Vào thế kỷ XX, 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. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một
37 cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp hệ thống vi cơ điện tử. Tuy rằng MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội.
a. Cấu trúc của Vi cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc.
Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ. Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS.
Hình 2.19: Sơ đồ một hệ đo gia tốc
Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây. Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn.
Hình 2.20: Các kiểu cảm biến gia tốc
38 Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ.
Cảm biến góc Roll –Pitch:
Định hướng 3D trong không gian
Phát hiện va chạm: Những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm
Đo và điều khiển mức rung
Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người
Hình 2.21: Hệ trục cảm biến gia tốc
Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc theo thời gian. Vận tốc lại đo sự thay đổi của độ dịch chuyển theo thời gian. Lực trọng trường là nguyên nhân gây ra gia tốc rơi tự do và gia tốc này bằng 9.81 m/s2(1g). Gia tốc thường được tính thông qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma. Ở đó F là lực gây ra gia tốc, m là khối lượng, a là gia tốc. Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là kilogram (kg), a có đơn vị là m/s2. Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định được giá trị của lực tác dụng lên một khối vật thể đã biết trước. Một cách tiếp cận khác để tính toán gia tốc đó là: Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian. Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian.
39 Gia tốc
Vận tốc
Độ dịch chuyển
Hình 2.22: Đồ thị gia tốc, vận tốc, độ dịch chuyển theo thời gian
Gia tốc cũng có thể được xác định một cách dễ dàng nhờ một dụng cụ đơn giản như sau.
Theo định luật II Newton: ΣF = ma
Ta suy ra: Tcosθ - mg = 0 => T = mg/cosθ Tsinθ = ma
Như vậy: a = g*tgθ
40
Nguyên tắc hoạt động của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ
Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lò xo. Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch chuyển. Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo F = kx, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo (N/m), x là khoảng dịch chuyển so với vị trí cân bằng (m). Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này cung cấp cho khối lượng m có một gia tốc a theo công thức F = ma. Tại vị trí cân bằng ta có :
F = ma = kx. Do đó, chúng ta thu được a =kx/m trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên. Nhờ vậy, để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x. Để đo khoảng dịch chuyển này, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được (hình 2.20).
Hình 2.24: Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải).
Điện dung của tụ điện đơn là C= k/x0, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính của môi trường nằm giữa hai bản tụ. Nếu biết k, điện dung của tụ điện C ta có thể tính được x0. Cũng trong hình 2.20, nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển một khoảng là x thì CA:
(1) hay có thể viết lại là:
(2) Do đó:
(3)
41 (4)
Nhờ vậy, nếu gắn khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối tiếp thì có thể xác định được độ dịch chuyển của nó dưới tác dụng của lực F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định giá trị ∆C.
b. Cảm biến góc xoay Gyroscope
Cảm biến gyroscope lợi dụng hiện tượng một vật đang xoay tròn biến chuyển động theo một phương thành chuyển động theo phương khác vuông góc
Cảm biến MEMS gyroscope: Đo vận tốc xoay của vật, với chuyển động input và output là chuyển động tịnh tiến (thường là dao động)
Cảm biến MEMS gyroscope dựa theo hiệu ứng Coriolis: Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ quy chiếu quay so với các hệ quy chiếu quán tính. Nó được thể hiện qua hiện tượng lệch quỹ đạo trong hệ quy chiếu này
Hình 2.25: Hiệu ứng Coriolis
Sử lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. F = m*ac = 2mv * (N)
v là vận tộc của vật (m/s) là vận tốc xoay (rad/s)
42
Hình 2.26: Lực Coriolis
Cảm biến gyroscope sử dụng một khối dao động thep một phương gọi là phương sơ cấp. Khối này đồng thời bị quay quanh 1 trục, làm xuất hiện lực Coriolis khiến nó có thêm dao động công hưởng theo phương khác, gọi là phương thứ cấp
Hình 2.27: Sơ đồ con quay hổi chuyển lò xo khối lượng đơn giản
Để đo gia tốc Coriolis, khung chứa khối lượng cộng hưởng được gắn vào đế bằng lò xo ở góc 90 ° so với chuyển động cộng hưởng, như trong hình 2.27. Hình này cũng cho thấy các bản tụ được sử dụng để cảm nhận sự dịch chuyển của khung thông qua quá trình biến thiên điện dung và phản ứng với lực tác dụng bởi khối lượng
43
Hình 2.28: Sơ đồ cấu trúc cơ học của cảm biến góc xoay
Hình 2.29: Khung và khối lượng cộng hưởng bị dịch chuyển bởi tác động hiệu ứng
Coriolis.
Hình 2.29 cho thấy cấu trúc hoàn chỉnh, chứng minh rằng khi khối lượng cộng hưởng di chuyển và khi bề mặt mà con quay hồi chuyển được gắn quay, khối lượng và khung của nó chịu gia tốc Coriolis và dịch chuyển 90° so với chuyển động của dao động. Khi tốc độ quay tăng, độ dịch chuyển của khối lượng và tín hiệu thu được từ điện dung tương ứng cũng thay đổi theo. Cảm biến góc xoay có thể được đặt ở bất kỳ đâu trên vật thể quay và ở bất kỳ góc độ nào, miễn là trục cảm nhận của nó song song với trục quay.
Cảm biến điện dung
MEMS đo sự dịch chuyển của khối cộng hưởng và khung của nó do hiệu ứng Coriolis thông qua các phần tử cảm ứng điện dung gắn với bộ cộng hưởng, như trong hình 2.29.
44 Các phần tử này là polysilicon xen kẽ với các polysilicon đứng yên gắn với đế, do đó tạo thành hai tụ điện bằng nhau. Độ dịch chuyển do tốc độ góc tạo ra biến thiên điện dung (Delta C) trong hệ thống này.
Trong thực tế, gia tốc Coriolis là một tín hiệu cực kỳ nhỏ, tạo ra độ dịch chuyển nhỏ của 2 bản tụ (Angstroms) và thay đổi điện dung tương ứng (zeptofarads = 10-27 F). Do đó, điều cực kỳ quan trọng là giảm thiểu độ nhiễu bởi nhiệt độ, ứng suất, gia tốc bên ngoài và nhiễu điện. Điều này đạt được một phần bằng cách đặt các thiết bị điện tử, bao gồm cả bộ khuếch đại và bộ lọc, trên cùng một khuôn với cảm biến cơ học. Tuy nhiên, điều quan trọng hơn là phải thực hiện các phép đo vi phân chính xác chuỗi tín hiệu và tương quan tín hiệu với vận tốc của bộ cộng hưởng, đặc biệt là để loại bỏ các tác động của gia tốc bên ngoài.