Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc dựa trên cấu trúc tụ răng lược

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------

NGUYỄN VĂN QUỲNH

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO
VẬN TỐC GÓC DỰA TRÊN CẤU TRÚC TỤ RĂNG LƯỢC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH:KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.TRỊNH QUANG THÔNG

HÀ NỘI - 2010


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CON QUAY (GYROSCOPE)
1.

Con quay cơ cổ điển ............................................................................. 8

2.

Các loại con quay hiện đại ................................................................... 9
2.1. Con quay quang (optical gyroscopes) ............................................... 10
2.2. Con quay vi cơ (MEMS Gyroscopes) ............................................... 11

2.2.1. Công nghệ MEMS .................................................................... 12
2.2.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên lí cấu trúc ................................ 14
2.2.3. Phân loại và quá trình phát triển................................................ 19
2.2.4. Những vấn đề còn tồn tại .......................................................... 28

CHƯƠNG II THIẾT KẾ CON QUAY VI CƠ KIỂU TUNING FORK
1.

Mục tiêu thiết kế ................................................................................. 30

2.

Cơ sở thiết kế về tĩnh điện .................................................................. 31
2.1. Lực tĩnh điện cho cấu trúc tụ phẳng .................................................. 31
2.1.1. Lực tĩnh điện pháp tuyến ( Fn ) .................................................. 31
2.1.2. Lực tĩnh điện tiếp tuyến ( Ft ) .................................................... 33
2.2. Lực tĩnh điện cho cấu trúc hệ tụ kiểu răng lược ................................ 35
2.3. Nguyên lí đo tín hiệu lối ra trên hệ tụ răng lược ................................ 37

3.

Cơ sở thiết kế về cấu trúc đàn hồi ..................................................... 41
3.1. Dầm treo thẳng (single fixed-guided beam) ...................................... 43
3.2. Dầm treo gập (folded beam) ............................................................. 44

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

1

LUẬN VĂN THẠC SĨ

4.

Ảnh hưởng của ma sát không khí đến hoạt động của cấu trúc ........ 45
4.1. Ma sát do sự trượt của các lớp không khí......................................... 47
4.2. Ma sát do sự nén của các lớp không khí........................................... 49

5.

Các mô hình thiết kế........................................................................... 49

CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC
1.

Phương pháp tính toán ....................................................................... 54
1.1. Phương pháp FEM và phần mềm ANSYS ........................................ 54
1.2. Phần mềm MATLAB và SIMULINK ............................................... 56

2.

Cấu trúc bài toán mô phỏng .............................................................. 58
2.1. Bài toán mô phỏng cấu trúc cơ học ................................................... 58
2.2. Bài toán mô phỏng các đặc trưng điện của cấu trúc .......................... 61

3.

Kết quả mô phỏng .............................................................................. 66
3.1. Các đặc trưng cơ học ........................................................................ 66
3.1.1. Mô hình thiết kế 1 ..................................................................... 66

3.1.2. Mô hình thiết kế 2 ..................................................................... 68
3.1.3. Mô hình thiết kế 3 ..................................................................... 74
3.2. Các đặc trưng điện của mô hình thiết kế ........................................... 77

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
1.

Kết luận ............................................................................................... 82

2.

Định hướng nghiên cứu ...................................................................... 83

Tài liệu tham khảo

85

Phụ Lục

87

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Con quay cơ học kiểu cổ điển ........................................................ 8

Hình 1.2: Mô hình công cụ dẫn hướng sử dụng trong lĩnh vực hàng hải ........ 9
Hình 1.3: Fiber optical gyroscopes .............................................................. 10
Hình 1.4: Ring laser gyroscope .................................................................... 11
Hình 1.5: Cách xác định gia tốc và lực Coriolis ........................................... 15
Hình 1.6: Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của con quay dao động ............. 16
Hình 1.7: Con quay dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối ... 22
Hình 1.8: Gimbal gyroscopes chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt ........ 22
Hình 1.9: Tuning fork gyroscopes chế tạo trên phiến SOI............................ 23
Hình 1.10: Tuning fork gyroscopes với hệ số Q cao .................................... 24
Hình 1.11: Ring gyrocopes. ......................................................................... 25
Hình 1.12: Gyroscopes 2 trục ( dual – axis gyroscopes): ............................. 27
Hình 2.1: Lực pháp tuyến với bản tụ ............................................................ 32
Hình 2.2: Lực tiếp tuyến trên bản tụ ........................................................... 34
Hình 2.3: Cấu trúc hệ tụ răng lược (a) và mô hình hoạt động nguyên lý (b) . 36
Hình 2.4: Hệ dẫn động kéo đẩy bằng cấu trúc tụ kiểu răng lược .................. 37
Hình 2.5: Cấu trúc nguyên lý đo tín hiệu lối ra (CS: sensitive capacitance) .. 38
Hình 2.6: Bố trí hệ răng lược dẫn động ....................................................... 39
Hình 2.7: Bố trí hệ răng lược cảm ứng tín hiệu đầu ra ................................. 40
Hình 2.8: Minh họa kiểu dầm thẳng ............................................................. 43
Hình 2.9: Cấu trúc dầm treo gập (a), đáp ứng với tải dọc và ngang (b) ........ 44
Hình 2.10: Minh họa kiểu dầm gập kép ....................................................... 45
Hình 2.11: Đặc trưng biên độ tần số của hệ cộng hưởng .............................. 47
Hình 2.12: Ma sát không khí do chuyển động trượt của 2 bản cực............... 48
Hình 2.13: Trường hợp hai bản cực tiến gần lại nhau .................................. 49
Hình 2.14: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu tuning fork thứ nhất ......... 50

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.15: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu tuning fork thứ hai ........... 51
Hình 2.16: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu tuning fork thứ ba ........... 52
Hình 3.1: Mô hình mạch điện tương đương ................................................ 62
Hình 3.2: Mô hình cấu trúc và cách bố trí hệ răng lược .............................. 63
Hình 3.3: Sơ đồ thuật toán SIMULINK ...................................................... 65
Hình 3.4: Các dạng dao động tự nhiên của mô hình thiết kế 1 ..................... 68
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí cấu trúc tuning fork gyrosope ............................. 69
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng chuyển vị các dầm ứng với lực 1 N ................ 70
Hình 3.7: Cấu trúc khử bỏ phương dẫn động đồng pha – 2D ...................... 71
Hình 3.8: Các mode dao động tự nhiên của thiết kế 2 .................................. 73
Hình 3.9: Cấu trúc khử bỏ phương dẫn động đồng pha – 2D ...................... 74
Hình 3.10: Các Mode dao động tự nhiên của thiết kế 3 ............................... 77
Hình 3.11: Đáp ứng tần số của mode dẫn động............................................ 78
Hình 3.12: Đáp ứng tần số của mode cảm ứng ............................................ 79
Hình 3.13: Đáp ứng phụ thuộc thời gian của mô hình thiết kế 3 tương ứng
quá trình thay đổi của vận tốc góc ................................................................ 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các đặc trưng của con quay vi cơ cho các ứng dụng ................... 20
Bảng 2.1: Thông số kích thước răng lược trong hệ dẫn động ....................... 39
Bảng 2.2: Thông số kích thước răng lược cảm ứng ...................................... 40
Bảng 3.1: Kích thước các chi tiết của mô hình thiết kế ................................ 60
Bảng 3.2: Tính chất vật liệu và kiểu phần tử xây dựng mô hình................... 61
Bảng 3.3: Trị tần số dao động riêng của mô hình thiết kế 1 ......................... 68
Bảng 3.4: Trị tần số dao động riêng của mô hình thiết kế 2 ......................... 74
Bảng 3.5: Trị tần số dao động riêng của mô hình thiết kế 3 ......................... 77
Bảng 3.6: Các đặc trưng cấu trúc và đáp ứng lối ra của mô hình thiết kế 3 .. 81

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS. Trịnh Quang
Thông, người trực tiếp hướng dẫn tôi làm luận văn. Với kiến thức sâu rộng,
cùng với lòng nhiệt huyết và sự chỉ bảo tận tình, thầy đã truyền lại cho tôi,
giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này.
Kết quả đạt được trong luận văn này còn có sự đóng góp to lớn của
thầy giáo PGS. TS. Vũ Ngọc Hùng, Viện trưởng, đồng thời là trưởng nhóm
nghiên cứu phát triển công nghệ và các linh kiện MEMS tại viện ITIMS, bằng
những chỉ dẫn và những nhận xét sâu sắc trong quá trình nghiên cứu. Đặc
biệt, phải kể đến những ý kiến tư vấn hết sức thiết thực của TS. Đào Việt
Dũng, một chuyên gia có kinh nghiệm lâu năm về công nghệ và các linh kiện
MEMS, hiện đang làm việc tại Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, gửi cho tôi
thông qua các buổi trao đổi online. Ngoài ra, tôi còn nhận được nhiều sự
giúp đỡ và hỗ trợ từ TS. Phạm Hồng Phúc (Khoa cơ khí – ĐHBKHN),
TS.Trần Đức Tân(ĐH Công Nghệ), Th.S Nguyễn Tiến Anh và các thành viên
khác trong nhóm MEMS, Viện ITIMS, ĐH Bách Khoa Hà Nội, để hoàn thành
đề tài nghiên cứu đã đặt ra.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể học viên trong lớp ITIMS2008,
các thầy giáo và tập thể các cán bộ Viện đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật
liệu (ITIMS) đã tạo điều kiện và ủng hộ tôi trong quá trình học tập và nghiên
cứu hai năm học vừa qua.
Cuối cùng, tôi dành tất cả lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè,

những người luôn ở bên cạnh và động viên tôi trong quá trình học tập và
công tác.
Hà Nội, ngày 18 tháng11 năm 2010

Nguyễn Văn Quỳnh

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI NÓI ĐẦU
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 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 văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc hay
con quay vi cơ kiểu tuning fork hoạt động dựa trên nguyên lí hiệu ứng
Coriolis với có 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.... Sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng phần
tử hữu hạn (finite element method) trên cơ sở sử dụng phần mềm ANSYS
multiphysic, công cụ tính toán Simulink trong phần mềm Mattlab. Kết quả
mô phỏng cho ta biết ứng xử của linh kiện thông qua các đặc trưng cơ và
điện của cấu trúc. Từ đó tìm ra cấu trúc tối ưu, tạo tiền đề, cơ sở cho quá

trình chế tạo và đo kiểm tra cảm biến sau này.
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. Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và hy vọng nhận được
nhiều ý kiến đóng góp để tôi có thêm những kiến thức quý báu cho những
công việc tương lai.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là kết quả của
chính bản thân tôi, không phải là sao chép hay cóp nhặt của bất kì tác giả nào
khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.

Tác giả

Nguyễn Văn Quỳnh

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

7

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƯƠNG I
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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 từ 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 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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 106 [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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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...

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.2.1.

Công nghệ MEMS
MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro-Electro-Mechanical System

hay ngắn gọn hơn là Microsystem. Trong tiếng Việt, MEMS nghĩa là Hệ Vi
Cơ-Điện tử, một hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động
dưới dạng điện và cơ với nhau ở kích thước dưới milimet. MEMS được hiểu
như là một hệ thông minh thu nhỏ chứa đựng các chức năng nhạy với tác
động bên ngoài (sensing), xử lý (processing) và điều khiển trở lại (actuating).
Các hệ này còn có thể bao gồm một số yếu tố điện, cơ, quang, hóa, sinh, hoặc
từ, tất cả được tích hợp với nhau trong một Chip vi điện tử duy nhất (on chip).
Microsystem ra đời trên cơ sở công nghệ vi điện tử (Integrated Circuit - IC)
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. Sự
kết hợp đó cho phép tạo ra tập hợp các một số lượng rất lớn các linh kiện
được tích hợp trong một mảng. Các linh kiện này vẫn có thể thực hiện các
chức năng đơn giản một cách riêng rẽ ở mức độ vi mô trong khi vẫn được kết
hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở mức độ vĩ mô. Điều đó cho
phép MEMS đã có được những ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công
nghiệp và đời sống như công nghiệp ô tô, in ấn, giao thông, điện thoại di động
trong kỹ thuật thông tin, robot loại nhỏ, quân sự, hàng không, kỹ thuật môi

trường, sinh-hóa và y học v…v…
Các kỹ thuật cơ bản trong công nghệ MEMS gồm: quang khắc
(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); ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching);
hàn ghép phiến (silic to silic/ silic to glass bonding); hàn dây (wire bonding),
và đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging).

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nhiều loại linh kiện MEMS khác nhau đã được nghiên cứu và phát
triển trên cơ sở của 3 công nghệ MEMS chính. MEMS khối (bulk
micromachining) dựa trên quá trình ăn mòn đẳng hướng hoặc dị hướng khối
vật liệu Si hoặc SiO2. MEMS bề mặt (surface micromachining) tạo cấu trúc
từ các lớp màng mỏng. MEMS LIGA dựa trên kỹ thuật quang khắc dùng tia
X, điện hóa để tạo khuôn.
Những linh kiện MEMS điển hình là cảm biến áp suất (pressure
sensors), các cảm biến quán tính (inertial sensors) bao gồm cảm biến gia tốc
(acceleration sensors) và vận tốc góc (angular rate sensors – hoặc một tên gọi
khác là microgyroscope). Các linh kiện MEMS vừa có ưu thế như mạch tổ
hợp về tốc độ xử lý nhanh, giá thành rẻ do được sản xuất hàng loạt, kích
thước được thu nhỏ ở mức độ nhỏ tùy ý, khối lượng nhẹ, tiêu hao năng lượng
thấp, vừa có ưu thế đặc trưng riêng như tính đa năng, tính tương tác với môi
trường bên ngoài. Có thể nói, với sự xuất hiện của các cảm biến MEMS,
nhiều bộ phận tự động cồng kềnh trước đây đã được thay thế bằng các linh

kiện có thể tích không đáng kể và chất lượng hơn hẳn. Tương ứng các ứng
dụng, MEMS cũng được phân loại thành MEMS cơ, MEMS quang
(MOEMS),

MEMS

năng

lượng

(Power

MEMS),

MEMS

vi

lưu

(Microfluidics), MEMS y sinh (Bio-MEMS), MEMS vô tuyến (RF MEMS).
Cho tới nay, công nghệ chế tạo các linh kiện MEMS đang phát triển
bùng nổ với một tốc độ rất nhanh. Hầu hết các linh kiện MEMS đã được đưa
ra sản xuất ở qui mô công nghiệp và trở thành thương phẩm phổ biến. Kể từ
những năm 90 của thế kỷ 20, ngành công nghiệp MEMS đã đóng một vai trò
ngày càng quan trọng trong các nền kinh tế. Các linh kiện MEMS đã trở nên
không thể thiếu cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tính đến năm 2007,
doanh số các sản phẩm công nghệ MEMS đã đạt con số ước tính gần 20 tỉ
USD, với tốc độ tăng trưởng hàng năm là từ 10 đến 15%. Theo xu hướng tăng

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

cường các tính năng tự động hóa, thông minh và thu nhỏ kích thước, chỉ riêng
ngành công nghiệp ô-tô hiện đại mỗi năm cũng cần đến khoảng 500 triệu cảm
biến áp suất và quán tính các loại phục vụ cho các thiết bị an toàn và thông tin
tình trạng hoạt động của phương tiện, mang lại giá trị lợi tức hàng năm nhiều
tỉ Đô-la Mỹ.

2.2.2.

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 sẽ 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
một vật đang chuyển động tịnh tiến lại được đặt trong hệ quy chiếu quay, với
vận tốc  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 chuyển động t bằng

biểu thức :

d  v.t.sin 

(1.1)

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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

(1.2)

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.5: Cách xác định gia tốc và lực Coriolis

Thay biểu thức 1.2 vào 1.1 ta có :
d  v.t.sin   v.t..t  v..(t ) 2

(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:

a  ac  2.v.

(1.4)

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

 

ac  2.  Vr

(1.5)



Gia tốc ac được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis Fc

 
Fc  2.m.  Vr
(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 (kx, ky) – giảm chấn (cx, cy), 2 bậc tự do (hệ tọa độ 2 chiều XY) như

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 Fd. 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

C ảm

ứng
se)
(Sen

Fc

ứng) do tác động của lực quán tính Coriolis gây bởi gia tốc quán tính Coriolis.

Y

m

kx

j

- Fd
ích
h
t
Kích
ive)
(Dr

cx
cy
ky

X

rB

rA

= 



R

Hệ quy chiếu con quay - B

i

k

Hệ quy chiếu quán tính -A

Z

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 rA :
 

rA  R  rB

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

(1.7)

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong đó, vector vị rB trí có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ X,Y
của con quay dưới dạng:




rB  xX  yY

(1.8)

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 vB 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, vB sẽ bao

T 
gồm vận tốc chuyển động tịnh tiến (Translational motion), vB  rB , và vận
 R  
tốc liên hệ với chuyển động quay (Rotation motion), vB    rB , được xác
định bởi:
       
v  V  vB  rA  R  rB   rB

(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 rB và chỉ có


z =   0 (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:





vB  x  y X   y  x Y  v x X  v yY

(1.10)


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 aB của m trong hệ quy
chiếu con quay, trong đó,


aB cũng sẽ bao gồm gia tốc chuyển động tịnh tiến,

và gia tốc liên hệ với chuyển động quay, được xác định bởi:
 
   
  
    
a  A  aB  R  rB    rB      rB    rB    rB





 
 
 
   
a  R  
rB      rB    rB  2   rB





Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008





(1.11)

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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
và



vB , đồng thời chỉ có z =   0, gia tốc của m trong hệ quy chiếu con

quay cũng sẽ được xác định:





 y X  
x Y a X a Y
aB  
x  2 x  2y  
y  2 y  2x  
x
y










rB

(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:
max + cxvx + kxx = Fd
may + cyvy + kyy = 0
Trong đó, vx và vy là các thành phần của vector vận tốc
các thành phần của vector gia tốc

(1.13)


v và ax, ay là


a theo 2 phương X và Y. Thay (1.7), (1.8)

và (1.12) vào (1.13) ta có :
yF
mx  cz  x  y    k x  m 2  x  2 my  m
d

x0
my  c y  x  y    k y  m 2  y  2mx  m

(1.14)

Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo
mọi phương (tức là kx = ky= k) và nếu coi vận tốc góc  nhỏ hơn nhiều so với
tần số cộng hưởng kích thích, tức là,  <<   k / m , thì k >> m2. Ngoài

  0 , cũng như có x   y , y   x , các phương
ra, do  = const nên 

trình trong (1.8) sẽ được rút gọn thành:

mx  cx x  kx  2my  Fd
my  c y y  ky  2mx  0

(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 Fd
= F0.sint thì lực sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

18


LUẬN VĂN THẠC SĨ
theo phương cảm ứng. Các số hạng 2my và 2mx 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.

2.2.3.

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 bằng 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.

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

 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
0

Nhiễu

Công nghiệp

/ h.

ô tô

Quân sự

Hàng không
vũ trụ

>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

1 sec

103

103 - 104

103

Hz

>70

100

100

Độ shock tín hiệu
Bandwidth

 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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

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 của 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).
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 đầu. Như vậy, độ phân giải
lớn nhất đạt được khi outer gimbal được dẫn động bằng đúng tần số dao động

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

riêng của inner gimbal. Nhược điểm của thiết bị loại này là có giới hạn về độ
phân giải (chỉ đạt 40/s tương ứng dải làm việc 1 Hz).

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

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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

22


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

23


LUẬN VĂN THẠC SĨ

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. Kết quả
thực nghiệm cho thấy, hệ số phẩm chất của linh kiện Qkích hoạt đạt 40000 và
Qcảm ứng đạt 5000 trong điều kiện môi trường tương ứng áp suất 100torr, với
độ phân giải 0,020/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 lệch 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 0,30 / h / Hz .

.

Hình 1.10: Tuning fork gyroscopes với hệ số Q cao

Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008

24