Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử nhiều bậc tự do

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu là làm rõ cơ sở khoa học trong nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động (MVG). Xây dựng mô hình MVG thỏa mãn một số yêu cầu đặt ra, từ đó xác định các đặc trưng động lực học của hệ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử nhiều bậc tự do

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả Vũ Văn Thể
ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu sinh xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể giáo viên hướng dẫn khoa học PGS. TS Trần Quang Dũng, PGS. TS Chử Đức Trình đã tận tình dìu dắt, chỉ bảo trong quá trình học tập và thực hiện luận án này. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS. TS Vũ Công Hàm, TS. Bùi Thanh Tùng đã có những đóng góp quý báu giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Bộ môn Cơ học máy, Khoa Cơ khí đã đồng hành cùng với nghiên cứu sinh trong suốt thời gian thực hiện luận án. Đặc biệt, nghiên cứu sinh muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân đã tạo mọi điều kiện về thời gian, động viên về tinh thần giúp nghiên cứu sinh toàn tâm toàn ý vào thực hiện luận án. Tác giả Vũ Văn Thể
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC ................................. 5 1.1. Tổng quan về MEMS .............................................................................. 5 1.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS ...................................... 5 1.1.2. Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS.................................................. 7 1.1.3. Công nghệ chế tạo các thiết bị MEMS .............................................. 8 1.2. Cảm biến vận tốc góc và ứng dụng ....................................................... 10 1.2.1. Cảm biến vận tốc góc kiểu con quay cổ điển .................................. 10 1.2.2. Cảm biến vận tốc góc kiểu quang học ............................................ 12 1.2.3. Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử ................................................. 13 1.3. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động ................................................ 15 1.3.1. Nguyên lý hoạt động ....................................................................... 15 1.3.2. Các thông số đánh giá chất lượng của MVG .................................. 16 1.3.3. Phân loại cảm biến vận tốc góc kiểu dao động ............................... 17 1.4. Các nghiên cứu về MVG ....................................................................... 18 1.4.1. Vi cảm biến vận tốc góc với dầm xoắn ........................................... 19 1.4.2. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu vòng dao động ................................. 19 1.4.3. Vi cảm biến vận tốc góc nhiều trục ................................................. 20 1.4.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động thẳng nhiều bậc tự do ...... 21 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 30
iv Chương 2 CƠ SỞ VẬT LÝ VÀ CƠ HỌC CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TÔC GÓC................................................................................................................. 32 2.1. Nguyên lý chung về hoạt động của cảm biến vận tốc góc .................... 32 2.2. Hiệu ứng tĩnh điện ................................................................................. 33 2.2.1. Tụ điện phẳng .................................................................................. 33 2.2.2. Lực pháp tuyến ................................................................................ 35 2.2.3. Lực tiếp tuyến .................................................................................. 36 2.2.4. Hiệu ứng viền giữa các bản tụ ......................................................... 37 2.2.5. Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong các bộ vi kích hoạt răng lược . 40 2.3. Ứng dụng hiệu ứng tĩnh điện trong cảm ứng tín hiệu ........................... 43 2.3.1. Ảnh hưởng của khe hở giữa hai bản tụ ........................................... 43 2.3.2. Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng .................................................. 44 2.3.3. Hệ tụ điện cảm ứng vi sai ................................................................ 45 2.4. Điều chế và giải điều chế ...................................................................... 47 2.4.1. Điều chế tín hiệu biên độ dao động ................................................. 47 2.4.2. Giải điều chế .................................................................................... 49 2.5. Cơ sở cơ học của vi cảm biến vận tốc góc ............................................ 51 2.5.1. Hệ số độ cứng tương đương của các dầm đàn hồi .......................... 51 2.5.2. Thành phần cản trong mô hình dao động của hệ vi cơ điện tử ....... 58 Kết luận Chương 2 ....................................................................................... 62 Chương 3 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC HAI BẬC TỰ DO ................................................................................................................. 63 3.1. Động lực học vi cảm biến vận tốc góc một phần tử hai bậc tự do ........ 63 3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của MVG cơ bản ........................... 63 3.1.2. Hệ phương trình vi phân dao động của MVG cơ bản ..................... 64 3.1.3. Dao động tự do của MVG cơ bản ................................................... 67 3.1.4. Dao động cưỡng bức của MVG cơ bản........................................... 70 3.1.5. Hiện tượng quá điều chế.................................................................. 72 3.2. Xây dựng mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai phần tử khối lượng .... 73 3.2.1. Mô hình động lực học của MVG hai phần tử khối lượng ............... 73 3.2.2. Mô hình 3D của MVG hai phần tử khối lượng ............................... 75 3.2.3. Xác định giá trị các tham số động lực học đặc trưng của MVG ..... 77 3.3. Động lực học vi cảm biến vận tốc góc hai khối lượng, hai bậc tự do... 81 3.3.1. Hệ phương trình vi phân dao động của MVG hai khối lượng ........ 81
v 3.3.2. Các dạng dao động riêng ................................................................. 84 3.3.3. Đáp ứng biên độ tần số .................................................................... 88 3.3.4. Một số dạng dao động của MVG .................................................... 91 Kết luận Chương 3 ....................................................................................... 96 Chương 4 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM THOA .............................................................................................................. 98 4.1. Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa ...................................................... 98 4.2. Mô hình hóa vi cảm biến vận tốc góc kiểu TFG ................................... 99 4.2.1. Lựa chọn mô hình nghiên cứu ......................................................... 99 4.2.2. Phương trình vi phân mô tả dao động của hệ................................ 103 4.3. Phân tích động lực học của khung liên kết kiểu quả trám .................. 106 4.3.1. Đáp ứng động lực học khung quả trám ......................................... 107 4.3.2. Lựa chọn kích thước phù hợp cho khung quả trám ...................... 111 4.4. Đặc trưng dao động của TFG .............................................................. 113 4.4.1. Dao động tự do trên phương dẫn ................................................... 113 4.4.2. Đáp ứng biên độ tần số cho dao động dẫn của hai khung ngoài ... 114 4.4.3. Dao động ngược pha của hai khung dẫn ngoài ............................. 116 4.4.4. Dao động trên phương cảm của hai phần tử quán tính ................. 118 4.5. Khả năng bù lệch pha của cấu trúc TFG đề xuất ................................ 119 4.5.1. Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn ....................................... 120 4.5.2. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ...................................... 122 4.6. Một số kết quả mô phỏng .................................................................... 123 4.6.1. Xây dựng mô hình ......................................................................... 123 4.6.2. Phân tích Modal............................................................................. 124 4.6.3. Đáp ứng động lực học của TFG .................................................... 127 Kết luận Chương 4 ..................................................................................... 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 134 Tiếng Việt ................................................................................................... 134 Tiếng Anh ................................................................................................... 134
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Chữ viết tắt: Viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa ABS Anti-Lock Braking System Hệ thống chống bó cứng phanh trên ô tô FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IC Integrated Circuit Mạch tích hợp INS Inertial Navigation System Hệ dẫn đường kiểu quán tính LIGA Lithographie, Galvanoformung, Công nghệ khắc hình, mạ điện, Abformung làm khuôn MEMS Micro-Electro Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử MG MEMS Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử MVG MEMS Vibratory Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động Q Quality factor Hệ số phẩm chất RLG Ring Laser Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu vòng laser SOI Silicon On Insulator Tấm Silic kép TFG Tuning Fork Gyroscopes Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
vii 2. Ký hiệu: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A μm2 Diện tích xếp chồng của hai bản tụ a μm Khoảng xếp chồng giữa hai bản tụ b μm Độ rộng của bản tụ C F Điện dung của tụ điện [C] Ma trận cản c Ns/m Hệ số cản của không khí D μm Đường kính phân tử khí d μm Khoảng cách giữa hai bản tụ dm Tỷ số khối lượng E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu EC J Năng lượng điện trường EB J Nội năng lượng của nguồn {F} Vectơ ngoại lực tác dụng Ft, Fn N Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ Fk N Lực đàn hồi tác dụng lên thành phần khối lượng Fc N Lực cản của không khí lên thành phần khối lượng Fx N Lực dẫn tĩnh điện f Hz Tần số dao động fd Hz Tần số dẫn fc Hz Tần số cảm g μm Khe hở giữa răng lược di động và răng lược cố định h, h' μm Độ dày của lớp vật liệu J m4 Mô men quán tính của mặt cắt ngang [K] Ma trận độ cứng Kn Hệ số Knudsen KB Hằng số Boltzmann k N/m Hệ số độ cứng của kết cấu khi kể đến tính đàn hồi ksingle N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm đơn kfolder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập đơn
viii Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Kdouble-folder N/m Hệ số độ cứng tương đương của dầm gập kép L μm Chiều dài dầm đàn hồi Lc μm Chiều dài răng lược l0 μm Chiều dài đoạn xếp chồng của hai răng lược [M] Ma trận khối lượng m kg Khối lượng của phần tử khối lượng mk kg Khối lượng khung ngoài ms kg Khối lượng phần tử quán tính bên trong p Pa Áp suất môi trường làm việc Q Hệ số chất lượng của MVG QC F Điện tích của tụ điện q C Điện tích điểm r m Khoảng cách giữa hai điện tích điểm T J Động năng của cơ hệ V V Điện áp đặt vào các bản tụ x0 μm Khoảng xếp chồng ban đầu giữa hai bản tụ y0 μm Khoảng cách ban đầu giữa hai bản tụ w μm Độ dày của răng lược α, β Hệ số cản Rayleigh αd Độ Góc lệch pha điện giữa hai lực dẫn β Tỷ số hình dạng βd Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động dẫn βc Độ Góc lệch pha cơ giữa hai dao động cảm ε F/m Hằng số điện môi của môi trường ε0 F/m Hằng số điện môi của chân không λ m Mức di chuyển của phân tử khí μ Pa.s Độ nhớt động học của không khí σ Hệ số nén khí ω rad/s Tần số vòng kích thích Ω rad/s Vận tốc góc
ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. So sánh giữa các hiệu ứng trong MEMS ......................................... 8 Bảng 3.1. Thông số cấu trúc mô hình MVG ................................................... 76 Bảng 3.2. Thông số đặc trưng của vật liệu Silicon ......................................... 77 Bảng 3.3. Một số tần số dao động riêng.......................................................... 85 Bảng 3.4. Tần số tương thích của hệ theo một số giá trị của dầm gập ........... 87 Bảng 3.5. Thông số khảo sát cho hệ MVG hai phần tử .................................. 89 Bảng 4.1. Thông số kích thước cơ bản của khung quả trám ......................... 107 Bảng 4.2. Tần số dao động riêng của hai mô hình khung quả trám ............. 108 Bảng 4.3. Giá trị các thông số cho hệ khảo sát ............................................. 114 Bảng 4.4. Tỷ số lệch pha dẫn ........................................................................ 121 Bảng 4.5. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ..................................... 123 Bảng 4.6. Một số dạng dao động riêng của TFG .......................................... 124 Bảng 4.7. Các tần số chính của TFG khi thay đổi kích thước ...................... 125 Bảng 4.8. Tham số của TFG ......................................................................... 126
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29] ..................... 6 Hình 1.2. Thí nghiệm mô phỏng chuyển động quay của trái đất [20] ............ 10 Hình 1.3. Mô hình con quay cơ cổ điển 4 bậc tự do ....................................... 11 Hình 1.4. Ứng dụng con quay trong các thiết bị dẫn hướng hàng hải ............ 12 Hình 1.5. Sơ đồ cảm biến quang học loại 1 .................................................... 13 Hình 1.6. Cảm biến RLG loại 2 ...................................................................... 13 Hình 1.7. Một số ứng dụng trong quân sự của MG [30] ................................ 14 Hình 1.8. Nguyên lý hoạt động của MVG ...................................................... 15 Hình 1.9. Vi cảm biến kiểu Gimbal ................................................................ 19 Hình 1.10. Cấu trúc con quay vi cơ kiểu vòng dao động ................................ 20 Hình 1.11. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu nhiều trục....................................... 21 Hình 1.12. Mô hình hai phần tử 4 bậc tự do ................................................... 21 Hình 1.13. Con quay vi cơ kiểu tách riêng các dao động ............................... 22 Hình 1.14. Thiết kế TFG của phòng thí nghiệm Draper [34] ......................... 24 Hình 1.15. Mô hình TFG với hệ số Q cao [12]............................................... 25 Hình 1.16. Mô hình TFG có các khung ngoài ................................................ 26 Hình 1.17. Mô hình liên kết hai nhánh của TFG nhờ dầm gập [64] ............... 27 Hình 1.18. Cấu trúc TFG với vòng treo kết nối [65] ...................................... 28 Hình 1.19. Mô hình TFG của nhóm ITIMS [59] ............................................ 29 Hình 2.1. Sơ đồ khối hoạt động của MVG ..................................................... 32 Hình 2.2. Lực tĩnh điện giữa hai điện tích điểm ............................................. 33 Hình 2.3. Cấu tạo tụ điện phẳng ...................................................................... 34 Hình 2.4. Lực pháp tuyến (a) và lực tiếp tuyến (b) giữa hai bản tụ ................ 34 Hình 2.5. Phân bố điện trường giữa hai bản tụ phẳng .................................... 38 Hình 2.6. Lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ khi có hiệu ứng viền38
xi Hình 2.7. Thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến giữa hai bản tụ .............. 39 Hình 2.8. Cấu trúc (a) và nguyên lý hoạt động kiểu răng lược ....................... 40 Hình 2.9. Thiết kế sơ bộ hệ răng lược tạo lực dẫn trong MVG ...................... 42 Hình 2.10. Sơ đồ điện tạo lực dẫn ................................................................... 42 Hình 2.11. Ảnh hưởng của khe hở đến điện dung hai bản tụ ......................... 44 Hình 2.12. Ảnh hưởng của khoảng xếp chồng đến điện dung hai bản tụ ....... 44 Hình 2.13. Nguyên lý đo tín hiệu cảm ............................................................ 45 Hình 2.14. Ảnh hưởng của khe hở ban đầu đến biến thiên điện dung ............ 46 Hình 2.15. Quan hệ gần tuyến tính giữa độ dịch chuyển và biến thiên điện dung của hai bản tụ................................................................................................... 46 Hình 2.16. Đường bao cao tần thể hiện dạng tín hiệu điều chế ...................... 48 Hình 2.17. Sơ đồ mạch điện xác định tín hiệu điện dung ............................... 49 Hình 2.18. Sơ đồ mạch giải điều chế .............................................................. 49 Hình 2.19. Cấu trúc dầm đơn và các dạng mặt cắt ngang............................... 52 Hình 2.20. Cấu trúc dầm đơn vuông góc ........................................................ 54 Hình 2.21. Cấu trúc dầm gập .......................................................................... 55 Hình 2.22. Cấu trúc dầm gập kép.................................................................... 57 Hình 2.23. Sự phụ thuộc của hệ số η vào tỷ số hình dạng β ........................... 61 Hình 3.1. Cấu tạo (a) và nguyên lý hoạt động (b) của một MVG cơ bản ....... 64 Hình 3.2. Các dao động thành phần khi hệ tự do không cản .......................... 68 Hình 3.3. Một số dạng dao động tự do không cản .......................................... 69 Hình 3.4. Một số dạng quỹ đạo dao động tự do có cản .................................. 69 Hình 3.5. Quan hệ biên độ - tần số khi f ≠ 0 (a) và khi f = 0 (b) .............. 70 Hình 3.6. Đáp ứng trên phương cảm của phần tử quán tính khi vận tốc góc có dạng tam giác (a), hình thang (b) và hình sin (c) ............................................ 71 Hình 3.7. Một dạng quá điều chế của MVG một phần tử ............................... 73 Hình 3.8. Mô hình vi cảm biến vận tốc góc hai bậc tự do .............................. 74
xii Hình 3.9. Mô hình 3D (a) và chia lưới (b) của MVG ..................................... 75 Hình 3.10. Cấu tạo của các dầm gập đơn trên các phương dẫn và cảm ......... 75 Hình 3.11. Sơ đồ đặt điều kiện và đáp ứng của một dầm gập đơn ................. 78 Hình 3.12. Ảnh hưởng kích thước đến độ cứng của dầm ............................... 78 Hình 3.13. Sơ đồ đặt lực (a) và chuyển vị của MVG trên phương dẫn (b) .... 79 Hình 3.14. Điều kiện biên (a) và lực liên kết (b) của MVG trên phương cảm80 Hình 3.15. Một số dạng dao động riêng của MVG ......................................... 85 Hình 3.16. Sự phụ thuộc của tần số tương thích vào các thông số kích thước của dầm gập dẫn và cảm ................................................................................. 86 Hình 3.17. Quan hệ biên độ dao động dẫn (a) và dao động cảm (b) với tần số kích thích và vận tốc góc đưa vào ................................................................... 90 Hình 3.18. Đáp ứng biên độ và pha của các dao động .................................... 91 Hình 3.19. Đáp ứng hệ khi thay đổi lực kích thích và vận tốc góc................. 92 Hình 3.20. Các dạng dao động khi có vận tốc góc Ω =2,5 rad/s .................... 93 Hình 3.21. Quan hệ giá trị vận tốc góc với biên độ các dao động .................. 93 Hình 3.22. Quỹ đạo ổn định của phần tử quán tính ........................................ 94 Hình 3.23. Ứng xử của hệ khi vận tốc góc có dạng khác nhau ...................... 95 Hình 4.1. Cấu trúc 3D của TFG nghiên cứu ................................................... 99 Hình 4.2. Một số dạng khung liên kết trong mô hình TFG .......................... 100 Hình 4.3. Cấu tạo 2D của khung quả trám .................................................... 101 Hình 4.4. Mô hình động lực học cho TFG đề xuất ....................................... 102 Hình 4.5. Chuyển vị (a) và lực (b) trong khung quả trám ............................ 103 Hình 4.6. Các thành phần lực tác dụng lên khung ngoài .............................. 104 Hình 4.7. Một số dạng dao động riêng của khung ........................................ 108 Hình 4.8. Xác định hệ số độ cứng của khung ............................................... 109 Hình 4.9. Quan hệ lực kích thích và biến dạng của khung ........................... 110 Hình 4.10. Ảnh hưởng của độ rộng cổ đàn hồi đến tần số ngược pha .......... 110
xiii Hình 4.11. Độ cứng quy đổi của khung theo kích thước cổ đàn hồi ............ 112 Hình 4.12. Hệ số độ cứng quy đổi của mô hình khung thứ hai .................... 112 Hình 4.13. Dạng dao động tự do của các khung ngoài ................................. 113 Hình 4.14. Xác định lực kích thích ............................................................... 116 Hình 4.15. Dao động của khung ngoài khi kích thích có dạng điều hòa ...... 117 Hình 4.16. Đáp ứng của hai khung dẫn khi khác nhau giá trị lực kích thích 117 Hình 4.17. Dao động cảm khi vận tốc góc là hằng số .................................. 118 Hình 4.18. Đáp ứng trên phương cảm theo quy luật thay đổi vận tốc góc ... 119 Hình 4.19. Khả năng bù lệch pha cho dao động dẫn .................................... 121 Hình 4.20. Khả năng bù lệch pha cho dao động cảm ................................... 122 Hình 4.21. Mô hình 3D và chia lưới của TFG đề xuất ................................. 124 Hình 4.22. Một số dạng dao động riêng của TFG ........................................ 127 Hình 4.23. Đáp ứng biên độ và pha theo tần số kích thích ........................... 128 Hình 4.24. Dạng dao động cảm của phần tử quán tính ................................. 128
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, MEMS đang có được bước tiến vượt bậc và đóng vai trò không nhỏ trong việc tạo động lực thúc đẩy cuộc cách mạng 4.0 kết nối thế giới. Với nhiều ưu điểm nổi trội nên các thiết bị MEMS ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Các cảm biến MEMS là một phần của thế giới micro, vai trò của chúng trong các hệ thống micro là rất quan trọng. Cấu tạo của các cảm biến MEMS gồm có một cấu trúc cơ học kết hợp với bộ khuếch đại và xử lý tín hiệu. Các tín hiệu được biến đổi từ dạng cơ học sang dạng điện hoặc ngược lại. Cảm biến vận tốc góc trong công nghệ vi cơ điện tử là một loại cảm biến khá phức tạp. Nó được tích hợp với một số các cảm biến khác để tạo thành hệ thống định vị, cho biết trạng thái và vị trí của các đối tượng. Nhờ có kích thước nhỏ gọn, tiêu hao năng lượng ít, giá thành hạ, dễ điều khiển, độ chính xác và độ tin cậy có thể chấp nhận được mà cảm biến này đã và đang được nghiên cứu và đưa vào sử dụng phổ biến trong kỹ thuật. Tuy nhiên, hiện vẫn tồn tại một số nhược điểm dễ mắc phải trong quá trình tính toán, thiết kế, chế tạo các cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (TFG) như: tồn tại các dạng dao động đồng pha không mong muốn có tần số làm việc gần với tần số của hai dạng dao động chính là dạng dao động dẫn và dạng dao động cảm ứng tạo ra các tín hiệu nhiễu khi làm việc; các sai số kích thước hình học phát sinh trong quá trình chế tạo; … Vì vậy, để có thể ứng dụng nhiều hơn nữa trong các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như y sinh, quân sự, … thì việc cần thiết là phải nghiên cứu các mô hình cảm biến với cấu trúc phù hợp có thể đáp ứng các yêu cầu về thiết kế, điều khiển và hoạt động.
2 Từ thực tế đó, tác giả lựa chọn đề tài “Phân tích động lực học cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử nhiều bậc tự do” để thực hiện luận án. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử. Trong phạm vi nghiên cứu, luận án chỉ đề cập đến phần cấu trúc cơ học của hệ cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử với các đặc điểm: - Các phần tử khối lượng có dao động thẳng và tuyến tính. - Dẫn động theo hiệu ứng tĩnh điện, cảm ứng theo hiệu ứng điện dung. Mục tiêu nghiên cứu - Làm rõ cơ sở khoa học trong nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động (MVG). - Xây dựng mô hình MVG thỏa mãn một số yêu cầu đặt ra, từ đó xác định các đặc trưng động lực học của hệ. - Chứng minh khả năng tạo và duy trì dạng dao động ngược pha của mô hình TFG, xác định mức độ bù lệch pha và bù lệch biên độ của mô hình này. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về MEMS và lý thuyết tĩnh điện. Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vận tốc góc. - Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết và thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả dao động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động với các mô hình có mức độ phức tạp tăng dần (mô hình cơ bản 1 phần tử khối lượng 2 bậc tự do, 2 khối lượng 2 bậc tự do và mô hình kiểu âm thoa 4 bậc tự do). - Giải hệ phương trình vi phân, xác định đặc điểm dao động của các phần tử khối lượng của các cảm biến đã nêu với những điều kiện đầu khác nhau. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với tính toán và mô phỏng số sử dụng các phần mềm tính toán số (MATLAB) và mô phỏng (ANSYS Workbench):
3 - Sử dụng lý thuyết của động lực học cơ hệ, cơ học hệ nhiều vật, dao động của hệ rời rạc để xây dựng mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân dao động của hệ MVG cụ thể. - Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp phương pháp số để tính toán xác định các thông số đặc trưng về động lực học của các mô hình vi cảm biến và phân tích đáp ứng động lực học của hệ MVG. - Sử dụng các phần mềm trên nền tảng phần tử hữu hạn để mô phỏng động lực học và xác định kích thước hình học phù hợp của các cấu trúc. Ý nghĩa của luận án Luận án góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở thiết kế của một lớp cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử. Trọng tâm là làm rõ các đáp ứng động lực học của các thành phần cơ học bên trong cảm biến. Giới thiệu và phân tích đáp ứng động lực học cho cấu trúc cơ học cho ba mô hình cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (mô hình cơ bản, mô hình gyroscope đơn hai phần tử có hai bậc tự do và mô hình kiểu TFG). Luận án có thể dùng làm tài liệu cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo cho lớp cảm biến MVG ở trong nước. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 4 chương chính: Chương 1 trình bày những vấn đề tổng quan về MEMS và các cảm biến vận tốc góc, tập trung vào đối tượng mà luận án sẽ nghiên cứu. Chương 2 trình bày cơ sở của việc thiết kế cấu trúc cơ và các cấu trúc kiểu răng lược theo hiệu ứng tĩnh điện nhằm tạo lực kích thích cho phần dẫn và cảm ứng điện dung cho phần cảm. Chương này cũng trình bày việc thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động cho hệ MVG cơ bản gồm 1 phần tử khối lượng, hai bậc tự do.
4 Chương 3 giới thiệu về hệ MVG hai bậc tự do, phân tích các đáp ứng động lực học của 2 mô hình MVG tương ứng với 1 và 2 phần tử khối lượng khi có các dạng vận tốc góc khác nhau. Chương 4 giới thiệu một mô hình cảm biến vi cơ điện tử kiểu âm thoa có kết cấu liên kết kiểu quả trám. Chương này sẽ đưa ra cơ sở để tối ưu hóa kích thước của khung quả trám, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của các phần tử trong mô hình TFG, khảo sát các đáp ứng động lực học của hệ. Đặc biệt, ở chương này, luận án cũng sẽ phân tích, chứng minh khả năng bù biên độ và bù lệch pha của khung quả trám cho dao động của các phần tử ở hai bên của khung quả trám. Ngoài 4 chương chính, luận án cũng trình bày phần Mở đầu giới thiệu chung về luận án, phần Kết luận chung trình bày khái quát những kết quả nghiên cứu đạt được của luận án và phần Phụ lục trình bày các công trình khoa học của NCS công bố có liên quan đến luận án.
5 Chương 1 MEMS VÀ VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC 1.1. Tổng quan về MEMS 1.1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng của MEMS Vào khoảng đầu thế kỷ XX, các thiết bị điện tử phát triển theo xu hướng tích hợp số lượng lớn các thiết bị trong một vi mạch (Integrated Circuit - IC) có kích thước nhỏ gọn và thực hiện nhiều chức năng. Điều này đã mang lại sự biến đổi mạnh mẽ cả về mặt công nghệ và xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng về công nghệ Micro đã diễn ra, hứa hẹn một tương lai mới cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro- Electro Mechanical Systems, viết tắt là MEMS) cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này. MEMS là một tổ hợp bao gồm các hệ thống cơ khí và hệ thống điện tử có kích thước cỡ micro kết hợp với nhau. Trên thực tế, bất kỳ thiết bị nào được chế tạo trên cơ sở công nghệ quang khắc ở kích cỡ micro, thực hiện các chức năng của hệ cơ khí và điện tử đều có thể được xem là MEMS [20]. Hoặc theo [41], MEMS có thể được định nghĩa theo một cách khác: ʺHệ thống vi cơ điện tử-MEMS là hệ thống có kích cỡ micro tích hợp với các vi cảm biến, các bộ vi kích hoạt/chấp hành và các vi mạch điện tửʺ Công nghệ MEMS được mở đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Từ cuối những năm 1980, giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ MEMS được đánh dấu bằng sự phát triển của công nghệ vi cơ bề mặt. Ngày nay, MEMS là giải pháp công nghệ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những đổi mới kỹ thuật. MEMS đang là một trong những lĩnh vực khoa học liên ngành phát triển nhanh nhất hiện nay trên thế giới.
6 Với ưu thế về việc có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé, tinh tế, nhạy cảm và tiêu thụ ít năng lượng, công nghệ MEMS cho phép tạo ra các bộ vi cảm biến (micro-sensors), các bộ vi kích hoạt/chấp hành (micro-actuators) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Trong công nghiệp, các sản phẩm của MEMS được ứng dụng trong các robot, các hệ thống tự động trong sản xuất, các thiết bị đo lường và kiểm tra… Hình 1.1. Vi cảm biến gia tốc trong túi khí bảo vệ trên ô tô [29] Trong công nghiệp sản xuất ô tô, các thiết bị MEMS được sử dụng gồm: cảm biến gia tốc để điều khiển hoạt động của túi khí an toàn (Hình 1.1), cảm biến vận tốc góc bánh xe cho hệ thống phanh ABS, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến đo áp suất, theo dõi dầu mỡ bôi trơn, theo dõi dung dịch làm nguội động cơ,… Theo [29, 31] thống kê cho thấy, số lượng cảm biến MEMS sử dụng trong ngành này đã tăng từ 1,13 tỷ đơn vị từ năm 2005 lên 1,49 tỷ đơn vị năm 2008. Thị trường Châu Âu và Mỹ tăng trưởng từ 5,66 tỷ đô la năm 2005 lên 7,53 tỷ đô la năm 2008. Theo [28], thị trường toàn cầu cho cảm biến ô tô đạt gần 23,5 tỷ đô la trong năm 2015, 26,3 tỷ đô la trong năm 2016 và sẽ đạt 43,4 tỷ đô la vào năm 2021, tốc độ tăng trưởng hàng năm trong 5 năm là 10,6%. Trong công nghệ y sinh, các ứng dụng của công nghệ MEMS còn được thể hiện rõ ràng hơn [15]. Chính sự tương thích giữa kích cỡ của các thiết bị MEMS với kích thước các mẫu hay vật liệu thường được sử dụng và nghiên
7 cứu trong y học và sinh học mà công nghệ MEMS được ứng dụng nhiều. Các thiết bị đo huyết áp, nhịp tim [10], nhiệt độ, thiết bị nội soi, các hệ phân tích mẫu máu, tế bào… đều có mặt các linh kiện MEMS. Trong lĩnh vực viễn thông, MEMS được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị di động (các điện thoại thông minh), hệ thống truyền tín hiệu, các hệ thống ra đa, … Các sản phẩm MEMS cũng có đóng góp trong ngành chế tạo vũ khí cũng như hàng không vũ trụ, một trong những ứng dụng tiêu biểu là các vệ tinh quân sự và dân sự. Công nghệ MEMS cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hàng ngày như trong các thiết bị giải trí, nghe nhìn, máy tính, máy in … [17]. Ngày nay, các thiết bị MEMS ngày càng được ứng dụng nhiều trong quân sự. Các loại tên lửa có điều khiển, các loại vũ khí thông minh, các hệ thống không người lái, … đều sử dụng đến các thiết bị vi cơ điện tử. Để đáp ứng các yêu cầu về tác chiến điện tử, tự động tác chiến hay tác chiến thông minh đang từng bước phát triển đòi hỏi các thiết bị cần có độ chính xác về vị trí, tốc độ thì việc nghiên cứu, phát triển hệ thống cảm biến vi cơ điện tử có độ chính xác và tin cậy làm việc là một yêu cầu có tính cấp thiết cao. 1.1.2. Các hiệu ứng sử dụng trong MEMS Các thiết bị MEMS hoạt động dựa trên các hiệu ứng vật lý như: - Hiệu ứng tĩnh điện - Hiệu ứng áp điện - Hiệu ứng áp điện trở - Hiệu ứng điện từ - Hiệu ứng giãn nở nhiệt Sự khác nhau về mức độ phức tạp trong công nghệ chế tạo, khả năng tích hợp, kích thước các thiết bị và độ ổn định làm việc của các hiệu ứng được thể hiện trong Bảng 1.1 [5].