Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai: + Mạch gồm hai Transistor cùng loại T1 và T2, hai cặp điện trở phân áp cho hai Transistor là R và RB, điện trở tải RC và nguồn dòng không đổi I. Điện trở RE của nguồn dòng càng cao, tín hiệu xoay chiều càng nhỏ thì tỉ lệ loại bỏ nhiễu đồng pha (CMRR – Common-mode rejection ratio) của mạch càng lớn. Cực Emitter của hai Transistor được nối với nhau và nối với nguồn dòng không đổi. Mạch có hai đầu vào Vin1 và Vin2đặt vào hai cực Base của T1 và T2. Hai tín hiệu vào này có thể vi sai với nhau. Đầu ra Vo = UC1 – UC2. Trong đó, UC1 và UC2 là hai đầu ra lấy trên cực Collecter tương ứng của T1 và T2. Hai nguồn cung cấp cho mạch hoạt động là +Vcc
và -Vcc.
+ Hệ số khuếch đại A = ΔVo/ΔVi= hệ số số khuếch đại của một Transistor. + Khi xuất hiện tín hiệu đồng pha hoặc có tín hiệu nhiễu tác động thì chúng sẽ tác động đồng thời lên cả hai cực B1 và B2 với điện áp đồng pha (cùng dương hoặc cùng âm). Như vậy, ở đầu ra ΔVC1 và ΔVC2 biến thiên cùng hướng sẽ triệt tiêu nhau và ΔVo=0.
Như vậy, mạch khuếch đại vi sai có khả năng chống nhiễu rất tốt. Tín hiệu nhiễu ở đây có thể là tín hiệu điện từ, nhiệt độ môi trường hay sự biến thiên điện áp của nguồn.
+ Trường hợp ở đầu vào nhận tín hiệu vi sai sẽ điều khiển hai Transistor hoạt động ngược hướng nhau (T1 thông mạnh thì T2 thông yếu và ngược lại) nên khi IC1
tăng thì IC2 giảm nhờ nguồn dòng không đổi I. Như vậy, nguồn dòng không có tác dụng hồi tiếp âm đối với tín hiệu vi sai và như thế độ lợi của mạch khuếch đại vi sai không đổi và vẫn được tính bằng công thức: A = ΔVo/ΔVi = Hằng số.
Vì vậy, trong mạch khuếch đại vi sai này tín hiệu vi sai giữa hai đầu vào được khuếch đại đáng kể đồng thời loại bỏ được tín hiệu/nhiễu đồng pha. Do đó, tỉ lệ loại bỏ tín hiệu/nhiễu đồng pha CMRR được cải thiện rất nhiều so với một mạch khuếch đại đơn cùng loại. CMRR của mạch có thể lên tới hàng trăm ngàn thậm trí còn cao hơn trong một số trường hợp.
* Tiếp đến, ta xem xét cấu trúc TFG đề xuất như được chỉ ra trong Hình 3. 6. Đây là loại cảm biến đo vận tốc góc có hai khối gia trọng được liên kết với nhau bằng hệ dầm treo/lò xo liên kết hình quả trám. Trong cấu trúc này hai khối gia trọng kích thích (drive proof-mass) được treo bởi hai lò xo Kx.
Như vậy, bằng cách dùng hệ lò xo/dầm treo liên kết hình quả trám và khi có tín hiệu kích thích cùng biên độ và ngược pha nhau vào hai khối gia trọng kích thích sẽ làm hai khối gia trọng này tự do dao động với cùng mức biên độ và ngược pha nhau. Về bản chất, TFG có thể cải tiến được độ nhạy và loại bỏ đáng kể nhiễu đồng pha cho cả hai phương dao động (mode dao động) kích thích và cảm ứng.
Căn cứ vào nguyên lý hoạt động của TFG như được chỉ ra trong mục 3.1.1 thì mặc dù đây là một hệ dao động cơ học nhưng nó được chứng minh rằng có nguyên lý hoạt động và một số đặc điểm tương đồng với mạch khuếch đại vi sai dùng 2 Transistor và nguồn dòng không đổi.
Hình 3. 6 Cấu trúc khối của cảm biến đo vận tốc tốc góc kiểu Tuning Fork rung với hai khối gia trọng treo kiểu vi sai
Xét về sự tương đồng trong cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork đề xuất (Hình 3. 6) và mạch khuếch đại vi sai (Hình 3. 4) thì: Khung treo hình quả trám với hai lò xo KY đóng vai trò như nguồn dòng không đổi; hai khối gia trọng đóng vai trò như hai Transistor đồng thời cả hai cấu trúc đều có dạng đối xứng hoàn toàn. Bên cạnh đó, xét về đặc điểm làm việc của hai cấu trúc: khi có tín hiệu vi sai ở hai đầu vào mạch khuếch đại vi sai thì hệ số khuếch đại không đổi, còn trong cấu trúc TFG đề xuất này khi đưa tín hiệu vi sai (hai tín hiệu kích thích không hoàn toàn lệch pha nhau 180o) vào thì tín hiệu ra (tín hiệu dao động cơ học của hai khung cảm ứng) không thay đổi (vẫn lệch pha nhau 180o). Ngoài ra, cả hai cấu trúc đều có khả năng giảm/loại bỏ nhiễu và tín hiệu đồng pha.
Thông qua những phân tích, so sánh và đánh giá như trên, chương 3 của luận án tác giả đưa ra ý tưởng thiết kế một cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork (TFG) treo kiểu vi sai và hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung. Tức là hai cảm biến đo vận tốc góc hai bên được liên kết với nhau bằng một hệ dầm liên kết hình quả trám và các tín hiệu kích thích sẽ được đặt vào hệ tụ kích thích và tín hiệu lấy ra trên hệ tụ cảm ứng. Cấu trúc thiết kế đề xuất được chứng minh là có thể giảm ảnh hưởng đáng kể nhiễu/tín hiệu đồng pha, khuếch đại tín hiệu ngược pha và đặc biệt là có
khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào khi chúng bị lệch pha đến một giá trị nhất định nào đó (không hoàn toàn lệch pha nhau 1800).
Để chứng minh được ý tưởng nghiên cứu cũng như sự đúng đắn về những nhận định ở trên tác giả lựa chọn phần mềm Comsol Multiphysics để thiết kế và mô phỏng kết quả. Những kiến thức và nội dung cơ bản về Comsol Multiphysics, lý thuyết về hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược có liên quan đến nghiên cứu mới này được trình bày trong hai phần tiếp theo trong chương này để làm cơ sở cho quá trình nghiên cứu và thực hiện.
3.2. Phần mềm thiết kế và mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc
Tính đến thời điểm hiện tại, hầu hết các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đều sử dụng phần mềm ANSYS để thiết kế, mô phỏng hoạt động của cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc [34],[39],[56],[62]. Ngoài ra, có thể kết hợp phần mềm ANSYS với phần mềm MATLAB và SIMULINK để tính toán và mô tả. Tuy nhiên, hiện nay phần mềm COMSOL Multiphysics cũng đang được sử dụng rộng rãi trong việc tính toán, thiết kế, mô phỏng các mô hình khác nhau trong đó có lĩnh vực MEMS mà cụ thể là cảm biến đo vận tốc góc và TFG [58],[64],[93] bởi tính ứng dụng đa dạng và khả năng tính toán vượt trội mà nhiều phần mềm khác không thể làm được.
Phần mềm đa trường vật lý (COMSOL Multiphysics) [25]-[26] cho phép xây dựng được những mô hình hình học, cách chia lưới cho các phần tử hữu hạn, cách tạo các tham số và các biến trong mỗi mô hình; cho phép tạo, khai báo nhiều trường vật lý, các thuộc tính của vật liệu sử dụng để xây dựng trong mỗi mô hình, và cho phép tính toán và hiển thị các kết quả theo yêu cầu.
Thông qua các giao diện vật lý trong phần mềm này, cho phép người sử dụng giải quyết được:
- Các bài toán về sự ổn định và thời gian độc lập (gọi là bài toán nhất thời). - Các bài toán tuyến tính và phi tuyến.
COMSOL Multiphysics có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng như: Âm thanh
Sinh học
Phản ứng hóa học
Ăn mòn và bảo vệ ăn mòn Điện hóa học
Điện từ
Động học chất lỏng Địa vật lý
Trao đổi/truyền nhiệt Các hệ vi cơ điện tử Vi lỏng Kĩ thuật viba Quang học Quang tử học Vật lý Plasma Cơ học lượng tử Các thiết bị bán dẫn Truyền lan sóng …….
Với mục tiêu là xây dựng được một cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork với hệ lò xo/dầm treo liên kết hình quả trám còn gọi là dầm treo vi sai hoạt động dựa trên hiệu ứng điện dung thì COMSOL Multiphysics là phần mềm đáng tin cậy và phù hợp. Lý do là nó có thể đáp ứng được mọi yêu cầu từ việc lựa chọn vật liệu, dựng mô hình, thiết lập tham số, điều kiện làm việc, các hàm kích thích… trong quá trình thiết kế tới việc mô phỏng để kiểm tra và lấy kết quả. Bên cạnh đó, nguyên lý làm việc của TFG là đưa tín hiệu điện hoặc lực kích thích vào để làm cho các khối gia trọng dao động và từ việc dao động đó tìm ra tín hiệu điện hoặc dao động cơ học
tương ướng đều được phần mềm đáp ứng hoàn toàn do đã tích hợp sẵn mô hình Cơ – Điện (Electromechanics).
3.3. Hiệu ứng tĩnh điện và hệ tụ răng lược 3.3.1. Lực tĩnh điện (lực Coulomb) 3.3.1. Lực tĩnh điện (lực Coulomb)
Theo định luật Coulomb, lực hút hay đẩy giữa hai điện tích đặt trong chân không có phương trùng với đường thẳng nối hai điện tích điểm đó, có độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn của hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng:
| | | | (3.1)
Trong đó:
- F: lực tĩnh điện (lực Coulomb), đơn vị là N.
- q1, q2: điện tích của hai hạt mang điện, đơn vị là Coulomb. - r: khoảng cách giữa hai điện tích, đơn vị là m.
- k = 9.109 (Nm2/C2): Hằng số tĩnh điện.
Trong trường hợp lực tĩnh điện xảy ra trong môi trường bất kỳ thì công thức lực tĩnh điện có dạng như sau:
| | | | (3.2)
Trong đó, ε là hằng số điện môi (ε ≥ 1).
Nhìn vào công thức trên ta thấy rằng độ lớn của lực tĩnh điện phụ thuộc chủ yếu vào điện tích của các hạt mang điện và khoảng cách giữa các điện tích. Tuy nhiên, trong các ứng dụng cụ thể thì ít khi điều chỉnh khoảng cách này vì vậy vấn đề còn lại là nó phụ thuộc vào điện tích, mà điện tích lại phụ thuộc vào điện áp đặt vào để sinh ra chúng. Vậy, để có lực tĩnh điện lớn cần cung cấp một điện áp lớn và điều này khá khó khăn nếu dùng để dẫn động các thiết bị có kích thước lớn mà chỉ phù hợp để dẫn động cho các thiết bị vi mô như các vi cảm biến hay các bộ vi kích hoạt trong đó có các cảm biến đo vận tốc góc dùng công nghệ vi cơ điện tử. Các thiết bị này có kích thước nhỏ, hoạt động với độ dịch chuyển cỡ nm, µm nên có thể dùng
điện áp kích hoạt nhỏ cũng có thể thu được độ dịch chuyển/dao động như mong muốn.
3.3.2. Tụ điện
Có một số kiểu tụ điện với hai bản cực song song được sử dụng rộng rãi trong bộ chấp hành/kích thích tĩnh điện và cảm ứng điện dung trong các thiết bị MEMS. Trong hầu hết các cảm biến đo vận tốc góc công nghệ MEMS, các điện cực kích thích và điện cực cảm ứng đều có thể được mô hình như một sự kết hợp dịch chuyển của các tụ điện phẳng song song.
Tụ điện là thiết bị tích điện khi có điện áp đặt vào hai bản cực. Đối với các tụ điện tuyến tính (tụ điện phẳng), điện dung C là hằng số tỉ lệ thuận với điện tích Q và tỉ lệ nghịch với điện áp V đặt lên nó:
(3.3)
Đối với điện cực như Hình 3. 7 thì điện dung giữa hai bản cực song song được tính theo công thức:
(3.4)
Trong đó, Ao là phần diện tích chồng lên nhau của hai bản cực, do là khoảng cách giữa hai bản cực, là độ điện thẩm chân không và ε
là hằng số điện môi của vật liệu giữa hai bản cực (trường hợp tụ điện đặt trong môi trường không khí thì ε = 1).