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

3
LUẬN VĂN CAO
HỌC

CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ
CHẤT RẮM

Bộ giáo dục và đào
tạo
Trường đại học sư 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 lược
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 07

Luận văn thạc sĩ vật
lý

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Dũng

Trần Đức Thành


4
LUẬN VĂN CAO
HỌC

CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ
CHẤT RẮM

Hà Nội, 2009

Trần Đức
Thành

Bộ giáo dục và đào
tạo
Trường đại học sư phạm hà nội
2

Trần Đức Thành

Ngành Vật lý chất
rắn

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 thạc sĩ vật
lý

Khoá 11
Trần Đức Thành

Hà Nội, 2009

5
LUẬN VĂN CAO
HỌC

CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ
CHẤT RẮM

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GểC MEMS

5
7

1.1. Giới thiệu

7

1.2. Hiệu ứng Coriolis

10

1.3. Nguyờn lý chung của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc kiểu dao động

14

1.4. Một số cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc tiờu biểu

17

1.4.1. Kiểu thanh rĩa

17

1.4.2. Kiểu khung dao động

18

1.4.3. Kiểu vũng xuyến

19

1.4.4. Kiểu cài răng lược

19

1.5. Đặt vấn đề nghiờn cứu

20

CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN

23

2.1. Phỏt triển cấu trỳc

23

2.2. Phương phỏp điều khiển dao động kớch thớch

24

2.3. Độ dịch chuyển bởi lực tĩnh điện vuụng gúc

28

2.3.1. Độ dịch chuyển vuụng gúc

28

2.3.2. Hiệu ứng pull-in (ngưỡng kộo)

30

2.4. Bộ chấp hành tĩnh điện cấu trỳc cài răng lược

31

2.4.1. Độ dịch theo hướng song song

31

2.4.2. Sự mất ổn định theo hướng vuụng gúc đối với cỏc răng lược.

32

2.5. Sự tiờu thụ năng lượng trong cỏc bộ chấp hành cài răng lược

35

2.6. Nguyờn lý hoạt động của cảm biến

35

2.6.1. Điều khiển dao động kớch thớch

35

2.6.2. Dao động cảm ứng và thu tớn hiệu cảm ứng

36

CHƯƠNG III. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRèNH Mễ PHỎNG CẢM
BIẾN ĐO VẬN TỐC GểC MEMS CẤU TRÚC CÀI RĂNG LƯỢC
DỰA TRấN PHẦN MỀM ANSYS

Trần Đức Thành

37


3.1. Nhiệm vụ bài toỏn mụ phỏng

37

3.2. Cấu trỳc chung của bài toỏn mụ phỏng sử dụng phần mềm ANSYS

38

3.2.1. Phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM)

38

3.2.1.1. Phương phỏp giải cho cỏc bài toỏn khoa học - kỹ thuật

38

3.2.1.2. Phương phỏp phần tử hữu hạn (FEM)

39

3.2.2. Trỡnh tự phõn tớch bài toỏn theo phương phỏp phần tử hữu hạn
3.2.3. Cấu trỳc cơ bản một bài tớnh trong ANSYS

40
42

3.3. Cỏc tham số đầu vào của bài toỏn mụ phỏng

43

3.4. Chương trỡnh mụ phỏng đáp ứng cơ của cảm biến

43

3.5. Xõy dựng chương trỡnh mụ phỏng đáp ứng chuyển đổi tớn hiệu điện

44

CHƯƠNG IV . KẾT QUẢ Mễ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
4.1. Điều khiển dao động kớch thớch

46
46

4.2. Khảo sỏt thanh dầm dao động cảm ứng

50

4.3. Khảo sỏt độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung

52

theo vận tốc gúc
4.4. Đề xuất cấu trỳc cảm biến

54

KẾT LUẬN

56

TÀI LIỆU THAM KHẢO

57

PHỤ LỤC

59


MỞ ĐẦU
Thế kỷ 20 đó chứng kiến sự phỏt triển như vũ bóo của cỏc linh kiện vi
điện tử cú kớch thước nhỏ và cú mức độ tổ hợp lớn. Xu hướng thu nhỏ kớch
thước đó được ỏp dụng trong cụng nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), nú
cho phộp chế tạo cỏc thiết bị và cỏc linh kiện sensor, actuator cú kớch
thước cỡ micromet. Sang thế kỷ 21 khụng chỉ cỏc thiết bị điện tử mới cú
thể thu nhỏ, mà cũn cỏc thiết bị cơ học cũng cú thể thu nhỏ như cỏc thiết bị
MEMS đó được thương mại húa và đưa ra thị trường. Cỏc thiết bị điện tử
khụng chỉ cú một ‘’bộ nóo’’ vụ cựng mạnh mẽ (mạch IC), mà cũn cú bộ
phận để cảm nhận và tăng khả năng quyết định như tai, mắt (sensor) cú
kớch thước micromet và thực hiện chức năng cơ học nào đó được gọi là hệ
thống vi cơ điện tử (MEMS ở chõu Mỹ, Microsystems hoặc MST ở chõu Âu
và Micromachines ở Nhật), gọi tắt là hệ vi cơ. Cụng nghệ MEMS đang được
nghiờn cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: ễ tụ, hàng khụng vũ trụ, y
học, sinh học, viễn thụng v.v…Cụng nghệ MEMS đó bắt đầu nghiờn cứu và
ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm
biến ỏp suất trờn cụng nghệ vi cơ khối. Sau đó trờn cơ sở cụng nghệ MEMS
nhiều loại linh kiện và thiết bị cơ điện đó được chế tạo: cỏc loại cảm biến
quỏn tớnh như cảm biến ỏp suất, cảm biến lực, cảm biến vận tốc gúc, cảm biến
gia tốc; hệ thống lưu trữ thụng tin; hệ thống thụng tin liờn lạc khụng dõy; hệ
thống chuẩn đoán y học v.v…
Ở Việt Nam, cụng nghệ và linh kiện MEMS đó được quan tõm nghiờn
cứu và phỏt triển từ cuối những năm 90. Cỏc quan tõm nghiờn cứu tập trung
vào cả phỏt triển cấu trỳc mới, mụ phỏng thiết kế, cải tiến cụng nghệ và phỏt
triển ứng dụng. Hiện nay đó hỡnh thành một số nhúm nghiờn cứu về MEMS
thuộc cỏc viện nghiờn cứu, cỏc trường Đại học: Viện ITIM – ĐHBK Hà Nội,

Viện Vật Liệu, Đại học Cụng nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2 v.v…Những
nghiờn cứu trước đõy về MEMS như cảm biến ỏp suất, cảm biến gia tốc, con
quay vi cơ khung dao động dựa trờn điều kiện ăn mũn ướt. Với cỏc thiết bị ăn
mũn khụ hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đõy ở một số phũng
thớ nghiệm trong nước thỡ cảm biến đo vận tốc gúc cấu trỳc cài răng lược,
một loại cấu trỳc chỉ cú thể phỏt triển trờn cụng nghệ ăn mũn khụ lần đầu
tiờn nghiờn cứu tại Việt Nam. Phối hợp với nhúm nghiờn cứu về MEMS ở
Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội, chỳng tụi thực hiện phỏt triển một cấu trỳc cảm
biến đo vận tốc gúc cài răng lược phự hợp với điều kiện cụng nghệ.
Luận văn thực hiện xõy dựng mụ hỡnh lý thuyết cảm biến đo vận tốc
gúc cài răng lược, từ đó mụ phỏng, xỏc lập cỏc đặc trưng hoạt động của cảm
biến bằng phần mềm ANSYS. Từ kết quả mụ phỏng, đề xuất chế tạo cỏc cấu
trỳc cảm biến phự hợp với điều kiện cụng nghệ trong nước.
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc gúc MEMS.
Chương 2: Xõy dựng cấu trỳc cảm biến.
Chương 3: Xõy dựng chương trỡnh mụ phỏng cảm biến đo vận tốc gúc
MEMS cấu trỳc cài răng lược dựa trờn phần mềm ANSYS.
Chương 4: Kết quả và thảo luận.


CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GểC 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 phỏt triển nhanh trong thời
gian qua, nú đó tạo ra một cuộc cỏch mạng về cụng nghệ và hứa hẹn một
tương lai tươi sỏng cho tất cả cỏc ngành cụng nghiệp. Sự bựng nổ của cụng

nghệ MEMS trong khoảng hai thập niờn qua đó và đang kớch thớch sự
phỏt triển mạnh mẽ cỏc vi cảm biến dựa trờn cụng nghệ vi điện tử. Cụng nghệ
này cho phộp giảm kớch thước bộ cảm biến nhiều bậc về độ lớn, giảm đáng
kể về giỏ thành chế tạo và cho phộp tớch hợp nhiều phần điện tử trờn cựng
một Silic. Dự thời gian phỏt triển ngắn, nhưng những sản phẩm của nú đó đem
lại những lợi ớch to lớn cho xó hội và đó khẳng định được tầm quan trọng
trong thời đại khoa học và cụng nghệ hiện nay. Sản phẩm của cụng nghệ
MEMS được ứng dụng vào rất nhiều cỏc lĩnh vực như: Viễn thụng, y học,
rụbụt, điều khiển tự động, ụ tụ, mỏy quay video, dụng cụ thể thao v.v...
MEMS cú cỏc lĩnh vực ứng dụng rộng lớn, khụng chỉ trong cụng
nghiệp mà cũn trong cỏc sản phẩm gia đỡnh thiết yếu với khả năng trở
thành một hệ thống toàn diện – SOC (System - on Chip), nhiều chức năng, an
toàn, tin cậy và giỏ rẻ. Lĩnh vực đầu tiờn ỏp dụng cỏc thiết bị MEMS chớnh là
ngành cụng nghiệp ụ tụ với thiết bị đầu tiờn ứng dụng cụng nghệ MEMS là
gia tốc kế tỳi khớ với kớch thước chỉ bằng tinh thể hạt đường. Ngoài lợi thế về
kớch thước, gia tốc kế tỳi khớ cũn làm giảm đỏng kể giỏ thành. Gia tốc kế
tỳi khớ đang được sản xuất với số lượng trờn 40 triệu thiết bị mỗi năm và
khụng chỉ dừng ở đú, nú cũn đang được nghiờn cứu để cú cỏc chức năng
thụng minh như cú đáp ứng riờng đối với cỏc lỏi xe cú khổ người và cõn
nặng khỏc nhau.


Trong lĩnh vực ụ tụ, cỏc thiết bị MEMS khỏc chủ yếu nhằm vào chế độ an
toàn, độ an ninh hay theo dừi mụi trường, vớ dụ như: đo lượng nhiờn liệu, tự
động ghỡm dõy bảo hiểm, hệ thống khoỏ cửa dựa trờn sinh trắc học hay
RFID, hệ thống định vị GPS. Cảm biến đo gia tốc cú doanh số bỏn hàng lớn
thứ hai trong cỏc sản phẩm của MEMS, chỉ đứng sau cảm biến ỏp suất. Doanh
số bỏn hàng cảm biến này đạt tới 40 triệu USD năm 2004. Cỏc cảm biến này
chủ yếu sử dụng trong cụng nghiệp, ở đó chỳng được sử dụng để kớch
hoạt cỏc hệ thống an toàn. Tuy nhiờn cảm biến đo gia tốc cũng được sử dụng

trong phạm vi lớn do chỳng cú ưu thế về kớch thước nhỏ và giỏ thành chế tạo
thấp. Chỳng được sử dụng trong y học để điều khiển hoạt động, trong cỏc hệ
làm ổn định chống rung của cỏc mỏy quay camera, cỏc thiết bị thể thao, ứng
dụng trong cụng nghiệp như chế tạo rụ bốt, trong cỏc bộ điều khiển chống
rung, ứng dụng trong quõn sự v.v...
Cựng với cảm biến đo gia tốc, cỏc cảm biến đo vận tốc gúc MEMS là
cảm biến cú tỷ phần lớn trong cỏc sản phẩm MEMS, một trong cỏc loại dựa
trờn silic. Cảm biến do vận tốc gúc MEMS được ước tớnh sẽ tạo ra giỏ trị
khoảng 800 triệu USD vào năm 2010 với phạm vi ứng dụng rất lớn [1], [12].
Chỳng cú thể được sử dụng trong điều khiển tự động, chẳng hạn như hệ thống
chống xoay, hệ thụng tin dẫn định hướng trong GPS và trong cỏc hệ điều
khiển sự ổn định cho cỏc hệ điện tử. Ngoài ra, trong nhiều thiết bị dõn dụng
cũng cú ứng dụng cảm biến này, chẳng hạn trong cỏc mỏy quay xỏch tay, cỏc
mỏy quay camera, trong cỏc điện thoại di động (chỳng được sử dụng làm cỏc
bộ ổn định cho cỏc thiết bị trờn), cỏc thiết bị điện tử xỏch tay v.v... Cỏc ứng
dụng quan trọng khỏc của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc cú thể tỡm thấy trong
lĩnh vực quõn sự, hàng khụng vũ trụ, rụbụt và ứng dụng trong y tế.
Trờn quan điểm giỏ thành sản phẩm, năng lượng tiờu thụ và hiệu quả
sản xuất, cỏc cảm biến đo vận tốc gúc đũi hỏi tớch hợp cụng nghệ phức tạp


như cỏc cảm biến vũng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khú đỏp ứng được
yờu cầu sử dụng số lượng lớn của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc [10]. Vỡ
vậy, cỏc nghiờn cứu về cỏc cảm biến đo vận tốc gúc với rất nhiều loại cấu
trỳc
khỏc nhau và nguyờn lý hoạt động khỏc nhau được bỏo
cỏo.
Cảm biến dũng chảy
27%
MEMS quay

22%

Cảm biến khỏc
10%

RF MEMS
3%

Cảm biến cụng suất
11%
Cảm biến quỏn tớnh
22%

Cảm biến gia tốc

Bộ chấp hành khỏc
5%

Cảm biến vận tốc gúc

Hỡnh 1.1. Thống kờ về thị phần và doanh thu sản phẩm MEMS trờn thế giới
từ bỏo cỏo của "Yolộ Dộveloppment" thỏng 04 năm 2005.
Con quay vi cơ là một loại cảm biến cơ học đo vận tốc gúc, dựng để
nhận biết tớn hiệu của sự quay, núi một cỏch khỏc nú cho phộp ta đo được
tốc độ quay của vật thể theo một phương nào đó trong khụng gian. Với một
con quay ba chiều hoặc ba con quay một chiều, ta cú thể xỏc định được gia tốc
ba chiều của vật thể, từ đó ta sẽ biết được nú đang hướng đến đâu và thay đổi
hướng chuyển động như thế nào trong khụng gian. Dụng cụ này cho phộp xỏc

định được tốc độ của vật thể quay đặt trong khụng gian quỏn tớnh, dựa
trờn 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 quỏn tớnh. Khi vật đứng yờn trong hệ quy chiếu quay thỡ chịu
tỏc dụng của lực quỏn tớnh li tõm. Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếu
này thỡ cũn chịu tỏc dụng của một lực quỏn tớnh khỏc nữa, lực quỏn tớnh
Coriolis
hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc). Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc gúc  của
hệ quy chiếu quay, vào vận tốc v' của vật đối với hệ quy chiếu quay và luụn
vuụng gúc với vectơ vận tốc đú. Ta cú thể hỡnh dung lực Coriolis thụng qua
một mụ hỡnh như sau:
Một bàn xoay cú thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tõm, một
quả búng được đặt tại tõm của bàn xoay. Vạch trờn đĩa một bỏn kớnh OA,
theo hướng từ O đến A. Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’. Nếu bàn khụng
quay thỡ quả cầu lăn dọc theo bỏn kớnh OA (hỡnh 1.2). Nếu bàn quay theo
hướng mũi
tờn chẳng hạn, thỡ 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 trờn mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gõy ra tỏc dụng vuụng
gúc với vận tốc v' . Lực này là lực quỏn tớnh Coriolis.
Búng

Hướng chuyển động của búng

Tõm của bàn xoay
O

.

A

Quỹ đạo của búng trờn bàn xoay

A'
Bàn xoay

Hướng xoay của bàn

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


Biểu thức tổng quỏt của lực Coriolis là:

=

FC

(1.1)

maC

Với: ac  2[v  

(1.2)

 Fc  2m[v' 

]

]

Trường hợp tổng quỏt của lực coriolis: Gọi Oxyz là hệ quy chiếu
đứng yờn, Ox’y’z’ là hệ quy chiếu gắn với đĩa quay, trong đó trục z trựng với
trục z’ và trựng với trục quay của đĩa. Với trục quy ước này thỡ bỏn kớnh
vectơ r đối với hệ quay là trựng nhau.
Bỏn kớnh vectơ của vật được tớnh theo:

=

r

r

= x’ ex' +

'

'

y' ey

+

z
'

(1.3)

z' e

y’

e' x

e' y
e' y
e' x

Trong đó

x’

Hỡnh 1.3. Hệ tọa độ quay
' là cỏc vectơ đơn vị trờn cỏc trục tọa độ của hệ

e x , e , ez
'

'

y

Ox’y’z’. Cỏc vectơ ex' và e'y quay theo hệ Ox’y’z’ với cựng vận tốc  , nghĩa
là chỳng nằm yờn đối với hệ này. Cũn đối với hệ đứng yờn Oxyz thỡ chỳng
quay với vận tốc  . Do đó khi lấy vi phõn (1.1) đối với r thỡ phải coi ex ' và
ey' như là hàm của thời gian t, cú đạo hàm bằng:



ex'

=

Hỡnh vẽ
:

 e' y ; e' y

'

e x

=

=

(1.4)

 '

ex

,
e

y
'

x

'

e y

=
và đạo hàm bậc hai bằng:
'
e


.


'



'

2

'

e x   e y   e x
.


yy'

'



(1.5)

2 '
e   e   
x

Ta bắt đầu tớnh gia tốc a của một vật cú chuyển động tựy ý. Sử dụng
(1.1) ta cú:
Đối với hệ quy chiếu quay thỡ vận tốc
v

của vật là:

'


'


'


'

'
x

'



'
y

'

v  r  x e  y e  z ez '





'
' '



(1.6)

Và gia tốc a sẽ là: a  v  x e x y ' e' y  z ' ez'
'

'

Đối với hệ đứng yờn thỡ vận tốc v của vật là:

'




'

'

'




'



'
x

'

'
y





'

'

v  r  x ex  x e  y e  y e y  z e' z '

Và gia tốc a sẽ là:



'

'

'


' '
'
x





' '
y

'

'

'

'

'

'


'

a  v  x e x 2 x e  x e x y e  2 y e y  y ey  z ez

(1.7)

Từ (1.1), (1.2), (1.3), (1.4) suy ra (1.5) cú dạng:

'


'

'

2

' '
a  a  2
( x

e y  y )ex

(

' '

' '

x ex  y e y

)

'

Hay

x y
y x
a a  
 ve  v e
' '
' '
2 (
)

(1.8)

x ex  y e y
2

(

' '

'

'

)

Biểu thức trong cỏc dấu ngoặc ở số hạng cuối của (1.8) bằng thành
’

phần vuụng gúc với trục quay (trục z ) của bỏn kớnh vectơ r ' (xem 1.3). Ta kớ
hiệu thành phần này là R do đó số hạng cuối bằng -  2 R .
Số hạng thứ hai của (1.6) là khai triển của tớch vectơ 2(   v ' ). Thật
vậy, ta hóy biểu diễn tớch vectơ này dưới dạng định thức:


e x'

e 'y

e z'

(   v ' ) =  x y z

vx' v 'y vz'
Chỳ ý thờm rằng  x   y  0 vỡ hệ quay quanh trục z với vận tốc  do

đú:
e x' e 'y

e z'

(   v' ) =

0 0 
vx' v'y vz'

(   v' ) =

 ' e'
vx

 e ' v '
y

y

x

Như vậy hệ thức (1.6) cú dạng:
'

'

2

a  a  2(  v )   R

(1.9)

Lực quỏn tớnh tỏc dụng lờn vật m là:
'

'

F qt  m(a  a)  2m(  v )  m
2
R

(1.10)

Trong đó lực m 2 cú hướng từ tõm quay ra ngoài là lực quỏn tớnh li
R

tõm xuất hiện do đĩa quay, cũn lực  2m(  v ' ) xuất hiện do cú sự chuyển động
tương đối của vật đối với đĩa quay với vận tốc v' là lực quỏn tớnh Coriolis.
Vậy biểu thức tổng quỏt của lực Coriolis là:
'

F  2m(  v )
C

Hay

'

FC  2m(v   )

(1.11)

Ta thấy lực Coriolis phụ thuộc vận tốc gúc quay  và vận tốc chuyển
động tương đối v' .
Lực Coriolis trong cỏc hiện tượng tự nhiờn nhỡn chung cú giỏ trị
nhỏ. Tuy nhiờn nếu nú tỏc dụng trong khoảng thời gian dài thỡ cũng sẽ
gõy ra những ảnh hưởng đáng kể. Lực giỳp ta giải thớch được tại sao cú
hiện tượng bờn lở bờn bồi xảy ra ở hai bờ sụng:


B
F1
F

F2

N

Hỡnh 1.4. Chuyển động của hạt nước dưới tỏc dụng của lực Coriolis
Trỏi Đất là một vật quay lớn, nếu một dũng sụng ở Bắc bỏn cầu chảy từ
Bắc đến Nam thỡ tốc độ hướng đông nhỏ, nú sẽ lệch về phớa Tõy, giống như
ai đú đẩy chỳng. Nếu ta xột một hạt nước khi di chuyển từ bỏn Bắc đến Nam,
ta phõn tớch chuyển động của hạt nước thành hai chuyển động thành phần như
hỡnh 1.4. Lỳc này xuất hiện lực Coriolis đẩy hạt nước theo hướng ngang. Do
vậy tất cả cỏc dũng sụng ở Bắc bỏn cầu bờ sụng bờn Tõy bị bào mũn 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 phớa Đông đường sắt.
Lực Coriolis ảnh hưởng lờn cả chuyển động của cỏc vật chuyển động với vận
tốc lớn như tàu thủy, mỏy bay, đường đạn, đặc biệt là cỏc tờn lửa, cỏc trạm vũ

trụ phúng từ mặt đất.
1.3. Nguyờn lý chung của cỏc cảm biến đo vận tốc gúc kiểu dao
động
Tất cả cỏc cảm biến đo vận tốc gúc dựa trờn sự chuyển đổi năng lượng
giữa hai mẫu giao động của cấu trỳc gõy ra bởi gia tốc Coriolis, gia tốc này
xuất hiện khi cú sự quay của khung đỡ và tỉ lệ với tốc độ quay. Trỡnh bày sơ
lược về nguyờn lý hoạt động của mẫu cảm biến như sau:


Fdk

FC

y
Fdk

z
O

x

FC

Model điều khiển
(Trục Ox)

Tớn hiệu quay
của hệ (Trục
Oz)

Model cảm ứng
(Trục Oy)

Hỡnh 1.5 Sơ đồ nguyờn lý của cảm biến đo vận tốc
gúc kiểu dao động
Xột chiếc rĩa quay đều với vận tốc gúc  theo trục Oz (hỡnh
1.5).
Khi dựng một lực điều khiển ( Fđk ) tỏc dụng vào một nhỏnh của rĩa
làm cho nhỏnh đó dao động theo trục Oy, nhỏnh rĩa sẽ chịu tỏc dụng của
lực
Coriolis (FC). Lực này cú phương vuụng gúc với  và v của dao động điều


khiển, nờn FC sẽ hướng theo trục Ox làm cho nhỏnh rĩa dao động theo phương
Ox. Nếu phương trỡnh dao động của thanh theo trục Oy (phương của Fđk ) là:
x(t )  x0 sin(đk t
)

(1.12)

Với đk là tần số gúc của thanh dao động theo trục Oy
Ta cú biểu thức gia tốc Coriolis là:
.

ac  2  x (t )  2 x0đk cos(đk t )

(1.13)

Xột một trường hợp cụ thể: Khi cho biờn độ dao động của thanh theo
trục Oy là xo= 1

tần số dao động 20kHz và vận tốc gúc quay của rĩa là

m
2

  1deg/ s thỡ gia tốc Coriolis là 4,4mm/s . Ta thấy gia tốc Coriolis khụng

chỉ phụ thuộc vào vận tốc gúc  mà cũn phụ thuộc vào biờn độ xo. Nếu ta
dựng
sự kớch thớch bằng điện từ thỡ sẽ làm cho biờn độ dao động lờn tới 50 m
và


làm cho độ nhạy cũng tăng lờn. Nhưng nếu biờn độ dao đông tăng lờn
thỡ đồng thời sẽ gõy ra những ảnh hưởng như: Làm tăng mức tiờu thụ
điện và


giảm độ bền. Khi kết hợp tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số
truyền động thỡ trong hệ thống cú một hệ số cú đặc tớnh cao là hệ số
khuếch
đại Q. Tuy nhiờn ở cựng một thời điểm thỡ dải tần số đk /Q bị giới hạn, khi
Q
ở 10,0 thỡ dải tần số giảm xuống. Để cú được dải tần số đáp ứng được yờu
cầu và độ nhạy tăng khụng bị ảnh hưởng sự tiờu thụ điện và độ bền thỡ phải
cú sự lệch giữa tần số cộng hưởng của mẫu cảm biến và tần số truyền động.
Để cú được sự kớch thớch điện từ với biờn độ cao thỡ cần phải cú sự lựa
chọn phự hợp. Hỡnh 1.6a phỏc hoạ cơ cấu chung với hai kết cấu õm thoa dựa
trờn kiểu kớch thớch điện từ [15].

Hỡnh 1.6. Cấu trỳc Turning - fork sử dụng trong cảm biến mức độ thay
đổi gúc với (a) hai đầu cố định, (b) một đầu cố định
(Torsion bar: Thanh quay; Mass: Khụi; Fdriver: Lực điều khiển)
Những nam chõm vĩnh cửu phải được định vị trong khối khụng di động
và trờn bề mặt của một phiến thẳng. Cho õm thoa quay với tốc độ gúc  như
hỡnh 1.6a, một dũng điện xoay chiều qua cỏc chốt của õm thoa để tạo ra lực
truyền động Fđk (lực này là lực Lorenz). Kết cấu Silic được gắn giữa hai lỏt
kớnh mỏng. Dao động cuối cựng sẽ thu được gia tốc Coriolis nhờ vào sự nhận
biết qua việc sử dụng bộ tụ điện.


Trong hỡnh 1.6b là một kết cấu chỉ cú một điểm treo đũi hỏi đế kim loại
trờn õm thoa để dẫn dũng điện. Tuy nhiờn kết cấu cú những thuận lợi so với
kết cấu cú hai điểm treo như hệ số Q cao hơn bởi vỡ khi giảm giỏ treo thỡ
sự ảnh hưởng ứng suất trong và sự thay đổi nhiệt độ giảm.
Hai khối trong những kết cấu õm thoa ở hỡnh 1.6 đối tượng tạo ra gia
tốc tuyến tớnh, đõy là điều tại sao hai khối lại cần thiết.
1.4. Một số cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc tiờu biểu
1.4.1. Kiểu thanh rĩa
Trong số cỏc thiết kế, cấu trỳc kiểu thanh rĩa là mẫu cổ điển trong cỏc
cảm biến đo tốc độ gúc kiểu dao động. Hai răng của cấu trỳc thanh rĩa được
nối với nhau ở chỗ chạc ba và được điều khiển cho dao động trong mặt phẳng
của cấu trỳc với biờn độ xỏc định. Hỡnh 1.7a cho biết khi cho thanh rĩa quay
quanh trục của nú sẽ gõy ra lực Coriolis và tạo ra một sự khỏc nhau về lực đặt
lờn cỏc răng của thanh rĩa, vuụng gúc với dao động cơ bản. Lực Coriolis được
cảm ứng và thu tớn hiệu lại dựa trờn sự uốn cong của cỏc răng thanh rĩa,
hoặc sự xoắn của cỏc hệ thanh rĩa. Hỡnh 1.7b trỡnh bày một mẫu cảm biến đo
tốc độ gúc 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. Cỏc ỏp điện trở cấy trờn

hệ này được sử dụng đo ứng suất trượt, ứng suất này tỉ lệ với tốc độ quay của
hệ.
Chuyển
động
cảm
ứng

Hướng truyền
động

Mẫu nhận biết Mẫu kớch thớch
Điện
áp
kích
Trục trong
thích

Điểm quay
Chốt điều khiển

Hỡnh 1.7.Cấu trỳc Turning – Fork

Cỏc
chốt


1.4.2. Kiểu khung dao động
Một cấu trỳc khỏc của cảm biến đo vận tốc gúc là cấu trỳc khung dao
động như ở hỡnh 1.8 [10]. Cấu trỳc gồm hai khung dao động, khung dao động
trong và khung dao động ngoài, liờn kết với nhau qua cỏc thanh dầm xoắn.

Khung ngoài là khung chủ động, khung trong là khung thụ động. Khung chủ
động và khung thụ động cú thể dao động thụng qua trục điều khiển và tự do.
Đĩa cảm ứng được liờn kết với khung thụ động, dao động quanh trục điều
khiển, và cũng cú thể dao động độc lập quanh trục cảm ứng. Biờn độ dao
động lớn của khung thụ động trong đó chứa đĩa cảm ứng, cú thể thu được
bằng cỏch khuếch đại biờn độ dao động nhỏ của khung dao động. Khi cú sự
xuất hiện của chuyển động quay hệ quanh trục cảm ứng vuụng gúc với bề mặt
đế, chỉ cú đĩa cảm ứng đỏp lại sự xoắn gõy ra bởi lực Coriolis. Lực tĩnh điện
sử dụng để kớch hoạt khung dao động và điện dung được sử dụng để cảm ứng
sự dịch chuyển của đĩa cảm ứng. Cỏc mẫu khỏc của cảm biến đo vận tốc gúc
của khung dao động cú nguyờn lý tương tự, cú thể tham khảo trong tài liệu
[10], [12], [13].

Hỡnh 1.8. Cấu trỳc 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.


1.4.3. Kiểu vũng xuyến
Hỡnh 1.9 là một cấu trỳc khỏc của con quay vi cơ được gọi là kiểu vũng
xuyến, nú bao gồm một đai là khung vũng xuyến được đỡ bởi tỏm nửa vành
trũn, tỏm nửa vành trũn này cú tỏc dụng như cỏc nhớp lũ xo cú thể uốn
cong rồi lại trở về hỡnh dạng nửa trũn. Một số lượng lớn điện cực lỏi và
điện cực cảm ứng được gắn vũng quanh cấu trỳc. Đai được truyền động tĩnh
điện nhờ chớnh cỏc điện cực gắn xung quanh đai và uốn định hỡnh kiểu Elip
với biờn độ nhất định trong cựng một mặt phẳng. Khi vũng xuyến quay quanh
một trục sẽ gõy ra sự truyền động từ mẫu ban đầu sang mẫu thứ hai theo
phương hợp với
0

phương ban đầu một gúc 45 . Mẫu thứ hai được nhận biết bởi những bộ tụ
điện.
Bản điện cực truyền động

Những lũ xo
Mẫu dao động cảm ứng

Mẫu dao động cảm ứng
Vũng dao động

Những bản điện cực cảm ứng
và điều khiển

Hỡnh 1.9.Cấu trỳc vũng xuyến

1.4.4. Kiểu cài răng lược
Hỡnh 1.10 giới thiệu một lược đồ cảm biến đo vận tốc gúc sử dụng khối
gia trọng dịch chuyển song song. Cấu trỳc bao gồm một cấu trỳc lỏi và một
cấu trỳc cảm ứng trong cựng mặt phẳng chuyển động. Cấu trỳc lỏi được điều
khiển bởi cỏc răng lược lỏi. Cấu trỳc cảm ứng liờn kết với cấu trỳc lỏi qua cỏc
lũ xo đàn hồi cảm ứng, những lũ xo này tạo ra cho cấu trỳc cú thể dao động
theo hướng cảm ứng do cú gia tốc Coriolis. Một số tỏc giả cũng cú bỏo cỏo


cấu trỳc tương tự về cảm biến đo vận tốc gúc MEMS, cú thể tham khảo ở cỏc
tài liệu [10], [11], [15].

Bản điện
cực cảm ứng

Lũ xo
cảm ứng

Hỡnh
răng lược
truyền
động

Lũ xo
truyền
động
Chốt

Khung
cảm ứng

Phương
truyền động
Hỡnh 1.10. Cấu trỳc cài răng lược

1.5. Đặt vấn đề nghiờn cứu
Trong những năm gần đõy, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của cụng nghệ điện
tử và cụng nghệ tin học, cụng nghệ MEMS đó cú những bước phỏt triển to
lớn. Cụng nghệ chế tạo cỏc cảm biến núi chung và cụng nghệ chế tạo cảm
biến đo vận tốc gúc núi riờng cũng khụng nằm ngoài sự phỏt triển đó. Tuy
nhiờn để đáp ứng được nhu cầu xó hội ngày càng phong phỳ và hiện đại
thỡ cảm biến luụn luụn được cải tiến. Đối với cỏc cảm biến đo vận tốc gúc,
hiện nay cỏc cấu trỳc đang được sử dụng nhiều là: Turning - fork; khung dao
động; cộng hưởng vũng xuyến và cỏc cấu trỳc cài răng lược. Như đó phõn tớch

mỗi loại cấu trỳc được phỏt triển đều cú ưu điểm riờng, nhưng cũng thể
hiện những hạn chế.
Theo dũng phỏt triển loại linh kiện, đó cú rất nhiều những mẫu cảm
biến được đề xuất, chế tạo và ứng dụng. Mỗi loại cảm biến đều thể hiện


những ưu điểm về cấu trỳc hoặc về tớnh năng hoạt động, hoặc cụng nghệ chế
tạo, khắc phục được cỏc nhược điểm của cỏc mẫu cảm biến trước đó. Đồng
thời cỏc mẫu cảm biến mới lại xuất hiện cỏc vấn đề mới, cú thể tiếp tục được
cải tiến. Rất nhiều cỏc nghiờn cứu về cảm biến đo vận tốc gúc được thực hiện
theo hướng này [1], [10], [13].
Nghiờn cứu lý thuyết, mụ phỏng cấu trỳc và hoạt động của cảm biến từ
đú đề xuất cấu trỳc và định hướng cho cụng nghệ chế tạo: Cỏc nghiờn cứu
theo hướng này phỏt triển dựa trờn sự hộ trợ rất mạnh của cỏc cụng cụ tin học.
Hiện nay đó cú nhiều cỏc phần mềm tin học ứng dụng cho phộp lập cỏc
chương trỡnh tớnh toỏn trờn đó, cho phộp mụ tả cấu trỳc và hoạt động của
cỏc mụ hỡnh vật lớ rất gần với mụ hỡnh thực tế: ANSYS, FEMLAP… Dựa
trờn cỏc phần mềm này, cỏc chương trỡnh mụ phỏng cấu trỳc và đặc trưng
hoạt động của cảm biến, cỏc bộ chấp hành được thực hiện. Kết quả mụ phỏng
cho phộp cỏc nhà thiết kế lựa chọn cỏc thụng số thiết kế tối ưu phự hợp điều
kiện cụng nghệ và mục đích sử dụng.
Nghiờn cứu cải tiến quy trỡnh cụng nghệ: Cuộc cỏch mạng trong
khoa học kỹ thuật đó làm thay đổi nhanh chúng điều kiện kỹ thuật, cụng
nghệ. Những thiết bị kỹ thuật mới, hiện đại cho phộp chế tạo cỏc loại cấu trỳc,
linh kiện phức tạp, chất lượng tốt hơn nhiều mà trước đó khụng thực hiện
được. Rất nhiều cỏc nghiờn cứu khoa học về cải tiến kỹ thuật, quy trỡnh
cụng nghệ đó được cỏc tỏc giả cụng bố [1].
Nghiờn cứu ứng dụng: Một hướng phỏt triển khỏc là phỏt triển cỏc cảm
biến đó được chế tạo vào cỏc loại ứng dụng khỏc nhau. Mỗi loại cấu trỳc cảm
biến, với đặc trưng riờng về cấu trỳc sẽ phỏt huy tỏc dụng tốt trong cỏc ứng

dụng đặc thự. Phỏt triển ứng dụng cảm biến phự hợp với cấu trỳc là một trong
cỏc nội dung được nhiều nhúm nghiờn cứu đang quan tõm [1], [11], [12].


Cụng nghệ và linh kiện MEMS đó được quan tõm, nghiờn cứu, phỏt
triển ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm gần đõy. Cỏc quan tõm, nghiờn
cứu tập trung vào cả phỏt triển cấu trỳc mới, mụ phỏng thiết kế, cải tiến cụng
nghệ và phỏt triển ứng dụng. Hiện nay, đó hỡnh thành một số nhúm
nghiờn cứu về MEMS thuộc cỏc viện nghiờn cứu, cỏc trường đại học: Viện
ITIMS – ĐHBK Hà Nội, Viện vật liệu, Đại học Cụng Nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà
Nội 2 v.v… Cỏc nghiờn cứu trước đõy về MEMS đó được cụng bố trong nước
là cỏc nghiờn cứu về cảm biến ỏp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung
dao động [1] dựa trờn điều kiện cụng nghệ ăn mũn ướt. Với cỏc hệ thiết bị ăn
mũn khụ hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đõy, cỏc cấu trỳc linh kiện
MEMS phức tạp đó được cỏc nhúm nghiờn cứu trong nước quan tõm. Cảm
biến đo vận tốc gúc cấu trỳc cài răng lược, một loại cấu trỳc chỉ cú thể phỏt
triển trờn cụng nghệ ăn mũn khụ, lần đầu tiờn được phỏt triển nghiờn cứu ở
Việt Nam. Phối hợp với cỏc nghiờn cứu về MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà
Nội, dựa trờn điều kiện cụng nghệ hiện cú ở Viện ITIMS, chỳng tụi thực hiện
việc phỏt triển một cấu trỳc cảm biến đo vận tốc gúc cài răng lược phự hợp
với điều kiện cụng nghệ. Trong đề tài này chỳng tụi cũng thực hiện mụ phỏng
cấu trỳc và hoạt động của cảm biến, từ đó đề xuất một thiết kế cảm biến phự
hợp với điều kiện cụng nghệ để chuẩn bị cho chế tạo linh kiện trong nước.


CHƯƠNG II.
XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN
2.1. Phỏt triển cấu trỳc
Đề tài này là một trong những nghiờn cứu đầu tiờn về cảm biến đo vận
tốc gúc cấu trỳc cài răng lược ở Việt Nam, chỉ cú thể phỏt triển trờn cụng

nghệ ăn mũn khụ. Để chế tạo linh kiện chỳng tụi đó phối hợp với nhúm
nghiờn cứu MEMS ở Viện ITIMS – ĐHBK Hà Nội.
Những yờu cầu đặt ra cho nghiờn cứu thử nghiệm:
Loại cấu trỳc: Khụng quỏ phức tạp để cú thể thuận lợi hơn trong cụng
nghệ chế tạo.
Cấu trỳc cú thể dễ dàng cải tiến cho phự hợp với điều kiện cụng nghệ
Cấu trỳc cú thể khảo sỏt, đo đạc cỏc đặc trưng hoạt động khụng quỏ khú
khăn trờn cỏc hệ thiết bị trong nước.
Hiện nay cú rất nhiều cấu trỳc đang được quan tõm, mỗi loại đều thể
hiện những ưu điểm về cấu trỳc hoặc tớnh năng hoạt động hoặc cụng nghệ chế
tạo. Cấu trỳc hỡnh thang là một loại cảm biến phự hợp với cỏc điều kiện
nờu
trờn.
Điện cực điều khiển cố định
Chốt
Dầm ngoài
Bản điện cực cố định 1L
Bản điện cực L đó kết nối
Bản điện cực cố định 2L
Bản điện cực di chuyển
y
z

Dầm nhận biết
x

Bản điện cực truyền động cố định
Dầm thẳng
Bản điện cực cố định 1R
Bản điện cực R đó kết nối

Bản điện cực cố định 2R
Dầm trong
Dầm giỏ đỡ dẻo

Hỡnh 2.1. Sơ đồ cảm biến cấu trỳc hỡnh thang


Cấu trỳc này bao gồm nhiều bản điện cực đó được kẹp chặt đế. Con
quay này cú bốn khối đó nối lại với nhau bởi hai cỏnh dầm thẳng song song.
Trong một mẫu truyền động cỏc khối dao động đối diện theo hướng trục X do
lực tĩnh điện. Mỗi khối dao động chớnh xỏc với cựng biờn độ vỡ cỏc khối đó
được nối lại với nhau một cỏch an toàn. Nguyờn bộ phận di động được gắn
chặt vào đế với cỏc dầm đỡ dẻo ở sáu điểm nỳt xung quanh.

Hỡnh 2.2. Sơ đồ mụ tả nguyờn lý hoạt cấu trỳc hỡnh thang
Trong dao động này sự thay đổi điện dung ( C1L  C2 L ) - ( C1R  C2 R )
tương ứng với vận tốc gúc, nơi mà điện dung C1L thay đổi giữa bản cực cố
định và bản cực di động. Độ nhạy của con quay phụ thuộc vào khoảng cỏch
giữa cỏc bản điện cực cố định và những bản điện cực di động. Khi những bản
điện cực cố định chuyển động vỡ ứng suất nhiệt, khoảng cỏch trong bản điện
cực 1L và 2L và khoảng cỏch 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 phỏp điều khiển dao động kớch thớch
Dao động kớch thớch (dao động điều khiển) được thực hiện dựa trờn sự
điều khiển lực tĩnh điện xuất hiện giữa hai bản tụ điện cú điện tớch trỏi dấu.
Dưới đõy chỳng ta sẽ trỡnh bày cụ thể về hiệu ứng này.