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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.