Cảm biến này là loại cảm biến dùng một khối gia trọng, về cấu tạo nó gồm một khối gia trọng treo trên một đế thông qua các dầm treo và chốt cố định xung quanh. Các dầm treo được thiết kế linh động để khối gia trọng có thể dao động theo hai phương vuông góc với nhau (phương kích thích và phương cảm ứng).
Khi có tín hiệu kích thích/kích hoạt từ bên ngoài, khối gia trọng sẽ dao động theo trục x – phương kích thích. Dao động sẽ đạt cộng hưởng khi tín hiệu kích thích có tần số đúng bằng tần số dao động riêng theo trục x của cảm biến. Trường hợp khi đang dao động mà cảm biến bị quay với một vận tốc góc ω sẽ gây ra hiệu ứng Coriolis. Lực Coriolis sẽ làm cho khối gia trọng dao động theo trục y – phương cảm ứng. Nhờ dao động này mà có thể trích xuất và xác định được vận tốc góc đó. Để có được độ nhạy cao, biên độ dao động lớn thì thiết kế cần có tần số dao động riêng theo phương cảm ứng và kích thích xấp xỉ nhau.
Đối với các cảm biến đo vận tốc góc được thiết kế có hai khối gia trọng là khối gia trọng kích thích và khối gia trọng cảm ứng thì khi có tín hiệu kích hoạt vào khối gia trọng kích thích và cảm biến bị quay với vận tốc góc ω thì sẽ làm khối gia trọng cảm ứng dao động theo phương cảm ứng.
Bên cạnh cảm biến đo vận tốc góc một khối gia trọng (Gyroscope), còn có cảm biến đo vận tốc góc hai khối gia trọng được biết đến là cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) được chỉ ra trong Hình 3. 3 [6].
Để TFG hoạt động thì hai khối gia trọng cần được kích hoạt để dao động ngược pha nhau 180o
(anti-phase). Khi đó hai khối gia trọng sẽ dao động ngược pha nhau 180o. Một dao động cảm ứng theo phương vuông góc với phương kích thích sẽ xuất hiện khi toàn bộ cấu trúc bị quay hoặc được đặt trong một chuyển động quay với vận tốc góc ω. Hai khung dao động theo phương cảm ứng cũng dao động ngược pha nhau 180o. Nếu các khối gia trọng được gắn với các răng lược của khung cảm ứng, khi hoạt động theo thành phần cảm ứng các tụ răng lược này sẽ có sự thay đổi điện dung và sự thay đổi này sẽ tỷ lệ với vận tốc góc quay ω mà chúng cần xác định. Vì vậy, TFG có thể dễ dàng tìm ra đại lượng đặc trưng cho chuyển động quay này thông qua đo biên độ dao động của các khối gia trọng theo phương cảm ứng.
Cấu trúc cảm biến theo kiểu này sẽ giúp giảm ảnh hưởng đáng kể các tín hiệu/nhiễu dao động đồng pha. Ngoài ra còn giúp cho tín hiệu lối ra tăng gấp đôi, nghĩa là có thể tăng độ nhạy của cảm biến.
Nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các hệ thống con quay vi cơ dựa trên cấu trúc hai khối gia trọng. Nhóm nghiên cứu từ Viện Vi điện tử, Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc và Khoa Điện và Kỹ thuật máy tính, Đại học Florida, Hoa Kỳ đã phát triển cấu trúc con quay gồm hai khối gia trọng và dao động trên không gian ba chiều [33]. Cấu trúc này cho kết quả hoạt động ổn định nhưng nguyên lý chế tạo rất phức tạp. Hơn nữa cấu trúc trình bày trong [33] không có liên kết trực tiếp giữa hai khung, nên không có hiệu ứng vi sai trong dao động của hai gia trọng.
Để nâng cao liên kết giữa hai khối gia trọng, nhóm nghiên cứu từ Khoa Vi kỹ thuật, Đại học Kyoto, Nhật Bản đã giới thiệu cấu trúc con quay vi cơ với hai khối gia trọng được kết nối bằng một lò so ngang. Cấu trúc này bước đầu cho phép giảm ảnh hưởng của tín hiệu đồng pha [76]. Tuy nhiên, do cấu trúc lò xo liên kết giữa hai khối gia trọng là cấu trúc một chiều, nên hiệu ứng vi sai giới hạn.
Để tối ưu hoạt động của con quay vi cơ hai khối gia trọng, nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu đề xuất cấu trúc cảm biến với cấu trúc liên kết hình quả trám. Cấu trúc này sẽ cho hoạt động ổn định hơn so với các cấu trúc nêu trên.
Các cảm biến vận tốc góc rung một khối gia trọng rất nhạy trong các dao động khi dịch chuyển tần số dao động riêng theo phương cảm ứng và phương kích thích [6]. Thay vì khối gia trọng đơn, cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork dùng hai khối gia trọng được thiết kế và điều khiển cho tần số dao động cộng hưởng theo hai phương kích thích và phương cảm ứng gần nhau. Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất một cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hai khối gia trọng treo kiểu vi sai với nhau.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến đề xuất này có thể được xem như hoạt động của một mạch khuếch đại vi sai điện tử với hai Transistor và một nguồn dòng không đổi. Để làm rõ sự tương đồng về nguyên lý hoạt động giữa mạch khuếch đại vi sai điện tử và cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork đề xuất, cần xem xét từng cấu trúc rồi tiến hành so sánh chúng với nhau.
* Trước tiên, xem xét mạch khuếch đại vi sai điện tử. Sơ đồ khối mạch khuếch đại vi sai hai Transistor và nguồn dòng không đổi được chỉ ra trong Hình 3. 4. Hình 3. 5 là sơ đồ một dạng mạch điện cụ thể.