1
Xu hớng phát triển và ứng dụng của cảm biến
quán tính vi cơ điện (con quay, gia tốc kế)

Tác giả:
Nguyễn Văn Chúc, Trần Tiến Đạt, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Phú Thắng, Trần
Ngọc Thanh
Trung tâm Khoa học Kỹ thuật - Công nghệ Quân sự

Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quan việc ứng dụng của các công nghệ cảm biến
quán tính, đánh giá hớng phát triển của các công nghệ này trong tơng lai, đa ra
nguyên lý làm việc và sơ đồ kết cấu của một số cảm biến quán tính vi cơ điện, phân tích
một số vấn đề liên quan tới thiết kế, công nghệ và ứng dụng các cảm biến quán tính vi
cơ điện trong điều kiện ở nớc ta.

1. Mở đầu
Việc ứng dụng các hệ thống vi cơ điện (MicroElectroMechanical System -MEMS) sẽ
tạo ra sự thay đổi lớn trong công nghệ chế tạo các cảm biến quán tính (con quay, gia tốc
kế). Trớc đây công nghệ này là độc quyền của một số cờng quốc quân sự (Mỹ, Nga...)
Các cảm biến quán tính MEMS cha đạt độ chính xác của các cảm biến cơ học cổ
điển, nhng có những u điểm hơn hẳn: Về kích thớc biên dạng (vài milimét); công
suất tiêu thụ (dới 1W); giá thành hạ (10ữ20 lần). Chính nhờ những u điểm trên mà các
cảm biến quán tính vi cơ điện đợc ứng dụng rộng rãi trong cả các lĩnh vực của dân sự,
quân sự.
Trong số các ứng dụng ngày càng mở rộng của cảm biến quán tính vi cơ điện có thể
kể đến các ứng dụng sau:
+Công nghiệp ô tô. Hiện nay các ô tô hiện đại sử dụng 50-80 cảm biến khác nhau
cho hệ thống an toàn và dẫn đờng.
+Các thiết bị dẫn đờng và kỹ thuật quân sự. Nhờ thành tựu tạo ra các hệ thống dẫn
đờng kiều không platform (các cảm biến không cần lắp trên một platform ổn định, mà
lắp trực tiếp lên đối tợng) với hiệu chỉnh bằng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS)

M
K
s
M
D
s
s
sx
sH



++
=
++
==
(1)
trong đó

là gia tốc bên ngoài, x là chuyển dịch của khối trọng,
M/K
r
=
là tần
số cộng hởng tự nhiên, và
D/KMQ =
là hệ số phẩm chất. Độ nhạy tĩnh của gia tốc
kế đợc chỉ ra là:

2

==
(3)
trong đó K
B
là hằng số Boltzman và T là nhiệt độ K. Công thức (3) chỉ rõ rằng để
giảm nhiễu tạp cơ học, hệ số phẩm chất và khối trọng cần phải đợc tăng.
Chỉ tiêu chất lợng của gia tốc kế thờng đợc đánh giá bằng độ nhậy, dải đo, độ
trôi không, độ trôi do nhiệt độ, cũng nh khả năng chịu tác động của môi trờng (khả
năng chịu va đập, quá tải...)
Bảng 1 đa ra tóm tắt các tham số chất lợng của gia tốc kế cho các ứng dụng khác
nhau.

Bảng 1
Thông số Trong công nghiệp ô tô Dùng cho dẫn
đờng
Giải

50g (gối khí)

2g (hệ thống ổn định xe)

1g
Giải tần số DC 400 Hz DC 100Hz
Độ phân giải <100mg (gối khí)
<10mg (hệ thống ổn định
xe)
<4
à
g
Độ nhạy lệch trục <5% <0,1%


Tuỳ thuộc vào nguyên lý lấy tín hiệu ra, gia tốc kế vi cơ thờng đợc chế tạo theo
kiểu áp trở và kiểu điện dung.
3
1)Các thiết bị áp điện trở.
(hình vẽ 2.) Một trong các gia tốc kế vi
cơ thơng mại đầu tiên, chế tạo bằng công
nghệ vi cơ [7] là áp điện trở. Các gia tốc kế
này có các áp điện trở bán dẫn trên dầm đỡ
của chúng. Khi khung đỡ chuyển dịch
tơng đối so với khối trọng, các dầm treo sẽ
kéo dài ra hay ngắn lại, điều này sẽ thay đổi
hình dạng áp lực của chúng và do đó đến độ
trở xuất của các áp điện trở nhúng của
chúng. Các áp điện trở này thờng đợc đặt
ở mép của vành đỡ và khối trọng, chỗ sự
thay đổi áp lực là lớn nhất. Do đó, một
mạch bán cầu hay cả mạch cầu có thể đợc
tạo ra bằng cách sử dụng 2 hay 4 áp trở.
Lợi thế chính của các gia tốc kế áp trở là sự đơn giản trong cấu trúc và quy trình chế
tạo, cũng nh mạch đọc đầu ra, do cầu điện trở tạo ra một trở kháng ra thấp. Tuy nhiên,
các gia tốc kế áp trở có độ nhạy nhiệt độ cao, và độ nhạy toàn bộ thấp hơn so với các
thiết bị cảm biến điện dung, và do đó thờng phải sử một khối trọng lớn. Sự phát triển
sớm của công nghệ vi cơ khối và kinh
nghiệm thu đợc bởi nhiều công ty trong
việc phát triển và thơng mại hoá các cảm
biến áp xuất dựa trên áp trở, đã giúp cho sự
phát triển ban đầu của các gia tốc kế áp trở
vi cơ sử dụng công nghệ vi cơ khối và công
nghệ hàn tấm bán dẫn [7 11]. Thiết bị


Hình 2. Gia tốc kế kiểu áp điện
Hình3. Gia tốc kế kiểu điện dung
4
nhiên các gia tốc kế tụ có thể dễ bị ảnh hởng bởi nhiễu tạp điện từ (EMI), do cực cảm
biến của chúng có trở xuất lớn. Vấn đề này có thể khắc phục đợc bằng bao gói đúng
đắn và che chắn gia tốc kế và mạch giao diện của nó.

3.Con quay vi cơ

Hai thanh của âm thoa thực hiện dao động theo phơng Oy với tôc độ
v(t)=A
0
sin(


Độ chính xác hệ số
đo, %
0,1-1 0,01-0,1 <0,001
Dải đo toàn bộ (
0
/s) 50-1000 500 400
Chịu va đập tối đa
trong 1ms, gs
10
3
10
3
- 10
4
10
3

Độ rộng băng, Hz >70 -100 -100

Nói chung con quay có thể đợc phân loại thành 3 nhóm khác nhau dựa trên tính
năng của chúng: cấp độ quán tính, cấp độ chiến thuật và cấp độ đo. Bảng 2 tóm tắt các
yêu cầu cho mỗi cấp trong các nhóm này. Trong vài năm gần đây, hầu hết cố gắng trong
phát triển con quay bán dẫn gia công vi cơ tập trung vào các thiết bị cấp độ đo, chủ
yếu do việc sử dụng chúng trong các ứng dụng ô tô. ứng dụng này đòi hỏi một dải đo
toàn bộ ít nhất là 50
0
/s và một độ phân giải khoảng 0,1
0
/s trong một độ rộng băng 50Hz,
tất cả với giá thành từ 10-20USD. Nhiệt độ làm việc trong khoảng -40 đến 85

Mặc dù rất chính xác, các thiết bị này quá đắt và cồng kềnh đối với nhiều ứng dụng giá
thành thấp. Đạt các mức tính năng cấp độ quán tính và cấp độ chiến thuật là một thách
thức lớn với con quay gia công vi cơ, và hiện nay nhiều công nghệ và cách tiếp cận mới
đang đợc phát triển. Do độ tơng thích lớn của chúng với các công nghệ chế tạo loạt,
bài báo này chỉ tổng quan các con quay dao động bán dẫn gia công vi cơ.
Phụ thuộc vào công nghệ chế tạo phần tử cảm biến, con quay vi cơ thờng đợc chế
tạo từ thạch anh và silic. Đầu những năm 1980 một số hãng nh Systron Donner,
Watson Industries.. ứng dụng thạch anh để chế tạo bộ cộng hởng của con quay vi cơ
(Hình 4).

F
kích thích
coriolis
F

Hình 4: Con quay QRS11 của hãng Systron Donner (Mỹ)

Con quay QRS11 có khối lợng nhỏ (60g), độ trôi nhỏ hơn 10
0
/h. Những con quay
nh thế này đã đợc ứng dụng trong hệ thống quán tính có hiệu chỉnh GPS. Các con
quay vi cơ bằng thạch anh có nhợc điểm kích thớc lớn, giá thành cao so với các thiết
bị tơng đơng làm bằng silic.
Silic không chỉ là vật liệu cho công nghiệp điện tử, mà là vật liệu kết cấu có nhiều
tính chất nổi trội: độ bền riêng cao, ma sát trong thấp, cho phép tạo ra các bộ cộng
hởng cơ học có hệ số phẩm chất cao (50000
ữ
80000).
Sau mẫu con quay vi cơ đầu tiên của phòng thí nghiệm Draper với độ trôi 1000
0