Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của luận án
Ngày nay, vấn đề đánh dấu vị trí của một vật thể là một kỹ thuật rất
được quan tâm bởi khả năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như quân
sự, công nghiệp, y học và dân dụng. Vấn đề trên có thể giải quyết một cách
hiệu quả trên cơ sở ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính (IMU). Hệ
IMU thường có cấu hình bao gồm ba vi cảm biến gia tốc và ba vi cảm biến
vận tốc góc được đặt vuông góc với nhau. Hệ thống này được gắn lên vật
thể chuyển động và cho phép xác định gia tốc và vận tốc góc của vật thể
đó.
Các cảm biến quán tính MEMS, vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến
gia tốc, đã được quan tâm nghiên cứu bởi có các ưu điểm nổi trội như giá
thành thấp, kích thước nhỏ, năng lượng sử dụng thấp, có thể chế tạo hàng
loạt và dễ dàng tích hợp với các mạch điện tử. Đối với các ứng dụng trong
công nghiệp robot, công nghiệp ô tô và thiết bị dân dụng, các cảm biến
quán tính MEMS hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về tiêu chí kỹ thuật nên đã
được sử dụng trong một số ứng dụng chẳng hạn như hệ thống túi khí bảo
vệ, hệ thống IMU xác định vị trí của vật thể, hệ thống camera,...
Các cảm biến quán tính sau khi chế tạo thường được đóng gói trong
chân không nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng suy hao là những
yếu tố ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của linh kiện. Các hiệu ứng suy hao
đó làm giảm hệ số phẩm chất Q của linh kiện dẫn cũng như độ nhạy của
linh kiện. Tuy nhiên, đóng gói chân không là một công nghệ phức tạp đòi
hỏi đầu tư thiết bị rất tốn kém. Mặt khác, các công bố khoa học về nghiên
cứu thiết kế chế tạo cảm biến quán tính có thể hoạt động trong môi trường
áp suất khí quyển vẫn còn hạn chế. Chính vì vậy, định hướng nghiên cứu
thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS có khả năng hoạt động
trong môi trường áp suất khí quyển đã được quan tâm.
Từ các phân tích trên, luận án với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo
vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ” đã được
lựa chọn.

2. Mục tiêu của luận án
- Thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động có hệ số phẩm
chất và độ nhạy cao trong môi trường áp suất khí quyển.
- Thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có thể cho
phép xác định đồng thời các gia tốc theo ba phương vuông góc và có độ
nhạy chéo trục thấp.

1


3. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài luận án đã được thực hiện trên cơ sở phương pháp mô phỏng lý
thuyết và phương pháp thực nghiệm:
- Bài toán phân tích mode, mô phỏng các đặc trưng tần số, sự phụ thuộc
của chuyển vị và độ thay đổi điện dung đã được thực hiện trên cơ sở
phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS.
- Công nghệ vi cơ khối khô đã được sử dụng để chế tạo cảm biến.
- Các đặc trưng tần số và đặc trưng tín hiệu ra của các cảm biến đã được
khảo sát trên cơ sở các hệ đo được xây dựng. Độ nhạy của các cảm biến
được đánh giá.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Trong khuôn khổ của luận án, vấn đề thiết kế đưa ra mô hình vi cảm
biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do
trên cơ sở mô phỏng phân tích mode và các đặc trưng của hai loại cảm biến
quán tính đã được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng
phần mềm ANSYS. Trong trường hợp vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm
thoa, độ tổn hao nén và độ tổn hao trượt có giá trị thấp do cảm biến được
thiết kế có cấu trúc kiểu trục Z và được treo trên đế khung. Cấu trúc đẩy
kéo với bánh xe tự quay được đề xuất đã hạn chế được các mode dẫn động
đồng pha và mode cảm ứng đồng pha không mong muốn. Đối với vi cảm

biến gia tốc kiểu tụ, cấu trúc thanh dầm gập dạng L cho phép xác định đồng
thời ba thành phần gia tốc. Các cảm biến đã được chế tạo thành công trên
cơ sở quy trình chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ khối khô. Các hệ đo đặc
trưng của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc trên
cơ sở sử dụng bộ mạch chuyển đổi C/V MS3110 và phần mềm xử lý tín
hiệu LabvieW đã được xây dựng. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số
phẩm chất và độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đạt giá trị
khá lớn trong môi trường áp suất khí quyển. Đối với vi cảm biến gia tốc
kiểu tụ, hiện tượng chéo trục đã được hạn chế.
- Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công vi cảm biến vận tốc góc
kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do mở ra khả năng
tích hợp chúng trong hệ linh kiện dẫn đường quán tính MEMS.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc đế khung kiểu âm thoa có
độ tổn hao nén và trượt thấp và cho phép hạn chế các mode dẫn động đồng
pha và mode cảm ứng đồng pha. Vi cảm biến vận tốc góc với hệ số phẩm
chất mode cảm ứng 111,2 và độ nhạy 11,56 mV/o/s cho thấy khả năng hoạt
động của linh kiện trong môi trường không khí.
2


- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có cấu trúc
thanh dầm gập dạng L. Cấu trúc của cảm biến cho phép giảm thiểu hiện
tượng chéo trục và cho phép xác định đồng thời ba thành phần gia tốc với
độ nhạy theo phương X, Y và Z tương ứng là 13 mV/g, 11 mV/g và 0,2
mV/g.
Kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 03 bài báo
quốc tế:
[1] Minh Ngoc Nguyen et al (2017), Z-Axis Micromachined Tuning Fork
Gyroscope with Low Air Damping, Micromachines, Volume 8, Issue 2, pp.1-10.

[2] Minh Ngoc Nguyen et al (2018), Z-axis tuning fork gyroscope having a
controlled anti-phase and freestanding architecture: design and fabrication,
International Journal of Nanotechnology (IJNT), Vol. 15, pp.14-23.
[3] Minh Ngoc Nguyen et al (2019), A Two Degrees of Freedom Comb
Capacitive-Type Accelerometer with Low Cross-Axis Sensitivity, Journal of
Mechanical Engineering and Sciences (JMES) Vol. 13, pp.5334-5346.

6. Cấu trúc của luận án
Chương I: Tổng quan
Chương II: Cơ sở phương pháp mô phỏng và thực nghiệm
Chương III: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS
kiểu âm thoa
Chương IV: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba
bậc tự do
Kết luận: Trình bày tóm lược các kết quả chính của luận án.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong chương này, tổng quan về một số vấn đề liên quan đến công nghệ
vi cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc
góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được trình bày.
I.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS
Công nghệ MEMS loại hình công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ
vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản của
công nghệ này như 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), hàn dây (wire
bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging). Bên cạnh đó là các kỹ
thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế tạo ra các vi
cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching) và hàn ghép
phiến (silic to silic/ silic to glass bonding).
Công nghệ MEMS được phân loại thành ba loại chính:

- Công nghệ vi cơ khối: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ
thuật chính như quang khắc, ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối
3


ướt), ăn mòn khô trong môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép
phiến… Công nghệ vi cơ khối được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc
MEMS ba chiều trong các vật liệu đế như tinh thể Si, tinh thể thạch anh,
SiC, GaAs, thủy tinh,...
- Công nghệ vi cơ bề mặt: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ
thuật chính như quang khắc, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy
sinh, ăn mòn khô,… Công nghệ vi cơ bề mặt được ứng dụng để chế tạo các
cấu trúc MEMS ba chiều trên bề mặt đế.
- Công nghệ LIGA: LIGA là chữ viết tắt của các từ tiếng Đức X –
ray Lithographie (quang khắc tia X), Galvanoformung (mạ điện) và
Abformtechnik (vi đúc). Công nghệ LIGA liên quan đến quá trình quang
khắc tia X, trong đó lớp vật liệu cảm tia X dày cỡ từ micrô mét đến xăngti
mét được chiếu xạ bởi chùm tia X năng lượng cao. Cấu trúc ba chiều trong
lớp cảm bức xạ thu được sau quá trình hiện hình. Trên cơ sở quá trình mạ
điện, cấu trúc trong vật liệu cảm bức xạ được điền đầy bởi vật liệu kim loại.
Sau khi loại bỏ chất cảm bức xạ ta thu được cấu trúc kim loại như thiết kế.
Cấu trúc kim loại có thể là sản phẩm cuối cùng hoặc được tiếp tục sử dụng
như là vi khuôn để tạo ra các sản phẩm tiếp theo trên cơ sở quá trình đúc sử
dụng vật liệu chất dẻo. Các cấu trúc chất dẻo thu được có thể được sử dụng
làm vi khuôn để tạo ra các cấu trúc bằng kim loại ở dạng hàng loạt trên cơ
sở tiến hành quá trình đúc lần thứ hai. Như vậy, công nghệ LIGA được
thực hiện dựa trên kỹ thuật nền tảng như kỹ thuật khắc bằng chùm tia X, kỹ
thuật vi đúc và kỹ thuật lắng đọng điện hóa (mạ điện).
I.2. Vi cảm biến vận tốc góc
I.2.1. Vi cảm biến vận tốc góc cổ điển

I.2.2. Vi cảm biến vận tốc góc quang học
I.2.3. Vi cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)
I.2.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
I.2.4.1. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động dựa
trên hiệu ứng Coriolis.
I.2.4.2. Phương trình động lực học

mx  c x x  kx  2my  Fd
 
my  c y y  ky  2mx  0
Trong đó: m là khối lượng của khối gia trọng, k là hệ số đàn hồi, cx và cy
là hệ số giảm chấn theo phương x và phương y, Ω là vận tốc góc và Fd là
lực dẫn động.
I.2.4.3. Phân loại và các đặc trưng của vi vi cảm biến vận tốc góc dao động
4


1.2.5. Tình hình nghiên cứu phát triển vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
I.2.5.1. Vi cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals gyroscope)
I.2.5.2. Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating ring gyroscope)
I.2.5.3. Vi cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)
I.2.5.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)

Đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, các công bố khoa học của
các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã tập trung giải quyết các
vấn đề: (i) Tăng cường biên độ dao động của mode kích thích; (ii) Tăng
cường hệ số phẩm chất của mode cảm ứng bằng cách giảm thiểu hiệu ứng
suy hao (iii) Tối đa khối lượng khối gia trọng để tạo lực Coriolis, đồng thời
tối thiểu khối lượng bị kích thích bởi lực Coriolis; (iv) Tăng cường độ ổn

định của linh kiện mà nguyên nhân liên quan tới sai sót trong chế tạo và thế
dòng trôi gây bởi nhiệt độ; (v) Khống chế sự phù hợp mode cộng hưởng
trên cơ sở cơ cấu cơ học và mạch điện tử điều khiển.
Mặt khác, các nghiên cứu về vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa hoạt
động trong môi trường áp suất khí quyển chưa được quan tâm nhiều. Để có
thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển, các hiệu ứng suy hao cần
được tính đến trong thiết kế mô phỏng nhằm tăng cường hệ số phẩm chất
Q.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, thiết kế chế tạo vi cảm biến
vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số phẩm chất Q và độ nhạy cao trong môi
trường áp suất khí quyển đã được đặt ra.
I.3. Cảm biến gia tốc
I.3.1. Bối cảnh lịch sử
I.3.2. Phân loại cảm biến gia tốc
I.3.2.1. Nguyên lý hoạt động
I.3.2.2. Vi cảm biến gia tốc cân bằng lực
I.3.2.3. Vi cảm biến gia tốc kiểu lệch
I.3.3. Các thông số đặc trưng của cảm biến gia tốc
I.3.4. Phân loại vi cảm biến gia tốc MEMS
I.3.4.1. Vi cảm biến gia tốc áp điện
I.3.4.2. Vi cảm biến gia tốc áp điện trở
I.3.4.3. Vi cảm biến gia tốc điện dung
I.3.4.4. So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc
I.3.5. Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS

Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS có những ưu điểm như độ
nhạy cao, độ nhiễu thấp, ảnh hưởng của nhiệt độ không đáng kể và năng
lượng điện tiêu thụ thấp [63]. Vi cảm biến gia tốc điện dung tụ vi sai đã
được phát triển nhằm tăng cường độ tuyến tính cũng như nâng cao tỷ số
tính hiệu trên độ nhiễu [64]. Để đo tín hiệu điện dung nhỏ trong vi cảm

biến gia tốc điện dung, các kỹ thuật chuyển mạch tụ đã được đề xuất [655


67]. Trong phần lớn các nghiên cứu, các vi cảm biến gia tốc điện dung
được thiết kế chế tạo để đo gia tốc theo một phương. Loại vi cảm biến gia
tốc loại này gọi là vi cảm biến gia tốc đơn trục hay vi cảm biến gia tốc 1
bậc tự do. Để có thể phát triển các hệ thống phân tích đối với chuyển động
của các vật thể, loại vi cảm biến gia tốc đa trục đã được quan tâm nghiên
cứu phát triển. Sự phát triển của công nghệ MEMS chẳng hạn như công
nghệ vi cơ bề mặt và công nghệ vi cơ khối đã mở ra khả năng chế tạo các vi
cảm biến gia tốc có kích thước thu nhỏ cũng như sự tăng cường độ phẩm
chất của linh kiện. Hiện nay, vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS được
chế tạo trên cơ sở sử dụng loại đế SOI đã và đang rất được quan tâm bởi
quy trình công nghệ chế tạo không phức tạp và có tính ổn định cao và được
thực hiện nhờ sử dụng lớp ôxít đệm đóng vai trò là một lớp dừng ăn mòn
[68, 69]. Vi cảm biến gia tốc trục z có khối gia trọng dịch chuyển vuông
góc với bề mặt linh kiện (out-of-plane z axis accelerometers) sử dụng cơ
chế nhạy điện dung kiểu tụ vi sai đã được nghiên cứu nhằm tích hợp trên
cùng một đế SOI tạo ra cảm biến có thể nhạy với ba thành phần gia tốc
[70]. Một số nhóm nghiên cứu cũng đã đưa ra cấu hình vi cảm biến gia tốc
hai bậc tự do điện dung kiểu tụ vi sai [67, 70-72]. Tuy nhiên, việc chế tạo
vi cảm biến gia tốc điện dung kiểu tụ vi sai nhạy với hai thành phần gia tốc
trong mặt phẳng là một vấn đề khó khăn cần có các giải pháp thích hợp.
Hơn nữa, sự ảnh hưởng của dao động ngoại lai tới hoạt động của cảm biến
cần được hạn chế nhằm giảm tín hiệu nhiễu [73]. Như vậy xu hướng nghiên
cứu phát triển vi cảm biến gia tốc điện dung đa bậc tự do cho phép xác định
đồng thời các thành phần gia tốc của vật thể chuyển động đã được đặt ra
nhằm tăng cường hiệu quả ứng dụng của loại linh kiện này trong thực tế
đặc biệt trong tích hợp các cảm biến quán tính MEMS trong hệ thống dẫn
đường quán tính.

Kết luận Chương 1
Trong chương này, tổng quan một số vấn đề liên quan đến công nghệ vi
cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc góc
và vi cảm biến gia tốc đã được đề cập.
Từ các phân tích trong phần tổng quan, hai loại cảm biến quán tính điện
dung MEMS, vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu
tụ, sẽ được tập trung nghiên cứu. Đối với vi cảm biến vận tốc góc âm thoa,
vấn đề thiết kế chế tạo cảm biến có hệ số phẩm chất Q và độ nhạy cao trong
môi trường áp suất khí quyển sẽ được quan tâm nghiên cứu. Về vi cảm biến
gia tốc kiểu tụ, vấn đề thiết kế chế tạo loại cảm biến đa bậc tự do có thể
đồng thời nhạy với các thành phần của gia tốc sẽ được thực hiện. Kết quả
6


nghiên cứu hai loại cảm biến trên là tiền đề cho sự tích hợp chúng trong các
mô đun dẫn đường quán tính.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Trong chương này, các vấn đề liên quan tới cơ sở mô phỏng linh kiện và
các kỹ thuật thực nghiệm sẽ được trình bày.
II.1. Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS
Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số, thường được
dùng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng
phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Cơ sở của phương pháp là chia vật
thể ra thành một tập hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết
hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng mà liên kết với nhau
tại các điểm nút. Trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất được xác định
trên từng miền con. Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn.
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu
hạn (Finite Element Analysis - FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính
toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu

hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác
giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
II.2. Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến
gia tốc
II.2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có cấu hình được mô tả như trên
hình 2.3. Về nguyên lý, cảm biến gồm hai khối gia trọng được gắn với
khung cố định bởi các dầm treo đàn hồi và được liên kết với nhau qua hệ
dầm ghép nối đàn hồi.

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc.

Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa được chế tạo trên cơ sở công
nghệ vi cơ khối sử dụng đế SOI (Silicon On Insulator). Quy trình chế tạo
cảm biến với các bước công nghệ chính như quang khắc, ăn mòn khô sâu,
phún xạ được trình bày trên hình 2.4.

7


(a ) Phiến SOI

(e ) Phún xạ điện cực

(b ) Quang khắc

(f ) Ăn mòn khô sâu

(c ) Ăn mòn SiO2

(g ) Ăn mòn SiO2 đệm
Lớp SiO2 nhiệt
Lớp Si đế

(d ) Ăn mòn khô sâu

Lớp Si linh kiện

Lớp SiO2 đệm
Pt
Lớp cảm quang

Hình 2.4 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc trên cơ sở công
nghệ vi cơ khối.

II.2.2. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ
Vi cảm biến gia tốc kiểu tụ có cấu hình được mô tả như trên hình 2.5 và
được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Sơ đồ mô tả các bước chính
trong quy trình chế tạo vi cảm biến gia tốc được trình bày trên hình 2.6.
(a) Phiến Si

(b) Quang khắc

Hình 2.5 Mô hình cấu trúc vi cảm biến gia tốc.
(a) Phiến Si

(c) Ăn mòn SiO2

(d) Ăn mòn khô sâu

(b) Quang khắc
(e) Phún xạ điện cực

(c) Ăn mòn SiO2
(f) Ăn mòn lớp SiO2 đệm

(d) Ăn mòn khô sâu

Lớp SiO2 nhiệt

Lớp SiO2 đệm

Lớp Si linh kiện

Lớp Au

Lớp Si đế

Lớp cảm quang

Hình 2.6 Quy trình chế tạo cảm biến gia tốc.
(e) Phún xạ điện cực

II.3. Phương pháp đo đáp ứng tần số của cảm biến
II.3.1. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc

Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số đối với vi cảm biến gia tốc được trình bày
trên hình 2.10. Ảnh chụp hệ đo đặc trưng tần số của vi cảm biến gia tốc
được trình bày trên hình 2.11.
(f) Ăn mòn lớp SiO2 đệm

Lớp SiO2 nhiệt

Lớp SiO2 đệm

Lớp Si linh kiện

Lớp Au

Lớp Si đế

Lớp cảm quang

8


Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số cảm biến gia tốc.

Hình 2.12 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng tần số của cảm biến gia tốc.
II.3.2. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc

Hai cấu hình mạch điện tử đã được sử dụng: cấu hình chấp hành hai
cổng và cấu hình chấp hành một cổng.

Hình 2.14 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần
số kiểu chấp hành một cổng.

Hình 2.13 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số
kiểu chấp hành hai cổng.

II.4. Xây dựng hệ đo vận tốc góc
Sơ đồ khối và sơ đồ thiết lập thực nghiệm của hệ đo đặc trưng điện ápvận tốc góc của vi cảm biến vận tốc góc được trình bày trên hình 2.15 a&b.

Hình 2.15 Hệ đo đặc trưng điện áp-vận tốc góc của cảm biến: (a) Sơ đồ khối và
(b) Sơ đồ thiết lập thực nghiệm.

Hệ đo đặc trưng điện áp-vận tốc góc của vi cảm biến vận tốc góc đã
được xây dựng thành công và được trình bày trên hình 2.20.

9


Hình 2.20 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng điện áp-vận tốc góc
của vi cảm biến vận tốc góc.

II.5. Xây dựng hệ đo gia tốc
Sơ đồ khối và sơ đồ thiết lập thực nghiệm của hệ đo đặc trưng điện ápgia tốc của vi cảm biến gia tốc được trình bày trong hình 2.21 a&b.

Hình 2.21 Hệ đo đặc trưng điện áp-gia tốc của cảm biến gia tốc: (a) Sơ đồ khối
và (b) Sơ đồ thiết lập thực nghiệm.

Hình 2.24 trình bày hệ đo đặc trưng điện áp-gia tốc của cảm biến đã
được xây dựng.

Hình 2.24 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng điện áp-gia tốc của cảm biến gia tốc.

Kết luận Chương 2
- Đã giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS làm
cơ sở cho mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc.
- Đã trình bày quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và vi

cảm biến gia tốc trên cơ sở công nghệ vi cơ khối khô.
- Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm
biến gia tốc đã được trình bày.
- Đã xây dựng hệ đo vận tốc góc và hệ đo gia tốc. Hệ đo hai loại cảm biến
sử dụng bộ chuyển đổi C/V MS3110 với sai số đạt giá trị cỡ  0,4%.
Kết quả xây dựng hệ đo đặc trưng điện áp – gia tốc của vi cảm biến vận
tốc góc đã được đăng trong tạp chí Khoa học công nghệ quân sự. Số đặc
san 2018
10


CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN
VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA
Trong chương này, các nội dung chính luận án liên quan đến nghiên cứu
thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa sẽ trình
bày.
III.1. Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
III.1.1. Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc
Cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc âm thoa đã được đề xuất (Hình 3.1).

Hình 3.1 Mô hình cấu trúc của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa: (1) Khung ngoài,
(2) Khung trong, (3)Hệ điện cực răng lược dẫn động, (4) Hệ điện cực răng lược
cảm ứng, (5) Dầm gấp, (6) Neo, ( 7) Dầm kết nối dạng thoi, (8) Vòng tự xoay.
Trong thiết kế vi cảm biến vận tốc góc âm thoa, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng
của hiệu ứng suy hao nén, chúng tôi đã đưa ra cấu hình của vi cảm biến vận tốc
góc kiểu trục Z. Để giảm thiểu độ tổn hao do hiệu ứng trượt, các phần tử dao động
của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa được thiết kế để có thể treo tự do trên đế
khung. Cấu trúc dầm liên kết dạng hình thoi tạo bởi bốn thanh dầm thẳng (7) và
cấu trúc đẩy kéo trên cơ sở sử dụng thanh dầm gắn với khung tròn tự xoay (8) đã
được sử dụng nhằm tạo dao động ngược pha đối với mode dẫn động và mode cảm

ứng. Trên cơ sở thiết kế được đề xuất, hiệu ứng nhiễu được giảm thiểu dẫn tới làm
tăng cường độ nhạy của cảm biến [77].
Bảng 3.1 Thông số thiết kế của vi cảm biến vận tốc góc.
STT
Thông số thiết kế
Kích thước
1
Chiều dài răng lược kích thích
30 μm
2
Chiều rộng răng lược kích thích
3 μm
3
Răng lược kích thích gối nhau
10 μm
4
Khoảng trống răng lược kích thích
2.5 μm
5
Chiều dài răng lược cảm ứng
100 μm
6
Chiều rộng răng lược cảm ứng
3 μm
7
Độ xếp chồng răng lược cảm ứng
90 μm
8
Khoảng trống răng lược cảm ứng nhỏ 2.5 μm
9

Khoảng trống răng lược cảm ứng lớn
7.5 μm
10
Số răng lược kích thích
1584
11
Số răng lược cảm ứng
352
12
Kích thước lỗ
10 μm x 10 μm
13
Độ dày linh kiện
30 μm
14
Kích thước neo
100 μm x 100 μm
15
Diện tích linh kiện ngoài cùng
4554 m x 3935 m
11


III.1.2. Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến
Với đặc điểm của từng loại dầm, trong luận án chúng tôi lựa chọn sử
dụng hai loại dầm cho dẫn động và cảm ứng được thiết kế như hình 3.8a&b
và thông số kích thước được trình bày trên bảng 3.2 [34]:

(a)
(b)

Hình 3.8: Cấu trúc thanh dầm được thiết kế: (a) Dầm gấp cảm ứng,
(b) Dầm gấp kép dẫn động.
Bảng 3.2: Thông số kích thước của dầm dẫn động và dầm cảm ứng.
STT
Thông số thiết kế
Kích thước
1
Chiều dài dầm dẫn động (Ldrive)
538 μm
2
Chiều rộng dầm dẫn động (wdrive)
9 μm
3
Chiều dài dầm cảm ứng (Lsense)
230 μm
4
Chiều rộng dầm cảm ứng (wsense)
6 μm
5
Độ dày dầm (h)
30 μm

Độ cứng của dầm cảm ứng: Kf = 34,6 N/m.
Độ cứng của dầm dẫn động: Kdf = 69,2 N/m.
III.1.3. Kết quả tính toán mô phỏng
III.1.3.1. Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng
Trong thiết kế của chúng tôi, cấu hình tụ điện răng lược cảm ứng vi sai
(Hình 3.11) được sử dụng để tuyến tính hóa sự thay đổi điện dung theo
chuyển vị.

Hình 3.11 Cấu hình tụ điện răng lược cảm ứng vi sai.

Khi đó, độ thay đổi điện dung của tụ điện răng lược cảm ứng được xác
định như sau:
2N o wx o y 2N o wx o
(3.14)
C  C  C 

y
S

S

yo2  y 2

yo2

Như vậy, độ thay đổi điện dung của hệ tụ tỷ lệ nghịch với bình phương
khoảng cách ban đầu giữa chúng và tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển của bản
tụ theo phương cảm ứng. Do đó, để tăng mức tín hiệu, khoảng cách ban đầu
y0 cần có giá trị nhỏ nhất thích hợp.
Xét cấu trúc một cặp tụ vi sai như hình 3.12b.

12


Hình 3.12 Cấu trúc của một cặp tụ (b).

Độ thay đổi điện dung của hệ được xác định như trong biểu thức sau:
8 o WlL

1
1
1
1
(3.27)
C 

2W  g  d g  x



g



dx



d

C (F)

Ta thấy rằng sự thay đổi điện dung phụ thuộc vào d. Kết quả khảo sát sự
phụ thuộc của ΔC vào d ứng với chuyển vị nhỏ nhất x =1 μm và g = 2,5 μm
(hình 3.13) cho thấy ΔC đạt giá trị lớn nhất khi khoảng cách lớn của tụ
điện d có giá trị là 7 m. Như vậy, khoảng cách giữa hai bản cực cố định
liền kề trong hệ tụ răng lược vi sai cảm ứng cần có giá trị là 12,5 m.
Trên cơ sở xác định được giá trị tối ưu của khoảng cách lớn d, chúng ta
tiến hành khảo sát sự phụ thuộc của độ thay đổi điện dung C vào chuyển

vị x của răng lược cảm ứng và kết quả được trình bày trên hình 3.14.
3.5x10

-13

3.0x10

-13

2.5x10

-13

2.0x10

-13

1.5x10

-13

1.0x10

-13

5.0x10

-14

0.0

2.0x10

-6

4.0x10

-6

6.0x10

-6

8.0x10

-6

1.0x10

-5

d (m)

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của sự thay
đổi điện dung vào khoảng cách lớn d.

Hình 3.14 Sự phụ thuộc của sự thay
đổi điện dung vào chuyển vị của răng
lược cảm ứng.

III.1.3.2. Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm

biến
Hệ số suy hao của mode dẫn động Cdrive sẽ bằng tổng của hệ số suy hao
trượt Cslide-drive và hệ số suy hao nén Csqueeze-drive:
(3.29)
Cdrive  Cslidedrive  Csqueezedrive
Hệ số suy hao của mode cảm ứng Csense sẽ bằng tổng của hệ số suy hao
trượt Cslide-sense-proofmass và hệ số suy hao nén Csqueeze-sense-combs:

Csense  Cslidesense proofmass  Csqueezesensecombs

(3.31)
Hệ số phẩm chất của mode dẫn động Qdrive và mode cảm ứng Qsense được
xác định như trong các biểu thứ sau:

13


Qsens 

k sense M sense

Qdrive 

k drive M drive

C sense
C drive

(3.37)

(3.38)

Trong đó ksense= 240,054 N/m, Msense= 6,18x10-8 kg và kdrive= 468,471
N/m, Mdrive = 1,17x10-7 kg tương ứng là độ cứng và khối lượng của khối
cảm ứng và khối dẫn động.
Kết quả tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến được
trình bày trên bảng 3.3.
Bảng 3.3 Hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của vi cảm biến vận tốc góc
loại đế tấm và đế khung.
Loại
Cdrive
Csense
S
Qdrive Qsense
cảm biến
(kg/s)
(kg/s)
(pF/rad/s)
Đế tấm
4,5x10-5
4,59x10-5
250
84,7
0,021
-5
-5
Đế khung
1,94x10
3,26x10
381

118,3
0,034

Kết quả thu được cho thấy, hệ số phẩm chất của mode dẫn động và
mode cảm ứng của vi cảm biến vận tốc góc đế khung có giá trị lớn hơn so
với trường hợp vi cảm biến vận tốc góc đế tấm. Độ nhạy S của vi cảm biến
vận tốc góc đế khung (0,034 pF/rad/s) có giá trị lớn hơn so với trường hợp
vi cảm biến vận tốc góc đế tấm (0,021 pF/rad/s).
III.1.3.3. Mô phỏng phân tích mode của cảm biến
Kết quả phân tích FE đối với mode cảm ứng ngược pha và mode dẫn
động ngược pha của vi cảm biến vận tốc góc được đưa ra trong hình 3.16
a&b.
Tần số cộng hưởng của mode dẫn động ngược pha và mode cảm ứng
ngược pha có giá trị tương ứng tương ứng là 9,788 kHz và 9,761 kHz và ∆f
có giá trị là 25 Hz.

(a)

(b)

Hình 3.16 Kết quả phân tích FE của vi cảm biến vận tốc góc: (a) Mode
cảm ứng ngược pha và (b) Mode dẫn động ngược pha.

Kết quả phân tích mode của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa được tổng
hợp trong bảng 3.4.
14


Bảng 3.4 Kết quả phân tích mode của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa.
TT

Tần số
Loại mode
1
9.761
Mode cảm ứng ngược pha
(Hz)
2
9.788
Mode dẫn động ngược pha
3
15.402
Mode vênh khung ngoài ngược pha trục x
4
15.684
Mode vênh khung ngoài đồng pha trục x
5
18.190
Mode dẫn động đồng pha
6
19.599
Mode xoắn đồng pha trục x
7
19.676
Mode xoắn ngược pha trục x
8
20.978
Mode xoắn khung trong ngược pha trục y
9
22.623
Mode xoắn khung trong đồng pha trục y

10
24.066
Mode cảm ứng đồng pha

Sự khác biệt về tần số cộng hưởng giữa hai mode đầu tiên liên quan đến
mode dẫn động ngược pha và mode cảm ứng ngược pha với mode bậc cao
thấp nhất có giá trị khoảng 57,3%. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì ảnh
hưởng của các mode không mong muốn tới mode dẫn động và mode cảm
ứng có thể được hạn chế.
III.1.3.4. Mô phỏng các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
a. Loại đế tấm

Hình 3.20 Sự phụ thuộc
của chuyển vị cảm ứng
vào tần số điện áp xoay
chiều.

Hình 3.21 Sự phụ thuộc
của chuyển vị cảm ứng
vào vận tốc góc.

Hình 3.22 Sự phụ thuộc
thay đổi điện dung cảm
ứng vào vận tốc góc.

Trong trường hợp vận tốc góc đầu vào là 10 rad/s, chuyển vị đạt giá trị
cỡ 0,078 µm.
b. Loại đế khung

Hình 3.23 Sự phụ thuộc

của chuyển vị cảm ứng
vào vào tần số điện áp
xoay chiều.

Hình 3.24 Sự phụ thuộc
của chuyển vị cảm ứng
vào vận tốc góc.

15

Hình 3.25 Sự phụ
thuộc thay đổi điện
dung cảm ứng vào vận
tốc góc.


Trong trường hợp vận tốc góc đầu vào là 10 rad/s, chuyển vị đạt giá trị
cỡ 0,104 µm.
III.2. Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
III.2.1. Thiết kế mặt nạ
Cấu trúc mặt nạ tổng thể của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa thiết kế
bằng phần mềm Clewin được trình bày trên hình 3.26.

Hình 3.26 Cấu trúc mặt nạ tổng thể của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa được
thiết kế bằng phần mềm Clewin.

III.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
Ảnh SEM chụp vi cảm biến vận tốc góc ở dạng toàn thể và bộ phận liên
quan được trình bày trên hình 3.30.

(a)

(d)

(b)

(c)

(e)

Hình 3.30 Ảnh SEM chụp cảm biến vi cảm biến vận tốc góc âm thoa: (a) Toàn
bộ cấu trúc cảm biến; (b) Vòng tự xoay và dầm liên kết hình thoi; (c) Dầm kết nối
khung dẫn động và khung cảm ứng; (d) Hệ răng lược cảm ứng; (e) Các hốc trên
khung dẫn động và khung cảm ứng.

Ảnh SEM chụp mặt dưới của vi cảm biến vận tốc góc được trình bày
trên hình 3.31.

Hình 3.31 Ảnh SEM chụp mặt dưới của vi cảm biến vận tốc góc
với lớp ôxít đệm SiO2 chưa được tẩy bỏ.
16


Kết quả chụp SEM cho thấy vi cảm biến vận tốc góc đã được chế tạo
thành công trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Các bộ phận của cảm biến như
các thanh dầm, khung gia trọng, bánh xe tự quay, hệ điện cực răng lược,...
có cấu hình sắc nét và không bị nứt gẫy.
Quá trình hàn dây được thực hiện trên cơ sở hệ thiết bị hàn siêu âm
Westbond 7400C. Sơ đồ kết nối dây điện cực và ảnh chụp vi cảm biến vận
tốc góc sau khi đóng gói được trình bày trên hình 3.32.

(a)

(b)

(c)

Hình 3.32 Sơ đồ kết nối dây điện cực (a) và ảnh chụp vi cảm biến vận tốc góc sau
khi hàn dây (b) và đóng gói (c).

III.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
III.2.3.1. Đặc trưng tần số
Đặc trưng tần số đối với mode dẫn động và mode cảm ứng của vi cảm
biến vận tốc góc được trình bày trên hình 3.33 và 3.34.

Hình 3.34 Đặc trưng tần số
mode cảm ứng.

Hình 3.33 Đặc trưng tần số
mode dẫn động

Kết quả khảo sát cho thấy tần số cộng hưởng của mode dẫn động và
mode cảm ứng đối với vi cảm biến vận tốc góc có giá trị tương ứng là
11,25 kHz và 11,125 kHz (∆f = 125Hz). Hệ số phẩm chất của mode dẫn
động và mode cảm ứng có giá trị tương ứng là 375 và 111,2. So sánh với
kết quả nghiên cứu của Z. Y. Guo et al. (Qsense = 7) [27] và A. A. Trusov et
al. (Qsense = 65) [84], hệ số phẩm chất đối với mode cảm ứng của cảm biến
được chế tạo khi thử nghiệm trong môi trường áp suất khí quyển (Qsense =
111,2) có giá trị lớn hơn.
III.2.3.2. Đặc trưng điện áp-vận tốc góc

17


Hình 3.35 Đặc trưng điện áp - vận tốc góc của vi cảm biến vận tốc góc.

Kết quả khảo sát đặc trưng điện áp - vận tốc góc (Hình 3.35) cho thấy
độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc được xác định có giá trị cỡ 11,56
mV/o/s. Kết quả thu được cho thấy vi cảm biến vận tốc do chúng tôi thiết
kế và chế tạo đã đáp ứng khả năng sử dụng của cảm biến hoạt động trong
môi trường áp suất khí quyển.
Kết luận Chương 3
- Đã xây dựng mô hình vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa sử dụng
cấu trúc răng lược để kích thích dao động và cảm ứng tín hiệu. Các khối
dẫn động và khối cảm ứng của linh kiện được thiết kế để có thể dao động
trong cùng mặt phẳng và treo trên đế khung nhằm giảm thiểu ảnh hưởng
của các cơ chế suy hao trượt và nén, dẫn tới làm tăng cường hệ số phẩm
chất Q và độ nhạy. Trong thiết kế linh kiện, cấu trúc đẩy kéo với bánh xe tự
quay đã được sử dụng để loại bỏ mode cảm ứng đồng pha không mong
muốn. Để loại trừ mode dẫn động đồng pha, cấu trúc liên kết kiểu quả trám
đã được đề xuất.
- Kết quả mô phỏng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng
phần mềm ANSYS cho thấy sự khác biệt giữa tần số cộng hưởng của các
mode dẫn động và mode cảm ứng với các mode ký sinh không mong muốn
có giá trị cỡ 57,5 % . Độ chênh tần số giữa mode dẫn động và mode cảm
ứng đạt giá trị 27 Hz. Trong điều kiện áp suất khí quyển, hệ số phẩm chất
mode cảm ứng của vi cảm biến vận tốc góc đế khung (118,3) đạt giá trị lớn
hơn so với trường hợp đế tấm (84,7). Độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc
trên đế khung và đế tấm đạt giá trị tương ứng là 0,034 pF/rad/s và 0,021
pF/rad/s .

- Đã chế tạo thành công cảm biến vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
trên cơ sở quy trình công nghệ được xây dựng sử dụng công nghệ vi cơ
khối khô.
- Kết quả khảo sát trong môi trường áp suất khí quyển đối với vi cảm
biến vận tốc góc kiểu âm thoa kiểu đế khung được chế tạo cho thấy hệ số
phẩm chất của mode dẫn động và mode cảm ứng đạt giá trị tương ứng là
375 và 111,2. Tín hiệu lối ra của cảm biến phụ thuộc tuyến tính theo vận
18


tốc góc trong dải từ -200 0s-1 đến 200 0s-1. Độ nhạy của cảm biến đạt giá trị
11,56 mV/o/s.
Nội dung chính của chương III đã được công bố trong các tạp chí
quốc tế Micromachines và International Journal of Nanotechnology.
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN
GIA TỐC BA BẬC TỰ DO
Trong chương này, các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế và chế
tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do sẽ được trình bày.
IV.1. Thiết kế vi vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do
Vi cảm biến gia tốc được thiết kế bao gồm một khối gia trọng được treo
bởi bốn thanh dầm gấp. Trong thiết kế này, thanh dầm gấp có cấu hình chữ
L. Cấu hình kiểu thanh dầm gấp này cho phép khối gia trọng có thể chuyển
dịch tự do theo hai phương vuông góc trong mặt phẳng song song với đế và
theo phương vuông góc với mặt phẳng đế. Mặt khác, cấu hình đó có một ưu
điểm cho phép giảm thiểu kích thước của cảm biến do chiều dài của thanh
dầm phân bố song song với cạnh của khối gia trọng.

Hình 4.1 Sơ đồ 3-D của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc.

Các thông số thiết kế của vi cảm biến gia tốc được trình bày trong Bảng

4.1.
Bảng 4.1 Thông số thiết kế của cảm biến gia tốc.

Kích thước

Thông số thiết kế

6 μm
236 μm
1200 μm
1200 μm
6 μm
100 μm
6 μm
100 μm
90 μm
264
30 μm
100 μm x100 μm
2000 μm x 2000 μm

Chiều rộng thanh dầm
Chiều dài thanh dầm
Chiều rộng khối gia trọng
Chiều dài khối gia trọng
Chiều rộng răng lược di chuyển
Chiều dài răng lược di chuyển
Chiều rộng răng lược cố định
Chiều dài răng lược cố định
Phạm vi điện cực gối nhau

Tổng số răng lược
Độ dày linh kiện
Kích thước neo
Kích thước linh kiện
19


IV.1.2. Kết quả mô phỏng vi cảm biến gia tốc
IV.1.2.1. Mô phỏng phân tích mode
Kết quả mô phỏng phân tích mode đối với vi cảm biến gia tốc (Hình 4.2,
4.3 và 4.4) nhận được bằng ANSYS cho thấy các tần số cộng hưởng của
mode X, mode Y và mode Z có giá trị tương ứng là 4583,3 Hz, 5065 Hz và
8606,2 Hz.

Hình 4.2 Kết quả phân
tích mode X.

Hình 4.3 Kết quả phân
tích mode Y.

Hình 4.4 Kết quả phân
tích mode Z.

Tần số cộng hưởng của sáu mode đầu tiên của vi cảm biến gia tốc nhận
được bằng ANSYS được trình bày trong bảng 4.2.
Bảng 4.2 Kết quả phân tích mode của cảm biến gia tốc.
Mode
Mode X
Mode Y
Mode vặn

Mode Z
Mode không mong muốn
Mode không mong muốn

Tần số
4583,3 Hz
5065 Hz
7920 Hz
8606,2 Hz
12027 Hz
12234 Hz

IV.1.2.2. Mô phỏng các đặc trưng của vi cảm biến
Kết quả mô phỏng (Hình 4.5, 4.6, 4.7) cho thấy, chuyển vị đối với các
mode X, mode Y và mode Z của vi cảm biến gia tốc tăng tuyến tính với các
thành phần gia tốc đặt vào cảm biến.

Hình 4.5 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia tốc
trong trường hợp mode
X.

Hình 4.6 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia tốc
trong trường hợp mode
Y.

Hình 4.7 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia
tốc trong trường hợp

mode Z.

Đặc trưng thay đổi điện dung ∆C là hàm của gia tốc đối với các mode
X, mode Y và mode Z được trình bày tương ứng trên hình 4.8, hình 4.9 và
hình 4.10.

20


Hình 4.8 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia tốc
trong trường hợp mode
X.

Hình 4.9 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia
tốc trong trường hợp
mode Y.

Hình 4.10 Sự phụ thuộc
của chuyển vị vào gia tốc
trong trường hợp mode
Z.

Độ nhạy của vi cảm biến gia tốc theo các phương X, Y và Z có giá trị
tương ứng là 13,3 fF/g, 11,1 fF/g và 0,216 fF/g.
IV.2. Chế tạo vi cảm biến gia tốc
IV.2.1. Thiết kế mặt nạ

Hình 4.11 Hình ảnh mặt nạ của cảm

biến gia tốc.

Hình 4.12 Hình ảnh tấm mặt nạ
tổng thể.

Mặt nạ của một vi cảm biến gia tốc và tấm mặt nạ tổng thể của vi cảm
biến gia tốc thiết kế bằng phần mềm Clewin được trình bày trên hình 4.11
và hình 4.12.
IV.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc
Kết quả thu được (Hình 4.13, 4.14 và 4.15) cho thấyvi cảm biến gia tốc
đã được chế tạo thành công trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Các bộ phận
của cảm biến như các thanh dầm, hệ điện cực răng lược, khối gia trọng có
cấu hình sắc nét và không bị nứt gẫy.

Hình 4.13 Ảnh SEM
chụp cảm biến gia tốc.

Hình 4.14 Ảnh SEM
chụp cấu trúc thanh dầm
gấp.

Hình 4.15 Ảnh SEM
chụp cấu trúc hệ tụ
điện răng lược.

IV.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc
IV.3.1. Đặc trưng tần số
21

Đặc trưng tần số đối với mode X và mode Y của vi cảm biến gia tốc
được trình bày trên hình 4.16 và 4.17.

Hình 4.17 Đặc trưng tần số đối
Hình 4.16 Đặc trưng tần số đối với
với
mode Y của cảm biến gia tốc.
mode X của cảm biến gia tốc.
Kết quả khảo sát đặc trưng tần số cho thấy tần số cộng hưởng của vi
cảm biến gia tốc theo phương X (mode X) và phương Y (mode Y) có giá trị
tương ứng là 5325 Hz và 5850 Hz.
IV.3.2 Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của vi cảm biến
Kết quả đo đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo các phương X và Y được
trình bày trên hình 4.18 và hình 4.19.

Hình 4.19 Đặc trưng điện áp-gia
Hình 4.18 Đặc trưng điện áp-gia
tốc tĩnh theo phương Y.
tốc tĩnh theo phương X.
Kết quả thu được cho thấy, điện áp lối ra của biến gia tốc theo các
phương X và Y tăng tuyến tính theo gia tốc. Như vậy, vi cảm biến gia tốc
được chế tạo có khả năng ứng dụng để xác định độ nghiêng trên cơ sở sự
phụ thuộc tuyến tính của điện áp vào góc nghiêng.
Các đặc trưng điện áp – gia tốc của vi cảm biến gia tốc động theo
phương X, Y và Z được trình bày trên hình 4.20, 4.21 và 4.22.

Hình 4.20 Đặc trưng
điện áp – gia tốc động
theo phương X.

Hình 4.21 Đặc trưng
điện áp – gia tốc
động theo phương Y.

22

Hình 4.22 Đặc trưng điện
áp – gia tốc động theo
phương Z.


Kết quả cho thấy điện áp lối ra của cảm biến tỷ lệ tuyến tính với gia tốc
đặt lên cảm biến. Độ nhạy của cảm biến đạt giá trị 13 mV/g, 11 mV/g và
0,2 mV/g tương ứng cho các phương X, Y và Z.
Độ nhạy chéo trục của vi cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5 % theo
phương X và 5 % phương Y. Kết quả này cho thấy vi cảm biến gia tốc
được chế tạo có thể đáp ứng các ứng dụng trong thực tế [85].
Kết luận Chương 4
- Đã xây dựng mô hình vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do sử dụng hệ
tụ răng lược. Cấu trúc dầm treo kiểu gập L được đề xuất cho phép xác định
ba thành phần gia tốc và giảm thiểu hiệu ứng chéo trục.
- Kết quả mô phỏng vi cảm biến gia tốc cho thấy tần số cộng hưởng theo
phương X, Y và Z có giá trị tương ứng là 4583 Hz, 5065 Hz và 8606 Hz.
Độ nhạy của vi cảm biến gia tốc được tính toán theo phương X, Y và Z có
giá trị tương ứng là 13,3 fF/g, 11,1 fF/g và 0,216 fF/g.
- Đã chế tạo thành công cảm biến vi cảm biến gia tốc trên cơ sở quy trình
công nghệ vi cơ khối khô.
- Vi cảm biến gia tốc được chế tạo có độ nhạy theo phương X, Y và Z
tương ứng là 13 mV/g, 11 mV/g và 0,2 mV/g. Độ nhạy chéo trục của vi
cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5% theo phương X và 5% phương Y.

Nội dung chính của chương IV đã được đăng trên tạp chí quốc tế
Journal of Mechanical Engineering and Sciences.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã đạt được bao gồm:
- Đã xây dựng mô hình vi vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trục Z trên đế
khung sử dụng cấu trúc răng lược để kích thích dao động và cảm ứng tín
hiệu.
- Đã xây dựng mô hình vi vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do sử dụng
hệ tụ răng lược. Cấu trúc dầm treo kiểu gập L được đề xuất cho phép xác
định ba thành phần gia tốc, giảm thiểu hiệu ứng chéo trục.
- Đối với vi vi cảm biến vận tốc góc âm thoa, kết quả mô phỏng cho thấy
độ chênh tần số giữa mode dẫn động và mode cảm ứng đạt giá trị 27 Hz.
Trong điều kiện áp suất khí quyển, hệ số phẩm chất mode cảm ứng của vi
vi cảm biến vận tốc góc đế khung (118,3) đạt giá trị lớn hơn so với trường
hợp đế tấm (84,7). Độ nhạy của vi vi cảm biến vận tốc góc đế khung và
đế tấm đạt giá trị tương ứng là 0,034 pF/rad/s và 0,021 pF/rad/s.
- Trong trường hợp vi cảm biến gia tốc, kết quả mô phỏng cho thấy tần số
cộng hưởng theo phương X, Y và Z có giá trị tương ứng là 4583 Hz, 5065
23


Hz và 8606 Hz. Độ nhạy của vi vi cảm biến gia tốc được tính toán theo
phương X, Y và Z có giá trị tương ứng là 13,3 fF/g, 11,1 fF/g và 0,216
fF/g.
- Đã chế tạo thành công vi cảm biến vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và vi
cảm biến gia tốc trên cơ sở quy trình sử dụng công nghệ vi cơ khối khô.
- Đã xây dựng hệ đo đặc trưng của vi vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và vi
vi cảm biến gia tốc trên cơ sở sử dụng bộ mạch chuyển đổi C/V MS3110
và phần mềm xử lý tín hiệu LabvieW.
- Kết quả khảo sát trong môi trường áp suất khí quyển đối với vi vi cảm

biến vận tốc góc âm thoa đế khung được chế tạo cho thấy hệ số phẩm chất
của mode dẫn động và mode cảm ứng đạt giá trị tương ứng là 375 và
111,2. Tín hiệu lối ra của vi cảm biến phụ thuộc tuyến tính theo vận tốc
góc trong dải từ -200 0s-1 to 200 0s-1. Độ nhạy của vi cảm biến đạt giá trị
11,56 mV/o/s.
- Vi vi cảm biến gia tốc được chế tạo có độ nhạy theo phương X, Y và Z
tương ứng là 13 mV/g, 11 mV/g và 0,2 mV/g. Độ nhạy chéo trục của vi vi
cảm biến gia tốc có giá trị cỡ 4,5 % theo phương X và 5 % phương Y.
Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo đối với vi vi cảm biến vận tốc góc
và vi cảm biến gia tốc:
- Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo các vi cảm biến.
- Nghiên cứu tích hợp hai loại vi cảm biến quán tính trên cùng một đế nhằm
tạo ra cấu trúc tổ hợp ứng dụng trong hệ dẫn đường quán tính.
- Hoàn thiện quy trình đóng gói vi cảm biến để nâng cao chất lượng của
linh kiện.

24