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


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

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 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,

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


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



Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 11
năng ngày càng được nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt
công nghệ lẫn xã hội, đã diễn ra một cuộc cách mạng về công nghệ micro và hứa hẹn
một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro
ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS được ra đời. Một số sản phẩm MEMS
được chỉ ra như (hình 1.1).

Hình 1.1: Các sản phẩm của MEMS
Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công
nghiệp bán dẫn. Một linh kiện MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi cảm biến
(sensor), vi chấp hành (actuator) và vi điện tử được tích hợp trên cùng một chip (on
chip) nên có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá
học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối
vào: sinh học, hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc
Với một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như:
- Kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ nên rất tiện ích cho các ứng dụng.
- Đa chức năng do có sự tích hợp với các mạch điện tổ hợp (IC) hoặc các
cấu trúc khác nhau.
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 12
- Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như một
thiết bị hoàn chỉnh.
- Có tính lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt.
Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc
thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những bộ chấp
hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích
này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây.
Công nghệ chế tạo ra các linh kiện vi cơ – điện tử gọi tắt là công nghệ MEMS.
Đây là ngành khoa học công nghệ mới có nền tảng từ công nghệ vi điện tử, công nghệ

nghệ quan trọng và chiếm đến 3/5 giá thành của một cảm biến hoàn chỉnh.
Người ta chia vỏ cảm biến làm hai loại chính:
Loại chân cắm (Through Hole Device - THD): là loại vỏ được sử dụng phổ biến
thích hợp cho việc đóng vỏ chip đơn lẻ, sau khi đóng vỏ cảm biến được sử dụng trong
các ứng dụng cụ thể.
Loại chân dán - chân phẳng (Surface Mount Device - SMD): là loại vỏ thích
hợp với một hệ chíp đa chức năng cùng gắn trên một vỏ như các bộ vi xử lý
(microprocessor) sử dụng cho các máy tính cá nhân hoặc xách tay.

Hình 1.2: Một số hình dạng vỏ chíp
1.4. Con quay hồi chuyển vi cơ (Gyroscopes MEMS)
Trong khoảng 30 năm trở lại đây, sự ra đời và phát triển của công nghệ MEMS
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 (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 là vận tốc 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
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 14
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. Nguyên lý hoạt động của loại con quay này được mô tả bởi mô hình tương
đương gồm khối gia trọng m, lò xo

F
. 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 [2]
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


Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 15


B
v

sẽ bao gồm vận tốc chuyển
động tịnh tiến (translational motion),
,
T
B B
v r




và vận tốc liên hệ với chuyển động
quay (rotation motion),
,
R
B B
v r

 

 
được xác định bởi:

B A B B
v V v r R r r
   
      
   

    
 
(1.11)
Gia tốc của m đối với hệ quy chiếu quán tính bằng tổng hợp gia tốc
A

của hệ
con quay với hệ quy chiếu quán tính và gia tốc
B
a

của m trong hệ quy chiếu con
quay, trong đó,
B
a

cũng sẽ bao gồm gia tốc chuyển động tịnh tiến và gia tốc liên hệ
với chuyển động quay, được xác định bởi:

( )
B B B B B B
a A a R r r r r r
     
              
       
       ( ) 2( )
B B B B

a x x y y X y y x x Y a X a Y
           
   

 
   
(1.13)
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:






0ykvcma
Fxkvcma
yyyy
dxxxx
(1.14)
Trong đó,
x
v

và
y



0 2
2
2
2
xmxmymkyxcym
Fymymxmkyxcxm
yy
dxx







(1.15)
Nếu các thành phần của hệ số độ cứng (hệ số đàn hồi) như nhau theo mọi phương
(tức là
x y
k k k
 
) và nếu coi vận tốc góc

nhỏ hơn nhiều so với tần số cộng
hưởng kích thích, tức là,
k
m


Fymkxxcxm
y
dx





(1.16)
Đây là các phương trình chuyển động đối với hệ con quay lý tưởng. Nếu con
quay được kích thích đến tần số cộng hưởng bởi lực tuần hoàn
0
sin
d
F F t
 
thì lực
sinh ra do hiệu ứng Coriolis sẽ tạo ra trạng thái cộng hưởng theo phương cảm ứng. Các
số hạng
2
m y

và
2
m x

trong các phương trình (1.16) chính là các thành phần lực
Coriolis theo 2 phương
X
và

Giá trị offset (ZRO – Zero rate output): Giá trị của tín hiệu đo được khi chưa
có tín hiệu đầu vào, đây là thông số đánh giá mức độ nhiễu ban đầu của linh kiện. Cụ
thể, khi chưa có thông tin đầu vào, tín hiệu lối ra của linh kiện là một hàm ngẫu nhiên
do tín hiệu nhiễu tự nhiên tạo ra và thường có sự thay đổi rất ít. Giá trị của tín hiệu này
được xác định qua độ phân giải của linh kiện có đơn vị là
0
/s/Hz hoặc
0
/h/Hz.
Bước góc ngẫu nhiên (Angle random walk): Cũng là một tín hiệu nhiễu, giá trị
của nó được đo bằng
0
/h. Nhiễu này xuất hiện chủ yếu là do nhiễu từ thông tin tín hiệu
vào và hoàn toàn độc lập với các đặc tính tạo lên các sai lệch về góc nghiêng như là
nhiễu hệ số tỷ lệ hay là thế dòng trôi.
Dải thông (Bandwidth): Độ rộng dải tần số hoạt động của linh kiện ở trạng thái
cộng hưởng.
Điện áp trôi (Drift voltage): Là một giá trị nhiễu hoàn toàn độc lập, không chịu
ảnh hưởng bởi các giá trị quán tính.
Ngày nay, các mẫu Gyroscope 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
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 18
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 ta phân loại các Gyroscope thành một số loại
cơ bản như sau:
- Con quay vi cơ Drapper (Gimbal Gyroscope)
- Con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring Gyroscope)
- Con quay vi cơ với hai khối gia trọng (Tuning Fork Gyrocope)
Hình 1.5: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ dao động kiểu mâm tròn
Loại linh 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 nâng đỡ bởi môt điểm chốt cố định (Anchor) ở chính giữa. Vòng dao động
sẽ được kích động bằng lực tĩnh điện thông qua các điện cực dẫn động.
Khi có thêm một chuyển động quay tác động theo chiều vuông góc với mặt
phẳng cấu trúc, sẽ xuất hiện lực Coriolis làm cho vòng dao động lệch góc một góc là
45
0
so với mode dao động chính ban đầu và tỷ lệ với vận tốc góc đặt vào, tức là tương
ứng mode dao động thứ 2, được xác định bằng các điện cực cảm ứng. Do đó chúng ta
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 20
sẽ xác định được vận tốc góc quay đặt vào thông qua sự thay đổi của điện dung các tụ
cảm ứng.
Linh kiện có thể hoạt động ở áp suất 1 mTorr với độ phân giải đạt khoảng 0,5
o
/s
trong dải tần 25Hz. Tuy nhiên, có một vài hạn chế cho việc tăng chất lượng sản phẩm,
như là:
- Do linh kiện được chế tạo dựa trên phương pháp electroplating nên cần phải tạo
khe hở giữa các điện cực đủ lớn để có thể thực hiện thành công kỹ thuật này. Tuy
nhiên, điều này dẫn đến điện dung của các tụ điện cảm ứng nhỏ, nghĩa là tín hiệu nhận
được sẽ yếu.
- Do hệ số dãn nở nhiệt của đế Silic khác so với vật liệu làm cấu trúc cảm biến

1
k
và được gắn với nhau qua hệ lo xo đàn hồi
2
k
(hình 1.7 a). Bằng cách cho hai
khối nặng m chuyển động ngược chiều nhau theo phương x với vận tốc
,
v

rồi đặt hệ
trên trong một chuyển động quay, sao cho, vector vận tốc góc


theo phương
Z
, sẽ
tạo ra cặp lực Coriolis theo phương
Y
, có trị số như nhau nhưng cũng ngược chiều
nhau (hình 1.7 b). Kết quả là, hai khối dao động sẽ dao động theo phương
Y
trùng với
phương và chiều của cặp lực Coriolis. Độ dịch chuyển theo phương
Y
tỷ lệ với vận tốc
góc đặt vào nó.
Hình 1.7: Cấu trúc và nguyên lý của con quay vi cơ kiểu Tuning Fork
Kể từ khi được công bố lần đầu tiên của phòng thí nghiệm Drapper (Mỹ) vào
năm 1993, đến nay, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork đang nhận được sự quan tâm
Luận Văn Thạc Sỹ
Đặng Văn Hiếu – K18 ĐTVT Page 23
Chương 2
THIẾT KẾ CẢM BIẾN GYROSCOPES MEMS
Như đã giới thiệu trong chương 1, con quay vi cơ kiểu Tuning Fork có cấu trúc
gồm hai khối gia trọng được treo bởi hệ các thanh dầm đàn hồi (hình 1.7 a). Khi hoạt
động, hai khối gia trọng được kích hoạt để dao động ngược pha nhau 180
0
. Một dao
động cảm ứng theo phương vuông góc với phương dẫn động sẽ xuất hiện khi toàn bộ
cấu trúc được đặt trong một chuyển động quay tròn với vận tốc góc

(hình 1.7 b)
2.1. Mục tiêu thiết kế
Tín hiệu đầu ra được cảm nhận bằng hệ thống tụ điện thiết kế theo kiểu răng
lược (comb structure capacitors), sự thay đổi của tín hiệu ra tỷ lệ với điện dung trên tụ.
Cấu trúc Gyroscope theo kiểu Tuning Fork có hai khối gia trọng có tác dụng làm
loại bỏ đi gia tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó giúp cho việc xác định chính xác được
vận tốc góc cần đo.
Ngoài ra với 2 khối gia trọng chuyển động ngược pha nhau trong mode dao động
cảm ứng, giúp cho tín hiệu lối ra sẽ tăng gấp đôi, tức là làm tăng độ nhạy của cảm
biến. Tuy nhiên cấu trúc này cũng có một số nhược điểm cần khắc phục như sau:


và tần số cảm ứng
y
y
k
m


. Nếu các thành phần độ cứng
,
x y
k k
được thiết kế, sao
cho,
x y
k k

thì khi đó
x y
 

và hệ dao động đạt trạng thái cộng hưởng.
Dầm đàn hồi (elastic beam) có vai trò để treo khối gia trọng tách biệt khỏi đế
thông qua các điểm chốt được gọi là anchor. Các dầm phải được thiết kế đảm bảo các
tiêu chí như sau :
- Độ cứng đủ lớn để có thể treo được cấu trúc tách khỏi đế, không bị võng theo
trục
Z
.
- Tính đàn hồi đủ mềm dẻo đảm để toàn bộ cấu trúc có thể dễ dàng dao động theo


;
3
2
w
b b
y
b
t
k E
l

;
3
2
w.
b
z
b
t
k E
l

(2.1)
Trong đó,
b
l
là chiều dài dầm,
w
b