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) (5) Dầm liên kết đàn hồi
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
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
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.
Chương 3
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK
Con quay vi cơ đã đạt được nhiều thành công lớn từ ngành công nghiệp ô tô cho đến công nghiệp điện tử dân dụng. Tất cả các con quay vi cơ trên thị trường hiện nay thuộc dạng sensor đo vận tốc góc, sử dụng sự chuyển năng lượng từ dao động dẫn động vòng kín (mode driving) tới dao động thứ cấp là dao động của mode sensing. Độ phân giải và độ nhạy của con quay MEMS thường được nâng cao lên nhờ sự tăng hệ số phẩm chất Q và giảm sự đồng pha giữa hai mode driving và sensing. Sự phối ghép hai con quay vi cơ độc lập với hệ số Q trên 100000 đã tạo được độ ổn định cao. Sự cải tiến của dải tần vận tốc thường được giải quyết bằng cách điều khiển mode sensing trong vòng kín, hoặc với dạng dùng lực để tái tạo cân bằng. Tuy nhiên, sự đánh đổi này thường làm tăng các nhiễu do sự khuếch đại của vòng kín, cũng như là giới hạn của dải do sự cố định của điện áp tham chiếu cần để cân bằng khối gia trọng.
Một cách khác thay thế cho cơ cấu dùng lực dẫn động cân bằng là giữ mode hoạt động với toàn bộ góc, việc này có thể đáp ứng một cách căn bản là không giới hạn về dải đầu vào cũng như dải tần đo đạc. Mode toàn bộ góc, hoặc là mode tích hợp vận tốc cho phép đo được vị trí quay hay hướng của vật một cách trực tiếp từ chuyển động của khối gia trọng mà không cần tích hợp số với tín hiệu vận tốc góc. Tín hiệu ra này rất có ích trong việc dẫn hướng bằng bộ đo quán tính, theo dõi góc phương vị, thiết lập định hướng trong hệ thống ước lượng và tìm mục tiêu, đặc biệt trong môi trường mà GPS không thể hoạt động được. Thêm nữa, chế độ toàn bộ góc có hệ số khuếch đại góc cực kì chính xác, thứ nhất là độc lập với tính chất của vật liệu hay thiết bị điện tử, đồng thời xác định hoàn toàn bởi hình dạng của khối gia trọng.
Để kích hoạt việc đo toàn bộ góc, yêu cầu các sensor phải có cấu trúc đối xứng và hệ số Q khắt khe hơn rất nhiều so với việc đo vận tốc, và cần đến những kiến trúc thiết kế mới. Ví dụ như, con quay hồi chuyển cộng hưởng bán cầu với kích thước vĩ mô (HRG) với độ phân giải góc phụ thứ hai đẳng hướng và yêu cầu phẩm chất cao lên tới 26 triệu. Đạt được mức đối xứng của giảm chấn (damping) và độ cứng (ví dụ 10 -4 Hz) bằng công nghệ chế tạo con quay silicon MEMS, rất khó khăn để thực hiện một tỷ lệ tích hợp con quay hồi chuyển trong MEMS silicon, một thiết kế gộp hai khối gia trọng lần đầu tiên được giới thiệu và sau đó các ứng dụng của phương pháp này đã được chứng minh.