Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc Mems cấu trúc cài răng lược

Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm
Trn c Thnh
3
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học s phạm hà nội 2




Trần Đức Thành




Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng
hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems
cấu trúc cài răng lợc


Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 07


Luận văn thạc sĩ vật lý

Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Dũng

Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm
Trn c Thnh
4

Hà Nội, 2009
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học s phạm hà nội 2



Trần Đức Thành



Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng
hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems
cấu trúc cài răng lợc



Luận văn thạc sĩ vật lý

Hà Nội, 2009
Trần Đức Thành Ngành Vật lý chất rắn Khoá 11



LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
5
MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU
5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS

7
1.1. Giới thiệu 7
1.2. Hiệu ứng Coriolis 10
1.3. Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao động 14
1.4. Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu 17
1.4.1. Kiểu thanh rĩa 17
1.4.2. Kiểu khung dao động 18
1.4.3. Kiểu vòng xuyến 19
1.4.4. Kiểu cài răng lược 19
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu 20
CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN
23
2.1. Phát triển cấu trúc 23
2.2. Phương pháp điều khiển dao động kích thích 24

2.3. Độ dịch chuyển bởi lực tĩnh điện vuông góc 28
2.3.1. Độ dịch chuyển vuông góc 28
2.3.2. Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kéo) 30
2.4. Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trúc cài răng lược 31
2.4.1. Độ dịch theo hướng song song 31
2.4.2. Sự mất ổn định theo hướng vuông góc đối với các răng lược. 32
2.5. Sự tiêu thụ năng lượng trong các bộ chấp hành cài răng lược 35
2.6. Nguyên lý hoạt động của cảm biến 35
2.6.1. Điều khiển dao động kích thích 35
2.6.2. Dao động cảm ứng và thu tín hiệu cảm ứng
36
CHƯƠNG III. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG CẢM
BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC
DỰA TRÊN PHẦN MỀM ANSYS
37

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
6
3.1. Nhiệm vụ bài toán mô phỏng 37
3.2. Cấu trúc chung của bài toán mô phỏng sử dụng phần mềm ANSYS 38
3.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 38
3.2.1.1. Phương pháp giải cho các bài toán khoa học - kỹ thuật 38
3.2.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 39
3.2.2. Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 40
3.2.3. Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS 42
3.3. Các tham số đầu vào của bài toán mô phỏng 43
3.4. Chương trình mô phỏng đáp ứng cơ của cảm biến 43
3.5. Xây dựng chương trình mô phỏng đáp ứng chuyển đổi tín hiệu điện 44
CHƯƠNG IV . KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

46
4.1. Điều khiển dao động kích thích 46
4.2. Khảo sát thanh dầm dao động cảm ứng 50
4.3. Khảo sát độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung
theo vận tốc góc
52
4.4. Đề xuất cấu trúc cảm biến 54
KẾT LUẬN
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO
57
PHỤ LỤC
59










LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
7
MỞ ĐẦU


Thế kỷ 20 đã chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các linh kiện vi

điện tử có kích thước nhỏ và có mức độ tổ hợp lớn. Xu hướng thu nhỏ kích
thước đã được áp dụng trong công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), nó
cho phép chế tạo các thiết bị và các linh kiện sensor, actuator có kích thước
cỡ micromet. Sang thế kỷ 21 không chỉ các thiết bị điện tử mới có thể thu
nhỏ, mà còn các thiết bị cơ học cũng có thể thu nhỏ như các thiết bị MEMS
đã được thương mại hóa và đưa ra thị trường. Các thiết bị điện tử không chỉ
có một ‘’bộ não’’ vô cùng mạnh mẽ (mạch IC), mà còn có bộ phận để cảm
nhận và tăng khả năng quyết định như tai, mắt (sensor) có kích thước
micromet và thực hiện chức năng cơ học nào đó được gọi là hệ thống vi cơ
điện tử (MEMS ở châu Mỹ, Microsystems hoặc MST ở châu Âu và
Micromachines ở Nhật), gọi tắt là hệ vi cơ. Công nghệ MEMS đang được
nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: Ô tô, hàng không vũ trụ, y
học, sinh học, viễn thông v.v…Công nghệ MEMS đã bắt đầu nghiên cứu và
ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm
biến áp suất trên công nghệ vi cơ khối. Sau đó trên cơ sở công nghệ MEMS
nhiều loại linh kiện và thiết bị cơ điện đã được chế tạo: các loại cảm biến
quán tính như cảm biến áp suất, cảm biến lực, cảm biến vận tốc góc, cảm biến
gia tốc; hệ thống lưu trữ thông tin; hệ thống thông tin liên lạc không dây; hệ
thống chuẩn đoán y học v.v…
Ở Việt Nam, công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm nghiên
cứu và phát triển từ cuối những năm 90. Các quan tâm nghiên cứu tập trung
vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công nghệ và phát
triển ứng dụng. Hiện nay đã hình thành một số nhóm nghiên cứu về MEMS
thuộc các viện nghiên cứu, các trường Đại học: Viện ITIM – ĐHBK Hà Nội,

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
8
Viện Vật Liệu, Đại học Công nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v…Những
nghiên cứu trước đây về MEMS như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con

quay vi cơ khung dao động dựa trên điều kiện ăn mòn ướt. Với các thiết bị ăn
mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây ở một số phòng thí
nghiệm trong nước thì cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một
loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên
nghiên cứu tại Việt Nam. Phối hợp với nhóm nghiên cứu về MEMS ở Viện
ITIMS – ĐHBK Hà Nội, chúng tôi thực hiện phát triển một cấu trúc cảm biến
đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều kiện công nghệ.
Luận văn thực hiện xây dựng mô hình lý thuyết cảm biến đo vận tốc
góc cài răng lược, từ đó mô phỏng, xác lập các đặc trưng hoạt động của cảm
biến bằng phần mềm ANSYS. Từ kết quả mô phỏng, đề xuất chế tạo các cấu
trúc cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước.
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc góc MEMS.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc cảm biến.
Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc
MEMS cấu trúc cài răng lược dựa trên phần mềm ANSYS.
Chương 4: Kết quả và thảo luận.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
9
CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS

1.1. Giới thiệu
Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Mechanical System) gọi tắt là MEMS ra
đời vào những năm 50 của thế kỷ XX, là lĩnh vực phát triển nhanh trong thời
gian qua, nó đã tạo ra một cuộc cách mạng về công nghệ và hứa hẹn một
tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. Sự bùng nổ của công
nghệ MEMS trong khoảng hai thập niên qua đã và đang kích thích sự phát

triển mạnh mẽ các vi cảm biến dựa trên công nghệ vi điện tử. Công nghệ này
cho phép giảm kích thước bộ cảm biến nhiều bậc về độ lớn, giảm đáng kể về
giá thành chế tạo và cho phép tích hợp nhiều phần điện tử trên cùng một Silic.
Dù thời gian phát triển ngắn, nhưng những sản phẩm của nó đã đem lại những
lợi ích to lớn cho xã hội và đã khẳng định được tầm quan trọng trong thời đại
khoa học và công nghệ hiện nay. Sản phẩm của công nghệ MEMS được ứng
dụng vào rất nhiều các lĩnh vực như: Viễn thông, y học, rôbôt, điều khiển tự
động, ô tô, máy quay video, dụng cụ thể thao v.v
MEMS có các lĩnh vực ứng dụng rộng lớn, không chỉ trong công
nghiệp mà còn trong các sản phẩm gia đình thiết yếu với khả năng trở thành
một hệ thống toàn diện – SOC (System - on Chip), nhiều chức năng, an toàn,
tin cậy và giá rẻ. Lĩnh vực đầu tiên áp dụng các thiết bị MEMS chính là ngành
công nghiệp ô tô với thiết bị đầu tiên ứng dụng công nghệ MEMS là gia tốc
kế túi khí với kích thước chỉ bằng tinh thể hạt đường. Ngoài lợi thế về kích
thước, gia tốc kế túi khí còn làm giảm đáng kể giá thành. Gia tốc kế túi khí
đang được sản xuất với số lượng trên 40 triệu thiết bị mỗi năm và không chỉ
dừng ở đó, nó còn đang được nghiên cứu để có các chức năng thông minh
như có đáp ứng riêng đối với các lái xe có khổ người và cân nặng khác nhau.

Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm
Trn c Thnh
10
Trong lnh vc ụ tụ, cỏc thit b MEMS khỏc ch yu nhm vo ch an
ton, an ninh hay theo dừi mụi trng, vớ d nh: o lng nhiờn liu, t
ng ghỡm dõy bo him, h thng khoỏ ca da trờn sinh trc hc hay RFID,
h thng nh v GPS. Cm bin o gia tc cú doanh s bỏn hng ln th hai
trong cỏc sn phm ca MEMS, ch ng sau cm bin ỏp sut. Doanh s bỏn
hng cm bin ny t ti 40 triu USD nm 2004. Cỏc cm bin ny ch yu
s dng trong cụng nghip, ú chỳng c s dng kớch hot cỏc h
thng an ton. Tuy nhiờn cm bin o gia tc cng c s dng trong phm

vi ln do chỳng cú u th v kớch thc nh v giỏ thnh ch to thp. Chỳng
c s dng trong y hc iu khin hot ng, trong cỏc h lm n nh
chng rung ca cỏc mỏy quay camera, cỏc thit b th thao, ng dng trong
cụng nghip nh ch to rụ bt, trong cỏc b iu khin chng rung, ng dng
trong quõn s v.v
Cựng vi cm bin o gia tc, cỏc cm bin o vn tc gúc MEMS l
cm bin cú t phn ln trong cỏc sn phm MEMS, mt trong cỏc loi da
trờn silic. Cm bin do vn tc gúc MEMS c c tớnh s to ra giỏ tr
khong 800 triu USD vo nm 2010 vi phm vi ng dng rt ln [1], [12].
Chỳng cú th c s dng trong iu khin t ng, chng hn nh h thng
chng xoay, h thụng tin dn nh hng trong GPS v trong cỏc h iu
khin s n nh cho cỏc h in t. Ngoi ra, trong nhiu thit b dõn dng
cng cú ng dng cm bin ny, chng hn trong cỏc mỏy quay xỏch tay, cỏc
mỏy quay camera, trong cỏc in thoi di ng (chỳng c s dng lm cỏc
b n nh cho cỏc thit b trờn), cỏc thit b in t xỏch tay v.v Cỏc ng
dng quan trng khỏc ca cỏc cm bin o vn tc gúc cú th tỡm thy trong
lnh vc quõn s, hng khụng v tr, rụbụt v ng dng trong y t.
Trờn quan im giỏ thnh sn phm, nng lng tiờu th v hiu qu
sn xut, cỏc cm bin o vn tc gúc ũi hi tớch hp cụng ngh phc tp

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
11
như các cảm biến vòng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khó đáp ứng được
yêu cầu sử dụng số lượng lớn của các cảm biến đo vận tốc góc [10]. Vì vậy,
các nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc với rất nhiều loại cấu trúc
khác nhau và nguyên lý hoạt động khác nhau được báo cáo.

Hình 1.1. Thống kê về thị phần và doanh thu sản phẩm MEMS trên thế giới từ
báo cáo của "Yolé Développment" tháng 04 năm 2005.
Con quay vi cơ là một loại cảm biến cơ học đo vận tốc góc, dùng để
nhận biết tín hiệu của sự quay, nói một cách khác nó cho phép ta đo được tốc
độ quay của vật thể theo một phương nào đó trong không gian. Với một con
quay ba chiều hoặc ba con quay một chiều, ta có thể xác định được gia tốc ba
chiều của vật thể, từ đó ta sẽ biết được nó đang hướng đến đâu và thay đổi
hướng chuyển động như thế nào trong không gian. Dụng cụ này cho phép xác
Cảm biến quán tính
22%
Bộ chấp hành khác
5%
MEMS quay
22%
Cảm biến dòng chảy
27%
RF MEMS
3%
Cảm biến công suất
11%
Cảm biến khác
10%
Cảm biến gia tốc
Cảm biến vận tốc góc

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
12
định được tốc độ của vật thể quay đặt trong không gian quán tính, dựa trên
hiệu ứng Coriolis.

1.2. Hiệu ứng Coriolis
Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ
quy chiếu quán tính. Khi vật đứng yên trong hệ quy chiếu quay thì chịu tác
dụng của lực quán tính li tâm. Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếu này
thì còn chịu tác dụng của một lực quán tính khác nữa, lực quán tính Coriolis
hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc). Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc góc

của
hệ quy chiếu quay, vào vận tốc
'v
của vật đối với hệ quy chiếu quay và luôn
vuông góc với vectơ vận tốc đó. Ta có thể hình dung lực Coriolis thông qua
một mô hình như sau:

Một bàn xoay có thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm, một
quả bóng được đặt tại tâm của bàn xoay. Vạch trên đĩa một bán kính OA, theo
hướng từ O đến A. Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’. Nếu bàn không quay thì
quả cầu lăn dọc theo bán kính OA (hình 1.2). Nếu bàn quay theo hướng mũi
tên chẳng hạn, thì quả cầu lăn theo đường cong OA’ (đường chấm chấm)
nghĩa là vận tốc
'v
thay đổi hướng đối với bàn quay. Chuyển động cong của
quả cầu trên mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gây ra tác dụng vuông
góc với vận tốc
'v
. Lực này là lực quán tính Coriolis.

Hình 1.2. Khi đĩa quay, quỹ đạo của bóng lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu

.

Bóng
Tâm của bàn xoay

Bàn xoay
Hướng chuyển động của bóng
Quỹ đạo của bóng trên bàn xoay
Hướng xoay của bàn
O
A
A'

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
13
Biểu thức tổng quát của lực Coriolis là:


C
F
=
C
am
(1.1)
Với:

][2

 va
c

vmF
c
]'[2



(1.2)
Trường hợp tổng quát của lực coriolis: Gọi Oxyz là hệ quy chiếu
đứng yên, Ox’y’z’ là hệ quy chiếu gắn với đĩa quay, trong đó trục z trùng với
trục z’ và trùng với trục quay của đĩa. Với trục quy ước này thì bán kính vectơ
r
đối với hệ quay là trùng nhau.
Bán kính vectơ của vật được tính theo:

r
=
'
r
= x’
'
x
e
+
'

'
y
ey
+
'
'
z
ez
(1.3)







Hình 1.3. Hệ tọa độ quay

Trong đó
'
x
e
,
'
y
e
,
'
z
e

là các vectơ đơn vị trên các trục tọa độ của hệ
Ox’y’z’. Các vectơ
'
x
e
và
'
y
e
quay theo hệ Ox’y’z’ với cùng vận tốc

, nghĩa
là chúng nằm yên đối với hệ này. Còn đối với hệ đứng yên Oxyz thì chúng
quay với vận tốc

. Do đó khi lấy vi phân (1.1) đối với
r
thì phải coi
'
x
e
và
'
y
e
như là hàm của thời gian t, có đạo hàm bằng:


'
x

e
=

'
y
e
;

'
y
e
=


'
x
e
(1.4)
Hình vẽ :

x
e

'
=
'
y
e
,
y

e

'
=
'
x
e
và đạo hàm bậc hai bằng:
y’
x’
x
e

'

y
e

'

x
e'

y
e'


LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
14

'
.
2''
xyx
eee






'
.
2''
yxy
eee



(1.5)

Ta bắt đầu tính gia tốc
a
của một vật có chuyển động tùy ý. Sử dụng
(1.1) ta có:
Đối với hệ quy chiếu quay thì vận tốc
'
v

của vật là:


''''''''
zyx
ezeyexrv





Và gia tốc
'
a

sẽ là:
''''''''
zyx
ezeyexva




(1.6)

Đối với hệ đứng yên thì vận tốc
v
của vật là:

''''''''''''
zyyxx
ezeyeyexexrv









Và gia tốc
a

sẽ là:

'''''''''''''''
22
zyyyxxx
ezeyeyeyexexexva







(1.7)

Từ (1.1), (1.2), (1.3), (1.4) suy ra (1.5) có dạng:


)()(2
''''2''''
'
yxxy
eyexeyexaa 




Hay

)()(2
''''2''''
'
yxxyyx
eyexevevaa 

(1.8)

Biểu thức trong các dấu ngoặc ở số hạng cuối của (1.8) bằng thành
phần vuông góc với trục quay (trục z
’
) của bán kính vectơ
'
r

(xem 1.3). Ta kí

hiệu thành phần này là
R

do đó số hạng cuối bằng
-
R
2

.

Số hạng thứ hai của (1.6) là khai triển của tích vectơ 2
(
'
v

).
Thật
vậy, ta hãy biểu diễn tích vectơ này dưới dạng định thức:

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
15
(
'
v

) =
'''
'''
zyx

zyx
zyx
vvv
eee


Chú ý thêm rằng
0
yx


vì hệ quay quanh trục z với vận tốc


do
đó:

(
'
v

) =
'''
'''
00
zyx
zyx
vvv
eee


(
'
v

) =
''''
xyyx
veve




Như vậy hệ thức (1.6) có dạng:

Rvaa
2''
)(2


(1.9)

Lực quán tính tác dụng lên vật m là:

RmvmaamF
qt
2''
)(2)(



(1.10)

Trong đó lực
Rm
2


có hướng từ tâm quay ra ngoài là lực quán tính li
tâm xuất hiện do đĩa quay, còn lực
)(2
'
vm 

xuất hiện do có sự chuyển động
tương đối của vật đối với đĩa quay với vận tốc

'v

là lực quán tính Coriolis.


Vậy biểu thức tổng quát của lực Coriolis là:

)(2
'
vmF
C



Hay

)(2
'

 vmF
C
(1.11)

Ta thấy lực Coriolis phụ thuộc vận tốc góc quay



và vận tốc chuyển
động tương đối
'v
.

Lực Coriolis trong các hiện tượng tự nhiên nhìn chung có giá trị nhỏ.
Tuy nhiên nếu nó tác dụng trong khoảng thời gian dài thì cũng sẽ gây ra
những ảnh hưởng đáng kể. Lực giúp ta giải thích được tại sao có hiện tượng
bên lở bên bồi xảy ra ở hai bờ sông:

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
16

Hình 1.4. Chuyển động của hạt nước dưới tác dụng của lực Coriolis
Trái Đất là một vật quay lớn, nếu một dòng sông ở Bắc bán cầu chảy từ
Bắc đến Nam thì tốc độ hướng đông nhỏ, nó sẽ lệch về phía Tây, giống như ai
đó đẩy chúng. Nếu ta xét một hạt nước khi di chuyển từ bán Bắc đến Nam, ta
phân tích chuyển động của hạt nước thành hai chuyển động thành phần như
hình 1.4. Lúc này xuất hiện lực Coriolis đẩy hạt nước theo hướng ngang. Do
vậy tất cả các dòng sông ở Bắc bán cầu bờ sông bên Tây bị bào mòn tương
đối lớn. Hiện tượng này cũng xảy ra ở đường ray xe lửa một chiều từ hướng
Nam ra hướng Bắc bị va đập tương đối mạnh vào mặt phía Đông đường sắt.
Lực Coriolis ảnh hưởng lên cả chuyển động của các vật chuyển động với vận
tốc lớn như tàu thủy, máy bay, đường đạn, đặc biệt là các tên lửa, các trạm vũ
trụ phóng từ mặt đất.
1.3. Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao
động
Tất cả các cảm biến đo vận tốc góc dựa trên sự chuyển đổi năng lượng
giữa hai mẫu giao động của cấu trúc gây ra bởi gia tốc Coriolis, gia tốc này
xuất hiện khi có sự quay của khung đỡ và tỉ lệ với tốc độ quay. Trình bày sơ
lược về nguyên lý hoạt động của mẫu cảm biến như sau:



B
N
F

1
F

2
F


LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
17



Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo vận tốc góc

kiểu dao động

Xét chiếc rĩa quay đều với vận tốc góc

theo trục Oz (hình 1.5).
Khi dùng một lực điều khiển
(
đk
F
)
tác dụng vào một nhánh của rĩa làm
cho nhánh đó dao động theo trục Oy, nhánh rĩa sẽ chịu tác dụng của lực
Coriolis (F
C
). Lực này có phương vuông góc với



và
v

của dao động điều
khiển, nên
C
F

sẽ hướng theo trục Ox làm cho nhánh rĩa dao động theo phương
Ox. Nếu phương trình dao động của thanh theo trục Oy (phương của
đk
F
) là:

0
( ) sin( )
đk
x t x t



(1.12)


Với

đk

là tần số góc của thanh dao động theo trục Oy

Ta có biểu thức gia tốc Coriolis là:

.
( )
0
2 2 cos( )
t
c
đk đk
a x x t
   
  

(1.13)

Xét một trường hợp cụ thể: Khi cho biên độ dao động của thanh theo
trục Oy là
x
o
= 1
m


tần số dao động 20kHz và vận tốc góc quay của rĩa là
sdeg/1


thì gia tốc Coriolis là 4,4mm/s
2

. Ta thấy gia tốc Coriolis không chỉ
phụ thuộc vào vận tốc góc


mà còn phụ thuộc vào biên độ x
o
.
Nếu ta dùng
sự kích thích bằng điện từ thì sẽ làm cho biên độ dao động lên tới 50
m


và
làm cho độ nhạy cũng tăng lên. Nhưng nếu biên độ dao đông tăng lên thì
đồng thời sẽ gây ra những ảnh hưởng như: Làm tăng mức tiêu thụ điện và
Model điều khiển
(Trục Ox)
Tín hiệu quay của
hệ (Trục Oz)
Model cảm ứng
(Trục Oy)
F
C

F
dk

z
y
O

x
F
C

F
dk

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
18
giảm độ bền. Khi kết hợp tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số
truyền động thì trong hệ thống có một hệ số có đặc tính cao là hệ số khuếch
đại Q. Tuy nhiên ở cùng một thời điểm thì dải tần số

đk

/
Q bị giới hạn, khi Q
ở 10,0 thì dải tần số giảm xuống. Để có được dải tần số đáp ứng được yêu cầu
và độ nhạy tăng không bị ảnh hưởng sự tiêu thụ điện và độ bền thì phải có sự
lệch giữa tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số truyền động.
Để có được sự kích thích điện từ với biên độ cao thì cần phải có sự lựa
chọn phù hợp. Hình 1.6a phác hoạ cơ cấu chung với hai kết cấu âm thoa dựa
trên kiểu kích thích điện từ [15].

Hình 1.6. Cấu trúc Turning - fork sử dụng trong cảm biến mức độ thay đổi
góc với (a) hai đầu cố định, (b) một đầu cố định
(Torsion bar: Thanh quay; Mass: Khôi; F
driver
: Lực điều khiển)

Những nam châm vĩnh cửu phải được định vị trong khối không di động
và trên bề mặt của một phiến thẳng. Cho âm thoa quay với tốc độ góc


như
hình 1.6a, một dòng điện xoay chiều qua các chốt của âm thoa để tạo ra lực
truyền động

đk
F

(lực này là lực Lorenz). Kết cấu Silic được gắn giữa hai lát
kính mỏng. Dao động cuối cùng sẽ thu được gia tốc Coriolis nhờ vào sự nhận
biết qua việc sử dụng bộ tụ điện.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
19
Trong hình 1.6b là một kết cấu chỉ có một điểm treo đòi hỏi đế kim loại
trên âm thoa để dẫn dòng điện. Tuy nhiên kết cấu có những thuận lợi so với
kết cấu có hai điểm treo như hệ số Q cao hơn bởi vì khi giảm giá treo thì sự
ảnh hưởng ứng suất trong và sự thay đổi nhiệt độ giảm.
Hai khối trong những kết cấu âm thoa ở hình 1.6 đối tượng tạo ra gia
tốc tuyến tính, đây là điều tại sao hai khối lại cần thiết.
1.4. Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu
1.4.1. Kiểu thanh rĩa
Trong số các thiết kế, cấu trúc kiểu thanh rĩa là mẫu cổ điển trong các
cảm biến đo tốc độ góc kiểu dao động. Hai răng của cấu trúc thanh rĩa được
nối với nhau ở chỗ chạc ba và được điều khiển cho dao động trong mặt phẳng
của cấu trúc với biên độ xác định. Hình 1.7a cho biết khi cho thanh rĩa quay

quanh trục của nó sẽ gây ra lực Coriolis và tạo ra một sự khác nhau về lực đặt
lên các răng của thanh rĩa, vuông góc với dao động cơ bản. Lực Coriolis được
cảm ứng và thu tín hiệu lại dựa trên sự uốn cong của các răng thanh rĩa, hoặc
sự xoắn của các hệ thanh rĩa. Hình 1.7b trình bày một mẫu cảm biến đo tốc độ
góc của kiểu thanh rĩa. Do hiệu ứng Coriolis, sự quay đặt vào sẽ tạo ra sự dao
động xoắn tuần hoàn quanh trục của hệ thống. Các áp điện trở cấy trên hệ này
được sử dụng đo ứng suất trượt, ứng suất này tỉ lệ với tốc độ quay của hệ.


Hình 1.7.Cấu trúc Turning – Fork
Chuyển
động
cảm
ứng
Hướng truyền
động
Điểm quay
Mẫu nhận biết
Mẫu kích thích
Điện
áp
kích
thích
Trục trong
Các
chốt
Chốt điều khiển

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành

20
1.4.2. Kiểu khung dao động
Một cấu trúc khác của cảm biến đo vận tốc góc là cấu trúc khung dao
động như ở hình 1.8 [10]. Cấu trúc gồm hai khung dao động, khung dao động
trong và khung dao động ngoài, liên kết với nhau qua các thanh dầm xoắn.
Khung ngoài là khung chủ động, khung trong là khung thụ động. Khung chủ
động và khung thụ động có thể dao động thông qua trục điều khiển và tự do.
Đĩa cảm ứng được liên kết với khung thụ động, dao động quanh trục điều
khiển, và cũng có thể dao động độc lập quanh trục cảm ứng. Biên độ dao
động lớn của khung thụ động trong đó chứa đĩa cảm ứng, có thể thu được
bằng cách khuếch đại biên độ dao động nhỏ của khung dao động. Khi có sự
xuất hiện của chuyển động quay hệ quanh trục cảm ứng vuông góc với bề mặt
đế, chỉ có đĩa cảm ứng đáp lại sự xoắn gây ra bởi lực Coriolis. Lực tĩnh điện
sử dụng để kích hoạt khung dao động và điện dung được sử dụng để cảm ứng
sự dịch chuyển của đĩa cảm ứng. Các mẫu khác của cảm biến đo vận tốc góc
của khung dao động có nguyên lý tương tự, có thể tham khảo trong tài liệu
[10], [12], [13].







Hình 1.8. Cấu trúc khung dao động
Sense Electrodes: Những bản điện cực cảm ứng; Anchor: Chốt; Substrate: Đế;
Sensing Plate: Đĩa cảm ứng; Sense Direction: Hướng cảm ứng; Drive Direction: Hướng
truyền động; Drive Electrodes: Bản điện cực truyền động.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m

Trần Đức Thành
21
1.4.3. Kiểu vòng xuyến

Hình 1.9 là một cấu trúc khác của con quay vi cơ được gọi là kiểu vòng
xuyến, nó bao gồm một đai là khung vòng xuyến được đỡ bởi tám nửa vành
tròn, tám nửa vành tròn này có tác dụng như các nhíp lò xo có thể uốn cong
rồi lại trở về hình dạng nửa tròn. Một số lượng lớn điện cực lái và điện cực
cảm ứng được gắn vòng quanh cấu trúc. Đai được truyền động tĩnh điện nhờ
chính các điện cực gắn xung quanh đai và uốn định hình kiểu Elip với biên độ
nhất định trong cùng một mặt phẳng. Khi vòng xuyến quay quanh một trục sẽ
gây ra sự truyền động từ mẫu ban đầu sang mẫu thứ hai theo phương hợp với
phương ban đầu một góc 45
0
. Mẫu thứ hai được nhận biết bởi những bộ tụ
điện.


Hình 1.9.Cấu trúc vòng xuyến
1.4.4. Kiểu cài răng lược
Hình 1.10 giới thiệu một lược đồ cảm biến đo vận tốc góc sử dụng khối
gia trọng dịch chuyển song song. Cấu trúc bao gồm một cấu trúc lái và một
cấu trúc cảm ứng trong cùng mặt phẳng chuyển động. Cấu trúc lái được điều
khiển bởi các răng lược lái. Cấu trúc cảm ứng liên kết với cấu trúc lái qua các
lò xo đàn hồi cảm ứng, những lò xo này tạo ra cho cấu trúc có thể dao động
theo hướng cảm ứng do có gia tốc Coriolis. Một số tác giả cũng có báo cáo
Bản điện cực truyền động
Vòng dao động
Những lò xo
Những bản điện cực cảm ứng

và điều khiển
Mẫu dao động cảm ứng
Mẫu dao động cảm ứng

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
22
cấu trúc tương tự về cảm biến đo vận tốc góc MEMS, có thể tham khảo ở các
tài liệu [10], [11], [15].




Hình 1.10. Cấu trúc cài răng lược
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ điện
tử và công nghệ tin học, công nghệ MEMS đã có những bước phát triển to
lớn. Công nghệ chế tạo các cảm biến nói chung và công nghệ chế tạo cảm
biến đo vận tốc góc nói riêng cũng không nằm ngoài sự phát triển đó. Tuy
nhiên để đáp ứng được nhu cầu xã hội ngày càng phong phú và hiện đại thì
cảm biến luôn luôn được cải tiến. Đối với các cảm biến đo vận tốc góc, hiện
nay các cấu trúc đang được sử dụng nhiều là: Turning - fork; khung dao động;
cộng hưởng vòng xuyến và các cấu trúc cài răng lược. Như đã phân tích mỗi
loại cấu trúc được phát triển đều có ưu điểm riêng, nhưng cũng thể hiện
những hạn chế.

Theo dòng phát triển loại linh kiện, đã có rất nhiều những mẫu cảm
biến được đề xuất, chế tạo và ứng dụng. Mỗi loại cảm biến đều thể hiện
Bản điện
cực cảm ứng

Lò xo
cảm ứng
Hình răng
lược
truyền
động
Lò xo
truyền
động
Chốt
Khung
cảm ứng
Phương
truyền động


LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
23
những ưu điểm về cấu trúc hoặc về tính năng hoạt động, hoặc công nghệ chế
tạo, khắc phục được các nhược điểm của các mẫu cảm biến trước đó. Đồng
thời các mẫu cảm biến mới lại xuất hiện các vấn đề mới, có thể tiếp tục được
cải tiến. Rất nhiều các nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc góc được thực hiện
theo hướng này [1], [10], [13].
Nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng cấu trúc và hoạt động của cảm biến từ
đó đề xuất cấu trúc và định hướng cho công nghệ chế tạo: Các nghiên cứu
theo hướng này phát triển dựa trên sự hộ trợ rất mạnh của các công cụ tin học.
Hiện nay đã có nhiều các phần mềm tin học ứng dụng cho phép lập các
chương trình tính toán trên đó, cho phép mô tả cấu trúc và hoạt động của các
mô hình vật lí rất gần với mô hình thực tế: ANSYS, FEMLAP… Dựa trên các

phần mềm này, các chương trình mô phỏng cấu trúc và đặc trưng hoạt động
của cảm biến, các bộ chấp hành được thực hiện. Kết quả mô phỏng cho phép
các nhà thiết kế lựa chọn các thông số thiết kế tối ưu phù hợp điều kiện công
nghệ và mục đích sử dụng.
Nghiên cứu cải tiến quy trình công nghệ: Cuộc cách mạng trong khoa
học kỹ thuật đã làm thay đổi nhanh chóng điều kiện kỹ thuật, công nghệ.
Những thiết bị kỹ thuật mới, hiện đại cho phép chế tạo các loại cấu trúc, linh
kiện phức tạp, chất lượng tốt hơn nhiều mà trước đó không thực hiện được.
Rất nhiều các nghiên cứu khoa học về cải tiến kỹ thuật, quy trình công nghệ
đã được các tác giả công bố [1].
Nghiên cứu ứng dụng: Một hướng phát triển khác là phát triển các cảm
biến đã được chế tạo vào các loại ứng dụng khác nhau. Mỗi loại cấu trúc cảm
biến, với đặc trưng riêng về cấu trúc sẽ phát huy tác dụng tốt trong các ứng
dụng đặc thù. Phát triển ứng dụng cảm biến phù hợp với cấu trúc là một trong
các nội dung được nhiều nhóm nghiên cứu đang quan tâm [1], [11], [12].

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
24
Công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm, nghiên cứu, phát
triển ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm gần đây. Các quan tâm, nghiên
cứu tập trung vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công
nghệ và phát triển ứng dụng. Hiện nay, đã hình thành một số nhóm nghiên
cứu về MEMS thuộc các viện nghiên cứu, các trường đại học: Viện ITIMS –
ĐHBK Hà Nội, Viện vật liệu, Đại học Công Nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2
v.v… Các nghiên cứu trước đây về MEMS đã được công bố trong nước là các
nghiên cứu về cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung dao
động [1] dựa trên điều kiện công nghệ ăn mòn ướt. Với các hệ thiết bị ăn mòn
khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây, các cấu trúc linh kiện MEMS
phức tạp đã được các nhóm nghiên cứu trong nước quan tâm. Cảm biến đo

vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên
công nghệ ăn mòn khô, lần đầu tiên được phát triển nghiên cứu ở Việt Nam.
Phối hợp với các nghiên cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, dựa
trên điều kiện công nghệ hiện có ở Viện ITIMS, chúng tôi thực hiện việc phát
triển một cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều
kiện công nghệ. Trong đề tài này chúng tôi cũng thực hiện mô phỏng cấu trúc
và hoạt động của cảm biến, từ đó đề xuất một thiết kế cảm biến phù hợp với
điều kiện công nghệ để chuẩn bị cho chế tạo linh kiện trong nước.









LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
25
CHƯƠNG II.
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN

2.1. Phát triển cấu trúc
Đề tài này là một trong những nghiên cứu đầu tiên về cảm biến đo vận
tốc góc cấu trúc cài răng lược ở Việt Nam, chỉ có thể phát triển trên công
nghệ ăn mòn khô. Để chế tạo linh kiện chúng tôi đã phối hợp với nhóm
nghiên cứu MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội.
Những yêu cầu đặt ra cho nghiên cứu thử nghiệm:
Loại cấu trúc: Không quá phức tạp để có thể thuận lợi hơn trong công

nghệ chế tạo.
Cấu trúc có thể dễ dàng cải tiến cho phù hợp với điều kiện công nghệ
Cấu trúc có thể khảo sát, đo đạc các đặc trưng hoạt động không quá khó
khăn trên các hệ thiết bị trong nước.
Hiện nay có rất nhiều cấu trúc đang được quan tâm, mỗi loại đều thể
hiện những ưu điểm về cấu trúc hoặc tính năng hoạt động hoặc công nghệ chế
tạo. Cấu trúc hình thang là một loại cảm biến phù hợp với các điều kiện nêu
trên.


Hình 2.1. Sơ đồ cảm biến cấu trúc hình thang
Điện cực điều khiển cố

định

Chốt

Dầm ngoài

Bản điện cực truyền động cố định

Dầm thẳng

Bản điện cực cố định 1R

Bản điện cực R đã kết nối

Bản điện cực cố định 2R

Dầm trong

Dầm giá đỡ dẻo

Bản điện cực cố định 1L

Bản điện cực L đã kết nối

Bản điện cực cố định 2L

x
z
y
Bản điện cực di chuyển

Dầm nhận biết


LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
26
Cấu trúc này bao gồm nhiều bản điện cực đã được kẹp chặt đế. Con
quay này có bốn khối đã nối lại với nhau bởi hai cánh dầm thẳng song song.
Trong một mẫu truyền động các khối dao động đối diện theo hướng trục X do
lực tĩnh điện. Mỗi khối dao động chính xác với cùng biên độ vì các khối đã
được nối lại với nhau một cách an toàn. Nguyên bộ phận di động được gắn
chặt vào đế với các dầm đỡ dẻo ở sáu điểm nút xung quanh.

Hình 2.2. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt cấu trúc hình thang

Trong dao động này sự thay đổi điện dung
(
1 2L L
C C  
) - (
1 2R R
C C  
)
tương ứng với vận tốc góc, nơi mà điện dung
1L
C

thay đổi giữa bản cực cố
định và bản cực di động. Độ nhạy của con quay phụ thuộc vào khoảng cách
giữa các bản điện cực cố định và những bản điện cực di động. Khi những bản
điện cực cố định chuyển động vì ứng suất nhiệt, khoảng cách trong bản điện
cực 1L và 2L và khoảng cách trong bản điện cực 1R và 2R biểu hiện sự thay
đổi đối diện nhau, cắt nhau. Kết quả là sự biến đổi về độ nhạy của con quay vi
cơ bị ngăn chặn.
2.2. Phương pháp điều khiển dao động kích thích
Dao động kích thích (dao động điều khiển) được thực hiện dựa trên sự
điều khiển lực tĩnh điện xuất hiện giữa hai bản tụ điện có điện tích trái dấu.
Dưới đây chúng ta sẽ trình bày cụ thể về hiệu ứng này.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
27
Lực vuông góc với bề mặt điện cực: Giả sử có một điện áp V một
chiều được đặt vào một tụ điện gồm hai bản cực phẳng song song như hình
2.3: Điện cực bên trái là cố định ở vị trí x = 0, điện cực bên phải là điện cực
động, có thể di chuyển theo hướng trục x vuông góc với bề mặt điện cực, toạ
độ x của nó có giá trị thay đổi. Nếu kích thước của các điện cực lớn hơn rất
nhiều khoảng cách x giữa hai điện cực thì hiệu ứng biên không đều của điện
trường có thể bỏ qua.
Điện dung của tụ phẳng song song được xác định bởi:

x
A
C
0



(2.1)






Hình 2.3. Lực tĩnh điện vuông góc với điện cực
Trong đó A là diện tích điện cực,
mF /10845,8
12

0




là hằng số điện
của chân không,


là hằng số điện môi của

môi trường giữa hai điện cực
(

=
1 cho không khí).
Điện tích được tích trên tụ là: Q
C
= C(x).V (2.2)
Năng lượng điện trường dự trữ trên tụ là: E
C
=
2
).(
2
1
VxC

(2.3)
Do hai bản cực của tụ điện mang điện tích trái dấu, nên tồn tại một lực

điện giữa hai bản cực. Đây là lực hút tĩnh điện, do một bản của tụ điên là cố
định, nên ta coi lực tĩnh điện F
n
được đặt lên bản động của tụ, làm bản cực
này dịch chuyển một đoạn

x.
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có: