.-H. Lui and T. H. Kenny, “A High-Precision, Wide-Bandwidth Micromachined Tunneling Accelerometer,” J. Microelectromechanical Sys., Vol. 10, No. 3, pp. 425-433, Sept. 2001.
[38] F. Gretillat, M.-A. Gretillat, and N. F. de Rooij, “Improved Design of a silicon Micromachined Gyroscope with Piezoresistive Detection and Electromagnetic Actuation,” J. Microelectromechanical Sys., Vol. 8, No. 3, pp. 243-250, September 1999.
[39] A. J. Harris, J. S. Burdess, D. Wood, R. Langford, G. Williams, M. C. L. Lard, and M. E. McNie, “Issues Associated with the Design, Fabrication and Testing of a Crystalline Silicon Ring Gyroscope with Electromagnetic Actuation and Sensing,” J. Micromech. Microeng., pp. 284-292, August 1998.
[40] F. P. Beer and E. R. Johnston, “Mechanics of Materials,” McGraw-Hill, 1985. [41] R. J. Roark and W. C. Young, “Formulas for Stress and Strain,” McGraw-Hill,
1983.
[42] M. W. Putty, “A Micromachined Vibrating Ring Gyroscope,” PhD. Dissertation, Univ. of Michigan, 1995.
[43] A. Burstein, “Highly Sensitive Single and Dual-Axis High Aspect Ratio Accelerometers with a CMOS Precision Interface Circuit,” PhD Dissertation, Univ. of California, 1999.