Luận án tiến sĩ: Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc kiểu tụ

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Minh
• Người hướng dẫn: GS.TS Vũ Ngọc Hùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển & Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế vi cảm biến vận tốc góc và gia tốc hiệu suất cao
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS
• 1.2. Giới thiệu chung
• 1.3. Lịch sử phát triển
• 1.4. Phân loại công nghệ MEMS
• 1.5. Cảm biến vận tốc góc
• 1.5.1. Cảm biến vận tốc góc cổ điển
• 1.5.2. Cảm biến vận tốc góc quang học
• 1.5.3. Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)
• 1.5.4. Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
• 1.5.4.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.5.4.2. Phương trình động lực học của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động
• 1.5.4.3. Quá trình phát triển, phân loại cảm biến vận tốc góc
• 1.5.5. Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến
• 1.5.5.1. Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope)
• 1.5.5.2. Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes)
• 1.5.5.3. Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)
• 1.5.5.4. Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)
• 1.6. Cảm biến gia tốc
• 1.6.1. Bối cảnh lịch sử
• 1.6.2. Phân loại cảm biến gia tốc
• 1.6.2.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.6.2.2. Cảm biến gia tốc cân bằng lực (Force balance accelerometer)
• 1.6.2.3. Cảm biến gia tốc kiểu lệch (Deflection accelerometer)
• 1.6.3. Các đặc trưng của cảm biến gia tốc
• 1.6.4. Cảm biến gia tốc MEMS
• 1.6.4.1. Cảm biến gia tốc áp điện
• 1.6.4.2. Cảm biến gia tốc áp điện trở
• 1.6.4.3. Cảm biến gia tốc điện dung
• 1.6.5. So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc
• 1.6.6. Cảm biến gia tốc điện dung MEMS
• 1.7. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS
• 2.2. Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc
• 2.2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 2.2.2. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 2.2.3. Thông tin kỹ thuật đối với các bước công nghệ chế tạo cảm biến
• 2.3. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến
• 2.3.1. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc
• 2.3.2. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc
• 2.4. Xây dựng hệ đo vận tốc góc. Xây dựng hệ đo gia tốc
• 2.5. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA
• 3.1. Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
• 3.1.1. Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc
• 3.1.2. Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến
• 3.1.3. Kết quả tính toán mô phỏng
• 3.1.3.1. Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng
• 3.1.3.1.1. Cấu hình tụ điện MEMS
• 3.1.3.1.2. Tính toán tối ưu khoảng cách điện cực của tụ vi sai cảm ứng
• 3.1.3.2. Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến
• 3.1.3.3. Mô phỏng phân tích mode của cảm biến
• 3.4. Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến
• 3.2. Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.1. Thiết kế mặt nạ
• 3.2.2. Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
• 3.2.3.1. Đặc trưng tần số
• 3.2.3.2. Đặc trưng điện áp-vận tốc góc
• 3.3. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN GIA TỐC BA BẬC TỰ DO
• 4.1. Thiết kế vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do
• 4.1.1. Thiết kế cảm biến gia tốc
• 4.1.2. Kết quả mô phỏng cảm biến gia tốc
• 4.1.2.1. Mô phỏng phân tích mode
• 4.1.2.2. Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến
• 4.2. Chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 4.2.1. Thiết kế mặt nạ
• 4.2.2. Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc
• 4.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc
• 4.2.3.1. Đặc trưng tần số
• 4.2.3.2. Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của cảm biến
• 4.3. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vi cảm biến

Vi cảm biến là một trong những thành tựu quan trọng trong công nghệ MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems). Các vi cảm biến này có khả năng đo lường các thông số vật lý như vận tốc góc và gia tốc với độ chính xác cao. Việc thiết kế và chế tạo các cảm biến hiệu suất cao là một thách thức lớn trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển công nghệ cảm biến. Đặc biệt, cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống dẫn đường quán tính (IMU), giúp xác định vị trí và chuyển động của các vật thể trong không gian. Các cảm biến này không chỉ được ứng dụng trong quân sự mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp, y học và dân dụng.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nhu cầu về các cảm biến quán tính ngày càng tăng cao trong các ứng dụng thực tiễn. Các cảm biến này cần phải có độ chính xác và độ ổn định cao, đặc biệt trong môi trường áp suất khí quyển. Việc phát triển các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện này là rất cần thiết. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và giảm thiểu các hiện tượng không mong muốn như hiện tượng đồng pha trong các mode dẫn động và cảm ứng. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của cảm biến mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

II. Công nghệ chế tạo vi cảm biến

Công nghệ chế tạo vi cảm biến sử dụng nhiều phương pháp hiện đại như công nghệ vi cơ khối khô, quang khắc và ăn mòn sâu. Quy trình chế tạo các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc bao gồm nhiều bước phức tạp, từ thiết kế mô phỏng đến thực nghiệm. Việc áp dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của cảm biến, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Các cảm biến được chế tạo thành công không chỉ đáp ứng yêu cầu về độ nhạy mà còn có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt.

2.1. Quy trình công nghệ chế tạo

Quy trình chế tạo vi cảm biến bao gồm các bước như thiết kế mặt nạ, chế tạo cấu trúc cảm biến và khảo sát các đặc trưng của cảm biến. Thiết kế mặt nạ là bước quan trọng, quyết định đến hình dạng và kích thước của cảm biến. Sau khi hoàn thành thiết kế, các cảm biến được chế tạo bằng các kỹ thuật như quang khắc và ăn mòn sâu. Kết quả chế tạo cho thấy các cảm biến có độ nhạy cao và khả năng hoạt động ổn định, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật trong ứng dụng thực tế.

III. Đánh giá và ứng dụng của cảm biến

Các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc được nghiên cứu và chế tạo trong luận án này đã cho thấy những kết quả khả quan. Đặc biệt, các cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường áp suất khí quyển, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Việc tích hợp các cảm biến này vào hệ thống IMU giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí và chuyển động của các vật thể. Các ứng dụng trong công nghiệp, quân sự và y học đều có thể được cải thiện nhờ vào sự phát triển của các cảm biến này.

3.1. Ứng dụng trong thực tiễn

Các cảm biến hiệu suất cao có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hệ thống túi khí trong ô tô, thiết bị định vị trong quân sự và các thiết bị y tế. Đặc biệt, trong lĩnh vực công nghiệp, các cảm biến này giúp cải thiện độ chính xác trong các quy trình sản xuất tự động. Việc phát triển các cảm biến có khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của chúng, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong các hệ thống công nghệ cao.