(1) Các lò xo treo khung kích thích, (2) Các lò xo treo khung cảm ứng, (3) Các cặp tụ điện kích thích, (4) Khung răng lược kích thích
Theo tài liệu tham khảo [6], tín hiệu kích thích có thể đặt vào giữa điện cực kích thích Cdrivevà khung kích thích (xem Hình 3. 13) có công thức:
(3.25)
Do đó, lực kích thích tương ứng tác động lên khung kích thích là:
(3.26)
Hình 3. 13 Sơ đồ kích thích dao động kiểu một cực điện dung trong cảm biến đo vận tốc góc công nghệ MEMS [6]
Tuy nhiên, trong quá trình mô phỏng tác giả nghiên cứu đã đặt trực tiếp lực kích thích vào 8 khung răng lược thay vì kích thích bằng điện áp.
Cơ sở đưa ra các thông số, kích thước để thiết kế cảm biến đo vận tốc này, hệ dầm treo vi sai và cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai trong phần tiếp theo là: Xác định ứng dụng vào bài toán điều khiển, dẫn đường quán tính (cụ thể là xác định vận tốc góc). Đồng thời, do giới hạn trong công nghệ chế tạo, giới hạn dải đo vận tốc góc trong khoảng 0 ÷ ±25o/s. Ngoài ra, còn xem xét các yếu tố khác như: Khoảng tần số dao động, khoảng cách tần số dao động giữa phương kích thích và phương cảm ứng. Trong quá trình mô phỏng sẽ dựa vào các mục tiêu thiết kế để tiếp tục điều chỉnh các thông số cho phù hợp. Đồng thời, tài liệu [86] cũng được sử dụng để tham khảo trong quá trình thiết kế.
Trong nghiên cứu này, các thông số thiết kế của cảm biến đo vận tốc góc hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung được liệt kê trong Bảng 3.1.
Một số tần số dao động riêng liên quan đến phương dao động kích thích của cảm biến được liệt kê trong Bảng 3.2.
Bảng 3. 1: Các tham số thiết kế trong cấu trúc cảm biến vận tốc góc đề xuất
Tham số Ký hiệu Giá trị
Độ cao của cảm biến đo vận tốc góc H 1754 µm Chiều rộng của cảm biến đo vận tốc góc W 1644 µm Độ dày của cảm biến đo vận tốc góc t 30 µm Độ cao của khung kích thích hdpm 1200 µm Độ rộng của khung kích thích wdpm 1300 µm
Độ cao của khung cảm ứng hspm 840 µm
Độ rộng của khung cảm ứng wspm 940 µm
Độ cao dầm treo phụ của khung kích thích h1 190 µm Độ cao dầm treo chính của khung kích thích h2 260 µm Độ rộng dầm treo khung kích thích w1 6 µm Kích thước chốt cố định w2 × h3 40 µm × 40 µm
Số lượng khung răng lược 8
Độ cao khung răng lược kích thích h5 200 µm Chiều rộng khung răng lược kích thích w3 25 µm Số răng lược trên một khung răng lược kích thích 15 Kích thước răng lược kích thích w4 × h4 50 µm × 3 µm Khoảng cách giữa 2 răng lược liên tiếp 2,5 µm Khoảng cách giữa hai răng lược trên cùng một
khung răng lược kích thích g 8 µm
Khoảng cách chồng lên nhau của hai răng lược ldfo 10 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (1) a1 × b1 150 µm × 20 µm Dầm treo cảm ứng hình E líp (2) a2 × b2 144 µm × 14 µm Trọng lượng khung kích thích md 0,5452 × 10-7 Kg Trọng lượng khung cảm ứng ms 0,9408 × 10-11 Kg Độ cứng mode kích thích Kd 347 N/m Độ cứng mode cảm ứng Ks 540 N/m
Bảng 3. 2 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của cảm biến đo vận tốc góc
Mode dao động Tần số (Hz)
1 – Dao động kích thích 13544,7
2 – Dao động không mong muốn 62268,7 3 - Dao động không mong muốn 106921,8 4 - Dao động không mong muốn 140865,5
Trong Bảng 3. 2 mode dao động đầu tiên có tần số 13544,7 Hz là dao động cộng hưởng theo phương kích thích, còn các mode còn lại là các dao động không mong muốn, những dao động này vừa theo phương kích thích vừa theo phương cảm ứng. Trong các tần số tương ứng với từng mode dao động này thì tần số trong mode đầu tiên được sử dụng là tần số trong tín hiệu kích thích nhằm đạt được biên độ dịch chuyển lớn nhất của hai khung kích thích.
Khối lượng của khung kích thích là md = 0,5452 × 10e-7 Kg. Trong đó có khối lượng của khung cảm ứng là ms =0,9408 × 10e-7 Kg (do khung cảm ứng được treo vào khung kích thích). Độ cứng của hệ lò xo/dầm treo khung kích thích Kd = 347 N/m và độ cứng của hệ lò xo/dầm treo khung cảm ứng là Ks = 540 N/m.
3.5. Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai (cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai) kiểu Tuning Fork có hệ dầm treo vi sai)
3.5.1. Hệ dầm treo vi sai
Trong luận án này tác giả giới thiệu một cấu trúc treo vi sai như được chỉ ra trong Hình 3. 14.