Xu hướng phát triển và ứng dụng của cảm biến quán tính vi cơ điện ( con quay, gia tốc kế)

1
Xu hớng phát triển và ứng dụng của cảm biến
quán tính vi cơ điện (con quay, gia tốc kế)

Tác giả:
Nguyễn Văn Chúc, Trần Tiến Đạt, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Phú Thắng, Trần
Ngọc Thanh
Trung tâm Khoa học Kỹ thuật - Công nghệ Quân sự

Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quan việc ứng dụng của các công nghệ cảm biến
quán tính, đánh giá hớng phát triển của các công nghệ này trong tơng lai, đa ra
nguyên lý làm việc và sơ đồ kết cấu của một số cảm biến quán tính vi cơ điện, phân tích
một số vấn đề liên quan tới thiết kế, công nghệ và ứng dụng các cảm biến quán tính vi
cơ điện trong điều kiện ở nớc ta.

1. Mở đầu
Việc ứng dụng các hệ thống vi cơ điện (MicroElectroMechanical System -MEMS) sẽ
tạo ra sự thay đổi lớn trong công nghệ chế tạo các cảm biến quán tính (con quay, gia tốc
kế). Trớc đây công nghệ này là độc quyền của một số cờng quốc quân sự (Mỹ, Nga...)
Các cảm biến quán tính MEMS cha đạt độ chính xác của các cảm biến cơ học cổ
điển, nhng có những u điểm hơn hẳn: Về kích thớc biên dạng (vài milimét); công
suất tiêu thụ (dới 1W); giá thành hạ (10ữ20 lần). Chính nhờ những u điểm trên mà các
cảm biến quán tính vi cơ điện đợc ứng dụng rộng rãi trong cả các lĩnh vực của dân sự,
quân sự.
Trong số các ứng dụng ngày càng mở rộng của cảm biến quán tính vi cơ điện có thể
kể đến các ứng dụng sau:
+Công nghiệp ô tô. Hiện nay các ô tô hiện đại sử dụng 50-80 cảm biến khác nhau
cho hệ thống an toàn và dẫn đờng.
+Các thiết bị dẫn đờng và kỹ thuật quân sự. Nhờ thành tựu tạo ra các hệ thống dẫn
đờng kiều không platform (các cảm biến không cần lắp trên một platform ổn định, mà
lắp trực tiếp lên đối tợng) với hiệu chỉnh bằng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS)

cho phép ứng dụng các cảm biến vi cơ trong việc ổn định ăng ten vệ tinh, điều khiển khí
cụ bay tự động, cũng nh các vũ khí trang bị hiện đại.
+Kỹ thuật robot. Dẫn đờng các robot dịch chuyển, điều khiển tay máy công nghiệp
là lĩnh vực có nhu cầu ứng dụng các cảm biến vi cơ gọn nhẹ, giá thành hạ.
Trong bài báo này đa ra tổng quan về các gia tốc kế và con quay chế tạo bằng công
nghệ vi cơ, đa ra những vấn đề trong thiết kế, chế tạo các cảm biến quán tính, đa ra xu
hớng phát triển của các cảm biến này. Do khuôn khổ của bài báo , các vấn đề sâu hơn
về mô phỏng, thiết kế và công nghệ chế tạo có thể tham khảo các tài liệu [1 - 5].

2. Gia tốc kế vi cơ
Gia tốc kế là một cảm biến gia tốc chuyển động của đối tợng (gia tốc các lực không
có bản chất trờng gây ra).

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc và mô hình cơ của gia tốc kế vi cơ kiểu điện dung

Một gia tốc kế gồm một khối lợng M treo trên các dầm có một hằng số đàn hồi K
có một hệ số giảm chấn (D. Gia tốc kế có thể đợc mô hình bởi một hệ thống khối trọng
- giảm chấn - lò xo (Hình 1. Mô hình gia tốc kế trên có phơng trình hàm truyền:
2
22
2
11
)(
)(
)(
r
r
s
Q
s

M
K
s
M
D
s
s
sx
sH



++
=
++
==
(1)
trong đó

là gia tốc bên ngoài, x là chuyển dịch của khối trọng,
M/K
r
=
là tần
số cộng hởng tự nhiên, và
D/KMQ =
là hệ số phẩm chất. Độ nhạy tĩnh của gia tốc
kế đợc chỉ ra là:

2

r
static
1
K
Mx

==

(2)

Rõ ràng là tần số cộng hởng của cấu trúc có thể đợc tăng bằng cách tăng hằng số
lò xo và giảm khối trọng, trong khi hệ số phẩm chất của thiết bị có thể đợc tăng bằng
cách giảm độ giảm chấn và tăng khối trọng. Cuối cùng, phản ứng tĩnh của thiết bị có thể
đợc nâng cao bằng cách giảm tần số cộng hởng.
Nguồn nhiễu tạp cơ học chính cho thiết bị là do chuyển động Brown của các phần tử
khí bao quanh khối trọng và chuyển động Brown của hệ treo khối trọng. Nhiễu tạp tổng
cộng tỉ lệ với gia tốc (TNEA) [m/s
2
/

Hz] là [2]

QM
TK4
M
TDK4
TNEA
rB
B

==
(3)
trong đó K
B
là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ K. Công thức (3) chỉ rõ rằng để
giảm nhiễu tạp cơ học, hệ số phẩm chất và khối trọng cần phải đợc tăng.
Chỉ tiêu chất lợng của gia tốc kế thờng đợc đánh giá bằng độ nhậy, dải đo, độ
trôi không, độ trôi do nhiệt độ, cũng nh khả năng chịu tác động của môi trờng (khả
năng chịu va đập, quá tải...)
Bảng 1 đa ra tóm tắt các tham số chất lợng của gia tốc kế cho các ứng dụng khác
nhau.

Bảng 1
Thông số Trong công nghiệp ô tô Dùng cho dẫn
đờng
Giải

50g (gối khí)

2g (hệ thống ổn định xe)

1g
Giải tần số DC 400 Hz DC 100Hz
Độ phân giải <100mg (gối khí)
<10mg (hệ thống ổn định
xe)
<4
à
g
Độ nhạy lệch trục <5% <0,1%

Độ không tuyến tính <2% <0,1%
Chịu va đập tối đa
trong 1 ms
>2000g >10g
Nhiệt độ làm việc -40
0
C tới 85
0
C -40
0
C tới 80
0
C
Bù trừ nhiệt độ trôi <60mg/
0
C
<50
à
g/
0
C
Bù trừ nhiệt độ của
độ nhạy
<900 phần triệu/
0
C

50 phần triệu/
0
C

Tuỳ thuộc vào nguyên lý lấy tín hiệu ra, gia tốc kế vi cơ thờng đợc chế tạo theo
kiểu áp trở và kiểu điện dung.
3
1)Các thiết bị áp điện trở.
(hình vẽ 2.) Một trong các gia tốc kế vi
cơ thơng mại đầu tiên, chế tạo bằng công
nghệ vi cơ [7] là áp điện trở. Các gia tốc kế
này có các áp điện trở bán dẫn trên dầm đỡ
của chúng. Khi khung đỡ chuyển dịch
tơng đối so với khối trọng, các dầm treo sẽ
kéo dài ra hay ngắn lại, điều này sẽ thay đổi
hình dạng áp lực của chúng và do đó đến độ
trở xuất của các áp điện trở nhúng của
chúng. Các áp điện trở này thờng đợc đặt
ở mép của vành đỡ và khối trọng, chỗ sự
thay đổi áp lực là lớn nhất. Do đó, một
mạch bán cầu hay cả mạch cầu có thể đợc
tạo ra bằng cách sử dụng 2 hay 4 áp trở.
Lợi thế chính của các gia tốc kế áp trở là sự đơn giản trong cấu trúc và quy trình chế
tạo, cũng nh mạch đọc đầu ra, do cầu điện trở tạo ra một trở kháng ra thấp. Tuy nhiên,
các gia tốc kế áp trở có độ nhạy nhiệt độ cao, và độ nhạy toàn bộ thấp hơn so với các
thiết bị cảm biến điện dung, và do đó thờng phải sử một khối trọng lớn. Sự phát triển
sớm của công nghệ vi cơ khối và kinh
nghiệm thu đợc bởi nhiều công ty trong
việc phát triển và thơng mại hoá các cảm
biến áp xuất dựa trên áp trở, đã giúp cho sự
phát triển ban đầu của các gia tốc kế áp trở
vi cơ sử dụng công nghệ vi cơ khối và công
nghệ hàn tấm bán dẫn [7 11]. Thiết bị

đợc thông báo trong [7] sử dụng một tấm
bán dẫn trung bình để tạo thành khối trọng
và các dầm, trong khi 2 tấm thuỷ tinh đợc
hàn gắn trên và dới che cấu trúc và cung
cấp khả năng chống va đập và giảm chấn.
Các thiết bị khác [8], [9] sử dụng một tấm
cơ sở thuỷ tinh hàn bên dới và một tấm
bán dẫn bên trên để chống va đập, đợc tạo
ra bởi hàn khuyếch tán bán dẫn và ăn mòn
cơ sở. Mới đây, việc chế tạo gia tốc kế vi cơ
áp trở với mạch giao diện CMOS đợc trình
bày [10], [11], dựa trên sử dụng một quy
trình chế tạo CMOS tiêu chuẩn có thay đổi một ít để thiết kế mạch bù trừ nhiệt độ và
đọc đầu ra, và ăn mòn khối tấm bán dẫn từ mặt cơ sở để tạo ra cấu trúc thiết bị. Khả
năng tự kiểm tra của các gia tốc kế vi cơ áp trở là có thể, bằng cách sử dụng lực phát
động nhiệt [15] hay tĩnh điện [16]. Độ nhạy của tất cả các thiết bị này thông thờng
trong khoảng 1-2mV/g trong giải 20-50g với một hệ số nhạy nhiệt độ không bù trừ
(TCS) <0,2%/
0
C.

2). Các thiết bị cảm biến điện dung.(Hình vẽ 3). Trong sự hiện diện của gia tốc bên
ngoài, khung đỡ của một gia tốc kế chuyển dịch khỏi vị trí nghỉ của nó, qua đó thay đổi
điện dung giữa khối trọng và một điện cực cảm ứng cố định cách nó một khe hở nhỏ. Tụ
xuất này có thể đợc đo đợc bằng mạch điện tử. Các gia tốc kế tụ bán dẫn có nhiều u
điểm là do chúng rất hấp dẫn với nhiều ứng dụng, từ các gia tốc kế giá rẻ, số lợng sản
xuất lớn trong ô tô [16], [17], tới các thiết bị đo vi gia tốc chính xác cao cấp quán tính
[18]. Chúng có độ nhạy cao, tính năng phản ứng với điện áp một chiều tốt và ít nhiễu
tạp, độ trôi nhỏ, ít nhạy cảm nhiệt độ, tiêu hao ít năng lợng và cấu trúc đơn giản. Tuy

Hình 2. Gia tốc kế kiểu áp điện
Hình3. Gia tốc kế kiểu điện dung
4
nhiên các gia tốc kế tụ có thể dễ bị ảnh hởng bởi nhiễu tạp điện từ (EMI), do cực cảm
biến của chúng có trở xuất lớn. Vấn đề này có thể khắc phục đợc bằng bao gói đúng
đắn và che chắn gia tốc kế và mạch giao diện của nó.

3.Con quay vi cơ
















Hai thanh của âm thoa thực hiện dao động theo phơng Oy với tôc độ
v(t)=A
0
sin(

t), nếu đế của âm thoa quay theo trục Oz vơí tốc độ

thì thanh chịu tác
động của lực Coriolis biến thiên theo thời gian Fc(t)=2*v(t)*

và làm các thanh dao
động theo phơng Ox, biên độ của dao động này tỷ lệ với tốc độ quay của đế

. Hầu hết
các con quay vi cơ đều dựa trên nguyên lý này.

Những chỉ tiêu chất lợng cơ bản của con quay là: Độ phân giải, độ trôi,và độ ổn
định của hệ số chuyển đổi. Một số yêu cầu tính năng của các con quay cho các mục đích
khác nhau đợc đa ra ở bảng 2.
Bảng 2


Thông số cấp độ đo cấp độ chiến
thuật
cấp độ quán
tính
Bớc góc ngẫu nhiên,
0
/

h
>0,5 0,5-0,05 <0,001
Độ trôi,
0
/h 10-1000 0,1-10 <0,01

Độ chính xác hệ số
đo, %
0,1-1 0,01-0,1 <0,001
Dải đo toàn bộ (
0
/s) 50-1000 500 400
Chịu va đập tối đa
trong 1ms, gs
10
3
10
3
- 10
4
10
3

Độ rộng băng, Hz >70 -100 -100

Nói chung con quay có thể đợc phân loại thành 3 nhóm khác nhau dựa trên tính
năng của chúng: cấp độ quán tính, cấp độ chiến thuật và cấp độ đo. Bảng 2 tóm tắt các
yêu cầu cho mỗi cấp trong các nhóm này. Trong vài năm gần đây, hầu hết cố gắng trong
phát triển con quay bán dẫn gia công vi cơ tập trung vào các thiết bị cấp độ đo, chủ
yếu do việc sử dụng chúng trong các ứng dụng ô tô. ứng dụng này đòi hỏi một dải đo
toàn bộ ít nhất là 50
0
/s và một độ phân giải khoảng 0,1
0
/s trong một độ rộng băng 50Hz,
tất cả với giá thành từ 10-20USD. Nhiệt độ làm việc trong khoảng -40 đến 85

0
C. Đây
Hầu hết tất cả các con quay
gia công vi cơ đợc thông
báo đều sử dụng các phần t
ử
dao động cơ khí để cảm
nhận sự quay. Chúng không
có các phần quay đòi hỏi
vòng bi, và do đó có thể dễ
dàng thu nhỏ và sản xuấ
t
hàng loạt sử dụng kỹ thuật
gia công vi cơ. Tất cả các
con quay dao động dựa trên
chuyển đổi năng lợng giữ
a
hai chế độ dao động của một
cấu trúc gây ra bởi gia tốc
Coriolis.
(Hình 4.)
Hình 4. Minh hoạ hiệu ứng gia tốc
Coriolis trong con quay dao động
5
cũng có nhiều ứng dụng khác đòi hỏi các tính năng nâng cao, bao gồm định vị quán
tính, dẫn đờng, ngời máy và vài thiết bị điện tử dân dụng. Ngày nay các con quay
quang học là những con quay chính xác nhất có trên thị trờng. Trong chúng con quay
laser mạch vòng thể hiện tính năng cấp độ quán tính, trong khi các con quay sợi quang
đợc sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng chiến thuật. Con quay cộng hởng bán cầu
HRG của Delco là một con quay dao động đã đạt đợc tính năng cấp độ quán tính [15].

Mặc dù rất chính xác, các thiết bị này quá đắt và cồng kềnh đối với nhiều ứng dụng giá
thành thấp. Đạt các mức tính năng cấp độ quán tính và cấp độ chiến thuật là một thách
thức lớn với con quay gia công vi cơ, và hiện nay nhiều công nghệ và cách tiếp cận mới
đang đợc phát triển. Do độ tơng thích lớn của chúng với các công nghệ chế tạo loạt,
bài báo này chỉ tổng quan các con quay dao động bán dẫn gia công vi cơ.
Phụ thuộc vào công nghệ chế tạo phần tử cảm biến, con quay vi cơ thờng đợc chế
tạo từ thạch anh và silic. Đầu những năm 1980 một số hãng nh Systron Donner,
Watson Industries.. ứng dụng thạch anh để chế tạo bộ cộng hởng của con quay vi cơ
(Hình 4).

F
kích thích
coriolis
F

Hình 4: Con quay QRS11 của hãng Systron Donner (Mỹ)

Con quay QRS11 có khối lợng nhỏ (60g), độ trôi nhỏ hơn 10
0
/h. Những con quay
nh thế này đã đợc ứng dụng trong hệ thống quán tính có hiệu chỉnh GPS. Các con
quay vi cơ bằng thạch anh có nhợc điểm kích thớc lớn, giá thành cao so với các thiết
bị tơng đơng làm bằng silic.
Silic không chỉ là vật liệu cho công nghiệp điện tử, mà là vật liệu kết cấu có nhiều
tính chất nổi trội: độ bền riêng cao, ma sát trong thấp, cho phép tạo ra các bộ cộng
hởng cơ học có hệ số phẩm chất cao (50000
ữ
80000).
Sau mẫu con quay vi cơ đầu tiên của phòng thí nghiệm Draper với độ trôi 1000
0

/h,
hiện nay phòng thí nghiệm Draper đã thiết kế, chế tạo đợc mẫu con quay vi cơ có độ
chính xác cao tới 1
0
/h.
Phát triển con quay vi cơ kiểu quay-quay (R-R): một số hãng nh Silicon Sensing
(Nhật), Trờng đại học IMIT (Đức) đã đa ra con quay vi cơ có bộ cộng hởng kiểu
vòng kín.