Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC
KIỂU VI SAI
Nguyễn Văn Thắng
Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyenbathang@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Con quay hồi chuyển dùng trong đo đạc,
điều khiển thông thường gồm 3 nhóm chính:
Con quay cơ học thông thường; Con quay
quang học: laser vòng, sợi quang học và Con
quay dao động: hệ vi cơ điện tử (MEMS), áp
điện (piezoelectric)… Trong đó, con quay vi
cơ điện tử còn gọi là cảm biến đo vận tốc góc
công nghệ MEMS có kích thước rất nhỏ gọn
nên hiện nay được sử dụng rất phổ biến. Sơ Hình 2. Cảm biến đo vận tốc góc hai khối
đồ cảm biến đo vận tốc góc MEMS 2D được gia trọng (TFG)
trình bày trong Hình 1 và cảm biến đo vận
tốc góc hai khối gia trọng được biết đến là Hai khung dao động theo phương cảm ứng
cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork cũng dao động ngược pha nhau 180. Nếu
(TFG) được chỉ ra trong Hình 2. các khối gia trọng được gắn với các răng lược
cảm ứng, khi hoạt động theo thành phần cảm
ứng các tụ răng lược này sẽ có sự thay đổi
điện dung và sự thay đổi này sẽ tỷ lệ với vận
tốc góc quay ω mà chúng cần xác định. Vì
vậy, TFG có thể dễ dàng tìm ra đại lượng đặc
trưng cho chuyển động quay này thông qua
đo biện độ dao động của các khối gia trọng
theo phương cảm ứng.
Hiện nay, TFG đã được nghiên cứu và ứng
dụng phổ biến trong thực tế 0,0,0. Nghiên
cứu 0 chỉ ra chất lượng và hoạt động của
Hình 1. Cảm biến đo vận tốc góc một khối gyroscope và TFG bị ảnh hưởng bởi sự thay
gia trọng (Gyroscope) đổi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, áp
Để TFG hoạt động thì hai khối gia trọng suất, rung động xung quanh. Ngoài ra, độ
cần được kích thích để dao động ngược pha cứng của các cảm biến và các dầm cũng có
nhau 180. Khi đó hai khối gia trọng sẽ dao ảnh hướng lớn tới hoạt động và chất lượng
động ngược pha nhau 180. Một dao động làm việc của chúng cũng được làm rõ trong
cảm ứng theo phương vuông góc với phương 0.
kích thích sẽ xuất hiện khi toàn bộ cấu trúc bị Những nghiên cứu trên và nhiều nghiên
quay hoặc được đặt trong một chuyển động cứu khác đề mong muốn cải thiện chất lượng
quay với vận tốc góc ω. của cảm biến trong các ứng dụng. Cùng với
546
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
mục tiêu trên tác giả của bài báo này đề xuất Bảng 1. Một số tham số khối gia trọng
một thiết kế mới đó là cảm biến đo vận tốc Tham số Ký hiệu Giá trị
góc kiểu vi sai. Đây là một loại TFG có hai
Độ cao của cảm biến H 1754 µm
khối gia trọng được liên kết với nhau thông
qua một dầm treo hình quả trám như được chỉ Chiều rộng của cảm biến W 1644 µm
ra trên Hình 3. Độ dày của cảm biến t 30 µm
Hình 3. Cấu trúc TFG kiểu vi sai
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết hợp nghiên cứu, tính toán lý thuyết và Hình 5. Cấu trúc dầm treo hình quả trám
thiết kế, mô phỏng bằng phần mềm Comsol Bảng 2. Các tham số của dầm treo
Multiphysics.
Tham số Giá trị
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU R1 132 µm × 100 µm
R2 70 µm × 20 µm
Nghiên cứu đã thiết kế thành công TFG
R3 60 µm × 600 µm
kiểu vi sai đề xuất với hai khối gia trọng hai
bên (Hình 4) liên kết với dầm treo hình quả R4 60 µm × 20 µm
trám (Hình 5). Một số tham số thiết kế được R5 60 µm × 80 µm
liệt kê trong Bảng 1 và 2. R6 500 µm × 6 µm
R7 200 µm × 6 µm
Kích thước tổng thể 1000 µm × 1700 µm
Góc nghiêng R3 30o
Chốt cố định 40 µm × 40 µm
Độ dày cấu trúc 30 µm
Độ cứng trục X 121 N/m
Độ cứng theo trục Y 2314 N/m
Để TFG đề xuất hoạt động, hai tín hiệu
kích thích đặt vào hai hệ tụ răng lược kích
thích của hai cảm biến đo vận tốc góc hai bên
của TFG đề xuất có công thức:
f1 102 sin 2 * pi* f * t N
Hình 4. Khối gia trọng của TFG đề xuất
(1) Các lò xo treo khung kích thích, f 2 102 sin 2 * pi* f * t N
(2) Các lò xo treo khung cảm ứng, trong đó: Tín hiệu f1 được đặt vào 8 khung
(3) Các cặp tụ điện kích thích, răng lược kích thích của cảm biến đo vận tốc
(4) Khung răng lược kích thích góc bên trái và tín hiệu f2 được đặt vào 8
547
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
khung răng lược kích thích của cảm biến đo hiệu kích thích lần lượt 3,5, 2,5 tương
vận tốc góc bên phải hoặc ngược lại. ứng với cấu trúc 1, 2. Các rung động cơ học
Để chứng minh được cấu trúc đề xuất có của hai khung kích thích sẽ không được bù
khả năng loại bỏ tín hiệu/ nhiễu đồng pha và khi độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích lần
bù lệch pha khi các tín hiệu kích thích đầu lượt lớn hơn 3,5, 2,5 tương ứng với cấu
vào không hoàn toàn lệch nhau 180o tác giả trúc 1, 2. Bù lệch pha ở đây được hiểu là khi
đưa ra hai cấu trúc với dầm treo có độ cứng hai tín hiệu kích thích có sự lệch pha nhất
khác nhau sau đó mô phỏng để quan sát. Tần định thì nó vẫn làm cho hai khung kích thích
số dao động riêng tương ứng với hai cấu trúc dao động với cùng một mức biên độ và lệch
được chỉ ra trong Bảng 3. pha nhau 180o. Vì vậy, khi không bù lệch pha
Bảng 3. Tần số dao động (DĐ) riêng sẽ dẫn đến chuyển động của hai khung kích
theo phương kích thích của 2 cấu trúc thích không cùng biên độ hoặc không lệch
pha đúng bằng 180o hoặc cả hai.
Tần số (Hz)
Mode dao động Cấu trúc 1 Cấu trúc 2 4. KẾT LUẬN
(HR6 = 6µm) (HR6 = 4µm) Thiết kế có các hệ tụ răng lược dùng để
DĐ kích thích 21397,9 21184,7 kích thích bằng tín hiệu điện. Thiết kế đã thể
44446,8 44227,6 hiện được tính ưu việc của hệ lò xo liên kết
Các dao động hình quả trám giữa hai cảm biến. Kết quả mô
63436,5 63427,9 phỏng đã chứng minh TFG đề xuất ngoài khả
không mong muốn
65032,2 65020,9 năng loại bỏ đáng kể tín hiệu/ nhiễu đồng
pha, khuếch đại tín hiệu ngược pha còn có
Bảng 4 chỉ ra mối quan hệ giữa độ lệch khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích
pha điện của hai tín hiệu kích thích φ và độ thích đầu vào khi giá trị lệch pha lần lượt là
lệch pha rung cơ học của hai khung kích 3,5o, 2,5o tương ứng với cấu trúc TFG 1, 2.
thích φ1 trong các lần mô phỏng của 2 cấu
trúc TFG đề xuất. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Bảng 4. Mối quan hệ giữa φ và φ1 (độ) [1] Acar, C., & Shkel, A. (2008), MEMS
vibratory gyroscopes: structural approaches
φ1 Cấu trúc 1 Cấu trúc 2
to improve robustness, Springer Science &
φ (TFG 1) (TFG 2) Business Media.
180° 0 0 [2] Ayazi, F., & Najafi, K. (1998). “Design and
179,5° 0 0 fabrication of high-performance polysilicon
vibrating ring gyroscope”, Micro Electro
179° 0 0 Mechanical Systems, 1998. MEMS 98.
178,5° 0 0 Proceedings., The Eleventh Annual
International Workshop,pp. 621-626.
178° 0 0
[2] IEEE Std 528-2001. IEEE Standard for
177,5° 0 0 Inertial Sensor Terminology.
177° 0 3,5 [3] Maenaka, Kazusuke, et al. (2005), "Design,
fabrication and operation of MEMS gimbal
176,5° 0 7,0 gyroscope", Sensors and Actuators A:
176° 3,9 15 Physical 121.1, pp.6-15.
175,5° 18,2 x [4] Liu, Guangjun, et al. (2008), "Effects of
environmental temperature on the
Các kết quả trong Bảng 4 chỉ ra rằng rung performance of a micromachined
động cơ học của hai khung kích thích được gyroscope", Microsystem Technologies
khớp nối rất tốt khi độ lệch pha của hai tín 14.2, pp. 199-204.
548
nguon tai.lieu . vn
