Vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ: Nghiên cứu thiết kế chế tạo (Tóm tắt luận án Tiến sĩ)

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của luận án

Ngày nay, vấn đề đánh dấu vị trí của một vật thể là một kỹ thuật rất

được quan tâm bởi khả năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như quân

sự, công nghiệp, y học và dân dụng. Vấn đề trên có thể giải quyết một cách

hiệu quả trên cơ sở ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính (IMU). Hệ

IMU thường có cấu hình bao gồm ba vi cảm biến gia tốc và ba vi cảm biến

vận tốc góc được đặt vuông góc với nhau. Hệ thống này được gắn lên vật

thể chuyển động và cho phép xác định gia tốc và vận tốc góc của vật thể

đó.

Các cảm biến quán tính MEMS, vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến

gia tốc, đã được quan tâm nghiên cứu bởi có các ưu điểm nổi trội như giá

thành thấp, kích thước nhỏ, năng lượng sử dụng thấp, có thể chế tạo hàng

loạt và dễ dàng tích hợp với các mạch điện tử. Đối với các ứng dụng trong

công nghiệp robot, công nghiệp ô tô và thiết bị dân dụng, các cảm biến

quán tính MEMS hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về tiêu chí kỹ thuật nên đã

được sử dụng trong một số ứng dụng chẳng hạn như hệ thống túi khí bảo

vệ, hệ thống IMU xác định vị trí của vật thể, hệ thống camera,...

Các cảm biến quán tính sau khi chế tạo thường được đóng gói trong

chân không nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng suy hao là những

yếu tố ảnh hưởng mạnh tới hoạt động của linh kiện. Các hiệu ứng suy hao

đó làm giảm hệ số phẩm chất Q của linh kiện dẫn cũng như độ nhạy của

linh kiện. Tuy nhiên, đóng gói chân không là một công nghệ phức tạp đòi

hỏi đầu tư thiết bị rất tốn kém. Mặt khác, các công bố khoa học về nghiên

cứu thiết kế chế tạo cảm biến quán tính có thể hoạt động trong môi trường

áp suất khí quyển vẫn còn hạn chế. Chính vì vậy, định hướng nghiên cứu

thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS có khả năng hoạt động

trong môi trường áp suất khí quyển đã được quan tâm.

Từ các phân tích trên, luận án với đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo

vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ” đã được

lựa chọn.

2. Mục tiêu của luận án

- Thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động có hệ số phẩm

chất và độ nhạy cao trong môi trường áp suất khí quyển.

- Thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có thể cho

phép xác định đồng thời các gia tốc theo ba phương vuông góc và có độ

nhạy chéo trục thấp.

3. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án đã được thực hiện trên cơ sở phương pháp mô phỏng lý

thuyết và phương pháp thực nghiệm:

- Bài toán phân tích mode, mô phỏng các đặc trưng tần số, sự phụ thuộc

của chuyển vị và độ thay đổi điện dung đã được thực hiện trên cơ sở

phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS.

- Công nghệ vi cơ khối khô đã được sử dụng để chế tạo cảm biến.

- Các đặc trưng tần số và đặc trưng tín hiệu ra của các cảm biến đã được

khảo sát trên cơ sở các hệ đo được xây dựng. Độ nhạy của các cảm biến

được đánh giá.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Trong khuôn khổ của luận án, vấn đề thiết kế đưa ra mô hình vi cảm

biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do

trên cơ sở mô phỏng phân tích mode và các đặc trưng của hai loại cảm biến

quán tính đã được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng

phần mềm ANSYS. Trong trường hợp vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm

thoa, độ tổn hao nén và độ tổn hao trượt có giá trị thấp do cảm biến được

thiết kế có cấu trúc kiểu trục Z và được treo trên đế khung. Cấu trúc đẩy

kéo với bánh xe tự quay được đề xuất đã hạn chế được các mode dẫn động

đồng pha và mode cảm ứng đồng pha không mong muốn. Đối với vi cảm

biến gia tốc kiểu tụ, cấu trúc thanh dầm gập dạng L cho phép xác định đồng

thời ba thành phần gia tốc. Các cảm biến đã được chế tạo thành công trên

cơ sở quy trình chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ khối khô. Các hệ đo đặc

trưng của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc trên

cơ sở sử dụng bộ mạch chuyển đổi C/V MS3110 và phần mềm xử lý tín

hiệu LabvieW đã được xây dựng. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số

phẩm chất và độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa đạt giá trị

khá lớn trong môi trường áp suất khí quyển. Đối với vi cảm biến gia tốc

kiểu tụ, hiện tượng chéo trục đã được hạn chế.

- Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thành công vi cảm biến vận tốc góc

kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do mở ra khả năng

tích hợp chúng trong hệ linh kiện dẫn đường quán tính MEMS.

5. Những đóng góp mới của luận án

- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc đế khung kiểu âm thoa có

độ tổn hao nén và trượt thấp và cho phép hạn chế các mode dẫn động đồng

pha và mode cảm ứng đồng pha. Vi cảm biến vận tốc góc với hệ số phẩm

chất mode cảm ứng 111,2 và độ nhạy 11,56 mV/o/s cho thấy khả năng hoạt

động của linh kiện trong môi trường không khí.

- Đã thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có cấu trúc

thanh dầm gập dạng L. Cấu trúc của cảm biến cho phép giảm thiểu hiện

tượng chéo trục và cho phép xác định đồng thời ba thành phần gia tốc với

độ nhạy theo phương X, Y và Z tương ứng là 13 mV/g, 11 mV/g và 0,2

mV/g.

Kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 03 bài báo

quốc tế:

[1] Minh Ngoc Nguyen et al (2017), Z-Axis Micromachined Tuning Fork

Gyroscope with Low Air Damping, Micromachines, Volume 8, Issue 2, pp.1-10.

[2] Minh Ngoc Nguyen et al (2018), Z-axis tuning fork gyroscope having a

controlled anti-phase and freestanding architecture: design and fabrication,

International Journal of Nanotechnology (IJNT), Vol. 15, pp.14-23.

[3] Minh Ngoc Nguyen et al (2019), A Two Degrees of Freedom Comb

Capacitive-Type Accelerometer with Low Cross-Axis Sensitivity, Journal of

Mechanical Engineering and Sciences (JMES) Vol. 13, pp.5334-5346.

6. Cấu trúc của luận án

Chương I: Tổng quan

Chương II: Cơ sở phương pháp mô phỏng và thực nghiệm

Chương III: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS

kiểu âm thoa

Chương IV: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba

bậc tự do

Kết luận: Trình bày tóm lược các kết quả chính của luận án.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong chương này, tổng quan về một số vấn đề liên quan đến công nghệ

vi cơ điện tử MEMS và hai loại cảm biến quán tính: vi cảm biến vận tốc

góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được trình bày.

I.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS

Công nghệ MEMS loại hình công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ

vi điện tử nên công nghệ MEMS cũng bao gồm các kỹ thuật cơ bản của

công nghệ này như quang khắc (photolithography), khuếch tán (diffusion),

cấy ion (ion implantation), lắng đọng vật liệu bằng các phương pháp vật lý

hoặc hóa học ở pha hơi (physical/chemical vapor deposition), hàn dây (wire

bonding), đóng vỏ hoàn thiện linh kiện (packaging). Bên cạnh đó là các kỹ

thuật đặc thù của riêng công nghệ MEMS nhằm mục đích chế tạo ra các vi

cấu trúc ba chiều gồm ăn mòn ướt hoặc khô (wet/dry etching) và hàn ghép

phiến (silic to silic/ silic to glass bonding).

Công nghệ MEMS được phân loại thành ba loại chính:

- Công nghệ vi cơ khối: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ

thuật chính như quang khắc, ăn mòn dị hướng trong dung dịch (vi cơ khối

ướt), ăn mòn khô trong môi trường chất khí (vi cơ khối khô), hàn ghép

phiến… Công nghệ vi cơ khối được ứng dụng để chế tạo các cấu trúc

MEMS ba chiều trong các vật liệu đế như tinh thể Si, tinh thể thạch anh,

SiC, GaAs, thủy tinh,...

- Công nghệ vi cơ bề mặt: Công nghệ được thực hiện dựa trên các kỹ

thuật chính như quang khắc, lắng đọng tạo màng mỏng, ăn mòn lớp hy

sinh, ăn mòn khô,… Công nghệ vi cơ bề mặt được ứng dụng để chế tạo các

cấu trúc MEMS ba chiều trên bề mặt đế.

- Công nghệ LIGA: LIGA là chữ viết tắt của các từ tiếng Đức X –

ray Lithographie (quang khắc tia X), Galvanoformung (mạ điện) và

Abformtechnik (vi đúc). Công nghệ LIGA liên quan đến quá trình quang

khắc tia X, trong đó lớp vật liệu cảm tia X dày cỡ từ micrô mét đến xăngti

mét được chiếu xạ bởi chùm tia X năng lượng cao. Cấu trúc ba chiều trong

lớp cảm bức xạ thu được sau quá trình hiện hình. Trên cơ sở quá trình mạ

điện, cấu trúc trong vật liệu cảm bức xạ được điền đầy bởi vật liệu kim loại.

Sau khi loại bỏ chất cảm bức xạ ta thu được cấu trúc kim loại như thiết kế.

Cấu trúc kim loại có thể là sản phẩm cuối cùng hoặc được tiếp tục sử dụng

như là vi khuôn để tạo ra các sản phẩm tiếp theo trên cơ sở quá trình đúc sử

dụng vật liệu chất dẻo. Các cấu trúc chất dẻo thu được có thể được sử dụng

làm vi khuôn để tạo ra các cấu trúc bằng kim loại ở dạng hàng loạt trên cơ

sở tiến hành quá trình đúc lần thứ hai. Như vậy, công nghệ LIGA được

thực hiện dựa trên kỹ thuật nền tảng như kỹ thuật khắc bằng chùm tia X, kỹ

thuật vi đúc và kỹ thuật lắng đọng điện hóa (mạ điện).

I.2. Vi cảm biến vận tốc góc

I.2.1. Vi cảm biến vận tốc góc cổ điển

I.2.2. Vi cảm biến vận tốc góc quang học

I.2.3. Vi cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)

I.2.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

I.2.4.1. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động dựa

trên hiệu ứng Coriolis.

I.2.4.2. Phương trình động lực học











xmkyycym

Fymkxxcxm





Trong đó: m là khối lượng của khối gia trọng, k là hệ số đàn hồi, cx và cy

là hệ số giảm chấn theo phương x và phương y, Ω là vận tốc góc và Fd là

lực dẫn động.

I.2.4.3. Phân loại và các đặc trưng của vi vi cảm biến vận tốc góc dao động

1.2.5. Tình hình nghiên cứu phát triển vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động

I.2.5.1. Vi cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals gyroscope)

I.2.5.2. Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating ring gyroscope)

I.2.5.3. Vi cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)

I.2.5.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)

Đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa, các công bố khoa học của

các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã tập trung giải quyết các

vấn đề: (i) Tăng cường biên độ dao động của mode kích thích; (ii) Tăng

cường hệ số phẩm chất của mode cảm ứng bằng cách giảm thiểu hiệu ứng

suy hao (iii) Tối đa khối lượng khối gia trọng để tạo lực Coriolis, đồng thời

tối thiểu khối lượng bị kích thích bởi lực Coriolis; (iv) Tăng cường độ ổn

định của linh kiện mà nguyên nhân liên quan tới sai sót trong chế tạo và thế

dòng trôi gây bởi nhiệt độ; (v) Khống chế sự phù hợp mode cộng hưởng

trên cơ sở cơ cấu cơ học và mạch điện tử điều khiển.

Mặt khác, các nghiên cứu về vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa hoạt

động trong môi trường áp suất khí quyển chưa được quan tâm nhiều. Để có

thể hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển, các hiệu ứng suy hao cần

được tính đến trong thiết kế mô phỏng nhằm tăng cường hệ số phẩm chất

Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, thiết kế chế tạo vi cảm biến

vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số phẩm chất Q và độ nhạy cao trong môi

trường áp suất khí quyển đã được đặt ra.

I.3. Cảm biến gia tốc

I.3.1. Bối cảnh lịch sử

I.3.2. Phân loại cảm biến gia tốc

I.3.2.1. Nguyên lý hoạt động

I.3.2.2. Vi cảm biến gia tốc cân bằng lực

I.3.2.3. Vi cảm biến gia tốc kiểu lệch

I.3.3. Các thông số đặc trưng của cảm biến gia tốc

I.3.4. Phân loại vi cảm biến gia tốc MEMS

I.3.4.1. Vi cảm biến gia tốc áp điện

I.3.4.2. Vi cảm biến gia tốc áp điện trở

I.3.4.3. Vi cảm biến gia tốc điện dung

I.3.4.4. So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc

I.3.5. Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS

Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS có những ưu điểm như độ

nhạy cao, độ nhiễu thấp, ảnh hưởng của nhiệt độ không đáng kể và năng

lượng điện tiêu thụ thấp [63]. Vi cảm biến gia tốc điện dung tụ vi sai đã

được phát triển nhằm tăng cường độ tuyến tính cũng như nâng cao tỷ số

tính hiệu trên độ nhiễu [64]. Để đo tín hiệu điện dung nhỏ trong vi cảm

biến gia tốc điện dung, các kỹ thuật chuyển mạch tụ đã được đề xuất [65-

Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi