Chương 2 : THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS
2.5. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork
2.5.1. Mô hình thiết kế 1
Mô hình thiết kế thứ nhất được đưa ra ở hình 2.10.
Hình 2.10: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nhất [1]
Ghi chú:
(1) Khung driving (6) Dầm gấp kép
(2) Khung sensing (7) Cơ cấu cần đẩy
(3) Các dầm treo cố định (8) Hệ thống tụ dẫn động (kiểu răng lược)
(4) Dầm treo Sensing (9) Hệ thống tụ cảm ứng (kiểu răng lược)
Nguyên lý hoạt động:
Hai khối gia trọng của cấu trúc này cũng được cấu tạo từ hệ hai khung lồng vào nhau. Khung ngoài (1) của mô hình có vai trò duy trì dao động theo phương dẫn động. Khung trong (2) được treo trong khung (1) bắng một hệ thanh dầm đàn hồi dạng elíp và được nối với nhau bằng thanh chống đồng pha. Các dầm gập kép (3) cũng có vai trò gắn và treo toàn bộ hai hệ khung ngoài và trong. Hai khối gia trọng cũng được liên kết với nhau bằng một dầm đàn hồi dạng elip (5). Hệ các dầm gập kép có nhiệm vụ neo giữ dầm liên kết elip, nhằm chống lại các biến dạng vặn xoắn (out of plane) sẽ dẫn đến mode dẫn động đồng pha. Mô hình này đạt được tiêu chí thu gọn kích thước của linh kiện.
Những điểm khác biệt rõ nét của thiết kế này là:
- Hệ tụ răng lược dẫn động (8) được đặt bên ngoài hệ khung cấu trúc để có thể tăng số răng lược cần thiết cho mục đích tăng lực dẫn động.
- Hệ tụ răng lược (9) để nhận biết tín hiệu cảm ứng lối ra được đặt bên trong của hệ khung trong (1).
- Cơ cấu cần đẩy (7) được đặt ở chính giữa thanh liên kết hai khung cảm ứng bên trong. Như vậy, với cấu trúc như trên sẽ khử được các mode dao động không mong muốn (dẫn động đồng pha và cảm ứng đồng pha).
Khi cho một tác động ở đầu vào dẫn động, làm cho khung driving dao động theo phương dẫn động (trục x), khi đó các dầm treo (3) và (6) bị tác động.
Khi cấu trúc quay một góc , thì sẽ sinh ra một lực Coriolit tác động lên khung
của sensing, làm cho nó dịch chuyển theo phương cảm ứng (trục y), làm cho hệ thống tụ răng lược thay đổi khoảng cách, dẫn đến làm thay đổi điện dụng của tụ và nó tỷ lệ với vận tốc góc quay tác động lên nó.
2.5.2. Mô hình thiết kế 2
Mô hình 2 lặp lại hầu hết các chi tiết thiết kế của mô hình thứ nhất. Điểm khác biệt của thiết kế thứ hai này là việc bỏ thanh chống đồng pha của sensing và thay vào đó là trống đồng pha cho khung driving. Việc đưa ra thêm cấu trúc mới này nhằm so sánh độ tin cậy với các biến dạng xoắn, vênh của cấu trúc trống đồng pha cho sensing và không có trống đồng pha cho sensing. Mô hình thiết kế 2 cũng khảo sát sự khác nhau về cách dẫn động theo một hướng và theo hai hướng.
Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 2.5.3. Mô hình thiết kế 3 2.5.3. Mô hình thiết kế 3
Mô hình 3 được thể hiện trên hình 2.12, khắc phục cấu trúc của sensing trong mô hinh thiết kế 1, với mô hình thiết kế 3 thì các hệ tụ của đầu sensing vi phân với nhau theo 2 nửa ở hai bên của một cảm biến, sử dụng các dẫn động theo hai hướng.
Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ ba [1] 2.5.4. Mô hình thiết kế 4 2.5.4. Mô hình thiết kế 4
Mô hình 4 được thể hiện trên hình 2.13, mô hình này được đưa ra nhằm so sánh với mô hình thiết kế 3.
Hình 2.13: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư
Mô hình 4 đã được thiết kế và mô phỏng cơ trên phần mềm ANSYS cho thấy các đáp ứng tần số ở đầu ra của các mode driving và mode sensing như hình 3.4, hình 3.5, hình 3.6 và hình 3.7.