BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN QUỲNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC DỰA TRÊN CẤU TRÚC TỤ RĂNG LƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH:KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.TRỊNH QUANG THÔNG HÀ NỘI - 2010 LUẬN VĂN THẠC SĨ MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CON QUAY (GYROSCOPE) Con quay cổ điển Các loại quay đại 2.1 Con quay quang (optical gyroscopes) 10 2.2 Con quay vi (MEMS Gyroscopes) 11 2.2.1 Công nghệ MEMS 12 2.2.2 Nguyên lí hoạt động nguyên lí cấu trúc 14 2.2.3 Phân loại trình phát triển 19 2.2.4 Những vấn đề tồn 28 CHƯƠNG II THIẾT KẾ CON QUAY VI CƠ KIỂU TUNING FORK Mục tiêu thiết kế 30 Cơ sở thiết kế tĩnh điện 31 2.1 Lực tĩnh điện cho cấu trúc tụ phẳng 31 2.1.1 Lực tĩnh điện pháp tuyến ( Fn ) 31 2.1.2 Lực tĩnh điện tiếp tuyến ( Ft ) 33 2.2 Lực tĩnh điện cho cấu trúc hệ tụ kiểu lược 35 2.3 Nguyên lí đo tín hiệu lối hệ tụ lược 37 Cơ sở thiết kế cấu trúc đàn hồi 41 3.1 Dầm treo thẳng (single fixed-guided beam) 43 3.2 Dầm treo gập (folded beam) 44 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ảnh hưởng ma sát không khí đến hoạt động cấu trúc 45 4.1 Ma sát trượt lớp không khí 47 4.2 Ma sát nén lớp không khí 49 Các mô hình thiết kế 49 CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC Phương pháp tính toán 54 1.1 Phương pháp FEM phần mềm ANSYS 54 1.2 Phần mềm MATLAB SIMULINK 56 Cấu trúc toán mô 58 2.1 Bài toán mô cấu trúc học 58 2.2 Bài toán mô đặc trưng điện cấu trúc 61 Kết mô 66 3.1 Các đặc trưng học 66 3.1.1 Mô hình thiết kế 66 3.1.2 Mô hình thiết kế 68 3.1.3 Mô hình thiết kế 74 3.2 Các đặc trưng điện mô hình thiết kế 77 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Kết luận 82 Định hướng nghiên cứu 83 Tài liệu tham khảo 85 Phụ Lục 87 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Con quay học kiểu cổ điển Hình 1.2: Mô hình công cụ dẫn hướng sử dụng lĩnh vực hàng hải Hình 1.3: Fiber optical gyroscopes 10 Hình 1.4: Ring laser gyroscope 11 Hình 1.5: Cách xác định gia tốc lực Coriolis 15 Hình 1.6: Nguyên lý cấu trúc hoạt động quay dao động 16 Hình 1.7: Con quay dầm dao động chế tạo phương pháp vi khối 22 Hình 1.8: Gimbal gyroscopes chế tạo phương pháp vi bề mặt 22 Hình 1.9: Tuning fork gyroscopes chế tạo phiến SOI 23 Hình 1.10: Tuning fork gyroscopes với hệ số Q cao 24 Hình 1.11: Ring gyrocopes 25 Hình 1.12: Gyroscopes trục ( dual – axis gyroscopes): 27 Hình 2.1: Lực pháp tuyến với tụ 32 Hình 2.2: Lực tiếp tuyến tụ 34 Hình 2.3: Cấu trúc hệ tụ lược (a) mô hình hoạt động nguyên lý (b) 36 Hình 2.4: Hệ dẫn động kéo đẩy cấu trúc tụ kiểu lược 37 Hình 2.5: Cấu trúc nguyên lý đo tín hiệu lối (CS: sensitive capacitance) 38 Hình 2.6: Bố trí hệ lược dẫn động 39 Hình 2.7: Bố trí hệ lược cảm ứng tín hiệu đầu 40 Hình 2.8: Minh họa kiểu dầm thẳng 43 Hình 2.9: Cấu trúc dầm treo gập (a), đáp ứng với tải dọc ngang (b) 44 Hình 2.10: Minh họa kiểu dầm gập kép 45 Hình 2.11: Đặc trưng biên độ tần số hệ cộng hưởng 47 Hình 2.12: Ma sát không khí chuyển động trượt cực 48 Hình 2.13: Trường hợp hai cực tiến gần lại 49 Hình 2.14: Mô hình thiết kế quay vi kiểu tuning fork thứ 50 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 2.15: Mô hình thiết kế quay vi kiểu tuning fork thứ hai 51 Hình 2.16: Mô hình thiết kế quay vi kiểu tuning fork thứ ba 52 Hình 3.1: Mô hình mạch điện tương đương 62 Hình 3.2: Mô hình cấu trúc cách bố trí hệ lược 63 Hình 3.3: Sơ đồ thuật toán SIMULINK 65 Hình 3.4: Các dạng dao động tự nhiên mô hình thiết kế 68 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lí cấu trúc tuning fork gyrosope 69 Hình 3.6: Kết mô chuyển vị dầm ứng với lực N 70 Hình 3.7: Cấu trúc khử bỏ phương dẫn động đồng pha – 2D 71 Hình 3.8: Các mode dao động tự nhiên thiết kế 73 Hình 3.9: Cấu trúc khử bỏ phương dẫn động đồng pha – 2D 74 Hình 3.10: Các Mode dao động tự nhiên thiết kế 77 Hình 3.11: Đáp ứng tần số mode dẫn động 78 Hình 3.12: Đáp ứng tần số mode cảm ứng 79 Hình 3.13: Đáp ứng phụ thuộc thời gian mô hình thiết kế tương ứng trình thay đổi vận tốc góc 80 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các đặc trưng quay vi cho ứng dụng 20 Bảng 2.1: Thông số kích thước lược hệ dẫn động 39 Bảng 2.2: Thông số kích thước lược cảm ứng 40 Bảng 3.1: Kích thước chi tiết mô hình thiết kế 60 Bảng 3.2: Tính chất vật liệu kiểu phần tử xây dựng mô hình 61 Bảng 3.3: Trị tần số dao động riêng mô hình thiết kế 68 Bảng 3.4: Trị tần số dao động riêng mô hình thiết kế 74 Bảng 3.5: Trị tần số dao động riêng mô hình thiết kế 77 Bảng 3.6: Các đặc trưng cấu trúc đáp ứng lối mô hình thiết kế 81 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS Trịnh Quang Thông, người trực tiếp hướng dẫn làm luận văn Với kiến thức sâu rộng, với lòng nhiệt huyết bảo tận tình, thầy truyền lại cho tôi, giúp nhiều trình thực luận văn Kết đạt luận văn có đóng góp to lớn thầy giáo PGS TS Vũ Ngọc Hùng, Viện trưởng, đồng thời trưởng nhóm nghiên cứu phát triển công nghệ linh kiện MEMS viện ITIMS, dẫn nhận xét sâu sắc trình nghiên cứu Đặc biệt, phải kể đến ý kiến tư vấn thiết thực TS Đào Việt Dũng, chuyên gia có kinh nghiệm lâu năm công nghệ linh kiện MEMS, làm việc Đại học Ritsumeikan, Nhật Bản, gửi cho thông qua buổi trao đổi online Ngoài ra, nhận nhiều giúp đỡ hỗ trợ từ TS Phạm Hồng Phúc (Khoa khí – ĐHBKHN), TS.Trần Đức Tân(ĐH Công Nghệ), Th.S Nguyễn Tiến Anh thành viên khác nhóm MEMS, Viện ITIMS, ĐH Bách Khoa Hà Nội, để hoàn thành đề tài nghiên cứu đặt Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tập thể học viên lớp ITIMS2008, thầy giáo tập thể cán Viện đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) tạo điều kiện ủng hộ trình học tập nghiên cứu hai năm học vừa qua Cuối cùng, dành tất lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, người bên cạnh động viên trình học tập công tác Hà Nội, ngày 18 tháng11 năm 2010 Nguyễn Văn Quỳnh Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI NÓI ĐẦU Trong khoảng 30 năm trở lại đời phát triển công nghệ MEMS, lĩnh vực công nghệ cao (hi-tech) tạo cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ chế tạo linh kiện cảm biến (sensors) chấp hành (actuators) phạm vi kích thước milimet Ưu điểm vượt trội linh kiện độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng Nội dung nghiên cứu thực văn thiết kế, tính toán mô cảm biến đo vận tốc góc hay quay vi kiểu tuning fork hoạt động dựa nguyên lí hiệu ứng Coriolis với có cấu trúc tụ kiểu lược Đây linh kiện có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực 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 Sử dụng phương pháp tính toán mô phần tử hữu hạn (finite element method) sở sử dụng phần mềm ANSYS multiphysic, công cụ tính toán Simulink phần mềm Mattlab Kết mô cho ta biết ứng xử linh kiện thông qua đặc trưng điện cấu trúc Từ tìm cấu trúc tối ưu, tạo tiền đề, sở cho trình chế tạo đo kiểm tra cảm biến sau Tuy nhiên thời gian có hạn nên luận văn chưa thể để cập đầy đủ vấn đề liên quan, chắn tránh khỏi thiếu sót Tôi mong nhận thông cảm hy vọng nhận nhiều ý kiến đóng góp để có thêm kiến thức quý báu cho công việc tương lai Tôi xin chân thành cảm ơn Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn kết thân tôi, chép hay cóp nhặt tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả Nguyễn Văn Quỳnh Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CON QUAY (GYROSCOPE) Con quay cổ điển Thuật ngữ Gyroscope lần đưa nhà khoa học người Pháp, Leon Foucault, ghép từ ngôn ngữ Hy Lạp, theo đó, “Gyro” nghĩa “quay tròn”, “skopien” có nghĩa “quan sát” Khi đó, Foucault áp dụng định luật chuyển động quay gyrocopes để giải thích chuyển động quay trái đất vào năm 1852 Hình 1.1: Con quay học kiểu cổ điển Trong cấu trúc quay cổ điển (gimballed gyroscope) mô tả hình 1.1, người ta sử dụng một đĩa quay (con quay) có khối lượng với trục quay xuyên tâm có hướng cố định, liên kết với khung quay bên khớp quay Khi gắn vào hệ chuyển động quay với vận tốc Ω, cấu trúc bị nghiêng góc, sinh mô men động lượng Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ nhờ mô men quán tính lớn khung, chống lại momen xoắn bên Vì thế, đĩa quay trì theo phương trục quay cố định ban đầu Do tính bảo toàn mô men động lượng đĩa quay trình chuyển động, quay kiểu cổ điển ứng dụng để tạo công cụ định hướng dẫn lái giao thông hàng hải Những thiết bị dẫn hướng có mặt tàu biển lớn từ năm 1911 sở phát minh nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry, minh họa hình 1.2 Năm 1920, công cụ ứng dụng vào hệ thống dẫn lái loại bom ngư lôi, đến năm 1930 ứng dụng vào làm dẫn hướng cho hệ thông tên lửa đạn đạo [2] Hình 1.2: Mô hình công cụ dẫn hướng sử dụng lĩnh vực hàng hải Các loại quay đại Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật từ kỉ 20, công nghệ chế tạo quay phát triển không ngừng, với loại quay kiểu quay quang (optical gyroscope) dựa hiệu Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ Mode : f5 = 25,4 kHz Mode 10 : f5 = 26,7 kHz Hình 3.10: Các Mode dao động tự nhiên thiết kế Giá trị cụ thể tần số riêng cấu trúc hoạt động tổng hợp lại bảng 3.5 Bảng 3.5: Trị tần số dao động riêng mô hình thiết kế Mode dao động Tần số (HZ) Mode dao động Tần số (HZ) 10651 21246 10758 24007 16565 24242 17533 25347 18359 10 26705 3.2 Các đặc trưng điện mô hình thiết kế Trên sở kết phân tích với ba mô hình thiết kế thực với toán phần 3.1, mô hình thiết kế thứ thể có cấu trúc tối Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 77 LUẬN VĂN THẠC SĨ ưu Vì vậy, mô hình lựa chọn để tiếp tục thực toán mô đặc trưng điện thông qua phép phân tích đáp ứng tức thời (Transient analysis) sử dụng phần mềm Simulink Mattab Đáp ứng tần số mô hình thiết kế thứ hình 3.11 3.12 Linh kiện kích hoạt với tần số 10453 Hz biên độ dao động đạt khoảng m Giá trị biên độ cho thấy cấu trúc có độ cứng cao bảng 3.6 Biên độ dao động cảm ứng lớn khoảng 3,7 nm tương ứng biến đổi điện dung lối khoảng fF Hình 3.11: Đáp ứng tần số mode dẫn động Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 78 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.12: Đáp ứng tần số mode cảm ứng Theo sơ đồ tính toán SIMULINK (hình 3.3), lối vào toán vận tốc góc dạng xung tín hiệu hình thang đáp ứng tín hiệu lối biến đổi điện dung Giả định, vận tốc góc tăng dần từ đến giá trị 0 khoảng thời gian ms, sau đó, trì độ lớn khoảng thời gian 15 ms, cuối giảm dần khoảng thời gian 6ms Để xác định đáp ứng gyroscope miền thời gian, phép phân tích tức thời thực Tín hiệu vận tốc góc có độ trễ khoảng 0.605s Để có biên độ dao động dẫn động đạt giá trị cực đại, cần có thời gian trễ lớn Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 79 LUẬN VĂN THẠC SĨ Kết phân tích nhận từ SIMULINK đáp ứng thời gian tương ứng cảm biến này, trình bày hình 3.13 Hình 3.13: Đáp ứng phụ thuộc thời gian mô hình thiết kế tương ứng trình thay đổi vận tốc góc Kết nhận cho thấy cấu trúc thiết kế có đáp ứng tốt với thay đổi vận tốc góc Về nguyên lý, độ nhạy cực đại (biên độ cực đại dao động mode cảm ứng) nhận tần số cộng hưởng mode dẫn động tần số cộng hưởng mode cảm ứng Tuy nhiên, đó, đáp ứng thay đổi vận tốc góc chậm để lưu trữ lượng cần thiết cho biên độ mode cảm ứng nhận giá trị cực đại cần thời gian Vì thế, mode dẫn động mode cảm ứng cần phải có chênh lệch trị số tần số Đây đặc trưng quan trọng loại linh kiện này, gọi độ rộng dải tần (bandwidth) Thông số đạt giá trị khoảng Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 80 LUẬN VĂN THẠC SĨ 100 Hz, vừa thỏa mãn tiêu chí tách biệt tần số hai mode dao động dẫn động cảm ứng, vừa đảm bảo tốc độ đáp ứng linh kiện nhanh Kết tính toán chi tiết đặc trưng động tính chất điện mô hình thiết kế lựa chọn tổng hợp lại bảng 3.6 Bảng 3.6: Các đặc trưng cấu trúc đáp ứng lối mô hình thiết kế Thông số Phương dẫn động Phương cảm ứng Khối lượng (Kg) Mdriv = 2.2439e-7 Msens = 8.7055e-8 Hệ số tắt dần (Ns/m) Cdriv = 5.7169e-4 Csens = 8.6777e-5 Hế số độ cứng (N/m) Kdriv = 851.7674 Ksens =382.8195 Tần số (rad/s) fdriv = 1.0453e4 fsens =1.0554e4 Biên độ dao động (m) Adriv = 2e-6 Asens = 3.6e-10 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 81 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU Kết luận Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc hay quay vi (micromachined gyroscope) chủ yếu gồm chi tiết đàn hồi loại dầm học làm từ vật liệu si-líc cho cấu hoạt động dao động cộng hưởng Như đề cập, loại linh kiện ứng dụng rộng rãi phận an toàn chống lật, chống va đập cho ô tô đại; cảm ứng xoay ảnh cho hình máy tính bảng điện thoại di động; phận chống rung cho máy ảnh máy quay phim số; định vị dẫn hướng cho vật thể bay; điều khiển cho công nghệ ảo công nghiệp đồ chơi rô bốt nhỏ Hiện nay, linh kiện giới khoa học công nghệ cao phòng thí nghiệm sở nghiên cứu hay công ty chế tạo linh kiện lớn giới, tiến hành nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao độ nhạy để có sản phảm cung cấp thông tin xác hơn, gọn nhẹ hơn, tính tốt giá thành rẻ Những nội dung nghiên cứu thực luận văn đóng góp chung vào xu Các kết đạt tóm tắt lại sau : - Phân tích mô cấu trúc dầm thường gặp chọn cấu trúc dầm tối ưu nhằm loại bỏ mode dao động đồng pha - Đưa cấu trúc dầm xoay có tác dụng tách biệt tần số mode dao động mode dao động bậc cao, tăng khả khử mode dao động cảm ứng đồng pha Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 82 LUẬN VĂN THẠC SĨ - Mô phân tích mẫu thiết kế phần mềm ANSYS chọn mô hình thiết kế tối ưu Kết cho thấy mô hình thiết kế hoàn toàn tách biệt mode dao động cảm biến so với tần số lại, đảm bảo cấu trúc hoạt động với mode mode dẫn động mode cảm ứng (tần số cộng hưởng đạt giá trị 10,7 kHz) Các ảnh hưởng mode dao động không mong muốn có tần số cách xa (>56,6%) so với tần số làm việc cảm biến, hoàn toàn loại tạp nhiễu sinh lí - Phân tích tính toán đặc trưng động học để xác định số lược cần thiết cho cấu trúc hệ tụ điện để kích hoạt, thu nhận tín hiệu cảm ứng lối Đáp ứng tần số cấu trúc thu phù hợp với nguyên lí hoạt động dao động cộng hưởng Đáp ứng thời gian cấu trúc cho thấy linh kiện nhạy với thay đổi vận tốc góc Khi tăng, giảm vận tốc góc cách tuyến tính tín hiệu lối ra, biên độ cảm ứng hay độ thay đổi điện dung tăng giảm tuyến tính theo Tín hiệu lối xấp xỉ không tín hiệu góc Có thể khẳng định rằng, phương án thiêt kế khác phân tích, mô cách khoa học Cuối chọn mô hình thiết tối ưu đáp ứng hầu hết tiêu chí đặt ban đầu Định hướng nghiên cứu Kết đạt luận văn dừng bước phần nghiên cứu thiết kế quay vi kiểu tuning fork có cấu trúc hoàn toàn so với kết công bố trước Tuy nhiên, để khẳng định kết tính toán linh kiện phải thực hóa thông qua quy trình chế tạo Vì vậy, định hướng nghiên cứu thực nhiệm vụ này, bao gồm công việc cụ thể sau: Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 83 LUẬN VĂN THẠC SĨ - Thiết kế mặt nạ (Mask) cho trình chế tao linh kiện - Thực chế tạo linh kiện - Thực kỹ thuật đóng vỏ, hoàn thiện linh kiện - Tiến hành đo đạc, kiểm tra đặc trưng cảm biến Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 84 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tài liệu tham khảo [1] - "Gyroscope" by Sándor Kabai, Wolfram Demonstrations Project [2] – N.Yazdi, F.Ayazi and K.Najafi, “ Micromachined inertial sensors”, Proc.IEEE,86,1998,1640 – 1659 [3] – Kai liu, Weiping Zhang, Wenyuan Chen, Kai Li, Fuyan Dai, Feng Cui, Xiaosheng Wu, Gaoyin Ma and Qijun Xiao, “The development of microgyrocopes technology”, J.Micromech, Microeng, 19(2009) 113001 (29pp) [4] – J.Berstein, S.cho,A.T.King,A.Kourepenis,P.Maciel and M.Weinberg, “ A micromachined comb – drive tuning fork rate gyrocopes”, Proc,IEEE microelectromechanical Systems, Fort Lauderdale, FL,1993,143 – 148 [5] – F.Ayazi and K.Najafi, “ Design and fabrication of a high performance polysilicon vibrating ring gyrocopes”, Proc,IEEE microelectromechanical Systems Workshop(MEMS98),Heideberg, Germany, 1998, 621 – 626 [6] – A.Selvakumar and K.Najafi, “ High density vertical comb array microactuators fabricated using a novel bulk/ poly – silicon trench refill technology”, Tech Dig Solid – State sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, SC,USA,1994, 138 – 141 [7] – Nishad Patil, “Design and analysis of MEMS angular rate sensors”, A thesis submitted for Degree of Master of Science (engineering) in the Faculty of Engineering, Indian institute of science, Bangalore – 560-012 [8] – Pham Hong Phuc, “Study on Micro transportation Systems Based on Electrostatic Actuators Utilizing MEMS Technology” , PhD.Thesis, The Institute of Electrical Engineers of Japan [9] – W.C Tang, T.Nguyen and R.T Howe, “ Laterally driven polysilicon resonators”,Proc,IEEE microelectromechanical Systems Workshop (MEMS89), 1989, 53 – 59 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 85 LUẬN VĂN THẠC SĨ [10] – W.A Clark.Micromachined Vibratory Rate Gyroscope PhD.Thesis, BSAC, UC [11] – M.Kranz, “ Design, simulation and implementation of two novel micromechanical vibratory rate gyrocopes” , Mater’s thesis, Carnegie Mellon University, 1998 [12] - Greiff P, Boxenhorn B and King T 1991 Silicon monolithic micromechanical gyrocopes Solid state sensor and Actuators,Transducer’91 pp966-8 [13] – Alper SE and Akin T 2000 A planar Gyroscopes using a standard surface micromechanical process 14th European conf on solid state Transducer pp 387 – 90 [14] – Sharma A, Zaman F M and Amini B V 2004 A high Q in plan SOI tuning fork gyroscopes Proc IEEE 467 – 70 [15] – Putty M W and Najafi K 1994 A micromachined vibrating ring gyrocscopes Micro Electro Mechanical Systems, MEMS’95 Proc IEEE pp213 -20 [16] – Ayazi F and Najafi K 2001 A HARPSS polysilicon vibrating ring gyroscopes Microelectromech Syst 10 169 – 79 [17] – He G and Najafi K 2002 A single crystal silicon vibrating ring gyrocopes 15th IEEE Int Conf on Micro Electro Mechanical Systems pp 718 - 21 [18] – Juneau T, Pisano A P and Smith J H 1997 Dual axis operation of a micromachined rate gyroscopes Solid – State Sensor and Actuator 833 – [19] – Cenk Acar , Four Degrees of Freedom Micromachined Gyrocopes, Microsystems Laboratory Technical Report, 23 October 2001 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 86 LUẬN VĂN THẠC SĨ PHỤ LỤC NMD-P1 th The International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010) - Hanoi, Vietnam - November 09-12, 2010 A NOVEL DESIGN OF LATERAL AXIS MICROMACHINED TUNING FOLK GYROSCOPE Vu Ngoc Hung1, Nguyen Van Quynh1, Le Van Minh1, Trinh Quang Thong1,2, Nguyen Tien Anh1,3, Dao Viet Dzung4 International Training Institute of Materials Science (ITIMS), Institute of Engineering Physics (IEP), Dai Co Viet Road, Hanoi University of Technology (HUT), Hai Ba Trung Distr., Hanoi; Le Quy Don University of Technology 100 Hoang Quoc Viet Road, Cau Giay Distr., Hanoi, Vietnam; Ritsumeikan Global Innovation Research Organization, Ritsumeikan University, 1-1-1 Nojihigashi, Kusatsu, Shiga, 525-8577 Japan Email: hungvungoc@itims.edu.vn bstract Micromachined gyroscopes are inertial sensors for measuring the angular rate, which have been widely used in the automotive industry and robotics applications because of the typical advantages including small size, light weight, less power consumption and low cost This paper presents a novel design of lateral axis micromachined tuning fork gyroscope The proof-masses of this type of sensor are vibrated in anti-phase based on a comb capacitive structure and an elliptic connection beam Both driving and sensing modes of the gyroscope are dominated by the slide film mechanism in air damping, i.e., it can work at atmosphere condition The deigned model of the gyroscope is analyzed by Finite Element Method using ANSYS software The simulated results show that the obtained frequencies of the driving and sensing modes are of about 10 kHz Moreover, the inphase of sensing mode of the gyroscope is suppressed by folded beams centrally anchored Keywords: Micromachined gyroscope, MEMS angular rate sensors, FEM-ANSYS INTRODUCTION Angular rate is a great important quantity for orientation detection of moving systems This quantity can be measured by the sensors called gyroscopes Increasing attention has been paid for the MEMS gyroscope of a low cost and miniaturized size since there exist lots of applications for such devices in medical, transportation, consumer applications and for military fields, especially the flying objects in aero technology [1] There have been several design types of those devices including ring gyros, tuning fork shaped gyros, vibrating plate gyros and vibrating beam gyros (gimbals structure) [1] Mostly, these gyros have the vibrating structures that need to be suspended on the silicon substrate The vibratory gyroscope has been the main subject in the micromachining technology because they are easier with well-designed flexures Among them, the tuning folk gyroscope is most preferred with a number of reported works about the potential capabilities and advantages [2-3] Nevertheless, there were no differences Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ between higher modes and driving mode as well as sensing mode for the reported gyroscopes There also exist the in-phase of sensing mode In addition, for wider potential applications, a large dynamic range of angular rates should be sensed These disadvantages of the reported works are the motivation for us to develop a novel design of the tuning folk microgyroscope with new mechanical structure presented in this paper The aim of our design is the resonant frequencies of driving and sensing mode should be matching corresponding to the first and second mode Its mechanical behavior is simulated by FEM method using ANSYS software to show the advantages of resonant frequencies for the suitable modes DESIGN MODEL A gyroscope responds to the Coriolis motion and converts to an electrical signal The Coriolis force is a non-inertial quantity that arises from the velocity of a particle v in the rotating coordinate system characterized by angular rate  (Fig.1a) The Coriolis force is proportional to the velocity, angular rate determined as follows:    (1) FC  m(v  ) Basic structure of a vibrating micromachined gyro can be represented by a lumped parameter model with a proof mass (m) suspended by two orthogonal spring systems as shown in Fig.1b Here, kx, ky are considered as the elastic elements, and Cx, Cy as the dumping ones   y P  v O Fc kx  P’ .t Fd m cx ky cy x (a) (b) Fig Fundamental principle of coriolis force (a) and lumped model of vibrating gyroscope (b) When the suspended proof mass is vibrating in one direction, then the angular rate induced Coriolis force arises in the other orthogonal direction It is derived the motion equations for an ideal gyroscope system as follows [4]: mx  c x x  k x x  2my  Fd my  c y y  k y y  2mx  (2) Where x  ax and y  a y are components of acceleration, x  v x and y  v y are components of velocity along x and y axis, 2my and 2mx are the rotation induced Coriolis terms, which cause dynamic coupling between the two modes of vibration If the system is then driven at its resonant frequency using harmonic excitation (Fd = F0Sint), the rotation induced Coriolis force excites the Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 88 LUẬN VĂN THẠC SĨ system into resonance in the sense direction The resulting oscillation amplitude is proportional to the Coriolis force and therefore, to the angular velocity to be measured When the stiffness values in the driving and the sensing modes are matched (kx = ky = k), the resonant frequencies of the two modes are the same Our design of lateral axis micromachined tuning folk gyroscope is presented in Fig.2 with dimension of 4500 m x 4350 m Principally, the tuning fork gyroscope has two proof masses The masses are made to oscillate in-plane with a 1800 phase difference Upon rotation the Coriolis force excites the proof masses out-of-plane, again with a 1800 phase difference The electrostatic comb-drive actuator is used to set the proof-mass into oscillation in the drive mode With linear actuation of electrostatic comb force, the resonators are subjected to a harmonic motion The rotation rate is detected by measuring the differential capacitance change of comb capacitors The comb finger has the dimension of 50 m x m The gap between two adjacent fingers is 2.5 m Both driving and sensing modes of the gyroscope are dominated by the slide film mechanism in air damping, therefore, it can work at atmosphere condition This model is expected to have the advantages due to two features Firstly, an elliptic beam is used to connect two outer proof masses which have the dimension of 1840 m x 1640 m This element allows to increase the stiffness values as well as to assure the anti-phase oscillation easily The driving comb actuator is placed inside the elliptic beam for the aim of miniaturizing the device Secondly, two symmetrical rotation mechanisms for anti-phase sensing mode are inserted in the middle of the connection bars which are attached to the inner masses of 1500 m x 1000 m Our design also employs the folded beams for suspension with the width of 10 m, inner length of 625 m, outer length of 565 m, and distance between the inner and outer of 20 m The folded beams are anchored near the proof-mass allowing the expansion and contraction of the four beams connected to the proof-mass along the driving axis Therefore, larger linear range than simple ones can be achieved Rotation mechanism for anti-phase sensing mode Driving comb set Folded beam Anchors Driving direction Elliptic beam Sensing comb set Sensing direction Fig Design model of Tuning folk gyroscope Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 89 LUẬN VĂN THẠC SĨ SIMULATION RESULTS AND DISCUSSIONS The design model was verified by FEM using ANSYS software to analyze its mechanical behavior SOLID45 element is used for the 3-D modeling of solid structures The element is defined by eight nodes having three degrees of freedom at each node: translations in the nodal x, y, and z directions The lumped parameters of the structure, namely, the mass and the stiffness, are obtained using energy methods The suspension beams have the fixed end to the substrate by anchors and the other guided end connected to the proof mass This situation is considered as boundary conditions for finite element analysis The simulated results of driving and sensing mode are shown in Fig and Fig As a result, the resonant frequencies of the two modes are 9.298 kHz and 10.634 kHz, respectively It can be seen that the sensing mode is slightly higher than the driving mode This is to ensure that there is only a small and stable phase shift between the sensing motion and driving motion Fig First mode for driving obtained by ANSYS Fig Second mode for sensing obtained by ANSYS Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ In this design, the in-plane motion of the structure of both drive mode and sense mode is damped by the slide film effect due to Couette flow Therefore, the Q-factor is higher by more than an order of magnitude than the Q-factor due to the squeeze film When the sense and the drive resonant modes have equal frequencies, the output signal is amplified by the quality factor of the sense mode, thereby increasing the sense displacements by an order of magnitude It can be said that the design model has exhibited the advanced features as desired CONCLUSION A lateral-axis tuning-fork gyroscope with two advanced features of an elliptic beam connecting two driving proof masses and two symmetrical rotation mechanisms for anti-phase sensing mode is designed and demonstrated The proposed model can efficiently suppress the coupling from the sensing mode to the driving mode The device can work at atmospheric pressure with resonant frequency of about 10 kHz However, better performance can be anticipated when operating in vacuum and mode matching mechanisms adopted Acknowledgments This work is supported by the Ministry of Education and Training (MOET) as the project B2010-01-390 References Kai Liu et all, The development of micro-gyroscope Technology, J Micromech Microeng, 19 (2009) 113001, p 1-29 A Sharma et all, A Bias Drift Electronically Matched Tuning Fork Microgyroscope, in: Proceedings of MEMS’08 Conference, Tucson, Jan 13-17, 2008, pp.1-9 Z.Y Guo et all, An Electrically Decoupled Lateral-axis Tuning Fork Gyroscope Operating at Atmospheric Pressure, in: Proceedings of MEMS’09, Sorrento, Italy, Jan., 2009, pp 104-107 M.S Grewal, L.R Weill and A Andrews, Global positioning systems, inertial navigation and integration, Wiley, 2001 Nguyễn Văn Quỳnh – ITIMS 2008 91 ... lí hoạt động nguyên lí cấu trúc Con quay vi hay vi cảm biến đo vận tốc góc linh kiện đo đặc trưng chuyển động quay vận tốc góc Do cảm biến gắn hệ chuyển động nên vận tốc góc có mối liện hệ với... với tụ 32 Hình 2.2: Lực tiếp tuyến tụ 34 Hình 2.3: Cấu trúc hệ tụ lược (a) mô hình hoạt động nguyên lý (b) 36 Hình 2.4: Hệ dẫn động kéo đẩy cấu trúc tụ kiểu lược 37 Hình 2.5: Cấu. .. nghiên cứu thực văn thiết kế, tính toán mô cảm biến đo vận tốc góc hay quay vi kiểu tuning fork hoạt động dựa nguyên lí hiệu ứng Coriolis với có cấu trúc tụ kiểu lược Đây linh kiện có ứng dụng rộng