Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu thiết kế và khảo sát cảm biến gyroscopes

Luận văn thạc sĩ phân tích vnu uet nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến gyroscopes, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Đặng Văn Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Chử Đức Trình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ điện tử – Viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến gyroscopes
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES
• 1.1. Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes)
• 1.2. Hiệu ứng Coriolis
• 1.3. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS)
• 1.3.1. Giới thiệu chung
• 1.3.2. Các kỹ thuật MEMS
• 1.3.3. Đóng vỏ Chíp
• 1.4. Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)
• 1.4.1. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS
• 2.1. Mục tiêu thiết kế
• 2.2. Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi
• 2.2.1. Dầm treo thẳng (Linear beam)
• 2.2.2. Dầm treo gập (folded beam)
• 2.3. Cấu trúc tụ điện vi sai
• 2.3.1. Khái niệm cơ bản về tụ điện
• 2.3.2. Cấu trúc tụ điện thanh ngang
• 2.3.3. Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược
• 2.4. Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping)
• 2.5. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork
• 2.5.1. Mô hình thiết kế 1
• 2.5.2. Mô hình thiết kế 2
• 2.5.3. Mô hình thiết kế 3
• 2.5.4. Mô hình thiết kế 4
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK
• 3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork
• 3.2. Thiết kế cấu trúc
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU
• 4.1. Phương pháp phát hiện bằng điện
• 4.2. Thiết kế mạch phát hiện điện dung Sensing-mode
• 4.3. Kết quả thực tế và mô phỏng của mạch điện
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận của đề tài
• 5.2. Đề xuất hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu cảm biến gyroscopes tại VNU UET

Nghiên cứu và thiết kế cảm biến gyroscopes tại VNU UET là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và kỹ sư. Cảm biến gyroscopes, hay còn gọi là cảm biến đo vận tốc góc, đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại. Tại VNU UET, các nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn vào thực tiễn, nhằm phát triển các sản phẩm có khả năng ứng dụng cao trong đời sống.

1.1. Giới thiệu về cảm biến gyroscopes và ứng dụng

Cảm biến gyroscopes là thiết bị đo lường chuyển động quay, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không, ô tô và robot. Chúng giúp duy trì phương hướng và ổn định cho các hệ thống điều khiển.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tại VNU UET

Nghiên cứu tại VNU UET không chỉ giúp nâng cao kiến thức lý thuyết mà còn tạo ra các sản phẩm thực tiễn, góp phần vào sự phát triển công nghệ trong nước và quốc tế.

II. Thách thức trong thiết kế cảm biến gyroscopes hiện nay

Mặc dù công nghệ cảm biến gyroscopes đã phát triển mạnh mẽ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua. Các vấn đề như độ chính xác, độ nhạy và khả năng chống nhiễu là những yếu tố quan trọng cần được cải thiện. Tại VNU UET, các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các giải pháp để khắc phục những vấn đề này.

2.1. Độ chính xác và độ nhạy của cảm biến

Độ chính xác và độ nhạy là hai yếu tố quyết định đến hiệu suất của cảm biến gyroscopes. Việc cải thiện chúng sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng.

2.2. Khả năng chống nhiễu trong môi trường thực tế

Cảm biến gyroscopes thường phải hoạt động trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu. Nghiên cứu tại VNU UET tập trung vào việc phát triển các giải pháp để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này.

III. Phương pháp thiết kế cảm biến gyroscopes tại VNU UET

Tại VNU UET, các phương pháp thiết kế cảm biến gyroscopes được áp dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tính năng của sản phẩm. Các nghiên cứu sử dụng công nghệ MEMS để phát triển các cảm biến nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

3.1. Công nghệ MEMS trong thiết kế cảm biến

Công nghệ MEMS cho phép chế tạo các cảm biến gyroscopes với kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao và tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ hiện đại.

3.2. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động

Mô hình thiết kế cảm biến gyroscopes tại VNU UET dựa trên nguyên lý hiệu ứng Coriolis, giúp đo lường chính xác vận tốc góc của các đối tượng chuyển động.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu tại VNU UET đã cho thấy tiềm năng ứng dụng của cảm biến gyroscopes trong nhiều lĩnh vực. Những sản phẩm này không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn có khả năng xuất khẩu ra thị trường quốc tế.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo

Cảm biến gyroscopes được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo ô tô, giúp cải thiện độ an toàn và hiệu suất của các phương tiện giao thông.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực hàng không

Trong lĩnh vực hàng không, cảm biến gyroscopes đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định cho các thiết bị bay, đảm bảo an toàn cho hành trình.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu và thiết kế cảm biến gyroscopes tại VNU UET đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều cơ hội để phát triển hơn nữa. Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các giải pháp mới nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của cảm biến gyroscopes.

5.1. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Định hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và khả năng chống nhiễu của cảm biến gyroscopes, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao từ thị trường.

5.2. Tầm nhìn phát triển công nghệ cảm biến

Tầm nhìn phát triển công nghệ cảm biến gyroscopes sẽ hướng tới việc tích hợp các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo, để nâng cao khả năng tự động hóa và thông minh cho các sản phẩm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn 30 năm phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), thị trường cảm biến quán tính toàn cầu đã tăng trưởng vượt bậc, trong đó con quay hồi chuyển vi cơ (MEMS Gyroscope) chiếm hơn 60% tỷ trọng ứng dụng dẫn đường, định vị và cân bằng động. Tuy nhiên, các cấu trúc Gyroscope vi cơ truyền thống vẫn đối mặt với thách thức lớn về sự xuất hiện của các mode dao động đồng pha ký sinh không mong muốn. Những dao động này làm suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) từ 25% đến 40%, gây mất ổn định tín hiệu ngõ ra khi làm việc trong môi trường rung lắc.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Đặng Văn Hiếu tập trung nghiên cứu thiết kế, mô phỏng cơ học và khảo sát hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc vi cơ kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope) hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng mô hình con quay hai bậc tự do với cấu trúc dầm treo đàn hồi cải tiến và hệ thống tụ điện vi sai kiểu răng lược, nhằm triệt tiêu hoàn toàn các mode đồng pha ký sinh và nâng cao độ nhạy của linh kiện.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Khoa Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông thuộc Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2013, phối hợp cùng nhóm nghiên cứu MEMS tại Viện ITIMS thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội. Kết quả nghiên cứu đã tính toán và tối ưu hóa thành công cấu trúc cảm biến có kích thước bao ngoài 4500 µm x 4350 µm, chiều dày 30 µm với 1584 răng lược dẫn động và 480 răng lược cảm ứng, mở ra giải pháp tự chủ thiết kế vi cơ điện tử chất lượng cao với chi phí gia công hợp lý tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của ba khung lý thuyết nòng cốt:

Thứ nhất, lý thuyết hiệu ứng Coriolis trong hệ quy chiếu phi quán tính. Khi một khối gia trọng có khối lượng m chuyển động với vận tốc v trong hệ quy chiếu quay với vận tốc góc Omega, một lực quán tính Coriolis xuất hiện theo phương vuông góc, xác định bởi biểu thức toán học Fc = 2m(v x Omega). Lực này kích hoạt dao động cảm ứng thứ cấp, tạo cơ sở chuyển đổi đại lượng cơ học sang tín hiệu điện.

Thứ hai, mô hình động lực học của hệ dao động cơ học 2 bậc tự do (2-DOF). Hệ thống được mô hình hóa qua hệ phương trình vi phân liên kết giữa mode kích thích (driving mode) theo trục X và mode cảm ứng (sensing mode) theo trục Y. Điều kiện cộng hưởng tối ưu đạt được khi độ cứng tương đương kx và ky được cân bằng xấp xỉ nhau, đưa tần số dao động riêng của hai mode về trạng thái trùng khớp nhằm tối đa hóa biên độ đáp ứng.

Thứ ba, lý thuyết cản trở dao động (damping) và tụ điện biến thiên vi sai kiểu răng lược (comb drive). Nghiên cứu phân tích hiện tượng ma sát màng khí nhớt giữa khối gia trọng và đế Silic, xác định hệ số phẩm chất Q là đại lượng quyết định khả năng khuếch đại biên độ dao động tĩnh lên gấp nhiều lần. Nguyên lý biến thiên diện tích tiếp xúc của các phiến răng lược với hằng số điện môi không khí 8.854 x 10^-12 F/m cho phép đo lường chính xác các dịch chuyển ở mức nano-mét thông qua điện dung vi sai.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được thu thập từ các thông số cơ lý chuẩn của vật liệu Silic đơn tinh thể (mô-đun đàn hồi Young E = 169 GPa, khối lượng riêng 2330 kg/m3), kết hợp các tiêu chuẩn đóng vỏ chân cắm THD và chân dán SMD từ các báo cáo chuyên ngành quốc tế.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu đã chọn mẫu khảo sát gồm 4 mô hình hình học vi cơ khác nhau đại diện cho các phương án liên kết dầm (dầm thẳng, dầm gập đơn, dầm gập kép và dầm elip), cùng bộ 12 kịch bản kích thích tần số từ 1 kHz đến 20 kHz với các biên độ điện áp từ 0.5 V đến 2.0 V. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích này cho phép đánh giá toàn diện hành vi dao động của cấu trúc từ trạng thái tĩnh đến ngưỡng quá tải cơ học.

Phương pháp phân tích chủ đạo là sự kết hợp giữa giải tích giải thuật ma trận chuyển động và mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm chuyên dụng ANSYS. Lý do lựa chọn ANSYS là khả năng trích xuất chính xác các mode dao động riêng (modal analysis), phân tích biến dạng xoắn ngoài mặt phẳng (out-of-plane) và dự báo ứng suất tập trung tại các góc ngàm với độ tin cậy trên 95% trước khi bước vào công đoạn chế tạo mặt nạ quang khắc. Toàn bộ quá trình tính toán giải tích và mô phỏng số được tiến hành trong thời gian 12 tháng từ tháng 4 năm 2012 đến tháng 4 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và khảo sát hoạt động của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork đã mang lại ba phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Một là, xác lập thông số kích thích tối ưu tại tần số cộng hưởng 10 kHz. Khi đưa điện áp dẫn động dạng điều hòa ở tần số 10 kHz với biên độ 1.5 V, cảm biến đạt mức đáp ứng điều chế tuyến tính cao nhất. Biên độ dịch chuyển cảm ứng thu được có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn 35% so với mức kích áp 0.5 V, và không xuất hiện hiện tượng méo phi tuyến như ở mức kích áp 2.0 V.

Hai là, triệt tiêu triệt để các mode dao động đồng pha ký sinh. Cấu trúc Mô hình 4 tích hợp hệ thống dầm gập kép (folded beam) chiều dài 500 µm kết hợp dầm chống xoắn liên kết elip đã cô lập hoàn hảo hai trục chuyển động X và Y. Cấu trúc này giúp giảm thiểu hơn 80% biên độ dao động đồng pha không mong muốn, ngăn chặn hiệu quả hiện tượng trôi điểm không (Zero Rate Output drift).

Ba là, tối ưu hóa hệ thống răng lược vi sai với quy mô lớn. Thiết kế hoàn chỉnh gồm 1584 răng lược dẫn động (khe hở 2.5 µm, chiều dài 30 µm) và 480 răng lược cảm ứng (khe hở 2.5 µm, diện tích đan xen 90 µm) đã tạo ra độ biến thiên điện dung cực đại, giúp nâng cao độ nhạy cảm ứng lên gấp 2.1 lần so với các cấu hình cảm biến một khối gia trọng đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp Mô hình 4 đạt được hiệu năng vượt trội là nhờ cơ chế dao động ngược pha 180 độ của hai khối gia trọng trong cấu trúc âm thoa. Khi hệ thống chịu tác động của gia tốc tịnh tiến từ môi trường bên ngoài, hai khối gia trọng dịch chuyển cùng chiều và tự triệt tiêu lẫn nhau tại mạch vi phân ngõ ra. Ngược lại, khi có vận tốc góc quay tác động, lực Coriolis làm hai khối dịch chuyển ngược chiều nhau, khiến tín hiệu điện dung vi sai tăng gấp đôi.

So với cấu trúc con quay vi cơ mâm tròn của Đại học Michigan (độ phân giải 0.5 độ/s ở dải thông 25 Hz) hay con quay Drapper cổ điển, thiết kế dầm gập kép của luận văn hạn chế tối đa sự ảnh hưởng của dãn nở nhiệt không đồng đều giữa các lớp màng vật liệu. Cấu trúc này giữ cho hệ số phẩm chất Q duy trì ở mức cao mà không đòi hỏi môi trường chân không quá khắt khe.

Các kết quả khảo sát được thể hiện rõ nét qua biểu đồ đáp ứng tần số biên độ (Bode plot) và phổ phân tích giải điều chế đồng bộ. Đồ thị cho thấy đỉnh cộng hưởng của mode dẫn động và mode cảm ứng có sự trùng khít chặt chẽ tại lân cận tần số 10 kHz với sai lệch dải thông dưới 1.5%. Bảng tổng hợp các thông số hình học dầm trung tâm dài 2000 µm, rộng 100 µm và dầm cảm ứng dài 230 µm chứng minh khả năng chịu uốn dọc trục Z tuyệt vời, hoàn toàn loại bỏ nguy cơ dính bám bản cực tĩnh điện trong quá trình vận hành liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng và tính toán lý thuyết, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động cụ thể nhằm hoàn thiện công nghệ chế tạo cảm biến vi cơ:

Thứ nhất, tối ưu hóa quy trình vi chế tạo khối khô DRIE. Nhóm nghiên cứu công nghệ vi cơ tại Viện ITIMS cần triển khai kỹ thuật ăn mòn ion hoạt hóa sâu (quy trình Bosch) trên đế Silic để kiểm soát sai số kích thước khe hở răng lược 2.5 µm trong phạm vi dưới 3%, hoàn thành thử nghiệm trong thời gian 6 tháng tới.

Thứ hai, thiết kế chế tạo mạch tích hợp chuyên dụng ASIC on-chip. Các kỹ sư thiết kế vi mạch cần phát triển khối tiền khuếch đại vi sai kết hợp bộ lọc thông dải BPF và mạch giải điều chế đồng bộ tích hợp trực tiếp trên cùng chip cảm biến, hướng tới mục tiêu giảm điện áp trôi ZRO xuống dưới 5 mV trong lộ trình 9 tháng.

Thứ ba, nâng cấp công nghệ đóng vỏ chân không SMD. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện điện tử phối hợp cùng các phòng thí nghiệm quốc gia áp dụng kỹ thuật hàn kín nắp chân không ở áp suất dưới 1 mTorr, nhằm nâng hệ số phẩm chất Q của cảm biến vượt ngưỡng 50.000 trong vòng 12 tháng.

Thứ tư, xây dựng thuật toán bù trôi nhiệt độ thông minh. Các chuyên gia phần mềm điều khiển cần lập trình thuật toán bù phi tuyến tự động cho cảm biến trong dải nhiệt độ công nghiệp từ -40 độ C đến 85 độ C, đảm bảo độ trôi hệ số tỷ lệ không vượt quá 0.1%/năm, sẵn sàng ứng dụng cho các thiết bị thương mại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính:

Nhóm sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Điện tử, Viễn thông, Cơ điện tử và Vật lý kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình phân tích động lực học 2 bậc tự do, phương pháp thiết kế tụ điện vi sai và kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn FEM trên phần mềm ANSYS.

Nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng và phát triển cảm biến MEMS: Khai thác trực tiếp các bộ thông số kích thước chi tiết (chiều dài dầm 538 µm, khe hở 2.5 µm, số lượng răng lược) để ứng dụng vào việc thiết kế module con quay hồi chuyển phục vụ hệ thống cân bằng điện tử ESP trên ô tô.

Nhóm nghiên cứu công nghệ hàng không vũ trụ và thiết bị bay không người lái (UAV): Sử dụng cấu trúc cảm biến âm thoa kháng nhiễu đồng pha để chế tạo hệ thống dẫn đường quán tính (IMU), đảm bảo khả năng tự định hướng chính xác trong các khu vực mất tín hiệu định vị vệ tinh GPS.

Nhóm doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng và robot công nghiệp: Tham khảo giải pháp thiết kế mạch giải điều chế đồng bộ và phương án đóng vỏ linh kiện chân dán SMD để tối ưu hóa quy trình sản xuất thương mại với giá thành cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu trúc Tuning Fork lại vượt trội hơn con quay một khối gia trọng đơn lẻ?

Cấu trúc Tuning Fork gồm hai khối gia trọng dao động ngược pha 180 độ, giúp tự động triệt tiêu hoàn toàn gia tốc chuyển động tịnh tiến và các rung động nhiễu từ môi trường ngoài. Cơ chế chuyển động vi sai này giúp tín hiệu điện dung cảm ứng lối ra tăng lên gấp đôi, nâng cao độ nhạy cảm biến hơn 100% so với cấu trúc khối đơn truyền thống.

Vì sao cần thiết kế tần số mode dẫn động và mode cảm ứng trùng nhau?

Khi tần số dao động riêng của mode dẫn động và mode cảm ứng được thiết kế trùng nhau ở mức 10 kHz, hệ thống đạt trạng thái cộng hưởng cơ học hoàn toàn. Sự cộng hưởng này khuếch đại biên độ dao động cảm ứng theo hệ số phẩm chất Q, giúp tối đa hóa độ nhạy điện dung và dễ dàng thu nhận các tín hiệu vận tốc góc cực nhỏ.

Hiện tượng cản trở dao động do không khí ảnh hưởng thế nào đến cảm biến?

Lực ma sát màng khí nhớt giữa khối gia trọng và bề mặt đế làm suy giảm mạnh hệ số phẩm chất Q. Trong điều kiện áp suất khí quyển thông thường, biên độ dịch chuyển tĩnh chỉ đạt vài trăm nano-mét, đòi hỏi phải tăng điện áp dẫn động lên 5 V đến 10 V hoặc phải đóng gói linh kiện trong môi trường chân không cao.

Cấu trúc dầm gập kép giải quyết vấn đề kỹ thuật nào trong vi cơ điện tử?

Dầm gập kép với các thanh dầm chữ U đối xứng dài 500 µm giúp khắc phục hoàn toàn tính phi tuyến và hiện tượng ứng suất nhiệt tích tụ. Thiết kế này vừa duy trì độ đàn hồi chuẩn xác trên mặt phẳng dao động, vừa tạo ra độ cứng lớn theo trục thẳng đứng Z, ngăn chặn tình trạng võng dầm và biến dạng xoắn ngoài mặt phẳng.

Mạch xử lý tín hiệu trong luận văn đảm nhiệm những chức năng gì?

Tín hiệu ngõ ra từ các phiến tụ cảm ứng là tín hiệu điều chế biên độ của vận tốc góc trên sóng mang 10 kHz. Mạch xử lý tín hiệu thực hiện chức năng khuếch đại vi sai điện dung, lọc bỏ tạp âm thông qua bộ lọc thông dải BPF và giải điều chế đồng bộ để khôi phục chính xác tín hiệu vận tốc góc nguyên bản.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công cấu trúc cảm biến con quay vi cơ kiểu Tuning Fork 2 bậc tự do với kích thước vi chế tạo chuẩn xác 4500 µm x 4350 µm và chiều dày 30 µm.
• Đề xuất mô hình dầm gập kép kết hợp dầm chống xoắn dạng elip giúp triệt tiêu hoàn toàn các mode dao động đồng pha ký sinh, nâng cao độ ổn định tín hiệu ngõ ra.
• Xác định điểm làm việc tối ưu của linh kiện tại tần số dẫn động 10 kHz với biên độ kích thích 1.5 V, mang lại đáp ứng điều chế tuyến tính rõ nét.
• Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại vi sai, lọc thông dải và giải điều chế đồng bộ tín hiệu điện dung cho cảm biến.
• Thiết lập quy trình mô phỏng số học chuẩn xác trên phần mềm ANSYS, tạo nền tảng vững chắc cho việc kiểm thử và chế tạo mẫu vi cơ thực tế.

Trong giai đoạn 12 đến 18 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là tiến hành chế tạo thực nghiệm trên phiến Silic tại phòng sạch vi cơ và đóng gói chân không bảo vệ linh kiện. Quý độc giả, kỹ sư và các nhóm nghiên cứu quan tâm hãy tiếp tục khai thác các phương trình toán học và bảng thông số vi cơ chi tiết trong luận văn để ứng dụng vào các dự án phát triển cảm biến quán tính chuyên sâu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 1. Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes) Thuật ngữ Gyroscopes lần đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault, được ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó, “Gyro” trong nghĩa là “quay tròn”, và “skopien” có nghĩa là “quan sát”. Khi đó, Foucault đã áp dụng định luật chuyển động quay của gyrocope để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm 1852. Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng.

Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng. Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài. Mô men xoắn được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng, hướng của nó duy trì gần như cố định với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà nó tựa lên. Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển động, con quay hồi chuyển đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định hướng và dẫn lái trong giao thông hàng hải.

Những thiết bị dẫn hướng đầu tiên đã có mặt trên những con tàu biển lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry. Năm 1920, công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của các loại bom ngư lôi, và đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn hướng cho hệ thông các tên lửa và đạn đạo. Hiệu ứng Coriolis Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay so với các hệ qui chiếu quán tính, được đặt theo tên của Gaspard-Gustave de Coriolis - nhà toán học, vật lý học người Pháp đã mô tả nó năm 1835 thông qua lý thuyết thủy triều của Pierre-Simon Laplace. Nó được thể hiện qua hiện tượng lệch quỹ đạo của những vật chuyển động trong hệ qui chiếu này.

Sự lệch quỹ đạo do một loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sỹ Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau: F  2mv   (1.1) Với: m là khối lượng của vật, v là véctơ vận tốc của vật,  là véctơ vận tốc góc của hệ, còn dấu  là tích véctơ. Có thể dễ dàng xác định được độ lệch của quỹ đạo chuyển động của vật thể trong khoảng thời gian chuyển động t bằng biểu thức : d  v.2) Trong đó,  là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật. Khi xét dịch chuyển nhỏ tương ứng góc  nhỏ, một cách gần đúng, có: sin     .3) Thay biểu thức (1.4) So sánh với phương trình chuyển động của một vật thể trong chuyển động thẳng, ta suy ra biểu thức tính gia tốc dưới dạng: a  ac  2.5)   Do véc tơ v và  trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của gia tốc này dưới dạng như sau:    ac  2  Vr (1.6)   Gia tốc ac được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis Fc    Fc  2.7) Lực Coriolis là lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính.

Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) 1. Giới thiệu chung Với sự ra đời của Transistor vào ngày 23.1947 tại phòng thí nghiệm Bell Telephone đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sỹ năng ngày càng được nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội, đã diễn ra một cuộc cách mạng về công nghệ micro và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS được ra đời.

Một số sản phẩm MEMS được chỉ ra như (hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn. Một linh kiện MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến (sensor), vi chấp hành (actuator) và vi điện tử được tích hợp trên cùng một chip (on chip) nên có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: sinh học, hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc. Với một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như: - Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng.

- Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các cấu trúc khác nhau. Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sỹ - Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một thiết bị hoàn chỉnh. - Có tính lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt. Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những bộ chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.

Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ – điện tử gọi tắt là công nghệ MEMS. Đây là ngành khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử, công nghệ này bao gồm các kỹ thuật cơ bản như: Kỹ thuật quang khắc tạo hình (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), kết hợp với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Những năm 60 của thế kỷ XX đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển khai đưa đến sự ra đời công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt.

đến những năm 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành phổ biến trên thị trường, cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc làm động cơ chuyển động (actuator), mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông. Những năm cuối thế kỷ XX, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn ion hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ hóa linh kiện (làm tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử. Các kỹ thuật MEMS Công nghệ vi cơ khối: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối ướt), ăn mòn khô ion hoạt hóa môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép phiến… Công nghệ vi cơ bề mặt: dựa trên các kỹ thuật chính như quang khắc tạo hình, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy sinh, ăn mòn khô… Công nghệ LIGA: dựa trên kỹ thuật tạo khuôn bằng vật liệu polymer sử dụng kỹ thuật tạo hình với tia X và quá trình lắng đọng điện hóa. Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sỹ 1.

Đóng vỏ Chíp Do các chip cảm biến MEMS nhỏ và rất mảnh nên việc đóng vỏ đóng vai trò như công cụ bảo vệ dưới tác dụng của môi trường bên ngoài như rung động, va đập, nhiệt độ, thuận tiện cho quá trình đo đạc và sử dụng. Đóng vỏ là một trong những khâu công nghệ quan trọng và chiếm đến 3/5 giá thành của một cảm biến hoàn chỉnh. Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính: Loại chân cắm (Through Hole Device - THD): là loại vỏ được sử dụng phổ biến thích hợp cho việc đóng vỏ chip đơn lẻ, sau khi đóng vỏ cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng cụ thể. Loại chân dán - chân phẳng (Surface Mount Device - SMD): là loại vỏ thích hợp với một hệ chíp đa chức năng cùng gắn trên một vỏ như các bộ vi xử lý (microprocessor) sử dụng cho các máy tính cá nhân hoặc xách tay.2: Một số hình dạng vỏ chíp 1.

Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS) Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học công nghệ trong việc chế tạo các linh kiện cảm biến (sensors) và chấp hành (actuators) ở phạm vi kích thước dưới milimet. Ưu điểm vượt trội của các linh kiện này là độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng ít. Trong số đó, cảm biến đo vận tốc góc hay con quay vi cơ (MEMS Gyroscopes) là một trong những linh kiện có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp chế tạo ô tô, kỹ thuật hàng hải, kỹ thuật hàng không, quân sự, công nghiệp hàng điện tử dân dụng, điện tử viễn thông. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc [2] Con quay vi cơ hay vi cảm biến đo vận tốc góc là linh kiện đo một đặc trưng cơ bản của chuyển động quay đó là vận tốc góc.

Do cảm biến được gắn trên các hệ chuyển động nên vận tốc góc sẽ có mối liện hệ với đặc trưng cơ bản của hệ quy chiếu Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận Văn Thạc Sỹ phi tuyến là gia tốc quán tính. Vì thế các nguyên lí hoạt động của con quay được xét trong hệ quy chiếu phi quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis. Cảm biến đo vận tốc góc được nghiên cứu trong luận văn này thuộc loại con quay dao động.