TỔNG QUAN VỀ CON QUAY (GYROSCOPE) 1. Con quay cơ cổ điển Thuật ngữ Gyroscope 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 gyrocopes để giải thích chuyển động quay của trái đất vào năm 1852. Hình 1.1: Con quay cơ học kiểu cổ điển Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (gimballed gyroscope) như mô tả trên hình 1.1, người ta sử dụng một một đĩa quay (con quay) có khối lượng với trục quay xuyên tâm và luôn có hướng cố định, được liên kết với khung quay bên ngoài bởi các khớp quay. Khi gắn vào một hệ chuyển động quay với vận tốc Ω, cấu trúc này sẽ bị nghiêng đi một góc, sinh ra một mô men động lượng nhờ mô men quán tính lớn của khung, chống lại các momen xoắn bên ngoài. Vì thế, đĩa quay luôn được duy trì theo phương trục quay cố định ban đầu. Do tính bảo toàn mô men động lượng của đĩa quay trong quá trình chuyển động, con quay cơ kiểu cổ điển 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 t ừ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa trên hình 1.2. 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 [2]. Hình 1.2: Mô hình công cụ dẫn hướng sử dụng con quay cơ học trong lĩnh vực hàng hải 2. Các loại con quay hiện đại Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật từ giữa thế kỉ 20, công nghệ chế tạo các con quay cũng phát triển không ngừng, với các loại con quay kiểu mới như con quay quang (optical gyroscope) dựa trên hiệu ứng giao thoa ánh sáng, và con quay vi cơ chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). 2.1. Con quay quang (optical gyroscopes) Các con quay quang học được chế tạo dựa trên hiệu ứng Sagnac là phổ biến nhất. Công cụ này đã được sử dụng thay thế cho các con quay cơ học trong các ứng dụng dẫn hướng trong các nghành công nghệ hàng không vũ trụ. Các con quay quang học có ưu điểm vượt trội là độ ổn định cao (sai số < 0,001 0 /h) và dải động học của cảm biến đạt đến cỡ 10 6 [3]. Có hai loại cấu hình được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân sự và quân sự, một loại dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang (Interferometric fiber optic gyrocope) như được chỉ ra ở hình 1.3 và loại thứ hai sử dụng ánh sang la-ze (Ring laser gyroscope) như được minh họa ở hình 1.4. Hình 1.3: Fiber optical gyroscopes Hình 1.4: Ring laser gyroscope Trên phương diện cấu trúc, con quay quang học không có các thành phần chuyển động và được chế tạo từ các vật liệu siêu bền, nên có thể được sử dụng trong các môi trường hoạt động vô cùng khắc nghiệt. 2.2. Con quay vi cơ (MEMS Gyroscopes) Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS, một lĩnh vực công nghệ cao (hi-tech), 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 (microgyroscope) 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 viến thông 2.2.1. Nguyên lí hoạt động và nguyên lí cấu trúc 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 với một đặc trưng cơ bản của hệ quy chiếu phi tuyến là gia tốc quán tính. Vì thế các nguyên lí hoạt động của con quay s ẽ được xem xét trong hệ quy chiếu phi quán tính thông qua hiệu ứng Coriolis. Hiệu ứng Coriolis là hiện tượng lệch quỹ đạo gây bởi lực quán tính khi 1 vật đang chuyển động tịnh tiến lại được đặt trong hệ quy chiếu quay, với vận tốc Ω so với hệ quy chiếu quán tính. Khi đó sẽ xuất hiện một gia tốc quán tính trọng hệ chuyển động quay gọi là gia tốc Coriolis. Gia tốc này gây ra lực quán tính Coriolis làm lệch quỹ đạo của vật thể khi đang chuyển động tịnh tiến với vận tốc v (hình 1.5). Có thể dễ dàng xác định được độ lệch của quỹ đạo chuyển động của vật thể trong khoảng thời gian chuyể n động Δ t bằng biểu thức : sindvt θ = Δ (1.1) Trong đó, θ là góc lệch của quỹ đạo chuyển động thẳng của vật. Khi xét dịch chuyển nhỏ tương ứng góc θ nhỏ, một cách gần đúng, có: sin . t θ θ ≈ =ΩΔ (1.2) Hình 1.5: Cách xác định gia tốc và lực Coriolis Thay biểu thức 1.2 vào 1.1 ta có : 2 . .sin . ( )dvt vt tv t θ = Δ=ΔΩΔ=ΩΔ (1.3) 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: 2. . c aa v = =Ω (1.4) Do véc tơ v r và Ω ur trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của gia tốc này dưới dạng như sau: 2. cr aV = Ω× r r r (1.5) Gia tốc c a r được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis c F r 2. . cr F mV = Ω× r rr (1.6) Lực Coriolis là lực ảo cho nên nó phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính. Cảm biến đo vận tốc góc được nghiên cứu trong luận văn này thuộc loại con quay dao động. Nguyên lý hoạt động của loại con quay này có thể được mô tả bởi mô hình tương đương (lumped model) gồm khối gia trọng (m) – lò xo (k x , k y ) – giảm chấn (c x , c y ), 2 bậc tự do (hệ tọa độ 2 chiều XY) như được chỉ ra ở hình 1.6 . Coi hệ quy chiếu gắn với con quay (XY - B) là quy chiếu phi quán tính, vì hệ này chuyển động có gia tốc đối với đối với hệ quy chiếu quán tính (ij - A) gắn với trái đất. Thông thường, khối gia trọng (m) của hệ con quay được kích thích để có dao động dọc theo phương X (gọi là thành phần kích thích) bởi lực F d . Khi cho cả hệ chuyển động quay với vận tốc góc không đổi ( θ Ω= ur & = const), sẽ sinh ra dao động của khối gia trọng theo phương Y (gọi là thành phần cảm ứng) do tác động của lực quán tính Coriolis gây bởi gia tốc quán tính Coriolis. Y X Z j i k θ m k x k y c x c y r A r B R Ω = θ ( D r i v e ) C ả m ứ n g - F c ( S e n s e ) K í c h t h í c h - F d Hệ quy chiếu quán tính -A Hệ quy chiếucon quay -B Y X Z j i k θ m k x k y c x c y r A r A r B r B RR Ω = θ ( D r i v e ) C ả m ứ n g - F c ( S e n s e ) K í c h t h í c h - F d Hệ quy chiếu quán tính -A Hệ quy chiếucon quay -B Hình 1.6: Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của con quay dao động Vị trí khối gia trọng m tại thời gian t bất kỳ trong hệ quy chiếu quán tính A được xác định bởi vector vị trí A r u r : BA rRr r r r += (1.7) Trong đó, vector vị B r u r trí có thể được biểu diễn trong hệ tọa độ X,Y của con quay dưới dạng: YyXxr B r r r += (1.8) Vận tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp vận tốc V ur của hệ con quay với hệ quy chiếu quán tính và vận tốc B v uur của m trong hệ quy chiếu con quay. Tuy nhiên, trong hệ con quay, m vừa tham gia chuyển động tịnh tiến (CĐ thẳng) vừa tham gia chuyển động quay, vì thế, B v uur sẽ bao gồm vận tốc chuyển động tịnh tiến (Translational motion), T BB vr=  uurur , và vận tốc liên hệ với chuyển động quay (Rotation motion), R BB vr=Ω×  u ururur , được xác định bởi: B ABB vVv r Rr r = +==++Ω× r rr r rr r r & && (1.9) Thực hiện khai triển phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.9) với lưu ý chỉ xét các thành phần theo 2 phương X và Y đối với B r ur và chỉ có Ωz = Ω ≠ 0 (do vector Ω ur có phương dọc theo trục Z), ta sẽ nhận được vector vận tốc của m trong hệ quy chiếu con quay, như sau: ( ) ( ) YvXvYxyXyxv yxB r r r & r & r +=Ω++Ω−= (1.10) Gia tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp gia tốc A r của hệ con quay với hệ quy chiếu quán tính và gia tốc B a r của m trong hệ quy chiếu con quay, trong đó, B a r cũng sẽ bao gồm gia tốc chuyển động tịnh tiến, và gia tốc liên hệ với chuyển động quay, được xác định bởi: ( ) BBB B BB aAa Rr r r r r=+ =++Ω×+Ω×Ω× +Ω×+Ω× r rrrr rr rr r r r r r && & && & & & ( ) ( ) 2 BBBB aRr r r r=++Ω×Ω× +Ω×+Ω× rrr r r rr r r r && & && & & (1.11) Thực hiện khai triển các phép nhân vector hữu hướng ở vế phải của (1.11) với lưu ý chỉ xét đến các thành phần theo 2 phương X và Y đối với B r r và B v r , đồng thời chỉ có Ω z = Ω ≠ 0, gia tốc của m trong hệ quy chiếu con quay cũng sẽ được xác định: ( ) ( ) 22 22 B xy ax x yyXy y xxYaXaY=−Ω−Ω−Ω +−Ω+Ω−Ω = + r rrr r && && & && & (1.12) Phương trình động lực học của hệ lò xo – khối gia trọng – giảm chấn trong hệ quy chiếu con quay theo 2 phương X, Y có dạng: ma x + c x v x + k x x = F d ma y + c y v y + k y y = 0 (1.13) Trong đó, vx và vy là các thành phần của vector vận tốc v r và αx, αy là các thành phần của vector gia tốc a r theo 2 phương X và Y. Thay (1.7), (1.8) và (1.12) vào (1.13) ta có : () ( ) 2 2 zx d mx c x y k m x m y m y F+−Ω+−Ω−Ω−Ω= & && & & () ( ) 2 20 yy my c x y k m y mx mx++Ω+−Ω+Ω+Ω= & && & & (1.14) Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo mọi phương (tức là k x = k y = k) và nếu coi vận tốc góc Ω nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng hưởng kích thích, tức là, Ω << /km ω = , thì k >> mΩ 2 . Ngoài ra, do Ω = const nên 0Ω= & , cũng như có x y >> Ω & , y x>> Ω & , các phương trình trong (1.8) sẽ được rút gọn thành: 2 x d mx c x kx m y F + +−Ω= && & & 20 y my c y ky m x + ++ Ω= && & (1.15) Đây là các phương trình chuyển động đối với hệ con quay lý tưởng. Nếu hệ con quay được kích thích đến tần số cộng hưởng bởi lực tuần hoàn F d = F 0 .sin ω t thì lực sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng theo phương cảm ứng. Các số hạng 2my Ω & và 2mx Ω & trong các phương trình (1.15) chính là các thành phần lực coriolis theo 2 phương X và Y, tạo ra sự liên kết ràng buộc (coupling) về mặt động lực học giữa 2 mode dao động. Khi hệ số độ cứng của mode kích thích và mode cảm ứng trùng nhau, các tần số cộng hưởng của 2 mode cũng sẽ như nhau. Biên độ dao động tạo thành sẽ tỷ lệ với lực Coriolis và do đó tỷ lệ với vận tốc góc cần đo. 2.2.2. Phân loại và quá trình phát triển Con quay vi cơ thực chất là linh kiện dùng để đo vận tốc góc hoặc là góc nghiêng được chế tạo bằng công nghệ MEMS. Với từng loại Gyroscope có độ phân giải, độ nhạy khác nhau thì có các ứng dụng kèm theo khác nhau. Gyroscopes được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp ô tô. Các loại Gyroscope nguyên tử có thể có độ phân giải, và độ nhạy rất cao trong phòng thí nghiệm thế nhưng chúng lại không thông dụng trên thị trường b ằng so với các Gyroscope quang và Gyroscope tĩnh điện bởi vì giá thành của chúng thường rất đắt. Đối với các con quay vi cơ những thông số sau xác định chất lượng của một linh kiện: • Độ phân giải (resolution) là tín hiệu nhỏ nhất mà linh kiện có thể phân biệt được. Độ phân giải có thể được coi là độ nhạy của linh kiện, có đơn vị được tính bằng 0 /s hoặc 0 /h. • Hệ số tỷ lệ (scale factor): là tỷ lệ của sự thay đổi tốc độ tín hiệu lối ra trên một đơn vị thay đổi của thông tin (vận tốc góc) đầu vào, có đơn vị là mV/ 0 /s • Dải hoạt động (dynamic range): Khả năng hoạt động của linh kiện tương ứng thông tin đầu vào. [...]... loại các Gyroscopes thành 5 loại cơ bản như sau : 1 Con quay vi cơ với dầm dao động (Gimbal Gyroscopes) Phòng thí nghiệm Charles Stark Draper là nơi đầu tiên phát triển về loại Gyroscopes này vào năm 1991 qua vi c chế tạo thành công linh kiện bằng phương pháp vi cơ khối trên phiến silic loại p++ [12] (hình 1.7) Hình 1.7: Con quay dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối Thành phần khung ngoài... một mẫu thiết kế con quay vi cơ 2 trục được chế tạo bằng vật liệu si-líc đa tinh thể (polysilicon) có độ dày 7µm, lắng đọng bằng phương pháp LPCVD (hình 1.12b) Kết quả đo thực nghiệm cho thấy, tín hiệu nhiễu là 0,10/s, độ nhạy đạt 0,1mV/0/s 2.2.3 Những vấn đề còn tồn tại Do kết cấu và cơ chế làm vi c kiểu dao động, nên thực chất con quay vi cơ được coi như một bộ cộng hưởng Do đó, vi c tương thích... 2 mode kích động và cảm ứng là 4,65% độ nhạy của thiết bị đạt 45mV/fF, và độ phân giải tương ứng là 0,1fF 2 Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning fork gyrocopes) Năm 1993, phòng thí nghiệm Draper tại học vi n MIT đã chế tạo thành công con quay vi cơ kiểu Tuning fork trên phiến SOI (Silicon on Insulator) có độ dày 1 mm [4] như được chỉ ra trên hình 1.9 Hình 1.9: Tuning fork gyroscopes chế tạo... ứng với các ứng dụng cụ thể của con quay vi cơ Ngày nay, các mẫu Gyroscopes được phát triển chế tạo chủ yếu vẫn dựa trên nguyên lí và hiệu ứng cơ bản của nhiều năm trước Nhưng với sự phát triển của khoa học công nghệ vật liệu nên các thiết kế mới với các cải tiến về cấu trúc cơ học được đưa ra để phù hợp với phương pháp chế tạo hoặc vật liệu mới Dựa trên chế độ dao động cơ học và cấu trúc hình học người... công nghệ chế tạo như ở Vi t Nam chúng ta NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ THIẾT KẾ CON QUAY VI CƠ 1 Cơ sở thiết kế về tĩnh điện Các cảm biến đo vận tốc góc theo cấu trúc tuning fork gyroscopes có nguyên lý hoạt động dựa trên sự dẫn động bằng lực tĩnh điện thông qua hệ cấu trúc các răng lược tĩnh điện và nhận biết tín hiệu ra nhờ sự thay đổi điện dung của hệ tụ điện cảm ứng Dưới đây, những vấn đề cơ bản liên quan lý thuyết... thiết kế trước đó nhờ 8 điện cực đặt cố định xung quay khối gia trọng để thu tín hiệu lối ra Sự sai lệch về tần số cộng hưởng của 2 mode kích hoạt và cảm ứng đạt 0,07% Độ nhạy của linh kiện đạt 1,25 mV/0/s 0 trong dải tần 12Hz và nhiễu xác định cỡ 0,3 / h / Hz Hình 1.10: Tuning fork gyroscopes với hệ số Q cao 3 Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes) Đại học Michigan là trung... vận tốc góc quay đặt vào thông qua sự thay đổi của điện dung các tụ cảm ứng Hình 1.11: Ring gyrocopes Cấu trúc con quay vi cơ này được chế tạo đầu tiên vào năm 1994 sử dụng vật liệu Nickel và polyimit bằng côngnghệ LIGA đúc điện ( electro – forming nickel) [5] Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân giải đạt khoảng 0,50/s trong dải tần 25Hz Tuy nhiên, có một vài hạn chế cho vi c tăng... cảm ứng sẽ đạt các giá trị cực đại và được xác định gần đúng : xdriving max = QDriving xdrivingstatic (2.24) ysen sin g max = Qsen sin g ysen sin gstatic (2.25) Trong đó : xdrivingmax và ysensingmax là biên độ dao động cực đại theo hướng dẫn động và theo hướng cảm ứng Qdriving và Qsensing là hệ số phẩm chất dẫn động và cảm ứng xdrivingstatic là biên độ dẫn động tĩnh sinh ra bởi lực tĩnh điện ysensingstatic... mức micro-mét bằng vi c điều chỉnh độ dày của lớp hy sinh (Sacrificial layer) trong quá trình chế tạo Điều này làm tăng rất nhiều giá trị điện dung cảm ứng, dẫn đến tăng độ lớn tín hiệu đo được Hệ quả là, tăng hệ số phẩm chất Q (đạt ~ 1200), với biên độ dẫn động đạt 0,15µm, điện dung tụ cảm ứng kí sinh đạt 2pF, và độ nhạy của thiết bị nhỏ hơn 10/s trong dải hoạt động 1Hz 4 Con quay vi cơ đa trục (Multi... biến dựa trên 2 hay nhiều trục sẽ có ưu điểm làm hạ giá thành và đạt hiệu suất cao hơn (khi so sánh với vi c sử dụng 3 cảm biến đơn trục) Đại học UC Berkeley đã công bố một nghiên cứu về cảm biến đo vận tốc quay 2 trục (dual input axis vibrating wheel gyrocopes), được chế tạo bằng phương pháp vi cơ bề mặt [18], trên phiến silic có độ dày 2µm, có hình dạng như một roto quán tính với bán kính 150 µm . các loại con quay kiểu mới như con quay quang (optical gyroscope) dựa trên hiệu ứng giao thoa ánh sáng, và con quay vi cơ chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS). 2.1. Con quay quang. 1.1: Con quay cơ học kiểu cổ điển Trong cấu trúc con quay cơ cổ điển (gimballed gyroscope) như mô tả trên hình 1.1, người ta sử dụng một một đĩa quay (con quay) có khối lượng với trục quay. 2. Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning fork gyrocopes) Năm 1993, phòng thí nghiệm Draper tại học vi n MIT đã chế tạo thành công con quay vi cơ kiểu Tuning fork trên phiến SOI