Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 1 LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải trong và ngoài nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không bịa đặt, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác. Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013 TÁC GIẢ ĐẶNG VĂN HIẾU Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến Gyroscopes” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Chử Đức Trình người đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, với tất cả lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực, và em xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Vũ Ngọc Hùng – Viện trưởng ITIMS, trưởng nhóm MEMS, Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Một lần nữa em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đễn tất cả mọi sự giúp đỡ em trong thời gian vừa qua. Em xịn kính chúc các thầy cô, các anh chị và các bạn mạnh khỏe và hạnh phúc. Hà Nội, ngày 20 tháng 04 năm 2013 Học viên ĐẶNG VĂN HIẾU Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 3 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 6 LỜI MỞ ĐẦU 8 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 9 1.1. Giới thiệu con quay hồi chuyển (Gyroscopes) 9 1.2. Hiệu ứng Coriolis 9 1.3. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) 10 1.3.1. Giới thiệu chung 10 1.3.2. Các kỹ thuật MEMS 12 1.3.3. Đóng vỏ Chíp 13 1.4. Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS) 13 1.4.1. Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu trúc 13 4.2.2. Phân loại con quay vi cơ 17 Chương 2: THIẾT KẾ GYROSCOPES MEMS 23 2.1. Mục tiêu thiết kế 23 2.2. Cấu trúc các thanh dầm kiểu đàn hồi 24 2.2.1. Dầm treo thẳng (Linear beam) 24 2.2.2. Dầm treo gập (folded beam) 26 2.3. Cấu trúc tụ điện vi sai 27 2.3.1 Khái niệm cơ bản về tụ điện 27 2.3.2. Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29 2.3.3. Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược 30 2.4. Cơ sở động lực học của quá trình cản trở dao động (damping) 30 2.5. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu tuning fork 32 2.5.1. Mô hình thiết kế 1 32 2.5.2. Mô hình thiết kế 2 33 Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 4 2.5.3. Mô hình thiết kế 3 34 2.5.4. Mô hình thiết kế 4 34 Chương 3: KHẢO SÁT GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK 36 3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork 37 3.2. Thiết kế cấu trúc 49 3.2.1. Phần sensing 50 3.2.2. Phần Driving 51 Chương 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 53 4.1. Phương pháp phát hiên bằng điện 53 4.2. Thiết kế mạch phát hiện điện dung Sensing-mode 54 4.3. Kết quả thực tế và mô phỏng của mạch điện 60 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64 5.1. Kết luận của đề tài 64 5.2. Đề xuất hướng phát triển của đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 5 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử LPF Low Pass Filter Mạch lọc thông thấp BPF Bank Pass Filter Mạch lọc thông dải GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu THD Through Hole Device Linh kiện chân cắm ZRO Zero rate output Lối ra với vận tốc góc bằng 0 SMD Surface Mount Device Linh kiện dán mặt Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS 11 Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp 13 Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động 14 Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper 18 Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn 19 Hình 1.6: (a) Dụng cụ âm thoa, (b) Các phương hoạt động với vận tốc góc 20 Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork 21 Hình 2.1: Cấu trúc của dầm thẳng 25 Hình 2.2: Ứng dụng của dầm treo thẳng 25 Hình 2.3: Cấu trúc dầm treo gập (a) ,đáp ứng với tải dọc và ngang (b) 26 Hình 2.4: Cấu trúc dầm gập kép 26 Hình 2.5: Ứng dụng của dầm treo gập 27 Hình 2.6: Mô hình cấu tạo tụ song song 28 Hình 2.7: Sự biến đổi khoảng cách tĩnh điện của mô hình thiết bị truyền động 28 Hình 2.7: Cấu trúc tụ điện thanh ngang 29 Bảng 2.1: Tóm tắt các thông số của cấu truc tụ điện thanh ngang 29 Hình 2.8: Cấu trúc tụ điện kiểu răng lược và nguyên lý hoạt động 30 Hình 2.9: Đặc trưng biên độ tần số của hệ cộng hưởng 31 Hình 2.10: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ nhất 32 Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 34 Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ ba 34 Hình 2.13: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ tư 35 Hình 3.1: Mô hình con quay hồi chuyển kiểu Tuning Fork 37 Hình 3.2: Sơ đồ phân tích lực và hệ quy chiếu 38 Hình 3.3: Sơ đồ phân tích lực khi đặt vận tốc góc vào hệ 40 Hình 3.4: Hình ảnh của mode ngược pha của sensing 50 Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 7 Hình 3.5: Hình ảnh của mode đồng pha của sensing 50 Hình 3.6: Hình ảnh của mode ngược pha của driving 51 Hình 3.7: Hình ảnh của mode đồng pha của driving 51 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Driving 53 Hình 4.2: Sơ đồ khối điều chế và giải điều chế tín hiệu Gyroscopes 54 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi phân 55 Hình 4.4: Mạch khuếch đại công cụ 55 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông dải 57 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nhân tần số 57 Hình 4.7: Phổ tần số của quá trình giải điều chế đồng bộ 59 Hình 4.8: Hình ảnh MEMS thực tế 60 Hình 4.9: Thiết lập khảo sát tần số driving 60 Hình 4.10: Đáp ứng tần số của mode dẫn động 61 Hình 4.11: Thiết lập khảo sát tần số Sensing 61 Hình 4.12: Đáp ứng tần số của mode cảm ứng 62 Hình 4.13: Đáp ứng ra của mô hình 4 63 Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 8 LỜI MỞ ĐẦU Trong khoảng 30 năm trở lại đây sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS, một lĩnh vực công nghệ cao đã tạo ra một cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật và công nghệ 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. Nội dung nghiên cứu thực hiện trong luận văn này là thiết kế, tính toán mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc dựa trên cấu trúc con quay vi cơ kiểu tuning fork, hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng Coriolis với cấu trúc tụ kiểu răng lược. Đây là 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. Tính toán và thiết các mạch điện, khảo sát các mạch điện kích thích và phát hiện tín hiệu của cảm biến, với đầu vào là một điều chế cơ học, tính toán thiết kế mạch điện giải điều chế đồng bộ và xử lý tín hiệu đầu ra của cảm biến. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn chưa thể để cập được đầy đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và hy vọng nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc tương lai. Em xin chân thành cảm ơn. Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 9 Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CON QUAY GYROSCOPES 1.1. 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. 1.2. 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. Luận Văn Thạc Sỹ Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 10 Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau: 2F mv    (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 : . .sin d v t    (1.2) 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 . t       (1.3) Thay biểu thức (1.3) vào (1.2) ta có: 2 . .sin . . . . . d v t v t t v t           (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: 2. . c a a v    (1.5) Do véc tơ v  và   trực giao với nhau nên có thể viết lại biểu thức của gia tốc này dưới dạng như sau: 2 c r a V      (1.6) Gia tốc c a  được gọi là gia tốc Coriolis và từ đó sẽ sinh ra lực Coriolis c F  2. c r F m V      (1.7) Lực Coriolis là lực ảo nên phụ thuộc vào cách quan sát khung quay quán tính. 1.3. Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) 1.3.1. Giới thiệu chung Với sự ra đời của Transistor vào ngày 23.12.1947 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 [...]... 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 1.4.1 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... của hệ con quay được kích thích để có dao động dọc theo phương X (gọi là thành phần kích thích) bởi lực Fd Khi cho cả hệ   chuyển động quay với vận tốc góc không đổi     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 Hình 1.3: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của con quay dao động. .. Thạc Sỹ Hình 2.11: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork thứ hai 2.5.3 Mô hình thiết kế 3 Mô hình 3 được thể hiện trên hình 2.12, khắc phục cấu trúc của sensing trong mô hinh thiết kế 1, với mô hình thiết kế 3 thì các hệ tụ của đầu sensing vi phân với nhau theo 2 nửa ở hai bên của một cảm biến, sử dụng các dẫn động theo hai hướng Hình 2.12: Mô hình thiết kế con quay vi cơ kiểu Tuning Fork... dễ dàng dao động theo các phương hoạt động (phương dẫn động và phương cảm ứng) Do nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork theo hai phương dẫn động và cảm ứng trực giao nhau, cho nên: - Độ cứng tổng hợp của dầm theo phương dẫn động và phương cảm ứng phải được thiết kế gần xấp xỉ như nhau để linh kiện có thể hoạt động tại tần số cộng hưởng, - Độ cứng của dầm tính theo phương dẫn động và tính... chi tiết thiết kế của mô hình thứ nhất Điểm khác biệt của thiết kế thứ hai này là việc bỏ thanh chống đồng pha của sensing và thay vào đó là trống đồng pha cho khung driving Việc đưa ra thêm cấu trúc mới này nhằm so sánh độ tin cậy với các biến dạng xoắn, vênh của cấu trúc trống đồng pha cho sensing và không có trống đồng pha cho sensing Mô hình thiết kế 2 cũng khảo sát sự khác nhau về cách dẫn động theo... 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 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. .. 3 KHẢO SÁT CẢM BIẾN GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK Con quay vi cơ đã đạt được nhiều thành công lớn từ ngành công nghiệp ô tô cho đến công nghiệp điện tử dân dụng Tất cả các con quay vi cơ trên thị trường hiện nay thuộc dạng sensor đo vận tốc góc, sử dụng sự chuyển năng lượng từ dao động dẫn động vòng kín (mode driving) tới dao động thứ cấp là dao động của mode sensing Độ phân giải và độ nhạy của con quay. .. kiện này được triển khai nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu tiên ở Đại Học Michigan (Mỹ) và Học viện Hàng không Vũ trụ Anh vào năm 1994 Linh kiện sử dụng hệ cấu trúc tụ điện răng lược để kích hoạt và nhận biết tín hiệu Hình 1.5 là một dạng cấu trúc điển hình của kiểu con quay này Hoạt động của linh kiện là do biến dạng đàn hồi của 8 dầm bán nguyệt xếp kiểu cánh quạt tạo ra dao động trong vòng tròn, được... trúc thiết kế mới Ví dụ như, con quay hồi chuyển cộng hưởng bán cầu với kích thước vĩ mô (HRG) với độ phân giải góc phụ thứ hai đẳng hướng và yêu cầu phẩm chất cao lên tới 26 triệu Đạt được mức đối xứng của giảm chấn (damping) và độ cứng (ví dụ 10-4 Hz) bằng công nghệ chế tạo con quay silicon MEMS, rất khó khăn để thực hiện một tỷ lệ tích hợp con quay hồi chuyển trong MEMS silicon, một thiết kế gộp... dao động đồng pha khi dẫn động bằng lực tĩnh điện nhằm cải thiện biên độ dẫn động của cấu trúc - Khử bỏ hoặc hạn chế các mode dao động cảm ứng đồng pha để giảm các nhiễu gây ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra - Khử bỏ hoặc hạn chế sự mất đồng đều của lực tĩnh điện tác động vào các hệ tụ dẫn động (driving) Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 23 Luận Văn Thạc Sỹ - Thiết kế bố trí hệ thống cấu trúc răng lược dẫn động . và nguyên lý hoạt động của con quay dao động 14 Hình 1.4: Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động (b, c) của con quay Drapper 18 Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm. Quốc Gia Hà Nội. Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: Nghiên cứu thiết kế và khảo sát hoạt động của cảm biến Gyroscopes” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được có khả. 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. Tính toán và thiết các mạch điện, khảo sát các mạch điện kích thích và