con quay vi cơ

TỔNG QUAN VỀ CON QUAY (GYROSCOPE)

1. Con quay cơ cổ điển
Thuật ngữ Gyroscope lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người
Pháp, Leon Foucault, được ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó, “Gyro” trong
nghĩa là “quay tròn”, và “skopien” có nghĩa là “quan sát”. Khi đó, Foucault đã
áp dụng định luật chuyển động quay của gyrocopes để giải thích chuyển động
quay của trái đất vào năm 1852.

Hình 1.1: Con quay cơ học kiểu cổ điển

Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (gimballed gyroscope) như mô tả trên
hình 1.1, người ta sử dụng một một đĩa quay (con quay) có khối lượng với
trục quay xuyên tâm và luôn có hướng cố định, được liên kết với khung quay
bên ngoài bởi các khớp quay. Khi gắn vào một hệ chuyển động quay với vận
tốc Ω, cấu trúc này sẽ bị nghiêng đi một góc, sinh ra một mô men
động lượng
nhờ mô men quán tính lớn của khung, chống lại các momen xoắn bên ngoài.
Vì thế, đĩa quay luôn được duy trì theo phương trục quay cố định ban đầu.
Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển
động, con quay cơ kiểu cổ điển đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định
hướng và dẫn lái trong giao thông hàng hải. Những thiết bị dẫn hướng đầu
tiên đã có mặt trên những con tàu biển lớn t
ừ năm 1911 trên cơ sở các phát
minh của nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa trên hình 1.2.
Năm 1920, công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của
các loại bom ngư lôi, và đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn
hướng cho hệ thông các tên lửa và đạn đạo [2].

Hình 1.2: Mô hình công cụ dẫn hướng sử dụng con quay cơ học
trong lĩnh vực hàng hải

2. Các loại con quay hiện đại
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật từ giữa thế
kỉ 20, công nghệ chế tạo các con quay cũng phát triển không ngừng, với các
loại con quay kiểu mới như con quay quang (optical gyroscope) dựa trên hiệu
ứng giao thoa ánh sáng, và con quay vi cơ chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện
tử (MEMS).

2.1. Con quay quang (optical gyroscopes)
Các con quay quang học được chế tạo dựa trên hiệu ứng Sagnac là phổ
biến nhất. Công cụ này đã được sử dụng thay thế cho các con quay cơ học
trong các ứng dụng dẫn hướng trong các nghành công nghệ hàng không vũ
trụ. Các con quay quang học có ưu điểm vượt trội là độ ổn định cao (sai số <
0,001
0
/h) và dải động học của cảm biến đạt đến cỡ 10
6
[3]. Có hai loại cấu
hình được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân sự và quân sự, một loại dựa
trên nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang (Interferometric
fiber optic gyrocope) như được chỉ ra ở hình 1.3 và loại thứ hai sử dụng ánh
sang la-ze (Ring laser gyroscope) như được minh họa ở hình 1.4.


Hình 1.3: Fiber optical gyroscopes

Hình 1.4: Ring laser gyroscope

Trên phương diện cấu trúc, con quay quang học không có các thành phần
chuyển động và được chế tạo từ các vật liệu siêu bền, nên có thể được sử
dụng trong các môi trường hoạt động vô cùng khắc nghiệt.

2.2. Con quay vi cơ (MEMS Gyroscopes)
Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ
MEMS, một lĩnh vực công nghệ cao (hi-tech), đã tạo ra một cuộc cách mạng
về
khoa học công nghệ trong việc chế tạo các linh kiện cảm biến (sensors) và
chấp hành (actuators) ở phạm vi kích thước dưới milimet. Ưu điểm vượt trội
của các linh kiện này là độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng
ít. Trong số đó, cảm biến đo vận tốc góc hay con quay vi cơ (microgyroscope)
là một trong những linh kiện có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như
công nghiệp chế
tạo ô tô, kỹ thuật hàng hải, kỹ thuật hàng không, quân sự,
công nghiệp hàng điện tử dân dụng, điện tử viến thông

2.2.1. Nguyên lí hoạt động và nguyên lí cấu trúc
Con quay vi cơ hay vi cảm biến đo vận tốc góc là linh kiện đo một đặc
trưng cơ bản của chuyển động quay đó là vận tốc góc. Do cảm biến được gắn
trên các hệ chuyển động nên vận tốc góc sẽ có mối liện hệ với với một đặc
trưng cơ bản của hệ quy chiếu phi tuyến là gia tốc quán tính. Vì thế các
nguyên lí hoạt động của con quay s
ẽ được xem xét trong hệ quy chiếu phi
quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis.
Hiệu ứng Coriolis là hiện tượng lệch quỹ đạo gây bởi lực quán tính khi
1 vật đang chuyển động tịnh tiến lại được đặt trong hệ quy chiếu quay, với
vận tốc
Ω
so với hệ quy chiếu quán tính. Khi đó sẽ xuất hiện một gia tốc quán

tính trọng hệ chuyển động quay gọi là gia tốc Coriolis. Gia tốc này gây ra lực
quán tính Coriolis làm lệch quỹ đạo của vật thể khi đang chuyển động tịnh
tiến với vận tốc v (hình 1.5). Có thể dễ dàng xác định được độ lệch của quỹ
đạo chuyển động của vật thể trong khoảng thời gian chuyể
n động
Δ
t bằng
biểu thức :

sindvt
θ
=
Δ
(1.1)
Trong đó,
θ
là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật. Khi
xét dịch chuyển nhỏ tương ứng góc θ nhỏ, một cách gần đúng, có:

sin . t
θ
θ
≈
=ΩΔ
(1.2)


Hình 1.5: Cách xác định gia tốc và lực Coriolis
Thay biểu thức 1.2 vào 1.1 ta có :
2

. .sin . ( )dvt vt tv t
θ
=
Δ=ΔΩΔ=ΩΔ
(1.3)

So sánh với phương trình chuyển động của một vật thể trong chuyển
động thẳng, ta suy ra biểu thức tính gia tốc dưới dạng:

2. .
c
aa v
=
=Ω
(1.4)

Do véc tơ
v
r
và
Ω
ur
trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của
gia tốc này dưới dạng như sau:

2.
cr
aV
=
Ω×

r
r
r
(1.5)
Gia tốc
c
a
r
được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis
c
F
r


2. .
cr
F
mV
=
Ω×
r
rr
(1.6)
Lực Coriolis là lực ảo cho nên nó phụ thuộc vào cách quan sát khung quay
quán tính.
Cảm biến đo vận tốc góc được nghiên cứu trong luận văn này thuộc
loại con quay dao động. Nguyên lý hoạt động của loại con quay này có thể
được mô tả bởi mô hình tương đương (lumped model) gồm khối gia trọng (m)
– lò xo (k
x

, k
y
) – giảm chấn (c
x
, c
y
), 2 bậc tự do (hệ tọa độ 2 chiều XY) như
được chỉ ra ở hình 1.6 . Coi hệ quy chiếu gắn với con quay (XY - B) là quy
chiếu phi quán tính, vì hệ này chuyển động có gia tốc đối với đối với hệ quy
chiếu quán tính (ij - A) gắn với trái đất.
Thông thường, khối gia trọng (m) của hệ con quay được kích thích để
có dao động dọc theo phương X (gọi là thành phần kích thích) bởi lực F
d
. Khi
cho cả hệ chuyển động quay với vận tốc góc không đổi (
θ
Ω=
ur
&
= const), sẽ
sinh ra dao động của khối gia trọng theo phương Y (gọi là thành phần cảm
ứng) do tác động của lực quán tính Coriolis gây bởi gia tốc quán tính Coriolis.

Y
X
Z
j
i
k
θ

m
k
x
k
y
c
x
c
y
r
A
r
B
R
Ω
=
θ
(
D
r
i
v
e
)
C
ả
m
ứ
n
g

-
F
c
(
S
e
n
s
e
)
K
í
c
h
t
h
í
c
h
-
F
d
Hệ quy chiếu quán tính -A
Hệ quy chiếucon quay -B
Y
X
Z
j
i
k

θ
m
k
x
k
y
c
x
c
y
r
A
r
A
r
B
r
B
RR
Ω
=
θ
(
D
r
i
v
e
)
C

ả
m
ứ
n
g
-
F
c
(
S
e
n
s
e
)
K
í
c
h
t
h
í
c
h
-
F
d
Hệ quy chiếu quán tính -A
Hệ quy chiếucon quay -B

Hình 1.6: Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của con quay dao động

Vị trí khối gia trọng m tại thời gian t bất kỳ trong hệ quy chiếu quán
tính A được xác định bởi vector vị trí
A
r
u
r
:
BA
rRr
r
r
r
+=
(1.7)
Trong đó, vector vị
B
r
u
r
trí có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ X,Y
của con quay dưới dạng:
YyXxr
B
r
r
r
+=
(1.8)

Vận tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc
V
ur
của hệ con quay với hệ quy chiếu quán tính và vận tốc
B
v
uur
của m trong hệ
quy chiếu con quay. Tuy nhiên, trong hệ con quay, m vừa tham gia chuyển
động tịnh tiến (CĐ thẳng) vừa tham gia chuyển động quay, vì thế,
B
v
uur
sẽ bao
gồm vận tốc chuyển động tịnh tiến (Translational motion),
T
BB
vr=

uurur
, và vận
tốc liên hệ với chuyển động quay (Rotation motion),
R
BB
vr=Ω×

u
ururur
, được xác
định bởi:

B
ABB
vVv r Rr r
=
+==++Ω×
r
rr
r
rr r r
&
&&
(1.9)
Thực hiện khai triển phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.9)
với lưu ý chỉ xét các thành phần theo 2 phương X và Y đối với
B
r
ur
và chỉ có
Ωz = Ω ≠ 0 (do vector
Ω
ur
có phương dọc theo trục Z), ta sẽ nhận được vector
vận tốc của m trong hệ quy chiếu con quay, như sau:
(
)
(
)
YvXvYxyXyxv
yxB
r

r
r
&
r
&
r
+=Ω++Ω−=
(1.10)
Gia tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp gia tốc
A
r

của hệ con quay với hệ quy chiếu quán tính và gia tốc
B
a
r

của m trong hệ quy
chiếu con quay, trong đó,
B
a
r
cũng sẽ bao gồm gia tốc chuyển động tịnh tiến,
và gia tốc liên hệ với chuyển động quay, được xác định bởi:

(
)
BBB B BB
aAa Rr r r r r=+ =++Ω×+Ω×Ω× +Ω×+Ω×
r

rrrr rr
rr r r r r r
&& &
&& & & &


(
)
(
)
2
BBBB
aRr r r r=++Ω×Ω× +Ω×+Ω×
rrr r r
rr r r r
&& &
&& & &
(1.11)
Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của
(1.11) với lưu ý chỉ xét đến các thành phần theo 2 phương X và Y đối với
B
r
r

và
B
v
r
, đồng thời chỉ có Ω
z

= Ω ≠ 0, gia tốc của m trong hệ quy chiếu con
quay cũng sẽ được xác định:
(
)
(
)
22
22
B xy
ax x yyXy y xxYaXaY=−Ω−Ω−Ω +−Ω+Ω−Ω = +
r
rrr
r
&&
&& & && &
(1.12)
Phương trình động lực học của hệ lò xo – khối gia trọng – giảm chấn
trong hệ quy chiếu con quay theo 2 phương X, Y có dạng:
ma
x
+ c
x
v
x
+ k
x
x = F
d

ma

y
+ c
y
v
y
+ k
y
y = 0 (1.13)
Trong đó, vx và vy là các thành phần của vector vận tốc
v
r
và αx, αy là
các thành phần của vector gia tốc
a
r
theo 2 phương X và Y. Thay (1.7), (1.8)
và (1.12) vào (1.13) ta có :

()
(
)
2
2
zx d
mx c x y k m x m y m y F+−Ω+−Ω−Ω−Ω=
&
&& & &

()
(

)
2
20
yy
my c x y k m y mx mx++Ω+−Ω+Ω+Ω=
&
&& & &
(1.14)
Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo
mọi phương (tức là k
x
= k
y
= k) và nếu coi vận tốc góc Ω nhỏ hơn nhiều so với
tần số cộng hưởng kích thích, tức là, Ω <<
/km
ω
=
, thì k >> mΩ
2
. Ngoài
ra, do Ω = const nên
0Ω=
&
, cũng như có
x
y
>> Ω
&
,

y
x>> Ω
&
, các phương
trình trong (1.8) sẽ được rút gọn thành:

2
x
d
mx c x kx m y F
+
+−Ω=
&& & &


20
y
my c y ky m x
+
++ Ω=
&& &
(1.15)
Đây là các phương trình chuyển động đối với hệ con quay lý tưởng.
Nếu hệ con quay được kích thích đến tần số cộng hưởng bởi lực tuần hoàn F
d

= F
0
.sin
ω

t thì lực sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng
theo phương cảm ứng. Các số hạng
2my
Ω
&
và
2mx
Ω
&
trong các phương trình
(1.15) chính là các thành phần lực coriolis theo 2 phương X và Y, tạo ra sự
liên kết ràng buộc (coupling) về mặt động lực học giữa 2 mode dao động. Khi
hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng nhau, các tần số
cộng hưởng của 2 mode cũng sẽ như nhau. Biên độ dao động tạo thành sẽ tỷ
lệ với lực Coriolis và do đó tỷ lệ với vận tốc góc cần đo.

2.2.2. Phân loại và quá trình phát triển
Con quay vi cơ thực chất là linh kiện dùng để đo vận tốc góc hoặc là
góc nghiêng được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Với từng loại Gyroscope
có độ phân giải, độ nhạy khác nhau thì có các ứng dụng kèm theo khác nhau.
Gyroscopes được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp ô tô. Các loại
Gyroscope nguyên tử có thể có độ phân giải, và độ nhạy rất cao trong phòng
thí nghiệm thế nhưng chúng lại không thông dụng trên thị trường b
ằng so với
các Gyroscope quang và Gyroscope tĩnh điện bởi vì giá thành của chúng
thường rất đắt.
Đối với các con quay vi cơ những thông số sau xác định chất lượng của
một linh kiện:
• Độ phân giải (resolution) là tín hiệu nhỏ nhất mà linh kiện có thể
phân biệt được. Độ phân giải có thể được coi là độ nhạy của linh

kiện, có đơn vị được tính bằng
0
/s hoặc
0
/h.
• Hệ số tỷ lệ (scale factor): là tỷ lệ của sự thay đổi tốc độ tín hiệu lối
ra trên một đơn vị thay đổi của thông tin (vận tốc góc) đầu vào, có
đơn vị là mV/
0
/s
• Dải hoạt động (dynamic range): Khả năng hoạt động của linh kiện
tương ứng thông tin đầu vào.
• Giá trị offset (ZRO – Zero rate output): là giá trị của tín hiệu đo
được khi mà chưa có tín hiệu đầu vào, đây là thông số đánh giá mức
độ nhiễu ban đầu của sensor. Cụ thể, khi chưa có thông tin đầu vào,
tín hiệu lối ra của linh kiện là một hàm ngẫu nhiên đây do tín hiệu
nhiễu tự nhiên tạo ra, thường có sự thay đổi rất ít. Giá trị của tín
hiệu này được xác định qua độ phân giải của linh kiện có đơn vị là
0
/s/
Hz
hoặc
0
/h/
Hz
.
Bảng 1.1: Các đặc trưng của con quay vi cơ cho các ứng dụng
Phạm vi ứng dung
Thông số
Đơn vị đo Ô tô, Đo tọa độ Hệ dẫn hướng

Bước góc ngẫu nhiên
0
/ h .
>0,5 0,5 – 0,05 <0,001
Thế dòng trôi
0
/h 10 – 1000 0,1 – 10 < 0,01
Sai số % 0,1 – 1 0,01 – 0,1 <0,001
Dải hoạt động
0
/s 50 – 1000 >500 >400
Độ shock tín hiệu 1 sec 10
3
10
3
- 10
4
10
3

Bandwidth Hz >70 100 100

• Bước góc ngẫu nhiên (angle random walk): cũng là một tín hiệu
nhiễu, giá trị của nó được đo bằng
0
/ h . Nhiễu này xuất hiện chủ
yêu là do nhiễu từ thông tin tín hiệu vào, và hoàn toàn độc lập với
các đặc tính tạo lên các sai lệch về góc nghiêng nhưu là nhiễu hệ số
tỷ lệ hay là thế dòng trôi.
• Bandwidth: Độ rộng dải tần số hoạt động của linh kiện ở trạng thái

cộng hưởng.
• Thế dòng trôi (drift voltage) là một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập,
không chịu ảnh hưởng bởi các giá trị quán tính.
Bảng 1.1 là các giá trị chuẩn của các thông số nói trên tương ứng với các ứng
dụng cụ thể của con quay vi cơ.
Ngày nay, các mẫu Gyroscopes được phát triển chế tạo chủ yếu vẫn
dựa trên nguyên lí và hiệu ứng cơ bản của nhiều năm trước. Nhưng với sự
phát triển c
ủa khoa học công nghệ vật liệu nên các thiết kế mới với các cải
tiến về cấu trúc cơ học được đưa ra để phù hợp với phương pháp chế tạo hoặc
vật liệu mới. Dựa trên chế độ dao động cơ học và cấu trúc hình học người ta
phân loại các Gyroscopes thành 5 loại cơ bản như sau :

1. Con quay vi cơ với dầm dao động
(Gimbal Gyroscopes)
Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper là nơi đầu tiên phát triển về loại
Gyroscopes này vào năm 1991 qua việc chế tạo thành công linh kiện bằng
phương pháp vi cơ khối trên phiến silic loại p
++
[12] (hình 1.7).

Hình 1.7: Con quay dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối

Thành phần khung ngoài (outer gimbal) của cảm biến được dẫn động
với biên độ không đổi bằng một mô men xoắn tĩnh điện (electrostatic torque)
khi sử dụng điện cực kích hoạt và dao động này sẽ được truyền vào khung
trong (inner gimbal). Khi đặt trong chuyển động quay có vector vận tốc góc
vuông góc với mặt phẳng linh kiện, inner gimbal sẽ dao động do hiệu ứng
coriolis với một tần số bằng tần số kích hoạt ban đầ
u. Như vậy, độ phân giải

lớn nhất đạt được khi outer gimbal được dẫn động bằng đúng tần số dao động
riêng của inner gimbal. Nhược điểm của thiết bị loại này là có giới hạn về độ
phân giải (chỉ đạt 4
0
/s tương ứng dải làm việc 1 Hz).
Năm 2000, trường đại học Middle East đã phát triển gyrocopes gimbal
kép phẳng (plannar double gimbal gyroscopes), chế tạo bằng phương pháp vi
cơ bề mặt [13] (hình 1.8).

Hình 1.8: Gimbal gyroscopes chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt

Mặc dù có khó khăn trong tạo hình cấu trúc do công nghệ này sử dụng
các lớp vật liệu silic đa tinh thể có độ dày rất mỏng, nhưng ưu điểm của cấu
trúc này là có thể tạo ra một biên độ kích động và độ thay đổi điện dung cảm
ứng lớn, nghĩa là giúp tăng về độ nhạy của cấu trúc với vận tốc góc quay cần
đo. Sau khi được chế tạo, kết quả thử nghiệm cho thấy, độ chênh lệch về tần
số của 2 mode kích động và cảm ứng là 4,65% độ nhạy của thiết bị đạt
45mV/fF, và độ phân giải tương ứng là 0,1fF.

2. Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning fork gyrocopes)


Năm 1993, phòng thí nghiệm Draper tại học viện MIT đã chế tạo thành
công con quay vi cơ kiểu Tuning fork trên phiến SOI (Silicon on Insulator) có
độ dày 1 mm [4] như được chỉ ra trên hình 1.9.

Hình 1.9: Tuning fork gyroscopes chế tạo trên phiến SOI

Linh kiện này cũng được dẫn động bằng lực tĩnh điện và tín hiệu được
nhận biết nhờ sự thay đổi điện dung của hệ các tụ điện phẳng. Khi cấu trúc

đang được kích hoạt, rồi đặt trong chuyển động quay, sẽ gây ra dao động của
hai khối gia trọng lệch khỏi mặt phẳng (out of plane) của cấu trúc. Kế
t quả
thực nghiệm cho thấy, hệ số phẩm chất của linh kiện Q
kích hoạt
đạt 40000 và
Q
cảm ứng
đạt 5000 trong điều kiện môi trường tương ứng áp suất 100torr, với
độ phân giải 0,02
0
/s trong dải hoạt động 1 Hz.
Năm 2004, các nhà nghiên cứu tại đại học Georgia đã công bố một thiết
kế khác về con quay kiểu tuning fork (hình 1.10) [14]. Linh kiện này cũng
được chế tạo trên phiến SOI, nhưng có hệ số phẩm chất Q và độ phân giải cao
hơn nhiều so với các thiết kế trước đó nhờ 8 điện cực đặt cố định xung quay
khối gia trọng để thu tín hiệu lối ra. Sự sai l
ệch về tần số cộng hưởng của 2
mode kích hoạt và cảm ứng đạt 0,07%. Độ nhạy của linh kiện đạt 1,25 mV/
0
/s
trong dải tần 12Hz và nhiễu xác định cỡ
0
0,3 / /hHz
.
.


Hình 1.10: Tuning fork gyroscopes với hệ số Q cao

3. Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes)


Đại học Michigan là trung tâm nghiên cứu đầu tiên phát triển nghiên
cứu loại con quay này [15 – 17]. Hoạt động của linh kiện là do biến dạng đàn
hồi của 8 dầm bán nguyệt xếp kiểu cánh quạt tạo ra dao động trong vòng tròn,
(hình 1.11), được nâng đỡ bởi môt điểm chốt cố định (Anchor) ở chính giữa.
Vòng dao động sẽ được kích động bằng lực tĩnh điện thông qua các điện cực
dẫn động. Khi có thêm mộ
t chuyển động quay tác động theo chiều vuông góc
với mặt phẳng cấu trúc, sẽ xuất hiện lực coriolis làm cho vòng dao động lệch
góc một góc là 45
0
so với mode dao động chính ban đầu và tỷ lệ với vận tốc
góc đặt vào, tức là tương ứng mode dao động thứ 2, được xác định bằng các
điện cực cảm ứng. Do đó chúng ta sẽ xác định được vận tốc góc quay đặt vào
thông qua sự thay đổi của điện dung các tụ cảm ứng.


Hình 1.11: Ring gyrocopes.

Cấu trúc con quay vi cơ này được chế tạo đầu tiên vào năm 1994 sử
dụng vật liệu Nickel và polyimit bằng côngnghệ LIGA đúc điện ( electro –
forming nickel) [5]. Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân
giải đạt khoảng 0,5
0
/s trong dải tần 25Hz. Tuy nhiên, có một vài hạn chế cho
việc tăng chất lượng sản phẩm, như là:
- Do linh kiện được chế tạo dựa trên phương pháp electroplating nên cần
phải tạo khe hở giữa các điện cực đủ lớn để có thể thưc hiện thành

công kỹ thuật này. Tuy nhiên, đièu này dẫn đên điện dung của các tụ
điện cảm ứng nhỏ, nghĩa là tín hi
ệu nhận được sẽ yếu.
- Do hệ số dãn nở nhiệt của đế silic khác so với vật liệu làm cấu trúc cảm
biến (Nicken), nên khi có sự thay đổi về nhiệt độ thì vòng dao động sẽ
giãn hoặc co lại nhiều hơn các điện cực được gắn chặt với đế, làm cho
khe hở của cấu trúc và điện cực cũng sẽ thay đổi. Kết quả là ả
nh
hưởng của nhiệt độ đến các thông số như thế offset và hệ số tỷ lệ
(scale factor). Ngoài ra, vật liệu Nicken cũng làm tăng việc thất thoát
điện năng, làm giảm hệ sô phẩm chất của cấu trúc, tức là làm giảm
chất lượng của gyrocopes.
Năm 2001, cấu trúc này cũng đã được chế tạo thử nghiệm với vật liệu
silicon đa tinh thể trên cơ sở
công nghệ ăn mòn khô, cho phép tạo ra hốc ăn
mòn có tỉ lệ cạnh giữa chiều sâu và độ rộng rất cao (high aspect ratio) [6].
Việc sử dụng vật liệu Polysilicon đã mang lại một số các ưu điểm như sau :
- Các điện cực xung quanh cấu trúc có thể được chế tạo dày hơn.
- Có thể giảm Khe hở giữa cấu trúc và các điện cực cảm ứng đến m
ức
micro-mét bằng việc điều chỉnh độ dày của lớp hy sinh (Sacrificial
layer) trong quá trình chế tạo. Điều này làm tăng rất nhiều giá trị điện
dung cảm ứng, dẫn đến tăng độ lớn tín hiệu đo được. Hệ quả là, tăng
hệ số phẩm chất Q (đạt ~ 1200), với biên độ dẫn động đạt 0,15µm,
điện dung tụ cảm ứng kí sinh đạt 2pF, và độ
nhạy của thiết bị nhỏ hơn
1
0
/s trong dải hoạt động 1Hz.
4. Con quay vi cơ đa trục (Multi – axis input gyroscope)

Phần lớn các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các cảm biến có cáu
trúc tựa trên 1 trục cố định. Tuy nhiên, cảm biến dựa trên 2 hay nhiều trục sẽ
có ưu điểm làm hạ giá thành và đạt hiệu suất cao hơn (khi so sánh với việc sử
dụng 3 cảm biến đơn trục)
Đại học UC Berkeley đã công bố một nghiên cứu về cảm biến đo vận
tốc quay 2 trục (dual input axis vibrating wheel gyrocopes),
được chế tạo
bằng phương pháp vi cơ bề mặt [18], trên phiến silic có độ dày 2µm, có hình
dạng như một roto quán tính với bán kính 150 µm (Hình 1.12a).

(a) (b)
Hình 1.12: Gyroscopes 2 trục ( dual – axis gyroscopes):
(a) Thiết kế của Berkeley, (b) Thiết kế của hãng Samsung
Cấu trúc quay được treo cách biệt khỏi đế một khoảng 1,6µm bởi 4
dầm đối xứng gắn với các điểm chốt (Anchor) nối liền với đế. Khi có cấu trúc
được kích hoạt quay quanh trục Z, nếu có một chuyển động tác động vào cấu
trúc theo trục X hoặc Y thì sẽ xuất hiện một gia tốc Coriolis sinh ra theo trục
tương
ứng là Y hoặc X. Thiết bị chế tạo được có góc dịch ngẫu nhiên nhỏ hơn
0
10 / h
. Độ phân dải có thể đạt tới
0
2/ h
bằng cách thiết kế tần số cộng
hưởng của 2 mode dao động chính gần nhau hơn.
Samsung cũng thiết kế một mẫu thiết kế con quay vi cơ 2 trục được chế
tạo bằng vật liệu si-líc đa tinh thể (polysilicon) có độ dày 7µm, lắng đọng

bằng phương pháp LPCVD (hình 1.12b). Kết quả đo thực nghiệm cho thấy,
tín hiệu nhiễu là 0,1
0
/s, độ nhạy đạt 0,1mV/
0
/s.

2.2.3. Những vấn đề còn tồn tại
Do kết cấu và cơ chế làm việc kiểu dao động, nên thực chất con quay vi
cơ được coi như một bộ cộng hưởng. Do đó, việc tương thích tần số của hai
mode dao động chính là một vấn đề cần được quan tâm đặc biệt trong yêu cầu
thiết kế nhằm cải thiện chất lượng của sản phẩm. Vì s
ự tương thích tần số
giữa hai mode này sẽ yếu tố quyết định chính đến các thông số khác, chẳng
hạn mức độ đáp ứng hay độ nhạy của hệ thống với các sự thay đổi của điều
kiện môi trường làm việc. Một vấn đề ảnh hưởng chính đến chất lượng của
linh kiện là chưa khử bỏ được các mode dao động tự nhiên không mong
mu
ốn, là nguyên nhân chủ yếu gây ra các tạp nhiễu tín hiệu đo sau này. Các
thiết kế đã công bố từ trước tới nay mới chỉ khắc phục nhược điểm này bằng
cách thiết kế mạch xử lí tín hiệu lối ra. Điều này dẫn đến sự phức tạp cho cấu
trúc của linh kiện và không kinh tế, bên cạnh đó, độ ổn định tín hiệu cũng
không cao, phụ thuộc nhiề
u vào điều kiện đo, và các tín hiệu nhiễu vẫn không
tách được hoàn toàn. Có thể nói, cách giải quyết như vậy chưa phù hợp và
hiệu quả, đặc biệt khi áp dụng cho những nơi còn thiếu trang thiết bị công
nghệ chế tạo như ở Việt Nam chúng ta.
NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ CON QUAY VI CƠ

1. Cơ sở thiết kế về tĩnh điện

Các cảm biến đo vận tốc góc theo cấu trúc tuning fork gyroscopes
có nguyên lý hoạt động dựa trên sự dẫn động bằng lực tĩnh điện thông
qua hệ cấu trúc các răng lược tĩnh điện và nhận biết tín hiệu ra nhờ sự
thay đổi điện dung của hệ tụ điện cảm ứng. Dưới đây, những vấn đề cơ
bản liên quan lý thuyết tươ
ng tác tĩnh điện sẽ được đề cập, làm cơ sở
cho việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến.

1.1. Lực tĩnh điện cho cấu trúc tụ phẳng
1.1.1. Lực tĩnh điện pháp tuyến ( F
n
)
Xét một tụ điện phẳng gồm 2 bản cực song song, sao cho cực bên
trái được giữ cố định tại ví trí, còn cực bên phải có thể di chuyển theo
phương vuông góc bề mặt bản cực tụ (phương x), khi đặt một điện áp V
lên tụ điện (hình 2.1).

Hình 2.1: Lực pháp tuyến với bản tụ

Điện dung của hai bản tụ song song khi đó được xác định bởi:
0
A
C
x
ε
ε
=
(2.1)
Trong đó, A là diện tích bản cực;

ε
0
= 8,854x10
-12
F/m là hằng số điện môi
trong chân không; và
ε
là hằng số điện môi của môi trường giữa hai bản cực
(với không khí
ε
=1).
Điện tích trên các bản tụ được xác định như sau:
().
C
QCxV
=
(2.2)
Năng lượng điện trường trong tụ sẽ là:

2
1
().
2
C
ECxV= (2.3)
Gọi F
n
là lực tác động làm một bản cực dịch chuyển một khoảng cách
Δ
x, bảo toàn năng lượng với hệ gồm nguồn và tụ điện cho ta phương trình:

0
cS
x
dE dE
Fx x x
dx dx
Δ
+Δ+Δ=
(2.4)
Với E
S
là năng lượng của nguồn điện một chiều đặt lên các bản cực. Ta có
lực điện (lực pháp tuyến) giữa hai bản cực sẽ là:

dx
dE
dx
dE
F
SC
n
−−=
(2.5)
Từ biểu thức (2.3), ta có:

2
.
)(
.

2
1
V
x
xC
dx
dE
C
∂
∂
=
(2.6)
Với V là điện áp nguồn cung cấp, và coi như không đổi.
Vì vậy ta có:

dx
dQ
V
dx
dE
CS
.−=
(2.7)
Từ biểu thức (2.1) và (2.2) ta được:

2
.
)(
)(
V

x
xC
dx
dE
S
∂
∂
−=
(2.8)
Cuối cùng có:

2
2
0
2
.
.2

.
)(
)(
.
2
1
V
x
A
V
x
xC

F
n
εε
−=
∂
∂
=
(2.9)
Dấu “
” trong biểu thức (2.9) chỉ ra rằng lực pháp tuyến hướng điện
cực di chuyển về phía điện cực cố định, tức là lực hút giữa hai điện cực song
song. Nếu kích thước của tụ điện lớn hơn nhiều so với khoảng cách, lực F
n
sẽ
là hằng số. Đây là một điểm thuận lợi của lực điện từ trong việc áp dụng với
vi cấu trúc cơ học.
1.1.2. Lực tĩnh điện tiếp tuyến ( F
t
)
Bây giờ, xét tụ phẳng có khoảng cách giữa hai bản cực là g
0
và độ rộng
là h. Một bản cực được cho di chuyển theo phương song song với bản cực còn
lại (hình 2.2). Coi diện tích che phủ giữa hai bản cực lớn hơn nhiều so với
khoảng cách giưac hung, khi đó, điện dung giữa hai bản cực của tụ được xác
định như sau:


0
0

0
0

g
yh
g
A
C
εεεε
==
(2.10)
Điện tích của tụ:

VyCQ
C
).(
=
(2.11)
Năng lượng điện trường trong tụ sẽ là
:

2
0
0
2
.
.2

).(.
2

1
V
g
yh
VyCE
C
εε
==
(2.12)


Hình 2.2: Lực tiếp tuyến trên bản tụ

Gọi F
t
, là lực dịch chuyển bản cực trên để nó dịch chuyển đi một
khoảng Δy, bảo toàn năng lượng cho ta phương trình:

0 =Δ+Δ+Δ y
dy
dE
y
dy
dE
yF
SC
t
(2.13)
Trong đó:

2
0
0
.
.2

V
g
h
dy
dE
C
ε
ε
=



2
0
0
.

. V
g
h
V
dy
dQ
dy

dE
CS
ε
ε
−=−=
(2.14)
Ta có lực điện (lực tiếp tuyến) giữa hai bản cực sẽ là::

2
0
0
.
.2

V
g
h
F
t
ε
ε
=
(2.15)
Như vậy, lực F
t
không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai bản cực nên
sẽ không đổi khi tấm điện cực di chuyển. Lực này chỉ làm tăng diện tích che
phủ giữa hai bản cực.
Từ biểu thức (2.10) và (2.15), ta có thể suy ra mối quan hệ giữa F
n

và
F
t
nếu coi diện tích che phủ A được tạo thành từ độ rộng bản cực h và độ dài
y
0
tương ứng phần che phủ giữa hai bản cực, như sau:

0
0
g
y
F
F
t
n
=
(2.16)
Có thể thấy F
n
>> F
t
vì y
0
>> g
0
.

1.2. Lực tĩnh điện cho cấu trúc hệ tụ kiểu răng lược
Cấu trúc dẫn động tĩnh điện kiểu răng lược là một cấu trúc nổi tiếng được

dưa ra lần đầu tiên bởi W.Tang cùng các đồng nghiệp. Nguyên lý hoạt động
của nó dựa trên chuyển động theo hướng song song với chiều dài của răng
lược, tức là sử dụng lực t
ĩnh điện tiếp tuyến.
Ở trên, ta thấy lực tĩnh điện tiếp tuyến (công thức 2.15) phụ thuộc vào bình
phương hiệu điện thế và độc lập với độ dịch chuyển y. Có thể thấy, chỉ có một
lực nhỏ trên mỗi tụ ~ 10 nN. Để tăng độ lớn của lực tĩnh điện, biện pháp đơn
giản là tăng s
ố răng lược. Tuy nhiên, cần lưu ý là lực tĩnh điện pháp tuyến
luôn luôn tồn tại cùng với lực tiếp tuyến và kết quả so sánh ở biểu thức (1.16)
cho thấy lực này luôn lớn hơn nhiều so với lực tiếp tuyến. Vì thế trong cấu
trúc hệ tụ kiểu răng lược, để loại bỏ tác dụng của lực pháp tuyến, bản tụ đứng
yên được sắ
p xếp đối xứng và xen kẽ về hai phía của mỗi bản tụ di chuyển,
khi đó, lực pháp tuyến F
n
từ hai bên sẽ bị triệt tiêu từng cặp như được chỉ ra
trên hình 2.3 và chỉ còn lực tiếp tuyến F
t
, nó không phụ thuộc vào sự dịch
chuyển. Ở điều kiện cân bằng, ta có:
0.

0
2
0
=− yk
g
Vhn
εε

(2.17)
Trong đó, h là độ rộng của bản cực tính cho phần phủ lên nhau giữa các
bản điện cực theo phương z, g
0
là khe giữa bản điện cực di chuyển và bàn
điện cực cố định, n là số răng lược (bản cực) di chuyển và k là độ cứng của
kết cấu lược theo phương tiếp tuyến y.


Hình 2.3: Cấu trúc hệ tụ răng lược (a) và mô hình hoạt động nguyên lý (b)

Trên cơ sở đó, có thể xác định độ dich chuyển của các bản cực (răng lược)
của cấu trúc bộ kích hoạt này như sau:
0
2
0
0
.

gk
Vhn
y
εε
=
(2.18)
Rõ ràng, để tăng chuyển vị, có thể tăng điện áp đặt vào hoặc tăng số răng
có thể chuyển vị.
Ưu điểm của loại này là chế tạo đơn giản, có thể thu được chuyển vị khá
lớn với kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển. Song khả năng tận dụng lực chưa
được cao vì tiết diện của ră

ng thường rất nhỏ nên sẽ phải chế tạo nhiều răng
nếu muốn có lực tĩnh điện tổng hợp lớn.
Đối với phần dẫn động, dao động được hình thành khi ta tạo ra được lực
kéo đẩy. Trong cấu trúc của hệ tụ răng lược, người ta kết hợp nguồn một
chiều DC với nguồn xoay chiều AC và một bộ biến pha có vai trò làm lệch
pha ngu
ồn xoay chiều AC đi 180
0
(hình 2.4) để dẫn động. Như vậy, lực tĩnh
điện tuần hoàn ở hai phía của khối gia trọng (gắn liền với các bản cực di
động) luôn có pha lệch nhau một góc 180
0
tạo ra lực kéo đẩy. Do đó, hệ sẽ
dao động với tần số đúng bằng tần số được đưa vào khi dẫn động. Tần số này