Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến Gyroscopes

Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 1

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài
liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng
tải trong và ngoài nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn
chính thống không bịa đặt, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong luận
văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là
những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài
liệu khác.


Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013
TÁC GIẢ



ĐẶNG VĂN HIẾU








ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG VĂN HIẾU




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA
CẢM BIẾN GYROSCOPES




LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG








HÀ NỘI - 2013
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 2

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ
tận tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông,

Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của
cảm biến Gyroscopes” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả
thu được có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Chử Đức Trình người đã
trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, với tất cả
lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và
thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực, và em xin gửi lời cảm ơn tới thầy
PGS.TS Vũ Ngọc Hùng – Viện trưởng ITIMS, trưởng nhóm MEMS, Đại Học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những
góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện
luận văn này.
Một lần nữa em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đễn tất cả mọi sự giúp đỡ
em trong thời gian vừa qua. Em xịn kính chúc các thầy cô, các anh chị và các bạn
mạnh khỏe và hạnh phúc.

Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013
Học viên

ĐẶNG VĂN HIẾU






ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẶNG VĂN HIẾU


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA
CẢM BIẾN GYROSCOPES

NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60 52 70



LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. CHỬ ĐỨC TRÌNH






HÀ NỘI - 2013

Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 3
MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 6

LỜI MỞ ĐẦU 8
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 9
1.1. Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes) 9
1.2. Hiệu ứng Coriolis 9
1.3. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) 10
1.3.1. Giới thiệu chung 10
1.3.2. Các kỹ thuật MEMS 12
1.3.3. Đóng vỏ Chíp 13
1.4. Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS) 13
1.4.1. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc 13
4.2.2. Phân loại con quay vi cơ 17
Chương 2: THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS 23
2.1. Mục tiêu thiết kế 23
2.2. Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi 24
2.2.1. Dầm treo thẳng (Linear beam) 24
2.2.2. Dầm treo gập (folded beam) 26
2.3. Cấu trúc tụ điện vi sai 27
2.3.1 Khái niệm cơ bản về tụ điện 27
2.3.2. Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29
2.3.3. Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược 30
2.4. Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping) 30
2.5. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork 32
2.5.1. Mô hình thiết kế 1 32
2.5.2. Mô hình thiết kế 2 33
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 4
2.5.3. Mô hình thiết kế 3 34
2.5.4. Mô hình thiết kế 4 34
Chương 3: KHẢO SÁT GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK 36
3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork 37

3.2. Thiết kế cấu trúc 49
3.2.1. Phần sensing 50
3.2.2. Phần Driving 51
Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 53
4.1. Phương pháp phát hiên bằng điện 53
4.2. Thiết kế mạch phát hiện điện dung Sensing-mode 54
4.3. Kết quả thực tế và mô phỏng của mạch điện 60
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64
5.1. Kết luận của đề tài 64
5.2. Đề xuất hướng phát triển của đề tài 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66












Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 5
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử
LPF Low Pass Filter Mạch lọc thông thấp
BPF Bank Pass Filter Mạch lọc thông dải

GPS
Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
THD Through Hole Device Linh kiện chân cắm
ZRO Zero rate output Lối ra với vận tốc góc bằng 0
SMD Surface Mount Device Linh kiện dán mặt
















Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 6
DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS 11
Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp 13
Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động 14
Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper 18
Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn 19
Hình 1.6: (a) Dụng cụ âm thoa, (b) Các phương hoạt động với vận tốc góc 20

Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork 21
Hình 2.1: Cấu trúc của dầm thẳng 25
Hình 2.2: Ứng dụng của dầm treo thẳng 25
Hình 2.3: Cấu trúc dầm treo gập (a) ,đáp ứng với tải dọc và ngang (b) 26
Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép 26
Hình 2.5: Ứng dụng của dầm treo gập 27
Hình 2.6: Mô hình cấu tạo tụ song song 28
Hình 2.7: Sự biến đổi khoảng cách tĩnh điện của mô hình thiết bị truyền động 28
Hình 2.7: Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29
Bảng 2.1: Tóm tắt các thông số của cấu truc tụ điện thanh ngang 29
Hình 2.8: Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược và nguyên lý hoạt động 30
Hình 2.9: Đặc trưng biên độ tần số của hệ cộng hưởng 31
Hình 2.10: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nhất 32
Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 34
Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ ba 34
Hình 2.13: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư 35
Hình 3.1: Mô hình con quay hồi chuyển kiểu Tuning Fork 37
Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực và hệ quy chiếu 38
Hình 3.3: Sơ đồ phân tích lực khi đặt vận tốc góc vào hệ 40
Hình 3.4: Hình ảnh của mode ngược pha của sensing 50
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 7
Hình 3.5: Hình ảnh của mode đồng pha của sensing 50
Hình 3.6: Hình ảnh của mode ngược pha của driving 51
Hình 3.7: Hình ảnh của mode đồng pha của driving 51
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Driving 53
Hình 4.2: Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế tín hiệu Gyroscopes 54
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân 55
Hình 4.4: Mạch khuếch đại công cụ 55
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải 57

Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân tần số 57
Hình 4.7: Phổ tần số của quá trình giải điều chế đồng bộ 59
Hình 4.8: Hình ảnh MEMS thực tế 60
Hình 4.9: Thiết lập khảo sát tần số driving 60
Hình 4.10: Đáp ứng tần số của mode dẫn động 61
Hình 4.11: Thiết lập khảo sát tần số Sensing 61
Hình 4.12: Đáp ứng tần số của mode cảm ứng 62
Hình 4.13: Đáp ứng ra của mô hình 4 63









Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 8
LỜI MỞ ĐẦU
Trong khoảng 30 năm trở lại đây sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS,
một lĩnh vực công nghệ cao đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật và
công nghệ 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. Nội dung nghiên cứu thực hiện trong luận
văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc dựa trên cấu trúc con
quay vi cơ kiểu tuning fork, hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng Coriolis với cấu
trúc tụ kiểu răng lược. Đây là 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.

Tính toán và thiết các mạch điện, khảo sát các mạch điện kích thích và phát
hiện tín hiệu của cảm biến, với đầu vào là một điều chế cơ học, tính toán thiết kế mạch
điện giải điều chế đồng bộ và xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến.
Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn chưa thể để cập được đầy đủ
mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự thông cảm và hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em
có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc tương lai.
Em xin chân thành cảm ơn.









Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 9
Chương 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES
1.1. Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes)
Thuật ngữ Gyroscopes 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 gyrocope để giải thích chuyển động
quay của trái đất vào năm 1852.
Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng,

dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Thực chất, con quay cơ học là
một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng. Phương hướng này
thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài. Mô men xoắn được tối
thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy trì gần
như cố định với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên.
Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển động,
con quay hồi chuyển 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 từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học Mỹ, Elmer
Sperry. 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.
1.2. Hiệu ứng Coriolis
Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui
chiếu quay so với các hệ qui chiếu quán tính, được đặt theo
tên của Gaspard-Gustave de Coriolis - nhà toán học, vật lý
học người Pháp đã mô tả nó năm 1835 thông qua lý thuyết
thủy triều của Pierre-Simon Laplace. Nó được thể hiện qua
hiện tượng lệch quỹ đạo của những vật chuyển động trong hệ
qui chiếu này. Sự lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây
ra, gọi là lực Coriolis.

Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 10
Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau:

2F mv
  
(1.1)
Với:

m
là khối lượng của vật,
v
là véctơ vận tốc của vật,

là véctơ vận tốc góc
của hệ, còn dấu

là tích véctơ.
Có thể dễ dàng xác định được độ lệch của quỹ đạo chuyển động của vật thể trong
khoảng thời gian chuyển động
t

bằng biểu thức :

. .sin
d v t

 
(1.2)
Trong đó,

là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật. Khi xét dịch
chuyển nhỏ tương ứng góc

nhỏ, một cách gần đúng, có:

sin .
t
 

   
(1.3)
Thay biểu thức (1.3) vào (1.2) ta có:

2
. .sin . . . . .
d v t v t t v t

        
(1.4)
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
a a v
  
(1.5)
Do véc tơ
v

và


trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của gia tốc
này dưới dạng như sau:

2
c r
a V

  
 
(1.6)
Gia tốc
c
a

được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis
c
F


2.
c r
F m V
  
 
(1.7)
Lực Coriolis là lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính.
1.3. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)
1.3.1. Giới thiệu chung
Với sự ra đời của Transistor vào ngày 23.12.1947 tại phòng thí nghiệm Bell
Telephone đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị
điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 11
năng ngày càng được nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt
công nghệ lẫn xã hội, đã diễn ra một cuộc cách mạng về công nghệ micro và hứa hẹn
một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro
ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS được ra đời. Một số sản phẩm MEMS

được chỉ ra như (hình 1.1).

Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS
Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công
nghiệp bán dẫn. Một linh kiện MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến
(sensor), vi chấp hành (actuator) và vi điện tử được tích hợp trên cùng một chip (on
chip) nên có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá
học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối
vào: sinh học, hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc
Với một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như:
- Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng.
- Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các
cấu trúc khác nhau.
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 12
- Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một
thiết bị hoàn chỉnh.
- Có tính lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt.
Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc
thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những bộ chấp
hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích
này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây.
Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ – điện tử gọi tắt là công nghệ MEMS.
Đây là ngành khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử, công nghệ
này bao gồm các kỹ thuật cơ bản như: Kỹ thuật quang khắc tạo hình
(photolithography), khuếch tán (diffusion), cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật
liệu bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor
deposition), hàn dây (wire bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging), kết
hợp với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu
nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Những năm 60 của

thế kỷ XX đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển khai đưa đến sự ra
đời công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt. đến những năm 70 và 80
đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia
tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành phổ biến trên thị trường, cảm biến vận tốc góc
và các cấu trúc làm động cơ chuyển động (actuator), mở ra các ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp và giao thông. Những năm cuối thế kỷ XX, sự ra đời của công nghệ
LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn ion hoạt hóa theo qui
trình BOSCH đã dẫn đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến
trình thu nhỏ hóa linh kiện (làm tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ
vi điện tử.
1.3.2. Các kỹ thuật MEMS
Công nghệ vi cơ khối: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, ăn
mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô ion hoạt hóa môi trường
chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến…
Công nghệ vi cơ bề mặt: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình,
lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô…
Công nghệ LIGA: dựa trên kỹ thuật tạo khuôn bằng vật liệu polymer sử dụng
kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng điện hóa.
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 13
1.3.3. Đóng vỏ Chíp
Do các chip cảm biến MEMS nhỏ và rất mảnh nên việc đóng vỏ đóng vai trò như
công cụ bảo vệ dưới tác dụng của môi trường bên ngoài như rung động, va đập, nhiệt
độ, thuận tiện cho quá trình đo đạc và sử dụng. Đóng vỏ là một trong những khâu công
nghệ quan trọng và chiếm đến 3/5 giá thành của một cảm biến hoàn chỉnh.
Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính:
Loại chân cắm (Through Hole Device - THD): là loại vỏ được sử dụng phổ biến
thích hợp cho việc đóng vỏ chip đơn lẻ, sau khi đóng vỏ cảm biến được sử dụng trong
các ứng dụng cụ thể.
Loại chân dán - chân phẳng (Surface Mount Device - SMD): là loại vỏ thích

hợp với một hệ chíp đa chức năng cùng gắn trên một vỏ như các bộ vi xử lý
(microprocessor) sử dụng cho các máy tính cá nhân hoặc xách tay.

Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp
1.4. Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)
Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS
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 (MEMS
Gyroscopes) 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 viễn thông
1.4.1. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc [2]
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 đặc trưng cơ bản của hệ quy chiếu
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 14
phi tuyến là gia tốc quán tính. Vì thế các nguyên lí hoạt động của con quay được xét
trong hệ quy chiếu phi quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis.
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 được mô tả bởi mô hình tương
đương gồm khối gia trọng m, lò xo
x
k
,
y
k
, giảm chấn

x
C
,
y
C
và 2 bậc tự do (hệ tọa
độ 2 chiều
XY
) được chỉ ra như (hình 1.3). Coi hệ quy chiếu gắn với con quay
(
XY B

) là hệ quy chiếu phi quán tính, vì hệ này chuyển động có gia tốc 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
d
F
. Khi cho cả hệ
chuyển động quay với vận tốc góc không đổi
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.

Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động [2]
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


Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 15

A B
r R r
  
 
(1.8)
Trong đó, vector vị trí

B
r

có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ X, Y của con
quay dưới dạng:

B
r x X yY
  
 
(1.9)
Vận tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc
V

của hệ
con quay với hệ quy chiếu quán tính và vận tốc
B
v

của m trong hệ quy chiếu con
quay. Tuy nhiên, trong hệ con quay,
m
vừa tham gia chuyển động tịnh tiến (chuyển
động thẳng) vừa tham gia chuyển động quay, vì thế,
B
v

sẽ bao gồm vận tốc chuyển
động tịnh tiến (translational motion),
,

T
B B
v r




và vận tốc liên hệ với chuyển động
quay (rotation motion),
,
R
B B
v r

 

 
được xác định bởi:

B A B B
v V v r R r r
   
      
   
   
(1.10)
Thực hiện khai triển phép nhân vector có hướng ở vế phải của (1.10) với lưu ý
chỉ xét các thành phần theo 2 phương
X
và

Y
đối với
B
r

và chỉ có
0
z
   
(do
vector


có phương dọc theo trục
Z
), ta sẽ nhận được vector vận tốc của m trong hệ
quy chiếu con quay, như sau:




B x y
v x y X y x Y v X v Y
      
    
 
(1.11)
Gia tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp gia tốc
A


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

( )
B B B B B B
a A a R r r r r r
     
              
       
       


( ) 2( )
B B B B
a R r r r r
    
         
      
    
(1.12)

Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 16
Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.12) với
lưu ý chỉ xét đến các thành phần theo 2 phương
X
và
Y
đối với
B
r

và
B
v

, đồng thời
chỉ có
0
z
   
, gia tốc của m trong hệ quy chiếu con quay cũng sẽ được xác định:
2 2
( 2 ) ( 2 )
B x y
a x x y y X y y x x Y a X a Y
           
   

 
   

(1.13)
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:






0ykvcma
Fxkvcma
yyyy
dxxxx
(1.14)
Trong đó,
x
v

và
y
v

là các thành phần của vector vận tốc
v

và

,
x y
a a
là các thành
phần của vector gia tốc
a

theo 2 phương
X
và
Y
. Thay (1.8), (1.9) và (1.13) vào
(1.14) ta có:




 
 







0 2
2
2
2

xmxmymkyxcym
Fymymxmkyxcxm
yy
dxx







(1.15)
Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo mọi phương
(tức là
x y
k k k
 
) và nếu coi vận tốc góc

nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng
hưởng kích thích, tức là,
k
m

 
, thì
2
k m



. Ngoài ra, do
ons
c t
 
nên
0
 
, cũng như có
, ,
x y y x
 
 
 
hệ phương trình (1.15) sẽ được rút gọn
thành hệ phương trình (1.16):






02
2
xmkyycym
Fymkxxcxm
y
dx






(1.16)
Đây là các phương trình chuyển động đối với hệ con quay lý tưởng. Nếu con
quay được kích thích đến tần số cộng hưởng bởi lực tuần hoàn
0
sin
d
F F t
 
thì lực
sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng theo phương cảm ứng. Các
số hạng
2
m y

và
2
m x

trong các phương trình (1.16) chính là các thành phần lực
Coriolis theo 2 phương
X
và
Y
, tạo ra sự liên kết ràng buộc về mặt động lực học giữa
2 mode dao động. Khi hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 17
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.
4.2.2. Phân loại con quay vi cơ
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 Gyroscopes 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 Gyroscopes nguyên tử có thể có độ phân
giải, và độ nhạy rất cao trong phòng thí nghiệm nhưng chúng lại không thông dụng
trên thị trường bằng các Gyroscopes quang và Gyroscopes 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): 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 tính bằng
0
/s hoặc
0
/h
Hệ số tỷ lệ (Scale factor): Tỷ lệ của sự thay đổi 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 động (Dynamic range): Khả năng hoạt động của linh kiện tương ứng với
thông tin đầu vào.

Giá trị offset (ZRO – Zero rate output): Giá trị của tín hiệu đo được khi chưa
có tín hiệu đầu vào, đây là thông số đánh giá mức độ nhiễu ban đầu của linh kiện. Cụ
thể, khi chưa có thông tin đầu vào, tín hiệu lối ra của linh kiện là một hàm ngẫu nhiên
do tín hiệu nhiễu tự nhiên tạo ra và 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.
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 yếu 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 như là
nhiễu hệ số tỷ lệ hay là thế dòng trôi.
Dải thông (Bandwidth): Độ rộng dải tần số hoạt động của linh kiện ở trạng thái
cộng hưởng.
Điện áp trôi (Drift voltage): Là một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập, không chịu
ảnh hưởng bởi các giá trị quán tính.
Ngày nay, các mẫu Gyroscope 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 của khoa
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 18
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 Gyroscope thành một số loại
cơ bản như sau:
- Con quay vi cơ Drapper (Gimbal Gyroscope)
- Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring Gyroscope)
- Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocope)
1.4.1.1. Con quay vi cơ Drapper (Gimbal Gyroscope)
Đây là loại linh kiện có cấu trúc đơn giản nhất, thuộc thế hệ đầu tiên trong lịch sử
phát triển con quay vi cơ, được thiết kế và chế tạo vào năm 1991, tại phòng thí nghiệm
Drapper, Mỹ.

Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper [2]
Cấu trúc của linh kiện gồm một khối gia trọng được gắn với hệ khung treo ngoài
bằng hai cặp dầm (beam) đối xứng, trong đó cặp dầm ngoài cùng sẽ được gắn với các
điểm chốt cố định (anchor), như được minh họa trên (hình 1.4 a). Các dầm này có
dạng hình hộp chữ nhật với đặc điểm kích thước là chiều rộng nhỏ hơn rất nhiều so với
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 19
độ dày. Cả cấu trúc nói trên được gắn lên một tấm đế bằng thủy tinh Pyrex có vai trò
như một phía bản cực để hình thành cấu trúc tụ điện bằng kỹ thuật hàn anode. Khung
treo có vai trò là một phía bản cực còn lại tạo ra cặp tụ điện đối xứng nhau để thực
hiện chế độ kích thích, khối gia trọng là bản cực của cặp tụ điện để nhận biết tín hiệu
cảm ứng. Tác động một điện áp xoay chiều ngược pha vào cặp tụ điều khiển sẽ tạo ra
các lực kéo – đẩy giữa các cặp bản cực, khung sẽ bị xoay nghiêng đi làm các dầm treo
bị xoắn một góc giống như một cầu bập bênh (hình 1.4 b). Khi đặt cấu trúc vào một
chuyển động quay với vận tốc góc, có phương vuông góc bề mặt cấu trúc
( )
Z

, khối
gia trọng sẽ bị xoay lệch nghiêng cũng dưới dạng bập bênh làm cho điện dung của tụ
thay đổi (hình 1.4 c). Thu nhận tín hiệu thay đổi này ta sẽ xác định được vận tốc góc
cần đo.
1.4.1.2. Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring Gyroscopes)



Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn
Loại linh kiện này được triển khai nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu tiên ở Đại
Học Michigan (Mỹ) và Học viện Hàng không Vũ trụ Anh vào năm 1994. Linh kiện sử
dụng hệ cấu trúc tụ điện răng lược để kích hoạt và nhận biết tín hiệu. Hình 1.5 là một

dạng cấu trúc điển hình của kiểu con quay này. 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, 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 một 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
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 20
sẽ xác định được vận tốc góc quay đặt vào thông qua sự thay đổi của điện dung các tụ
cảm ứng.
Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân giải đạt khoảng 0,5
o
/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 thực hiện thành công kỹ thuật này. Tuy
nhiên, điều này dẫn đến điện dung của các tụ điện cảm ứng nhỏ, nghĩa là tín hiệu 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 ảnh 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 số phẩm chất của cấu trúc, tức là làm giảm chất lượng của con quay
hồi chuyển (Gyroscopes).

1.4.2.3 Con quay vi cơ hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocopes) [5]
Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocopes) hoạt động dựa
trên nguyên lý hoạt động của âm thoa. Âm thoa là một dụng cụ cộng hưởng âm có cấu
trúc gồm hai thanh kim loại dạng chữ U gắn lên một đế đỡ. Dụng cụ nàysẽ phát ra các
âm thanh cộng hưởng nhất định tương ứng các chế độ (mode) dao động khác nhau từ
thấp lên cao khi hai nhánh của thanh chữ U được cho dao động cùng phương nhưng
ngược chiều nhau (hình 1.6 a).






Hình 1.6: (a) Dụng cụ âm thoa, (b) Các phương hoạt động với vận tốc góc
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 21
Tần số của âm thanh phát ra lớn hơn tần số dao động cơ bản rất nhiều. Trong
trường hợp áp dụng các phương thức hoạt động của một cảm biến vận tốc góc, ta sẽ
có ba phương hoạt động của cấu trúc âm thoa này như minh họa ở hình 1.6 b.
Dựa trên nguyên lý hoạt động của âm thoa như vậy, người ta thiết kế một hệ dao
động với hai khối nặng (khối gia trọng –
m
) được gắn cố định bởi các dầm treo đàn
hồi
1
k
và được gắn với nhau qua hệ lo xo đàn hồi
2
k
(hình 1.7 a). Bằng cách cho hai

khối nặng m chuyển động ngược chiều nhau theo phương x với vận tốc
,
v

rồi đặt hệ
trên trong một chuyển động quay, sao cho, vector vận tốc góc


theo phương
Z
, sẽ
tạo ra cặp lực Coriolis theo phương
Y
, có trị số như nhau nhưng cũng ngược chiều
nhau (hình 1.7 b). Kết quả là, hai khối dao động sẽ dao động theo phương
Y
trùng với
phương và chiều của cặp lực Coriolis. Độ dịch chuyển theo phương
Y
tỷ lệ với vận tốc
góc đặt vào nó.
Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork
Kể từ khi được công bố lần đầu tiên của phòng thí nghiệm Drapper (Mỹ) vào
năm 1993, đến nay, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork đang nhận được sự quan tâm
đáng kể tại các trung tâm nghiên cứu hàng đầu trên thế giới về công nghệ linh kiện
MEMS, xuất phát từ một số ưu điểm sau:
- Cấu trúc có khả năng điều chỉnh các thông số kích thước để cải thiện các đặc
trưng như độ cứng của cấu trúc, tần số cộng hưởng ở hai chế độ hoạt động chính
(driving và sensing) như mong đợi.
- Linh kiện hoạt động trong mặt phẳng thuận lợi cho quá trình tích hợp với linh

kiện khác (như cảm biến đo gia tốc kiểu tụ) và mạch tổ hợp để tạo thành một hệ hoàn
chỉnh như thiết bị dẫn hướng, định vị.
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 22
Hiện nay, con quay vi cơ đã được chế tạo và thương mại hóa và được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp ô tô, hàng không dân dụng và quân sự Tuy nhiên, vẫn còn
một số vấn đề còn tồn tại, cần được tiếp tục cải thiện, đó là:
- Chưa khử bỏ được các mode dao động tự nhiên không mong muốn, là nguyên
nhân chủ yếu gây ra các tạp nhiễu tín hiệu đo sau này. Đây là một vấn đề ảnh hưởng
chính đến chất lượng của linh kiện. Các thiết kế đã công bố từ trước tới nay mới chỉ
khắc phục nhược điểm này bằng cách thiết kế mạch xử lý 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 nhiều vào điều kiện đo, và các tín hiệu nhiễu vẫn
không tách được hoàn toàn.
- Với kết cấu và cơ chế làm việc kiểu dao động, nên thực chất con quay vi cơ
được coi như một bộ cộng hưởng. Vì sự tương thích tần số giữa hai mode chính là yếu
tố quyết định đến các thông số khác, chẳng hạn mức độ đáp ứng hay độ nhạy của hệ
thống với sự thay đổi của điều kiện môi trường làm việc nên việc tương thích tần số
của hai mode dao động này là một vấn đề cần được quan tâm đặc biệt trong yêu cầu
thiết kế nhằm cải thiện chất lượng của sản phẩm.
Do vậy, luân văn này sẽ tập trung vào nghiên cứu thiết kế các phương pháp cải
tiến thiết kế các mô hình của con quay vi cơ nhằm giảm thiểu các nhược điểm đã được
đề cập. Với mục đích thực hiện chế tạo linh kiện này với chất lượng cao phù hợp các
điều kiện công nghệ sẵn có hiện nay.

Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 23
Chương 2
THIẾT KẾ CẢM BIẾN GYROSCOPES MEMS
Như đã giới thiệu trong chương 1, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork có cấu trúc
gồm hai khối gia trọng được treo bởi hệ các thanh dầm đàn hồi (hình 1.7 a). Khi hoạt
động, hai khối gia trọng được kích hoạt để dao động ngược pha nhau 180
0
. Một dao
động cảm ứng theo phương vuông góc với phương dẫn động sẽ xuất hiện khi toàn bộ
cấu trúc được đặt trong một chuyển động quay tròn với vận tốc góc

(hình 1.7 b)
2.1. Mục tiêu thiết kế
Tín hiệu đầu ra được cảm nhận bằng hệ thống tụ điện thiết kế theo kiểu răng
lược (comb structure capacitors), sự thay đổi của tín hiệu ra tỷ lệ với điện dung trên tụ.
Cấu trúc Gyroscope theo kiểu Tuning Fork có hai khối gia trọng có tác dụng làm
loại bỏ đi gia tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó giúp cho việc xác định chính xác được
vận tốc góc cần đo.
Ngoài ra với 2 khối gia trọng chuyển động ngược pha nhau trong mode dao động
cảm ứng, giúp cho tín hiệu lối ra sẽ tăng gấp đôi, tức là làm tăng độ nhạy của cảm
biến. Tuy nhiên cấu trúc này cũng có một số nhược điểm cần khắc phục như sau:
- Hai khối gia trọng phần lớn là được dẫn động riêng lẻ theo các hệ cấu trúc răng
lược tách biệt. Điều này có ưu điểm là có thể tăng được độ lớn của lực tĩnh điện lên
nhưng nó lại làm điện thế dẫn động và lực tĩnh điện của hai khối khi dẫn động là
không đồng nhất. Làm ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng của thiết bị khi hoạt động.
- Cấu trúc này còn tồn tại các mode đồng pha không mong muốn có tần số gần
với tần số làm việc của hai mode hoạt động chính là mode dẫn động (mode driving) và

mode cảm ứng (mode sensing) của Gyroscopes, tạo ra các nhiễu tín hiệu ở đầu ra khi
Gyroscopes hoạt động.
Do vậy, cấu trúc Gyroscopes được thiết kế trong luận văn này cần đảm bảo các
tiêu chí sau:
- Khử bỏ hoặc hạn chế các mode dao động đồng pha khi dẫn động bằng lực tĩnh
điện nhằm cải thiện biên độ dẫn động của cấu trúc.
- Khử bỏ hoặc hạn chế các mode dao động cảm ứng đồng pha để giảm các nhiễu
gây ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra.
- Khử bỏ hoặc hạn chế sự mất đồng đều của lực tĩnh điện tác động vào các hệ tụ
dẫn động (driving).
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 24
- Thiết kế bố trí hệ thống cấu trúc răng lược dẫn động đồng nhất cho cả hai khối
gia trọng cùng một lúc.
2.2. Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi
Một cảm biến đo vận tốc góc dựa trên hiệu ứng Coriolis sẽ tuân theo các nguyên
lý dao động của một hệ cơ học với hai bậc tự do. Một hệ dao động cơ học với hai bậc
tự do (2-DOF) sẽ có 2 tần số dao động riêng tương ứng, tần số dẫn động
x
x
k
m



và tần số cảm ứng
y
y
k
m



. Nếu các thành phần độ cứng
,
x y
k k
được thiết kế, sao
cho,
x y
k k

thì khi đó
x y
 

và hệ dao động đạt trạng thái cộng hưởng.
Dầm đàn hồi (elastic beam) có vai trò để treo khối gia trọng tách biệt khỏi đế
thông qua các điểm chốt được gọi là anchor. Các dầm phải được thiết kế đảm bảo các
tiêu chí như sau :
- Độ cứng đủ lớn để có thể treo được cấu trúc tách khỏi đế, không bị võng theo
trục
Z
.
- Tính đàn hồi đủ mềm dẻo đảm để toàn bộ cấu trúc có thể dễ dàng dao động theo
các phương hoạt động (phương dẫn động và phương cảm ứng).
Do nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork theo hai phương dẫn
động và cảm ứng trực giao nhau, cho nên:
- Độ cứng tổng hợp của dầm theo phương dẫn động và phương cảm ứng phải
được thiết kế gần xấp xỉ như nhau để linh kiện có thể hoạt động tại tần số cộng hưởng,
- Độ cứng của dầm tính theo phương dẫn động và tính theo phương cảm ứng phải

thiết kế sao cho là nhỏ nhất theo các phương ngược lại để đảm bảo chỉ hoạt động theo
hai thành phần chính là dẫn động và cảm ứng.
Một số loại dầm treo điển hình thường được sử dụng trong thiết kế, chế tạo các
cảm biến vi cơ:
2.2.1. Dầm treo thẳng (Linear beam)
Đây là một kiểu dầm đơn giản có hình dạng là một thanh thẳng (hình 2.1). Kiểu
này có ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo và có ít thông số, cụ thể chỉ có hai thông số là
chiều dài dầm và chiều rộng của dầm bởi độ dày của dầm luôn được cố định với giá trị
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 25
là 25 µm. Nhưng kiểu dầm này có tính phi tuyến lớn và hạn chế về biến dạng dọc theo
chiều ngang (axial loading limitation). [7, 15, 41]

Hình 2.1: Cấu trúc của dầm thẳng
Các thành phần của hệ số độ cứng (đàn hồi) của kiểu dầm này được xác định như
sau:

w
b b
x
b
t
k E
l

;
3
2
w
b b

y
b
t
k E
l

;
3
2
w.
b
z
b
t
k E
l

(2.1)
Trong đó,
b
l
là chiều dài dầm,
w
b
là độ rộng của dầm,
b
t
là chiều dày của dầm,
E
là mô-đun đàn hồi của vật liệu,

, ,
x y z
k k k
lần lượt là độ cứng theo các phương
, ,
X Y Z
trong không gian.
Một số cấu trúc ứng dụng dầm treo thẳng được chỉ ra trong hình 2.2.

Hình 2.2: Ứng dụng của dầm treo thẳng [2]