Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC
1.4. Các nghiên cứu về MVG
1.4.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do
Các MVG kiểu này thường gồm một phần tử quán tính và một khung ngoài liên kết với nhau. Tùy từng mô hình mà vai trò của hai phần tử có thể đổi chỗ cho nhau (khung ngoài - dẫn, phần tử quán tính - cảm hoặc ngược lại).
m1
m2
k1y
k2y
k1x k2x
c1y
c2x
c1x
c2y
Fd
Phương dẫn (x) Phương cảm (y)
Hình 1.12. Mô hình hai phần tử 4 bậc tự do
Cenk Acar và Andrei Shkel [18] đưa ra mô hình gồm một phần tử quán tính được dẫn động bởi lực tĩnh điện có dạng điều hòa nên có dao động dẫn trên phương x (Hình 1.12). Khi xuất hiện vận tốc góc theo phương z (vuông góc với mặt phẳng kết cấu), phần tử khối lượng này có thêm dao động trên phương cảm y. Phần tử khối lượng được liên kết đàn hồi với phần tử khung ngoài, nên dao động cảm sẽ được truyền cho khung ngoài. Biên độ dao động của khung tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào và được sử dụng để xác định giá trị của vận tốc góc đó.
Ngoài ra, các tác giả này còn lần lượt giới thiệu các thiết kế trong đó có dạng khung ngoài dẫn - phần tử quán tính cảm ứng bên trong hoặc hai khối dẫn - một khối cảm, hai khối cảm - một khối dẫn, … [20].
1.4.4.2. Vi cảm biến vận tốc góc có các phần tử tách rời
Cấu tạo chung của loại vi cảm biến vận tốc góc kiểu này gồm nhiều phần tử khối lượng trên cả hai phương dẫn và cảm, các phần tử này thường được liên kết gián tiếp với nhau thông qua phần tử khối lượng khác. Phần tử này không trực tiếp dẫn động và cũng không phải là phần tử trực tiếp tạo ra tín hiệu cảm.
Dao động của các phần tử trên một phương thường là cùng pha với nhau.
a) Thiết kế của Cenk Acar [19] b) Thiết kế của Emre Alper [53]
Hình 1.13. Con quay vi cơ kiểu tách riêng các dao động
Năm 2005, tác giả Cenk Acar và Andrei M.Shkel [19] tại đại học Irvine, California, Mỹ đã giới thiệu một vi cảm biến vận tốc góc có phần tử tạo
dao động dẫn riêng và phần tử có dao động cảm riêng, hai thành phần này được liên kết với nhau nhờ các dầm gập dạng chữ “U” như trên Hình 1.13a. Thiết bị có cấu trúc đối xứng, phần tử quán tính được dẫn động thông qua dao động dẫn của khung ngoài, đồng thời có thêm dao động cảm nhờ hiệu ứng Coriolis, dao động cảm này được truyền cho khung ngoài thứ hai, chuyển vị trên phương cảm của khung ngoài được sử dụng để xác định vận tốc góc đưa vào. Thiết bị có hệ số tỷ lệ là 0,91 mV/0/s, độ tuyến tính cao, độ nhiễu thấp nhất 0,250/s/
Hz ở vùng dải tần 50 Hz trong không khí.
Nhóm tác giả Said Emre Alper và Tayfun Akin [53] trong công trình nghiên cứu của mình đã đề xuất mô hình một phần tử quán tính và hai khung ngoài được liên kết với nhau nhờ các dầm đàn hồi. Các khung ngoài được nối với nền bằng các điểm neo ở bốn góc (Hình 1.13b). Thiết bị được chế tạo từ vật liệu gốc Nikel với độ dày 16μm, kích thước cấu trúc 1,9×1,9 mm. Sau đó, nhóm này còn giới thiệu một cấu trúc khác có cấu tạo tương tự nhưng được chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể với kích thước 1×1mm và độ dày lớp cấu trúc là 2 μm. Tần số hoạt động của thiết bị trên phương dẫn và phương cảm lần lượt là 28535 và 30306 Hz [52], [54].
Ngoài ra, còn một số công trình của các nhóm nghiên cứu của các trường đại học Hàn Quốc và Đài Loan cũng giới thiệu các thiết kế của mình về thiết bị vi cảm biến vận tốc góc với các dao động riêng biệt trên các phương [22].
1.4.4.3. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
Vi cảm biến vận tốc góc kiểu này – Tuning Fork Gyroscopes (TFG) đang được nhiều tác giả nghiên cứu do có độ chính xác và độ nhạy cao. Các TFG đều hoạt động theo hiệu ứng Coriolis [20, 60] và dao động theo kiểu âm thoa (dao động ở hai nhánh có dạng ngược pha). Đặc điểm cấu tạo của các TFG gồm hai nhánh hoàn toàn giống nhau, được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau nhằm tạo ra các dao động ngược pha cho dao động dẫn, và do đó tạo ra sự
ngược pha cho các dao động cảm. Các phần tử khối lượng có dao động dẫn ngược pha nhau, khi có vận tốc góc trên phương vuông góc với mặt phẳng dao động, lực Coriolis xuất hiện làm các phần tử quán tính có dao động ngược pha trên phương cảm, dao động này có biên độ phản ánh vận tốc góc đặt vào. Khi các dao động cảm có pha ngược nhau, biên độ dao động này dễ dàng được phát hiện và giá trị biên độ được tăng lên giúp cho việc xử lý tín hiệu được dễ dàng và chính xác hơn, từ đó làm tăng độ nhạy cho các cảm biến. Do đặc điểm cấu tạo kiểu âm thoa mà các cảm biến kiểu này thường có nhiều bậc tự do.
Năm 1993, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm Draper [34], đại học Cambrige - Mỹ, đã giới thiệu thiết bị TFG được chế tạo bằng vật liệu Silicon đơn tinh thể có độ dày 1mm, các điện cực được chế tạo bằng vật liệu Nikel.
Nhờ hiệu ứng tĩnh điện mà các phần tử quán tính được dẫn động trên phương dẫn với vận tốc V. Khi cho cả hệ quay với vận tốc góc Ω theo phương vuông góc với V, làm xuất hiện các lực Coriolis F1, F2 trên phương thứ 3 (Hình 1.14).
Các lực này tạo ra ngẫu lực làm cho các phần tử quán tính có thêm dao động cảm trên phương vuông góc với mặt phẳng chứa TFG (out-of-plane). Các thông số thực nghiệm cho thấy, độ phân giải của thiết bị đạt 10÷1000/h khi hoạt động ở dải tần số 60 Hz.
Hình 1.14. Thiết kế TFG của phòng thí nghiệm Draper [34]
Điện cực cân bằng Điện cực cảm
Điện cực dẫn
Điện cực cảm
Điện cực dẫn Điện cực
cân bằng
Hình 1.15. Mô hình TFG với hệ số Q cao [12]
Năm 2004, công trình nghiên cứu của viện nghiên cứu Georgia, Atlanta, Mỹ [12] đã giới thiệu một vi cảm biến kiểu TFG như mô tả trên Hình 1.15.
Linh kiện được chế tạo trờn một phiến SOI dày 40àm, cú hệ số phẩm chất Q cao theo dạng dẫn và dạng cảm (Qdrive = 81000 và Qsense = 64000). Sai lệch về tần số cộng hưởng của hai dạng này là 0,07%, độ nhạy của linh kiện đạt 1,25 mV/0/s, hoạt động trong dải tần 12Hz.
Đến năm 2008, nhóm tác giả này tiếp tục hoàn thiện mô hình của họ và tạo ra linh kiện mới có hệ số phẩm chất Qdrive = 78000 và Qsense = 45000. Các thiết kế sau có các thông số phẩm chất thấp hơn nhưng độ trôi giảm xuống 0,150/h, độ nhạy linh kiện 88 mV/0/s, giải tần hoạt động 1÷10 Hz, bước góc ngẫu nhiên đạt được giá trị thấp nhất trong các vi cảm biến vận tốc góc trong cấu trúc này là 0,0030/ h .
Một số nhóm tác giả Châu Á cũng thực hiện các nghiên cứu về TFG. Năm 2005, nhóm tác giả thuộc học viện khoa học Trung Quốc đã giới thiệu mô hình TFG với hệ số phẩm chất Q trên phương dẫn vầ cảm lần lượt là 965 và 716,
hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển [63]. Thiết bị có độ nhạy là 6 mV/0/s, độ phi tuyến đạt 0,5%. Thiết bị được mô tả như trên Hình 1.16a.
a) Thiết kế của Y. Chen [63] b) Thiết kế của J. Zhou [35]
Hình 1.16. Mô hình TFG có các khung ngoài
Nhóm tác giả trường đại học Tongji (Thượng Hải - Trung Quốc) [35] đã giới thiệu một TFG như trên Hình 1.16b. Cấu trúc gồm hai nhánh liên kết với nhau nhờ dầm gập ở giữa. Mỗi nhánh gồm hai khung (khung trong và khung ngoài) được liên kết với nhau bằng 4 khung đàn hồi dạng chữ “U”. Các khung ngoài được dẫn động ngược pha nhau trên phương X. Khi có vận tốc góc xuất hiện trên phương Z, các khung trong sẽ có dao động cảm trên phương Y. Thiết bị được chế tạo trên tấm Silicon dày 300 μm theo công nghệ vi cơ khối. Tần số dao động trên phương dẫn và cảm của thiết bị lần lượt là 10240 Hz và 11160 Hz.
Trong tài liệu trích dẫn [55], các tác giả đã chỉ ra những yếu tố dẫn đến sai số cho quá trình dao động cơ học của các mô hình kiểu âm thoa. Theo đó, có 3 nguyên nhân chính gây ra sai số: tính phi tuyến của điện dung tại các điện cực cảm, tính phi đối xứng của các lực tĩnh điện trên phương dẫn của các điện cực dẫn động, tính phi đối xứng của các lực tĩnh điện (chẳng hạn như điện dung cảm, …) dọc theo hướng cảm tại các điện cực cảm. Do đó, độ chính xác và ổn định trong quá trình làm việc của thiết bị vẫn còn là bài toán cần có những lời
giải thuyết phục hơn.
Trong các nghiên cứu trên, có thể thấy chất lượng và hoạt động của TFG bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp suất, các tín hiệu nhiễu [39], [40], [55]. Ngoài ra, độ cứng của các dầm đàn hồi trong cấu trúc của các TFG cũng là yếu tố quan trọng quyết định đến hoạt động và chất lượng của các TFG [20].
Hình 1.17. Mô hình liên kết hai nhánh của TFG nhờ dầm gập [64]
Để nâng cao chất lượng hoạt động của các TFG, hai nhánh của cảm biến có thể được liên kết trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau nhờ những cấu trúc cơ học có khả năng tạo và duy trì các dao động ngược pha. Nhóm tác giả thuộc viện công nghệ Bắc Kinh [64] đã giới thiệu cấu trúc TFG với phần liên kết có dạng dầm gập (Hình 1.17). Dầm gập này liên kết hai phần tử quán tính trên hai nhánh, nhằm tạo ra dao động ngược pha cho dao động cảm.
Công trình mới chỉ đưa ra kết quả tính toán và mô phỏng cho tần số dao động dẫn ngược pha là 3985 Hz và dao động dẫn cùng pha là 3716 Hz.
Năm 2016, nhóm này tiếp tục giới thiệu một cấu trúc TFG mới trên cơ sở cấu trúc đã có nhưng thay đổi phần liên kết giữa hai nhánh của TFG [65]. Trong công trình này, nhóm tác giả sử dụng cấu trúc vòng tròn treo đối xứng, có vai trò như một lò xo liên kết hai nhánh của TFG (Hình 1.18). Do thiết kế đối xứng, lại được treo trên nền, nên cấu trúc tồn tại một điểm ảo (tâm vòng tròn) có tọa độ không đổi trong quá trình dao động, đảm bảo tạo ra dao động ngược pha cho
các dao động thành phần ở hai nhánh.
Hình 1.18. Cấu trúc TFG với vòng treo kết nối [65]
Qua tính toán và mô phỏng, nhóm tác giả đã tìm được tần số dao động ngược pha cho dao động cảm là 4573 Hz. Dạng dao động ngược pha xuất hiện trước dạng dao động cùng pha. Để đánh giá mức độ phù hợp của cấu trúc, nhóm tác giả đưa thêm mô hình so sánh giống với cấu trúc trên Hình 1.18, chỉ khác là cấu trúc vòng tròn liên kết không được treo trên nền (không có các dầm đàn hồi ở phía trên và phía dưới của vòng tròn). Mô phỏng cho thấy, dạng dao động cùng pha xuất hiện trước dạng dao động ngược pha. Chứng tỏ, mô hình đưa ra ở trên là phù hợp với mục tiêu thiết kế.
Một số công trình của nhóm tác giả Yanwei Guan, Shiqiao Gao [64÷67]
cũng đã có những phân tích theo phương pháp giải tích để tìm ra các đáp ứng động lực học của hệ TFG với các cơ cấu dạng hình tròn hoặc hình thoi để liên kết hai phần tử quán tính ở hai bên của TFG. Tuy nhiên, những phân tích này chỉ sử dụng các phương trình vi phân dao động của hệ dao động cơ bản mà chưa kể đến đáp ứng của khung liên kết trong các mô hình TFG cụ thể. Các mô hình cũng chưa có sự liên kết giữa hai phần tử trên phương dẫn để tạo dạng dao
động dẫn ngược pha mong muốn, do đó chưa phản ánh hết các đặc trưng dao động của các mô hình TFG dạng này.
Những nghiên cứu của Nguyễn Quang Long [6] và Nguyễn Văn Quỳnh [8] và nhóm nghiên cứu ITIMS [59], đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã làm nổi bật một số vấn đề về TFG. Các công trình đã giới thiệu, phân tích đặc điểm động học của một số cấu trúc TFG (Hình 1.19) với cơ cấu liên kết hai nhánh có dạng ellip hoặc hai nửa hình thoi. Nghiên cứu của tác giả Hà Sinh Nhật, Đại học Bách khoa Hà Nội, cũng đã đưa ra thiết kế nhằm nâng cao độ nhạy của cảm biến TFG. Trong luận án Tiến sỹ của Nguyễn Văn Thắng [9], tác giả cũng đề cập đến phân tích một số đáp ứng của cảm biến TFG với khung liên kết kiểu quả trám bằng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysic.
Hình 1.19. Mô hình TFG của nhóm ITIMS [59]
1-khung ngoài; 2-khung trong; 3-điện cực dẫn động; 4-điện cực cảm;
5-dầm gập; 6- điểm neo; 7-khung hình thoi; 8-vòng liên kết phần cảm Các nghiên cứu này đều hướng đến cấu trúc cơ học nhằm tạo ra dạng dao động ngược pha cho các dao động dẫn và dao động cảm, đồng thời loại bỏ các dao động cùng pha và đảm bảo tần số hoạt động khác xa so với vùng tần số của
các dạng dao động khác nhằm tránh tác động xấu của các dạng dao động này đến dạng dao động ngược pha mong muốn.
Kết luận chương 1
Cấu trúc cơ học là một phần quan trọng trong cấu tạo của một vi cảm biến.
Chất lượng của các vi cảm biến được quyết định không chỉ nhờ mạch khuếch đại và mạch xử lý tín hiệu đầu ra mà còn được quyết định bởi các dao động của cấu trúc cơ học của cảm biến. Các dao động này bao gồm dao động dẫn của phần tử khối lượng được tạo bởi lực tĩnh điện và dao động cảm của phần tử quán tính do lực Coriolis gây ra. Bởi vậy việc nghiên cứu, thiết kế tối ưu hóa cấu trúc cơ học là một nhiệm vụ cấp thiết, giúp hiểu rõ bản chất cơ học trong hoạt động của vi cảm biến và góp phần nâng cao chất lượng của thiết bị.
Trên thế giới, do có đầy đủ điều kiện về cơ sở vật chất, trang thiết bị và điều kiện thí nghiệm nên công nghệ MEMS vẫn tiếp tục phát triển nhanh chóng.
Hướng phát triển là thiết kế, tính toán sơ bộ cấu trúc của các cảm biến và chấp hành, chế tạo và thử nghiệm đánh giá chất lượng của sản phẩm. Từ đó có các biện pháp thay đổi kết cấu nhằm tối ưu hóa các kích thước và nâng cao chất lượng của cảm biến về dải đo, độ chính xác, cũng như độ nhạy của cảm biến.
Trong các nghiên cứu đã chỉ ra trên đây, các tác giả mới chỉ đề cập đến động lực học cho mô hình vi cảm biến lý tưởng và cơ bản, trong khi các vi cảm biến kiểu âm thoa vẫn còn nhiều vấn đề về động học cũng như động lực học chưa được giải quyết hoàn thiện. Sự phát triển của công nghệ MEMS ở Việt Nam mặc dù vài năm qua đã đạt được một số thành công, tuy nhiên vẫn chỉ ở những bước đầu, vẫn cần tiếp tục có những nghiên cứu tiếp theo nhằm bắt kịp với xu thế phát triển của thế giới. Do còn nhiều hạn chế về công nghệ chế tạo cũng như thiếu các trang thiết bị để đo đạc thực nghiệm nên việc giải quyết bài toán động lực học cũng như mô phỏng động lực học cho các mô hình cảm biến nhằm
rút ngắn thời gian và chi phí nghiên cứu thực nghiệm là một hướng cần được quan tâm.
Do đối tượng nghiên cứu thuộc lĩnh vự khoa học liên ngành nên cần có sự liên kết chặt chẽ kiến thức về cơ học, điện tử, cơ điện tử, … Trong phạm vị nghiên cứu, luận án sẽ tập trung giải quyết phần lý thuyết về động lực học cho lớp cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động với các mô hình nghiên cứu từ đơn giản đến phức tạp. Đưa ra một cấu trúc cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu âm thoa với khung liên kết nhằm tạo và duy trì dạng dao động ngược pha cho dao động dẫn, từ đó tăng biên độ dao động cảm giúp làm tăng độ nhạy của cảm biến, đồng thời khắc phục hiện tượng lệch pha có thể xảy ra với dao động dẫn. Luận án sẽ sử dụng kiến thức về cơ học để chứng minh khả năng tạo và duy trì dạng dao động ngược pha cho cấu trúc cơ học của cảm biến kiểu âm thoa.
Chương 2
CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TÔC GÓC
Chương 2 giới thiệu cơ sở vật lý của việc hình thành lực dẫn và ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong việc lấy tín hiệu đầu ra của MVG. Chương này cũng giới thiệu về cơ sở cơ học trong xây dựng mô hình MVG, một số dạng dầm đàn hồi được sử dụng phổ biến trong các thiết bị MEMS và các dạng cản nhớt xuất hiện trong hệ dao động MVG. Kỹ thuật điều chế biên độ cho tín hiệu vận tốc góc và giải điều chế để lấy tín hiệu điện áp đầu ra cho hệ cảm biến cũng được giới thiệu ở chương này.