Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vì cơ điện tử nhiều bậc tự do

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
một công trình nào khác.
Tác giả

Vũ Văn Thể


ii

LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viên
hướng dẫn khoa học PGS. TS Trần Quang Dũng, PGS. TS Chử Đức Trình đã
tận tình dìu dắt, chỉ bảo trong quá trình học tập và thực hiện luận án này.
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS Vũ Công Hàm,
TS. Bùi Thanh Tùng đã có những đóng góp quý báu giúp đỡ nghiên cứu sinh
hoàn thành luận án.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học máy, Khoa Cơ khí đã
đồng hành cùng với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Đặc biệt, nghiên cứu sinh muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân
đã tạo mọi điều kiện về thời gian, động viên về tinh thần giúp nghiên cứu sinh
toàn tâm toàn ý vào thực hiện luận án.
Tác giả

Vũ Văn Thể


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... x
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC ................................. 5
1.1. Tổng quan về MEMS .............................................................................. 5
1.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS ...................................... 5
1.1.2. Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS.................................................. 7
1.1.3. Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS .............................................. 8
1.2. Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng ....................................................... 10
1.2.1. Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển .................................. 10
1.2.2. Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học ............................................ 12
1.2.3. Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử ................................................. 13
1.3. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động ................................................ 15
1.3.1. Nguyên lý hoạt động ....................................................................... 15
1.3.2. Các thông số đánh giá chất lượng của MVG .................................. 16
1.3.3. Phân loại cảm biến vận tốc góc kiểu dao động ............................... 17
1.4. Các nghiên cứu về MVG ....................................................................... 18
1.4.1. Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn ........................................... 19
1.4.2. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động ................................. 19
1.4.3. Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục ................................................. 20
1.4.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do ...... 21
Kết luận chương 1 ........................................................................................ 30

iv

Chương 2 CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TÔC
GÓC................................................................................................................. 32
2.1. Nguyên lý chung về hoạt động của cảm biến vận tốc góc .................... 32
2.2. Hiệu ứng tĩnh điện ................................................................................. 33
2.2.1. Tụ điện phẳng .................................................................................. 33
2.2.2. Lực pháp tuyến ................................................................................ 35
2.2.3. Lực tiếp tuyến .................................................................................. 36
2.2.4. Hiệu ứng viền giữa các bản tụ ......................................................... 37
2.2.5. Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong các bộ vi kích hoạt răng lược . 40
2.3. Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong cảm ứng tín hiệu ........................... 43
2.3.1. Ảnh hưởng của khe hở giữa hai bản tụ ........................................... 43
2.3.2. Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng .................................................. 44
2.3.3. Hệ tụ điện cảm ứng vi sai ................................................................ 45
2.4. Điều chế và giải điều chế ...................................................................... 47
2.4.1. Điều chế tín hiệu biên độ dao động ................................................. 47
2.4.2. Giải điều chế .................................................................................... 49
2.5. Cơ sở cơ học của vi cảm biến vận tốc góc ............................................ 51
2.5.1. Hệ số độ cứng tương đương của các dầm đàn hồi .......................... 51
2.5.2. Thành phần cản trong mô hình dao động của hệ vi cơ điện tử ....... 58
Kết luận Chương 2 ....................................................................................... 62
Chương 3 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC HAI BẬC TỰ
DO ................................................................................................................. 63
3.1. Động lực học vi cảm biến vận tốc góc một phần tử hai bậc tự do ........ 63
3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của MVG cơ bản ........................... 63
3.1.2. Hệ phương trình vi phân dao động của MVG cơ bản ..................... 64
3.1.3. Dao động tự do của MVG cơ bản ................................................... 67
3.1.4. Dao động cưỡng bức của MVG cơ bản........................................... 70
3.1.5. Hiện tượng quá điều chế.................................................................. 72

3.2. Xây dựng mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai phần tử khối lượng .... 73
3.2.1. Mô hình động lực học của MVG hai phần tử khối lượng ............... 73
3.2.2. Mô hình 3D của MVG hai phần tử khối lượng ............................... 75
3.2.3. Xác định giá trị các tham số động lực học đặc trưng của MVG ..... 77
3.3. Động lực học vi cảm biến vận tốc góc hai khối lượng, hai bậc tự do... 81
3.3.1. Hệ phương trình vi phân dao động của MVG hai khối lượng ........ 81


v

3.3.2. Các dạng dao động riêng ................................................................. 84
3.3.3. Đáp ứng biên độ tần số .................................................................... 88
3.3.4. Một số dạng dao động của MVG .................................................... 91
Kết luận Chương 3 ....................................................................................... 96
Chương 4 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM
THOA .............................................................................................................. 98
4.1. Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa ...................................................... 98
4.2. Mô hình hóa vi cảm biến vận tốc góc kiểu TFG ................................... 99
4.2.1. Lựa chọn mô hình nghiên cứu ......................................................... 99
4.2.2. Phương trình vi phân mô tả dao động của hệ................................ 103
4.3. Phân tích động lực học của khung liên kết kiểu quả trám .................. 106
4.3.1. Đáp ứng động lực học khung quả trám ......................................... 107
4.3.2. Lựa chọn kích thước phù hợp cho khung quả trám ...................... 111
4.4. Đặc trưng dao động của TFG .............................................................. 113
4.4.1. Dao động tự do trên phương dẫn ................................................... 113
4.4.2. Đáp ứng biên độ tần số cho dao động dẫn của hai khung ngoài ... 114
4.4.3. Dao động ngược pha của hai khung dẫn ngoài ............................. 116
4.4.4. Dao động trên phương cảm của hai phần tử quán tính ................. 118
4.5. Khả năng bù lệch pha của cấu trúc TFG đề xuất ................................ 119
4.5.1. Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn ....................................... 120

4.5.2. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ...................................... 122
4.6. Một số kết quả mô phỏng .................................................................... 123
4.6.1. Xây dựng mô hình ......................................................................... 123
4.6.2. Phân tích Modal............................................................................. 124
4.6.3. Đáp ứng động lực học của TFG .................................................... 127
Kết luận Chương 4 ..................................................................................... 129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 130
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 134
Tiếng Việt ................................................................................................... 134
Tiếng Anh ................................................................................................... 134


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Chữ viết tắt:
Viết tắt

Tiếng Anh

Ý nghĩa

ABS

Anti-Lock Braking System

Hệ thống chống bó cứng phanh
trên ô tô

FEM

Finite Element Method

Phương pháp phần tử hữu hạn

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

IC

Integrated Circuit

Mạch tích hợp

INS

Inertial Navigation System

Hệ dẫn đường kiểu quán tính

LIGA

Lithographie, Galvanoformung, Công nghệ khắc hình, mạ điện,
Abformung

làm khuôn

MEMS Micro-Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử
MG

MEMS Gyroscopes

Cảm biến vận tốc góc vi cơ
điện tử

MVG

MEMS Vibratory Gyroscopes

Cảm biến vận tốc góc vi cơ
điện tử kiểu dao động

Q
RLG

Quality factor

Hệ số phẩm chất

Ring Laser Gyroscopes

Cảm biến vận tốc góc kiểu
vòng laser

SOI

Silicon On Insulator

Tấm Silic kép

TFG

Tuning Fork Gyroscopes

Cảm biến vận tốc góc kiểu âm
thoa


vii

2. Ký hiệu:
Ký hiệu
A
a
b
C
[C]
c
D
d
dm
E
EC
EB
{F}
Ft, Fn

Fk
Fc
Fx
f
fd
fc
g
h, h'
J
[K]
Kn
KB
k
ksingle
kfolder

Đơn vị
μm2
μm
μm
F
Ns/m
μm
μm
N/m2
J
J
N
N
N

N
Hz
Hz
Hz
μm
μm
m4

N/m
N/m
N/m

Ý nghĩa
Diện tích xếp chồng của hai bản tụ
Khoảng xếp chồng giữa hai bản tụ
Độ rộng của bản tụ
Điện dung của tụ điện
Ma trận cản
Hệ số cản của không khí
Đường kính phân tử khí
Khoảng cách giữa hai bản tụ
Tỷ số khối lượng
Mô đun đàn hồi của vật liệu
Năng lượng điện trường
Nội năng lượng của nguồn
Vectơ ngoại lực tác dụng
Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ
Lực đàn hồi tác dụng lên thành phần khối lượng
Lực cản của không khí lên thành phần khối lượng
Lực dẫn tĩnh điện

Tần số dao động
Tần số dẫn
Tần số cảm
Khe hở giữa răng lược di động và răng lược cố định
Độ dày của lớp vật liệu
Mô men quán tính của mặt cắt ngang
Ma trận độ cứng
Hệ số Knudsen
Hằng số Boltzmann
Hệ số độ cứng của kết cấu khi kể đến tính đàn hồi
Hệ số độ cứng tương đương của dầm đơn
Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập đơn


viii

Ký hiệu
Đơn vị
Kdouble-folder N/m
L
μm
Lc
μm
l0
μm
[M]
m
kg
mk
kg

ms
kg
p
Pa
Q
QC
F
q
C
r
m
T
J
V
V
x0
μm
y0
μm
w
μm
α, β
αd
Độ
β
βd
Độ
βc
Độ
ε

F/m
ε0
F/m
λ
m
μ
Pa.s
σ
ω
rad/s
Ω
rad/s

Ý nghĩa
Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập kép
Chiều dài dầm đàn hồi
Chiều dài răng lược
Chiều dài đoạn xếp chồng của hai răng lược
Ma trận khối lượng
Khối lượng của phần tử khối lượng
Khối lượng khung ngoài
Khối lượng phần tử quán tính bên trong
Áp suất môi trường làm việc
Hệ số chất lượng của MVG
Điện tích của tụ điện
Điện tích điểm
Khoảng cách giữa hai điện tích điểm
Động năng của cơ hệ
Điện áp đặt vào các bản tụ
Khoảng xếp chồng ban đầu giữa hai bản tụ

Khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ
Độ dày của răng lược
Hệ số cản Rayleigh
Góc lệch pha điện giữa hai lực dẫn
Tỷ số hình dạng
Góc lệch pha cơ giữa hai dao động dẫn
Góc lệch pha cơ giữa hai dao động cảm
Hằng số điện môi của môi trường
Hằng số điện môi của chân không
Mức di chuyển của phân tử khí
Độ nhớt động học của không khí
Hệ số nén khí
Tần số vòng kích thích
Vận tốc góc


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS ......................................... 8
Bảng 3.1. Thông số cấu trúc mô hình MVG ................................................... 76
Bảng 3.2. Thông số đặc trưng của vật liệu Silicon ......................................... 77
Bảng 3.3. Một số tần số dao động riêng.......................................................... 85
Bảng 3.4. Tần số tương thích của hệ theo một số giá trị của dầm gập ........... 87
Bảng 3.5. Thông số khảo sát cho hệ MVG hai phần tử .................................. 89
Bảng 4.1. Thông số kích thước cơ bản của khung quả trám ......................... 107
Bảng 4.2. Tần số dao động riêng của hai mô hình khung quả trám ............. 108
Bảng 4.3. Giá trị các thông số cho hệ khảo sát ............................................. 114
Bảng 4.4. Tỷ số lệch pha dẫn ........................................................................ 121

Bảng 4.5. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ..................................... 123
Bảng 4.6. Một số dạng dao động riêng của TFG .......................................... 124
Bảng 4.7. Các tần số chính của TFG khi thay đổi kích thước ...................... 125
Bảng 4.8. Tham số của TFG ......................................................................... 126


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29] ..................... 6
Hình 1.2. Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20] ............ 10
Hình 1.3. Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do ....................................... 11
Hình 1.4. Ứng dụng con quay trong các thiết bị dẫn hướng hàng hải ............ 12
Hình 1.5. Sơ đồ cảm biến quang học loại 1 .................................................... 13
Hình 1.6. Cảm biến RLG loại 2 ...................................................................... 13
Hình 1.7. Một số ứng dụng trong quân sự của MG [30] ................................ 14
Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của MVG ...................................................... 15
Hình 1.9. Vi cảm biến kiểu Gimbal ................................................................ 19
Hình 1.10. Cấu trúc con quay vi cơ kiểu vòng dao động ................................ 20
Hình 1.11. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu nhiều trục....................................... 21
Hình 1.12. Mô hình hai phần tử 4 bậc tự do ................................................... 21
Hình 1.13. Con quay vi cơ kiểu tách riêng các dao động ............................... 22
Hình 1.14. Thiết kế TFG của phòng thí nghiệm Draper [34] ......................... 24
Hình 1.15. Mô hình TFG với hệ số Q cao [12]............................................... 25
Hình 1.16. Mô hình TFG có các khung ngoài ................................................ 26
Hình 1.17. Mô hình liên kết hai nhánh của TFG nhờ dầm gập [64] ............... 27
Hình 1.18. Cấu trúc TFG với vòng treo kết nối [65] ...................................... 28
Hình 1.19. Mô hình TFG của nhóm ITIMS [59] ............................................ 29
Hình 2.1. Sơ đồ khối hoạt động của MVG ..................................................... 32

Hình 2.2. Lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm ............................................. 33
Hình 2.3. Cấu tạo tụ điện phẳng ...................................................................... 34
Hình 2.4. Lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b) giữa hai bản tụ ................ 34
Hình 2.5. Phân bố điện trường giữa hai bản tụ phẳng .................................... 38
Hình 2.6. Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ khi có hiệu ứng viền38


xi

Hình 2.7. Thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ .............. 39
Hình 2.8. Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động kiểu răng lược ....................... 40
Hình 2.9. Thiết kế sơ bộ hệ răng lược tạo lực dẫn trong MVG ...................... 42
Hình 2.10. Sơ đồ điện tạo lực dẫn ................................................................... 42
Hình 2.11. Ảnh hưởng của khe hở đến điện dung hai bản tụ ......................... 44
Hình 2.12. Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng đến điện dung hai bản tụ ....... 44
Hình 2.13. Nguyên lý đo tín hiệu cảm ............................................................ 45
Hình 2.14. Ảnh hưởng của khe hở ban đầu đến biến thiên điện dung ............ 46
Hình 2.15. Quan hệ gần tuyến tính giữa độ dịch chuyển và biến thiên điện dung
của hai bản tụ................................................................................................... 46
Hình 2.16. Đường bao cao tần thể hiện dạng tín hiệu điều chế ...................... 48
Hình 2.17. Sơ đồ mạch điện xác định tín hiệu điện dung ............................... 49
Hình 2.18. Sơ đồ mạch giải điều chế .............................................................. 49
Hình 2.19. Cấu trúc dầm đơn và các dạng mặt cắt ngang............................... 52
Hình 2.20. Cấu trúc dầm đơn vuông góc ........................................................ 54
Hình 2.21. Cấu trúc dầm gập .......................................................................... 55
Hình 2.22. Cấu trúc dầm gập kép.................................................................... 57
Hình 2.23. Sự phụ thuộc của hệ số η vào tỷ số hình dạng β ........................... 61
Hình 3.1. Cấu tạo (a) và nguyên lý hoạt động (b) của một MVG cơ bản ....... 64
Hình 3.2. Các dao động thành phần khi hệ tự do không cản .......................... 68
Hình 3.3. Một số dạng dao động tự do không cản .......................................... 69

Hình 3.4. Một số dạng quỹ đạo dao động tự do có cản .................................. 69
Hình 3.5. Quan hệ biên độ - tần số khi f ≠ 0 (a) và khi f = 0 (b) .............. 70
Hình 3.6. Đáp ứng trên phương cảm của phần tử quán tính khi vận tốc góc có
dạng tam giác (a), hình thang (b) và hình sin (c) ............................................ 71
Hình 3.7. Một dạng quá điều chế của MVG một phần tử ............................... 73
Hình 3.8. Mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai bậc tự do .............................. 74


xii

Hình 3.9. Mô hình 3D (a) và chia lưới (b) của MVG ..................................... 75
Hình 3.10. Cấu tạo của các dầm gập đơn trên các phương dẫn và cảm ......... 75
Hình 3.11. Sơ đồ đặt điều kiện và đáp ứng của một dầm gập đơn ................. 78
Hình 3.12. Ảnh hưởng kích thước đến độ cứng của dầm ............................... 78
Hình 3.13. Sơ đồ đặt lực (a) và chuyển vị của MVG trên phương dẫn (b) .... 79
Hình 3.14. Điều kiện biên (a) và lực liên kết (b) của MVG trên phương cảm80
Hình 3.15. Một số dạng dao động riêng của MVG ......................................... 85
Hình 3.16. Sự phụ thuộc của tần số tương thích vào các thông số kích thước
của dầm gập dẫn và cảm ................................................................................. 86
Hình 3.17. Quan hệ biên độ dao động dẫn (a) và dao động cảm (b) với tần số
kích thích và vận tốc góc đưa vào ................................................................... 90
Hình 3.18. Đáp ứng biên độ và pha của các dao động .................................... 91
Hình 3.19. Đáp ứng hệ khi thay đổi lực kích thích và vận tốc góc................. 92
Hình 3.20. Các dạng dao động khi có vận tốc góc Ω =2,5 rad/s .................... 93
Hình 3.21. Quan hệ giá trị vận tốc góc với biên độ các dao động .................. 93
Hình 3.22. Quỹ đạo ổn định của phần tử quán tính ........................................ 94
Hình 3.23. Ứng xử của hệ khi vận tốc góc có dạng khác nhau ...................... 95
Hình 4.1. Cấu trúc 3D của TFG nghiên cứu ................................................... 99
Hình 4.2. Một số dạng khung liên kết trong mô hình TFG .......................... 100
Hình 4.3. Cấu tạo 2D của khung quả trám .................................................... 101

Hình 4.4. Mô hình động lực học cho TFG đề xuất ....................................... 102
Hình 4.5. Chuyển vị (a) và lực (b) trong khung quả trám ............................ 103
Hình 4.6. Các thành phần lực tác dụng lên khung ngoài .............................. 104
Hình 4.7. Một số dạng dao động riêng của khung ........................................ 108
Hình 4.8. Xác định hệ số độ cứng của khung ............................................... 109
Hình 4.9. Quan hệ lực kích thích và biến dạng của khung ........................... 110
Hình 4.10. Ảnh hưởng của độ rộng cổ đàn hồi đến tần số ngược pha .......... 110


xiii

Hình 4.11. Độ cứng quy đổi của khung theo kích thước cổ đàn hồi ............ 112
Hình 4.12. Hệ số độ cứng quy đổi của mô hình khung thứ hai .................... 112
Hình 4.13. Dạng dao động tự do của các khung ngoài ................................. 113
Hình 4.14. Xác định lực kích thích ............................................................... 116
Hình 4.15. Dao động của khung ngoài khi kích thích có dạng điều hòa ...... 117
Hình 4.16. Đáp ứng của hai khung dẫn khi khác nhau giá trị lực kích thích 117
Hình 4.17. Dao động cảm khi vận tốc góc là hằng số .................................. 118
Hình 4.18. Đáp ứng trên phương cảm theo quy luật thay đổi vận tốc góc ... 119
Hình 4.19. Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn .................................... 121
Hình 4.20. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ................................... 122
Hình 4.21. Mô hình 3D và chia lưới của TFG đề xuất ................................. 124
Hình 4.22. Một số dạng dao động riêng của TFG ........................................ 127
Hình 4.23. Đáp ứng biên độ và pha theo tần số kích thích ........................... 128
Hình 4.24. Dạng dao động cảm của phần tử quán tính ................................. 128


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, MEMS đang có
được bước tiến vượt bậc và đóng vai trò không nhỏ trong việc tạo động lực thúc
đẩy cuộc cách mạng 4.0 kết nối thế giới. Với nhiều ưu điểm nổi trội nên các
thiết bị MEMS ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
Các cảm biến MEMS là một phần của thế giới micro, vai trò của chúng
trong các hệ thống micro là rất quan trọng. Cấu tạo của các cảm biến MEMS
gồm có một cấu trúc cơ học kết hợp với bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu. Các
tín hiệu được biến đổi từ dạng cơ học sang dạng điện hoặc ngược lại.
Cảm biến vận tốc góc trong công nghệ vi cơ điện tử là một loại cảm biến
khá phức tạp. Nó được tích hợp với một số các cảm biến khác để tạo thành hệ
thống định vị, cho biết trạng thái và vị trí của các đối tượng. Nhờ có kích thước
nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít, giá thành hạ, dễ điều khiển, độ chính xác và
độ tin cậy có thể chấp nhận được mà cảm biến này đã và đang được nghiên cứu
và đưa vào sử dụng phổ biến trong kỹ thuật.
Tuy nhiên, hiện vẫn tồn tại một số nhược điểm dễ mắc phải trong quá trình
tính toán, thiết kế, chế tạo các cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (TFG) như:
tồn tại các dạng dao động đồng pha không mong muốn có tần số làm việc gần
với tần số của hai dạng dao động chính là dạng dao động dẫn và dạng dao động
cảm ứng tạo ra các tín hiệu nhiễu khi làm việc; các sai số kích thước hình học
phát sinh trong quá trình chế tạo; …
Vì vậy, để có thể ứng dụng nhiều hơn nữa trong các lĩnh vực đòi hỏi độ
chính xác cao như y sinh, quân sự, … thì việc cần thiết là phải nghiên cứu các
mô hình cảm biến với cấu trúc phù hợp có thể đáp ứng các yêu cầu về thiết kế,
điều khiển và hoạt động.


2
Từ thực tế đó, tác giả lựa chọn đề tài “Phân tích động lực học cảm biến
vận tốc góc vi cơ điện tử nhiều bậc tự do” để thực hiện luận án.
Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các cảm biến vận tốc góc vi cơ
điện tử. Trong phạm vi nghiên cứu, luận án chỉ đề cập đến phần cấu trúc cơ học
của hệ cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử với các đặc điểm:
- Các phần tử khối lượng có dao động thẳng và tuyến tính.
- Dẫn động theo hiệu ứng tĩnh điện, cảm ứng theo hiệu ứng điện dung.
Mục tiêu nghiên cứu
- Làm rõ cơ sở khoa học trong nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các cảm
biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động (MVG).
- Xây dựng mô hình MVG thỏa mãn một số yêu cầu đặt ra, từ đó xác định
các đặc trưng động lực học của hệ.
- Chứng minh khả năng tạo và duy trì dạng dao động ngược pha của mô
hình TFG, xác định mức độ bù lệch pha và bù lệch biên độ của mô hình này.
Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về MEMS và lý thuyết tĩnh điện. Tìm hiểu đặc
điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vận tốc góc.
- Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết và thiết lập hệ phương trình vi
phân mô tả dao động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động với
các mô hình có mức độ phức tạp tăng dần (mô hình cơ bản 1 phần tử khối lượng
2 bậc tự do, 2 khối lượng 2 bậc tự do và mô hình kiểu âm thoa 4 bậc tự do).
- Giải hệ phương trình vi phân, xác định đặc điểm dao động của các phần
tử khối lượng của các cảm biến đã nêu với những điều kiện đầu khác nhau.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với tính toán và mô phỏng số sử dụng các
phần mềm tính toán số (MATLAB) và mô phỏng (ANSYS Workbench):


3
- Sử dụng lý thuyết của động lực học cơ hệ, cơ học hệ nhiều vật, dao động
của hệ rời rạc để xây dựng mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân dao
động của hệ MVG cụ thể.

- Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp số để tính toán xác
định các thông số đặc trưng về động lực học của các mô hình vi cảm biến và
phân tích đáp ứng động lực học của hệ MVG.
- Sử dụng các phần mềm trên nền tảng phần tử hữu hạn để mô phỏng động
lực học và xác định kích thước hình học phù hợp của các cấu trúc.
Ý nghĩa của luận án
Luận án góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt
động và cơ sở thiết kế của một lớp cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử. Trọng
tâm là làm rõ các đáp ứng động lực học của các thành phần cơ học bên trong
cảm biến.
Giới thiệu và phân tích đáp ứng động lực học cho cấu trúc cơ học cho ba
mô hình cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (mô hình cơ bản, mô hình gyroscope
đơn hai phần tử có hai bậc tự do và mô hình kiểu TFG).
Luận án có thể dùng làm tài liệu cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cho
lớp cảm biến MVG ở trong nước.
Bố cục của luận án
Luận án được trình bày trong 4 chương chính:
Chương 1 trình bày những vấn đề tổng quan về MEMS và các cảm biến
vận tốc góc, tập trung vào đối tượng mà luận án sẽ nghiên cứu.
Chương 2 trình bày cơ sở của việc thiết kế cấu trúc cơ và các cấu trúc kiểu
răng lược theo hiệu ứng tĩnh điện nhằm tạo lực kích thích cho phần dẫn và cảm
ứng điện dung cho phần cảm. Chương này cũng trình bày việc thiết lập hệ
phương trình vi phân chuyển động cho hệ MVG cơ bản gồm 1 phần tử khối
lượng, hai bậc tự do.


4
Chương 3 giới thiệu về hệ MVG hai bậc tự do, phân tích các đáp ứng động
lực học của 2 mô hình MVG tương ứng với 1 và 2 phần tử khối lượng khi có
các dạng vận tốc góc khác nhau.

Chương 4 giới thiệu một mô hình cảm biến vi cơ điện tử kiểu âm thoa có
kết cấu liên kết kiểu quả trám. Chương này sẽ đưa ra cơ sở để tối ưu hóa kích
thước của khung quả trám, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của
các phần tử trong mô hình TFG, khảo sát các đáp ứng động lực học của hệ. Đặc
biệt, ở chương này, luận án cũng sẽ phân tích, chứng minh khả năng bù biên độ
và bù lệch pha của khung quả trám cho dao động của các phần tử ở hai bên của
khung quả trám.
Ngoài 4 chương chính, luận án cũng trình bày phần Mở đầu giới thiệu
chung về luận án, phần Kết luận chung trình bày khái quát những kết quả nghiên
cứu đạt được của luận án và phần Phụ lục trình bày các công trình khoa học
của NCS công bố có liên quan đến luận án.


5
Chương 1
MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC
1.1. Tổng quan về MEMS
1.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS
Vào khoảng đầu thế kỷ XX, các thiết bị điện tử phát triển theo xu hướng
tích hợp số lượng lớn các thiết bị trong một vi mạch (Integrated Circuit - IC)
có kích thước nhỏ gọn và thực hiện nhiều chức năng. Điều này đã mang lại sự
biến đổi mạnh mẽ cả về mặt công nghệ và xã hội. Vào cuối những năm 50 của
thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ Micro đã diễn ra, hứa hẹn một
tương lai mới cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectro Mechanical Systems, viết tắt là MEMS) cũng đã được ra đời và phát
triển trong giai đoạn này.
MEMS là một tổ hợp bao gồm các hệ thống cơ khí và hệ thống điện tử có
kích thước cỡ micro kết hợp với nhau. Trên thực tế, bất kỳ thiết bị nào được
chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc ở kích cỡ micro, thực hiện các chức
năng của hệ cơ khí và điện tử đều có thể được xem là MEMS [20].
Hoặc theo [41], MEMS có thể được định nghĩa theo một cách khác: ʺHệ

thống vi cơ điện tử-MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp với các vi cảm
biến, các bộ vi kích hoạt/chấp hành và các vi mạch điện tửʺ
Công nghệ MEMS được mở đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên
cơ sở công nghệ vi cơ khối. Từ cuối những năm 1980, giai đoạn phát triển thứ
hai của công nghệ MEMS được đánh dấu bằng sự phát triển của công nghệ
vi cơ bề mặt. Ngày nay, MEMS là giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi
trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những đổi mới kỹ
thuật. MEMS đang là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển
nhanh nhất hiện nay trên thế giới.


6
Với ưu thế về việc có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé, tinh tế,
nhạy cảm và tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ MEMS cho phép tạo ra các bộ
vi cảm biến (micro-sensors), các bộ vi kích hoạt/chấp hành (micro-actuators)
được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Trong công nghiệp, các sản phẩm của
MEMS được ứng dụng trong các robot, các hệ thống tự động trong sản xuất,
các thiết bị đo lường và kiểm tra…

Hình 1.1. Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29]
Trong công nghiệp sản xuất ô tô, các thiết bị MEMS được sử dụng gồm:
cảm biến gia tốc để điều khiển hoạt động của túi khí an toàn (Hình 1.1), cảm
biến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảm
biến đo áp suất, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, theo dõi dung dịch làm nguội động
cơ,… Theo [29, 31] thống kê cho thấy, số lượng cảm biến MEMS sử dụng trong
ngành này đã tăng từ 1,13 tỷ đơn vị từ năm 2005 lên 1,49 tỷ đơn vị năm 2008.
Thị trường Châu Âu và Mỹ tăng trưởng từ 5,66 tỷ đô la năm 2005 lên 7,53 tỷ
đô la năm 2008. Theo [28], thị trường toàn cầu cho cảm biến ô tô đạt gần 23,5
tỷ đô la trong năm 2015, 26,3 tỷ đô la trong năm 2016 và sẽ đạt 43,4 tỷ đô la
vào năm 2021, tốc độ tăng trưởng hàng năm trong 5 năm là 10,6%.

Trong công nghệ y sinh, các ứng dụng của công nghệ MEMS còn được
thể hiện rõ ràng hơn [15]. Chính sự tương thích giữa kích cỡ của các thiết bị
MEMS với kích thước các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng và nghiên


7
cứu trong y học và sinh học mà công nghệ MEMS được ứng dụng nhiều. Các
thiết bị đo huyết áp, nhịp tim [10], nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích
mẫu máu, tế bào… đều có mặt các linh kiện MEMS. Trong lĩnh vực viễn thông,
MEMS được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị di động (các điện thoại thông
minh), hệ thống truyền tín hiệu, các hệ thống ra đa, … Các sản phẩm MEMS
cũng có đóng góp trong ngành chế tạo vũ khí cũng như hàng không vũ trụ, một
trong những ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự và dân sự. Công nghệ
MEMS cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống
hàng ngày như trong các thiết bị giải trí, nghe nhìn, máy tính, máy in … [17].
Ngày nay, các thiết bị MEMS ngày càng được ứng dụng nhiều trong quân
sự. Các loại tên lửa có điều khiển, các loại vũ khí thông minh, các hệ thống
không người lái, … đều sử dụng đến các thiết bị vi cơ điện tử. Để đáp ứng các
yêu cầu về tác chiến điện tử, tự động tác chiến hay tác chiến thông minh đang
từng bước phát triển đòi hỏi các thiết bị cần có độ chính xác về vị trí, tốc độ thì
việc nghiên cứu, phát triển hệ thống cảm biến vi cơ điện tử có độ chính xác và
tin cậy làm việc là một yêu cầu có tính cấp thiết cao.
1.1.2. Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS
Các thiết bị MEMS hoạt động dựa trên các hiệu ứng vật lý như:
- Hiệu ứng tĩnh điện
- Hiệu ứng áp điện
- Hiệu ứng áp điện trở
- Hiệu ứng điện từ
- Hiệu ứng giãn nở nhiệt
Sự khác nhau về mức độ phức tạp trong công nghệ chế tạo, khả năng tích

hợp, kích thước các thiết bị và độ ổn định làm việc của các hiệu ứng được thể
hiện trong Bảng 1.1 [5].


8
Bảng 1.1. So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS
Hiệu ứng

Chế tạo

Tích hợp

Kích thước

Độ ổn định

Tĩnh điện

Dễ

Trung bình

Nhỏ

Tốt

Áp điện

Trung bình

Trung bình

Nhỏ

Không tốt

Áp điện trở

Khó

Dễ

Nhỏ

Rất tốt

Điện từ

Khó

Khó

Lớn

Tốt

Giãn nở nhiệt

Dễ

Trung bình

Trung bình

Tốt

Dựa theo các phân tích về đặc tính trên, có thể thấy hiệu ứng tĩnh điện mặc
dù có mức năng lượng tiêu thụ cao hơn song bù lại, hiệu ứng này có tốc độ đáp
ứng nhanh, dễ chế tạo và điều khiển, có khả năng tạo ra hiệu suất cao và có thể
tích hợp khá tốt. Vì vậy, hiệu ứng tĩnh điện được sử dụng nhiều hơn trong thiết
kế, chế tạo các vi cảm biến hoặc vi kích hoạt/chấp hành theo công nghệ MEMS.
1.1.3. Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS
Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS kế thừa các đặc điểm của công nghệ
vi điện tử và có phát triển thêm nhiều công nghệ mới đặc trưng của MEMS.
Các kỹ thuật mới này nhằm mục đích chia tách các kết cấu cơ học với nền Silic.
Công nghệ chế tạo được chia thành các nhóm chính sau [4]:
a) Công nghệ vi cơ khối
Bản chất của công nghệ vi cơ khối (Bulk Micromachining) là dùng các
phương pháp hoá, lý để ăn mòn (tẩm thực), tạo ra trên phiến Silic các lỗ sâu,
các rãnh, các chỗ lõm … nhằm lấy đi một phần thể tích của phiến vật liệu chế
tạo từ đó hình thành cấu trúc mong muốn.
Để hình thành các cấu trúc vi cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:
Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Quá trình này dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định
sẵn. Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc


9
dị hướng (có hướng mà tinh thể được ăn mòn nhanh, có hướng - chậm).
Ăn mòn khô: là quá trình dùng tia plasma tương tác vào bề mặt của tấm

silic tạo ra phản ứng hóa học ăn mòn silic. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được
xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu. Để tăng cường tốc
độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để
tăng tốc độ ion hóa tức là tăng tốc độ các chùm tia bắn phá.
b) Công nghệ vi cơ bề mặt
Vi cơ bề mặt (Sacrificial Surface Micromachining) là một công nghệ gia
công dựa trên các phương pháp phủ bề mặt, ăn mòn và lắng đọng các lớp vật
liệu mỏng để tạo cấu trúc ba chiều. Các lớp cấu trúc gồm nhiều lớp vật liệu
mỏng như các lớp vật liệu đệm và lớp vật liệu nền. Các lớp vật liệu đệm sẽ
được loại bỏ một phần trong các bước gia công sau cùng bằng cách ăn mòn hóa
học, các phần còn lại tạo thành một cấu trúc cơ học như mong muốn.
c) Công nghệ quang khắc LIGA
LIGA - Lithographie Galvanoformung Abformung, theo tiếng Đức nghĩa
là khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Bản chất của phương pháp này là dùng
chùm tia X có năng lượng lớn đi sâu vào chất cảm quang đến hàng milimet.
Chất cảm quang thường dùng thuộc loại acrylic. Thông qua những chỗ bị khoét
thủng trên khuôn, chất cảm quang bị tia X chiếu vào và bị hoà tan trong dung
dịch hóa học. Cấu trúc được hình thành từ phương pháp LIGA ở dạng ba chiều
mà không phải hai chiều như phương pháp quang khắc thông thường.
d) Công nghệ vi cơ dán
Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, khoang kín...
có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi dán úp hai mặt gia công lại với
nhau. Trước hết, tạo một rãnh trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông
thường rồi dán lên trên phiến đó một phiến khác để đậy rãnh đó lại. Bản chất
của phương pháp gia công này là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm


10
một lớp lót để tăng cường sự kết dính.
e) Công nghệ gia công vi cơ bằng tia laser

Có thể dùng tia laser để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt,
điều khiển trực tiếp. Tuy nhiên, cách gia công này rất chậm, không gia công
đồng loạt được. Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng tia laser thường
chỉ dùng để làm khuôn. Tia laser thường dùng là tia laser eximơ mới đủ mạnh
và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer.
1.2. Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng
1.2.1. Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển
Theo định nghĩa vật lí, cảm biến vận tốc góc, hay con quay hồi chuyển
(Gyroscope) là một thiết bị dùng để đo đạc góc quay hoặc duy trì phương hướng
của một trục quay, dựa trên nguyên lý bảo toàn mômen động lượng.

Hình 1.2. Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20]
Năm 1851, nhà khoa học người Pháp Jean-Bernard-Léon Foucault đã áp
dụng chuyển động của con quay hồi chuyển để mô tả chuyển động quay của
trái đất. Ông cũng là người đưa ra thuật ngữ Gyroscope, được ghép từ tiếng Hilạp là “Gyro”- quay tròn và “skopeein”- quan sát [20].
Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (Hình 1.3), người ta sử dụng một đĩa
quay (có mô men động lượng L = IΩ) nằm trên một trục quay xuyên tâm, trục
quay này liên kết với khung quay bên ngoài thông qua các khớp quay. Mỗi con


11
quay có thể có từ 2, 3 hoặc 4 bậc tự do bao gồm: chuyển động quay quanh trục
chính của đĩa quay so với khung trong, chuyển động quay của khung trong có
chứa đĩa quay so với khung ngoài, chuyển động quay của các khung ngoài.
Chuyển động tuế sai

Trục quay
L=IΩ

Hình 1.3. Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do

Tốc độ quay của con quay quanh trục của nó thường rất lớn (có thể tới
22000÷30000 vòng/phút như trong thiết bị dẫn hướng của tên lửa), do đó con
quay có momen động lượng lớn. Khi có các lực tác động bên ngoài, do momen
động lượng lớn mà trục quay của đĩa vẫn duy trì được phương của nó. Nhờ tính
chất này mà con quay cơ cổ điển đã sớm được ứng dụng trong các công cụ định
hướng và dẫn lái trên các thiết bị đường biển. Những thiết bị dẫn hướng đầu
tiên đã có mặt trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 nhờ các phát minh của
nhà khoa học người Mỹ, Elmer Sperry (Hình 1.4). Năm 1920, thiết bị này được
ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của ngư lôi, đến năm 1930 thì được
ứng dụng vào các bộ dẫn hướng cho hệ thống các tên lửa đạn đạo [45].
Tuy nhiên, do sử dụng các bậc tự do quay nên khi làm việc, tại các khớp
quay thường xuất hiện ma sát làm khớp nhanh bị mòn, hiệu suất truyền động
giảm xuống, gây ra các sai số làm nhiễu tín hiệu đầu ra.


12

Hình 1.4. Ứng dụng con quay trong các thiết bị dẫn hướng hàng hải
Để khắc phục các nhược điểm trên đây của các Gyroscopes cổ điển, nhằm
nâng cao độ chính xác, giảm kích thước và trọng lượng cũng như nguồn nuôi
cảm biến, các dạng cảm biến vận tốc góc hiện đại hơn đã được nghiên cứu, thiết
kế, chế tạo và sử dụng. Hai kiểu cảm biến vận tốc góc được giới thiệu trong
phần tổng quan này gồm: cảm biến vận tốc góc kiểu quang học và cảm biến
vận tốc góc vi cơ điện tử.
1.2.2. Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học
Các cảm biến vận tốc góc kiểu quang học (Optical Gyroscope) có nguyên
lý hoạt động dựa trên hiệu ứng Sagnac. Hiệu ứng này được tạo ra bằng cách
tách tia sáng từ một nguồn phát thành hai tia sáng đồng pha và chiếu chúng
theo hướng ngược nhau nhờ các gương phản xạ, sau đó tạo ra sự giao thoa giữa
hai chùm tia này. Các đặc tính giao thoa giữa hai chùm tia này được quan sát

và là cơ sở để tính toán góc xoay của vật quay [38]. Ưu điểm vượt trội của các
cảm biến kiểu này là nhỏ gọn; có độ ổn định, độ chính xác cao do không có ma
sát; không có các phần tử khối lượng chuyển động (sai số 0,001÷0,010/h).
Có hai cấu hình cho cảm biến vận tốc góc kiểu quang học. Một trong đó
sử dụng nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang như mô tả trên
Hình 1.5 (Fiber Optical Gyroscope). Loại thứ hai (Ring Laser Gyroscopes RLG) sử dụng nguồn ánh sáng laser để xác định tín hiệu vận tốc góc hoặc góc