Luận văn cao học chuyên ngành vật lý chất rắm
Trn c Thnh
3
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học s phạm hà nội 2

Trần Đức Thành

Nghiên cứu mô hình hoá cấu trúc và mô phỏng
hoạt động của cảm biến đo vận tốc góc mems
cấu trúc cài răng lợc Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 60 44 07 Luận văn thạc sĩ vật lý

Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Đinh Văn Dũng



Hà Nội, 2009
Trần Đức Thành Ngành Vật lý chất rắn Khoá 11
LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
5
MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU
5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS

7
1.1. Giới thiệu 7
1.2. Hiệu ứng Coriolis 10
1.3. Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao động 14
1.4. Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu 17
1.4.1. Kiểu thanh rĩa 17
1.4.2. Kiểu khung dao động 18
1.4.3. Kiểu vòng xuyến 19
1.4.4. Kiểu cài răng lược 19
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu 20
CHƯƠNG II. XÂY DỰNG CẤU TRÚC CẢM BIẾN
23
2.1. Phát triển cấu trúc 23
2.2. Phương pháp điều khiển dao động kích thích 24

46
4.1. Điều khiển dao động kích thích 46
4.2. Khảo sát thanh dầm dao động cảm ứng 50
4.3. Khảo sát độ lệch khung trong, ứng suất cực đại và độ thay đổi điện dung
theo vận tốc góc
52
4.4. Đề xuất cấu trúc cảm biến 54
KẾT LUẬN
56
TÀI LIỆU THAM KHẢO
57
PHỤ LỤC
59

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
7
MỞ ĐẦUThế kỷ 20 đã chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các linh kiện vi

quay vi cơ khung dao động dựa trên điều kiện ăn mòn ướt. Với các thiết bị ăn
mòn khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây ở một số phòng thí
nghiệm trong nước thì cảm biến đo vận tốc góc cấu trúc cài răng lược, một
loại cấu trúc chỉ có thể phát triển trên công nghệ ăn mòn khô lần đầu tiên
nghiên cứu tại Việt Nam. Phối hợp với nhóm nghiên cứu về MEMS ở Viện
ITIMS – ĐHBK Hà Nội, chúng tôi thực hiện phát triển một cấu trúc cảm biến
đo vận tốc góc cài răng lược phù hợp với điều kiện công nghệ.
Luận văn thực hiện xây dựng mô hình lý thuyết cảm biến đo vận tốc
góc cài răng lược, từ đó mô phỏng, xác lập các đặc trưng hoạt động của cảm
biến bằng phần mềm ANSYS. Từ kết quả mô phỏng, đề xuất chế tạo các cấu
trúc cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước.
Nội dung luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về cảm biến đo vận tốc góc MEMS.
Chương 2: Xây dựng cấu trúc cảm biến.
Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng cảm biến đo vận tốc góc
MEMS cấu trúc cài răng lược dựa trên phần mềm ANSYS.
Chương 4: Kết quả và thảo luận.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
9
CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN VỀ CÁC CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC MEMS

1.1. Giới thiệu
Hệ thống vi cơ điện tử (Micro Mechanical System) gọi tắt là MEMS ra
đời vào những năm 50 của thế kỷ XX, là lĩnh vực phát triển nhanh trong thời
gian qua, nó đã tạo ra một cuộc cách mạng về công nghệ và hứa hẹn một
tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp. Sự bùng nổ của công
nghệ MEMS trong khoảng hai thập niên qua đã và đang kích thích sự phát

vi ln do chỳng cú u th v kớch thc nh v giỏ thnh ch to thp. Chỳng
c s dng trong y hc iu khin hot ng, trong cỏc h lm n nh
chng rung ca cỏc mỏy quay camera, cỏc thit b th thao, ng dng trong
cụng nghip nh ch to rụ bt, trong cỏc b iu khin chng rung, ng dng
trong quõn s v.v
Cựng vi cm bin o gia tc, cỏc cm bin o vn tc gúc MEMS l
cm bin cú t phn ln trong cỏc sn phm MEMS, mt trong cỏc loi da
trờn silic. Cm bin do vn tc gúc MEMS c c tớnh s to ra giỏ tr
khong 800 triu USD vo nm 2010 vi phm vi ng dng rt ln [1], [12].
Chỳng cú th c s dng trong iu khin t ng, chng hn nh h thng
chng xoay, h thụng tin dn nh hng trong GPS v trong cỏc h iu
khin s n nh cho cỏc h in t. Ngoi ra, trong nhiu thit b dõn dng
cng cú ng dng cm bin ny, chng hn trong cỏc mỏy quay xỏch tay, cỏc
mỏy quay camera, trong cỏc in thoi di ng (chỳng c s dng lm cỏc
b n nh cho cỏc thit b trờn), cỏc thit b in t xỏch tay v.v Cỏc ng
dng quan trng khỏc ca cỏc cm bin o vn tc gúc cú th tỡm thy trong
lnh vc quõn s, hng khụng v tr, rụbụt v ng dng trong y t.
Trờn quan im giỏ thnh sn phm, nng lng tiờu th v hiu qu
sn xut, cỏc cm bin o vn tc gúc ũi hi tớch hp cụng ngh phc tp

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
11
như các cảm biến vòng xuyến lase, cảm biến quang sợi là khó đáp ứng được
yêu cầu sử dụng số lượng lớn của các cảm biến đo vận tốc góc [10]. Vì vậy,
các nghiên cứu về các cảm biến đo vận tốc góc với rất nhiều loại cấu trúc
khác nhau và nguyên lý hoạt động khác nhau được báo cáo.

1.2. Hiệu ứng Coriolis
Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong hệ quy chiếu quay so với hệ
quy chiếu quán tính. Khi vật đứng yên trong hệ quy chiếu quay thì chịu tác
dụng của lực quán tính li tâm. Nếu vật chuyển động trong hệ quy chiếu này
thì còn chịu tác dụng của một lực quán tính khác nữa, lực quán tính Coriolis
hay gọi tắt là lực Coriolis (Fc). Lực Coriolis phụ thuộc vào vận tốc góc

của
hệ quy chiếu quay, vào vận tốc
'v
của vật đối với hệ quy chiếu quay và luôn
vuông góc với vectơ vận tốc đó. Ta có thể hình dung lực Coriolis thông qua
một mô hình như sau:

Một bàn xoay có thể xoay quanh một trục thẳng đứng đi qua tâm, một
quả bóng được đặt tại tâm của bàn xoay. Vạch trên đĩa một bán kính OA, theo
hướng từ O đến A. Ta cho quả cầu lăn với vận tốc v’. Nếu bàn không quay thì
quả cầu lăn dọc theo bán kính OA (hình 1.2). Nếu bàn quay theo hướng mũi
tên chẳng hạn, thì quả cầu lăn theo đường cong OA’ (đường chấm chấm)
nghĩa là vận tốc
'v
thay đổi hướng đối với bàn quay. Chuyển động cong của
quả cầu trên mặt bàn xảy ra phải là do một lực nào đó gây ra tác dụng vuông
góc với vận tốc
'v
. Lực này là lực quán tính Coriolis.



][2

 va
c

vmF
c
]'[2



(1.2)
Trường hợp tổng quát của lực coriolis: Gọi Oxyz là hệ quy chiếu
đứng yên, Ox’y’z’ là hệ quy chiếu gắn với đĩa quay, trong đó trục z trùng với
trục z’ và trùng với trục quay của đĩa. Với trục quy ước này thì bán kính vectơ
r
đối với hệ quay là trùng nhau.
Bán kính vectơ của vật được tính theo:

r
=
'
r
= x’
'
x
e
+
'

là các vectơ đơn vị trên các trục tọa độ của hệ
Ox’y’z’. Các vectơ
'
x
e
và
'
y
e
quay theo hệ Ox’y’z’ với cùng vận tốc

, nghĩa
là chúng nằm yên đối với hệ này. Còn đối với hệ đứng yên Oxyz thì chúng
quay với vận tốc

. Do đó khi lấy vi phân (1.1) đối với
r
thì phải coi
'
x
e
và
'
y
e
như là hàm của thời gian t, có đạo hàm bằng:


'
x

e

'
=
'
x
e
và đạo hàm bậc hai bằng:
y’
x’
x
e

'

y
e

'

x
e'

y
e'LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
14

của vật là: ''''''''
zyx
ezeyexrv


Và gia tốc
'
a

sẽ là:
''''''''
zyx
ezeyexva




(1.6)

Đối với hệ đứng yên thì vận tốc
v
của vật là:
Từ (1.1), (1.2), (1.3), (1.4) suy ra (1.5) có dạng:)()(2
''''2''''
'
yxxy
eyexeyexaa 

Hay

)()(2
''''2''''
'
yxxyyx
eyexevevaa 

(1.8)

Biểu thức trong các dấu ngoặc ở số hạng cuối của (1.8) bằng thành
phần vuông góc với trục quay (trục z
’
) của bán kính vectơ
'
r

(xem 1.3). Ta kí

zyx
zyx
vvv
eee


Chú ý thêm rằng
0
yx


vì hệ quay quanh trục z với vận tốc


do
đó:

(
'
v

) =
'''
'''
00
zyx
zyx
vvv
eee


(1.10)

Trong đó lực
Rm
2


có hướng từ tâm quay ra ngoài là lực quán tính li
tâm xuất hiện do đĩa quay, còn lực
)(2
'
vm 

xuất hiện do có sự chuyển động
tương đối của vật đối với đĩa quay với vận tốc

'v

là lực quán tính Coriolis.Vậy biểu thức tổng quát của lực Coriolis là:

)(2
'
vmF
C

Hình 1.4. Chuyển động của hạt nước dưới tác dụng của lực Coriolis
Trái Đất là một vật quay lớn, nếu một dòng sông ở Bắc bán cầu chảy từ
Bắc đến Nam thì tốc độ hướng đông nhỏ, nó sẽ lệch về phía Tây, giống như ai
đó đẩy chúng. Nếu ta xét một hạt nước khi di chuyển từ bán Bắc đến Nam, ta
phân tích chuyển động của hạt nước thành hai chuyển động thành phần như
hình 1.4. Lúc này xuất hiện lực Coriolis đẩy hạt nước theo hướng ngang. Do
vậy tất cả các dòng sông ở Bắc bán cầu bờ sông bên Tây bị bào mòn tương
đối lớn. Hiện tượng này cũng xảy ra ở đường ray xe lửa một chiều từ hướng
Nam ra hướng Bắc bị va đập tương đối mạnh vào mặt phía Đông đường sắt.
Lực Coriolis ảnh hưởng lên cả chuyển động của các vật chuyển động với vận
tốc lớn như tàu thủy, máy bay, đường đạn, đặc biệt là các tên lửa, các trạm vũ
trụ phóng từ mặt đất.
1.3. Nguyên lý chung của các cảm biến đo vận tốc góc kiểu dao
động
Tất cả các cảm biến đo vận tốc góc dựa trên sự chuyển đổi năng lượng
giữa hai mẫu giao động của cấu trúc gây ra bởi gia tốc Coriolis, gia tốc này
xuất hiện khi có sự quay của khung đỡ và tỉ lệ với tốc độ quay. Trình bày sơ
lược về nguyên lý hoạt động của mẫu cảm biến như sau:
B
N
F

1
F

và
v

của dao động điều
khiển, nên
C
F

sẽ hướng theo trục Ox làm cho nhánh rĩa dao động theo phương
Ox. Nếu phương trình dao động của thanh theo trục Oy (phương của
đk
F
) là:

0
( ) sin( )
đk
x t x t



(1.12)Với

đk

là tần số góc của thanh dao động theo trục Oy


. Ta thấy gia tốc Coriolis không chỉ
phụ thuộc vào vận tốc góc


mà còn phụ thuộc vào biên độ x
o
.
Nếu ta dùng
sự kích thích bằng điện từ thì sẽ làm cho biên độ dao động lên tới 50
m


và
làm cho độ nhạy cũng tăng lên. Nhưng nếu biên độ dao đông tăng lên thì
đồng thời sẽ gây ra những ảnh hưởng như: Làm tăng mức tiêu thụ điện và
Model điều khiển
(Trục Ox)
Tín hiệu quay của
hệ (Trục Oz)
Model cảm ứng
(Trục Oy)
F
C

F
dk

z
y
O

Những nam châm vĩnh cửu phải được định vị trong khối không di động
và trên bề mặt của một phiến thẳng. Cho âm thoa quay với tốc độ góc


như
hình 1.6a, một dòng điện xoay chiều qua các chốt của âm thoa để tạo ra lực
truyền động

đk
F

(lực này là lực Lorenz). Kết cấu Silic được gắn giữa hai lát
kính mỏng. Dao động cuối cùng sẽ thu được gia tốc Coriolis nhờ vào sự nhận
biết qua việc sử dụng bộ tụ điện.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
19
Trong hình 1.6b là một kết cấu chỉ có một điểm treo đòi hỏi đế kim loại
trên âm thoa để dẫn dòng điện. Tuy nhiên kết cấu có những thuận lợi so với
kết cấu có hai điểm treo như hệ số Q cao hơn bởi vì khi giảm giá treo thì sự
ảnh hưởng ứng suất trong và sự thay đổi nhiệt độ giảm.
Hai khối trong những kết cấu âm thoa ở hình 1.6 đối tượng tạo ra gia
tốc tuyến tính, đây là điều tại sao hai khối lại cần thiết.
1.4. Một số cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc tiêu biểu
1.4.1. Kiểu thanh rĩa
Trong số các thiết kế, cấu trúc kiểu thanh rĩa là mẫu cổ điển trong các
cảm biến đo tốc độ góc kiểu dao động. Hai răng của cấu trúc thanh rĩa được
nối với nhau ở chỗ chạc ba và được điều khiển cho dao động trong mặt phẳng
của cấu trúc với biên độ xác định. Hình 1.7a cho biết khi cho thanh rĩa quay

20
1.4.2. Kiểu khung dao động
Một cấu trúc khác của cảm biến đo vận tốc góc là cấu trúc khung dao
động như ở hình 1.8 [10]. Cấu trúc gồm hai khung dao động, khung dao động
trong và khung dao động ngoài, liên kết với nhau qua các thanh dầm xoắn.
Khung ngoài là khung chủ động, khung trong là khung thụ động. Khung chủ
động và khung thụ động có thể dao động thông qua trục điều khiển và tự do.
Đĩa cảm ứng được liên kết với khung thụ động, dao động quanh trục điều
khiển, và cũng có thể dao động độc lập quanh trục cảm ứng. Biên độ dao
động lớn của khung thụ động trong đó chứa đĩa cảm ứng, có thể thu được
bằng cách khuếch đại biên độ dao động nhỏ của khung dao động. Khi có sự
xuất hiện của chuyển động quay hệ quanh trục cảm ứng vuông góc với bề mặt
đế, chỉ có đĩa cảm ứng đáp lại sự xoắn gây ra bởi lực Coriolis. Lực tĩnh điện
sử dụng để kích hoạt khung dao động và điện dung được sử dụng để cảm ứng
sự dịch chuyển của đĩa cảm ứng. Các mẫu khác của cảm biến đo vận tốc góc
của khung dao động có nguyên lý tương tự, có thể tham khảo trong tài liệu
[10], [12], [13].

Hình 1.8. Cấu trúc khung dao động
Sense Electrodes: Những bản điện cực cảm ứng; Anchor: Chốt; Substrate: Đế;
Sensing Plate: Đĩa cảm ứng; Sense Direction: Hướng cảm ứng; Drive Direction: Hướng
truyền động; Drive Electrodes: Bản điện cực truyền động.

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m

và điều khiển
Mẫu dao động cảm ứng
Mẫu dao động cảm ứng

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
22
cấu trúc tương tự về cảm biến đo vận tốc góc MEMS, có thể tham khảo ở các
tài liệu [10], [11], [15].

Hình 1.10. Cấu trúc cài răng lược
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong những năm gần đây, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ điện
tử và công nghệ tin học, công nghệ MEMS đã có những bước phát triển to
lớn. Công nghệ chế tạo các cảm biến nói chung và công nghệ chế tạo cảm
biến đo vận tốc góc nói riêng cũng không nằm ngoài sự phát triển đó. Tuy
nhiên để đáp ứng được nhu cầu xã hội ngày càng phong phú và hiện đại thì
cảm biến luôn luôn được cải tiến. Đối với các cảm biến đo vận tốc góc, hiện
nay các cấu trúc đang được sử dụng nhiều là: Turning - fork; khung dao động;
cộng hưởng vòng xuyến và các cấu trúc cài răng lược. Như đã phân tích mỗi
loại cấu trúc được phát triển đều có ưu điểm riêng, nhưng cũng thể hiện
những hạn chế.

Theo dòng phát triển loại linh kiện, đã có rất nhiều những mẫu cảm
biến được đề xuất, chế tạo và ứng dụng. Mỗi loại cảm biến đều thể hiện
Bản điện
cực cảm ứng

phần mềm này, các chương trình mô phỏng cấu trúc và đặc trưng hoạt động
của cảm biến, các bộ chấp hành được thực hiện. Kết quả mô phỏng cho phép
các nhà thiết kế lựa chọn các thông số thiết kế tối ưu phù hợp điều kiện công
nghệ và mục đích sử dụng.
Nghiên cứu cải tiến quy trình công nghệ: Cuộc cách mạng trong khoa
học kỹ thuật đã làm thay đổi nhanh chóng điều kiện kỹ thuật, công nghệ.
Những thiết bị kỹ thuật mới, hiện đại cho phép chế tạo các loại cấu trúc, linh
kiện phức tạp, chất lượng tốt hơn nhiều mà trước đó không thực hiện được.
Rất nhiều các nghiên cứu khoa học về cải tiến kỹ thuật, quy trình công nghệ
đã được các tác giả công bố [1].
Nghiên cứu ứng dụng: Một hướng phát triển khác là phát triển các cảm
biến đã được chế tạo vào các loại ứng dụng khác nhau. Mỗi loại cấu trúc cảm
biến, với đặc trưng riêng về cấu trúc sẽ phát huy tác dụng tốt trong các ứng
dụng đặc thù. Phát triển ứng dụng cảm biến phù hợp với cấu trúc là một trong
các nội dung được nhiều nhóm nghiên cứu đang quan tâm [1], [11], [12].

LuËn v¨n cao häc chuyªn ngµnh vËt lý chÊt r¾m
Trần Đức Thành
24
Công nghệ và linh kiện MEMS đã được quan tâm, nghiên cứu, phát
triển ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm gần đây. Các quan tâm, nghiên
cứu tập trung vào cả phát triển cấu trúc mới, mô phỏng thiết kế, cải tiến công
nghệ và phát triển ứng dụng. Hiện nay, đã hình thành một số nhóm nghiên
cứu về MEMS thuộc các viện nghiên cứu, các trường đại học: Viện ITIMS –
ĐHBK Hà Nội, Viện vật liệu, Đại học Công Nghệ Hà Nội, ĐHSP Hà Nội 2
v.v… Các nghiên cứu trước đây về MEMS đã được công bố trong nước là các
nghiên cứu về cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc, con quay vi cơ khung dao
động [1] dựa trên điều kiện công nghệ ăn mòn ướt. Với các hệ thiết bị ăn mòn
khô hiện đại mới được đầu tư thời gian gần đây, các cấu trúc linh kiện MEMS
phức tạp đã được các nhóm nghiên cứu trong nước quan tâm. Cảm biến đo

nghệ chế tạo.
Cấu trúc có thể dễ dàng cải tiến cho phù hợp với điều kiện công nghệ
Cấu trúc có thể khảo sát, đo đạc các đặc trưng hoạt động không quá khó
khăn trên các hệ thiết bị trong nước.
Hiện nay có rất nhiều cấu trúc đang được quan tâm, mỗi loại đều thể
hiện những ưu điểm về cấu trúc hoặc tính năng hoạt động hoặc công nghệ chế
tạo. Cấu trúc hình thang là một loại cảm biến phù hợp với các điều kiện nêu
trên. Hình 2.1. Sơ đồ cảm biến cấu trúc hình thang
Điện cực điều khiển cố

định

Chốt

Dầm ngoài

Bản điện cực truyền động cố định

Dầm thẳng

Bản điện cực cố định 1R

Bản điện cực R đã kết nối

Bản điện cực cố định 2R

Dầm trong Hình 2.2. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt cấu trúc hình thang

Trong dao động này sự thay đổi điện dung
(
1 2L L
C C  
) - (
1 2R R
C C  
)
tương ứng với vận tốc góc, nơi mà điện dung
1L
C

thay đổi giữa bản cực cố
định và bản cực di động. Độ nhạy của con quay phụ thuộc vào khoảng cách
giữa các bản điện cực cố định và những bản điện cực di động. Khi những bản
điện cực cố định chuyển động vì ứng suất nhiệt, khoảng cách trong bản điện
cực 1L và 2L và khoảng cách trong bản điện cực 1R và 2R biểu hiện sự thay
đổi đối diện nhau, cắt nhau. Kết quả là sự biến đổi về độ nhạy của con quay vi
cơ bị ngăn chặn.
2.2. Phương pháp điều khiển dao động kích thích
Dao động kích thích (dao động điều khiển) được thực hiện dựa trên sự
điều khiển lực tĩnh điện xuất hiện giữa hai bản tụ điện có điện tích trái dấu.
Dưới đây chúng ta sẽ trình bày cụ thể về hiệu ứng này.


0




là hằng số điện
của chân không,


là hằng số điện môi của

môi trường giữa hai điện cực
(

=
1 cho không khí).
Điện tích được tích trên tụ là: Q
C
= C(x).V (2.2)
Năng lượng điện trường dự trữ trên tụ là: E
C
=
2
).(
2
1
VxC

(2.3)
Do hai bản cực của tụ điện mang điện tích trái dấu, nên tồn tại một lực