Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận án ....................................................................................1 2. Mục tiêu của luận án .............................................................................................2 3. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .........................................................2 5. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................3 6. Cấu trúc của luận án .............................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................5 I.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS ........................................................................5 I.1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................5 I.1.2. Lịch sử phát triển.........................................................................................6 I.1.3. Phân loại công nghệ MEMS .......................................................................8 I.2. Cảm biến vận tốc góc..........................................................................................9 I.2.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển ......................................................................9 I.2.2 Cảm biến vận tốc góc quang học ...............................................................11 I.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG) ..............12 I.2.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu dao động .........................................................13 I.2.4.1 Nguyên lý hoạt động .............................................................................13 I.2.4.2 Phương trình động lực học của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động ...........................................................................................................14 I.2.4.3 Quá trình phát triển, phân loại cảm biến vận tốc góc. ..........................17 I.2.5 Tình hình nghiên cứu phát triển cảm biến .................................................18 I.2.5.1 Cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals Gyroscope) ..........................18 I.2.5.2 Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating Ring gyroscopes) ........19 I.2.5.3 Cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope) ..............21 I.2.5.4 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG) ...21 I.3 Cảm biến gia tốc ................................................................................................26 iii I.3.1 Bối cảnh lịch sử ..........................................................................................27 I.3.2 Phân loại cảm biến gia tốc .........................................................................28 I.3.2.1 Nguyên lý hoạt động .............................................................................28 I.3.2.2 Cảm biến gia tốc cân bằng lực (Force balance accelerometer) ............29 I.3.2.3 Cảm biến gia tốc kiểu lệch (Deflection accelerometer) ........................30 I.3.3 Các đặc trưng của cảm biến gia tốc............................................................31 I.3.4 Cảm biến gia tốc MEMS ............................................................................32 I.3.4.1 Cảm biến gia tốc áp điện .......................................................................32 I.3.4.2 Cảm biến gia tốc áp điện trở .................................................................33 I.3.4.3 Cảm biến gia tốc điện dung...................................................................34 I.3.4.4 So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc .....................35 I.3.5 Cảm biến gia tốc điện dung MEMS ...........................................................35 Kết luận Chương 1 ..................................................................................................39 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .................................40 II.1 Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS ................................40 II.2 Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc ..................44 II.2.1 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc ..............................44 II.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc .....................................45 II.2.3 Thông tin kỹ thuật đối với các bước công nghệ chế tạo cảm biến ...........47 II.3 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến ........................................51 II.3.1 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc ..........................51 II.3.2 Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc ..................53 II.4 Xây dựng hệ đo vận tốc góc.............................................................................54 II.5. Xây dựng hệ đo gia tốc ...................................................................................59 Kết luận Chương 2 ..................................................................................................63 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC MEMS KIỂU ÂM THOA ...................................................................64 III.1 Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa ..........................64 III.1.1 Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc .............................................................64 III.1.2 Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến ..............................69 III.1.3 Kết quả tính toán mô phỏng ....................................................................73 III.1.3.1 Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng ...................................73 III.1.3.1.1 Cấu hình tụ điện MEMS ................................................................73 III.1.3.1.2 Tính toán tối ưu khoảng cách điện cực của tụ vi sai cảm ứng ......77 III.1.3.2 Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến ................80 III.1.3.3 Mô phỏng phân tích mode của cảm biến ............................................83 iv III.1.3.4 Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến ...............................................87 III.2 Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc ...................................................................93 III.2.1 Thiết kế mặt nạ ........................................................................................93 III.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc .................................................95 III.2.3 Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc ...............................99 III.2.3.1 Đặc trưng tần số..................................................................................99 III.2.3.1 Đặc trưng điện áp-vận tốc góc .........................................................100 Kết luận Chương 3 ................................................................................................102 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO VI CẢM BIẾN GIA TỐC BA BẬC TỰ DO ....................................................................................................103 IV.1 Thiết kế vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do ...................................................103 IV.1.1 Thiết kế cảm biến gia tốc ......................................................................103 IV.1.2 Kết quả mô phỏng cảm biến gia tốc ......................................................105 IV.1.2.1 Mô phỏng phân tích mode................................................................105 IV.1.2.2 Mô phỏng các đặc trưng của cảm biến.............................................107 IV.2 Chế tạo vi cảm biến gia tốc ..........................................................................110 IV.2.1 Thiết kế mặt nạ ......................................................................................110 IV.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc ......................................................111 IV.3 Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc .........................................113 IV.3.1 Đặc trưng tần số ....................................................................................113 IV.3.2 Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của cảm biến ...............................114 Kết luận Chương 4 ................................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................121 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MEMS (Micro Electro-Mechanical System): Hệ thống vi cơ điện tử. TFG (Tuning Fork Gyroscope): Vi cảm biến vận tốc góc. SOI (Silicon On Insulator): Đế silic có lớp SiO2 mỏng nằm giữa đế silic và lớp silic linh kiện. DRIE (Deep Reactive Ion Etching): Ăn mòn sâu ion hoạt hóa. BHF (Buffered HF): Dung dịch HF pha thêm NH4F theo tỷ lệ nhất định. SEM (Scanning Electronic Microscope): Hiển vi điện tử quét. IMU (Inertial Measurement Units): Đo lường quán tính. IC (Integrated Circuit): Mạch tích hợp. vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình. ............................7 Bảng 1.2 Các thông số cơ bản của cảm biến vận tốc góc. ........................................17 Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị AVT-CZ. ..................................................62 Bảng 3.1 Thông số thiết kế của vi cảm biến vận tốc góc. .........................................68 Bảng 3.2: Thông số dầm dẫn động và cảm ứng. .......................................................72 Bảng 3.3 Hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm và đế khung. ..............................................................................................................82 Bảng 3.4 Kết quả phân tích mode của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa. ...............85 Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật của vi cảm biến vận tốc góc được chế tạo. ...............101 Bảng 4.1 Thông số thiết kế của cảm biến gia tốc. ..................................................104 Bảng 4.2 Kết quả phân tích mode của cảm biến gia tốc. ........................................107 Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật của vi cảm biến gia tốc. ............................................117 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên. ...................................................5 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ vi cơ điện tử (MEMS). ..........................................5 Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ - điện tử tích hợp trong một chip. ....................6 Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý chuyển động của con quay cơ học cổ điển. ...........10 Hình 1.5 Mô hình con quay dẫn hướng sử dụng trong lĩnh vực hàng hải. ...............10 Hình 1.6 Cấu hình cảm biến vận tốc góc loại sợi quang...........................................11 Hình 1.7 Cảm biến RLG. ..........................................................................................11 Hình 1.8 Một số ứng dụng của MG trong dân dụng. ................................................12 Hình 1.9 Giản đồ nguyên lý xác định gia tốc coriolis..............................................13 Hình 1.10 Nguyên lý cấu trúc và hoạt động của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động. ...........................................................................................................14 Hình 1.11 Cảm biến dầm dao động chế tạo bằng phương pháp vi cơ khối . ............18 Hình 1.12 Cảm biến khung kép phẳng chế tạo bằng công nghệ vi cơ bề mặt . ........19 Hình 1.13 Cảm biến vận tốc góc kiểu mâm tròn. .....................................................20 Hình 1.14 Cảm biến vận tốc góc 2 trục . ...................................................................21 Hình 1.15 Cấu trúc nguyên lý và hoạt động của cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa. ...................................................................................................................................22 Hình 1.16 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa Drapper . .........................................22 Hình 1.17 Cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa có hệ số Q cao do nhóm nghiên cứu F. Ayazi tại trường đại học Georgia phát triển. ........................................................23 Hình 1.18 (a) Sơ đồ của vi cảm biến gia tốc đo biến dạng đầu tiên và (b) ảnh của cảm biến gia tốc áp điện đầu tiên . ............................................................................27 Hình 1.19 (a) Chip cảm biến gia tốc ADXL50 và (b) các thành phần chức năng . .28 Hình 1.20 Mô hình hệ cảm biến gia tốc. ...................................................................29 Hình 1.21 Sơ đồ khối của (a) hệ gia tốc vòng hở và (b) hệ gia tốc vòng kín . .........31 Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý của vi cảm biến gia tốc áp điện. ....................................33 Hình 1.23 Sơ đồ cấu trúc của cảm biến gia tốc silic đầu tiên: (a) Mặt trên (b) Mặt cắt ngang. ..................................................................................................................34 Hình 1.24 So sánh hoạt động giữa các cảm biến gia tốc áp điện, cảm biến gia tốc áp trở và cảm biến điện dung MEMS . ..........................................................................35 Hình 1.25 Sơ đồ nguyên lý tụ vi sai: (a) thay đổi khoảng cách và (b) thay đổi diện tích, với điện cực động được hiển thị bằng màu xanh lam. ......................................36 Hình 1.26 Cảm biến gia tốc điện dung vi sai: (a) thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực và (b) thay đổi diện tích . ....................................................................................37 viii Hình 2.1 Các dạng biên chung giữa các phần tử.......................................................41 Hình 2.2 Cấu trúc bài tính toán bằng phần mềm ANSYS ........................................43 Hình 2.3 Mô hình cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc. ................................................44 Hình 2.4 Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. ...............................................................................45 Hình 2.5 Mô hình cấu trúc vi cảm biến gia tốc. ........................................................46 Hình 2.6 Quy trình chế tạo vi cảm biến gia tốc. .......................................................46 Hình 2.7 Máy hàn dây Westbond 7400C. .................................................................50 Hình 2.8 (a) Máy quay phủ lớp cảm quang 1H-D7; (b) Máy quang khắc hai mặt PEM800; (c) Hệ làm sạch chip sử dụng H2SO4:H2O2; (d) Hệ O2 plasma; (e) Cốc Teflon sử dụng trong quá trình ăn mòn SiO2 bằng hơi HF; (f) Hệ gia nhiệt cho quá trình tạo hơi HF. .................................................................51 Hình 2.9 Hệ thiết bị được sử dụng để đánh giá sơ bộ khả năng hoạt động của cảm biến. .............................................................................................................51 Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số cảm biến gia tốc. .........................................52 Hình 2.11 Hệ đo đáp ứng tần số: (a) Sơ đồ mạch điều khiển điện áp AC và DC; (b) Ảnh chụp mạch lắp ráp khảo sát. ..............................................................................53 Hình 2.12 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng tần số của cảm biến gia tốc. ..........................53 Hình 2.13 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số kiểu chấp hành hai cổng. ............................54 Hình 2.14 Sơ đồ hệ đo đáp ứng tần số kiểu chấp hành một cổng. ............................54 Hình 2.15 Hệ đo đặc trưng vận tốc góc ....................................................................55 Hình 2.16 Động cơ servo có điều khiển để tạo vận tốc góc. ....................................55 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý của mô đun chuyển đổi C-V MS3110. .........................57 Hình 2.18 Card thu thập dữ liệu NI USB – 6009. .....................................................58 Hình 2.19 Chương trình đo (a) và giao diện trên máy tính (b). ................................59 Hình 2.20 Hệ đo đặc trưng vận tốc góc. ...................................................................59 Hình 2.21 Hệ đo đặc trưng vi cảm biến gia tốc. ......................................................60 Hình 2.22 Hệ tạo dao động chuẩn. ............................................................................61 Hình 2.23 Thiết bị gia tốc kế tiêu chuẩn AVT-CZ Mitutoyo. ..................................61 Hình 2.24 Ảnh chụp hệ đo đặc trưng gia tốc. ...........................................................62 Hình 3.1 Mô hình cấu trúc của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa. ............................65 Hình 3.2 Cấu hình vi cảm biến vận tốc góc âm thoa đế khung. ...............................67 Hình 3.3 Cấu trúc thanh dầm đơn. ............................................................................69 Hình 3.4 Cấu trúc thanh dầm kiểu fixed-guided trong trường hợp lệch tịnh tiến....69 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hệ hai thanh dầm song song và nối tiếp. .........................71 Hình 3.6 Cấu trúc thanh dầm gập..............................................................................71 ix Hình 3.7 Cấu trúc thanh dầm gập kép. ......................................................................72 Hình 3.8: Cấu trúc thanh dầm được thiết kế sử dụng trong luận án: (a) Dầm gấp cảm ứng, (b) Dầm gấp kép dẫn động. ...............................................................................72 Hình 3.9 Cấu hình tụ điện bản cực song song...........................................................73 Hình 3.10 Cấu hình tụ điện răng lược. ......................................................................75 Hình 3.11 Cấu hình tụ điện răng lược cảm ứng vi sai. .............................................76 Hình 3.12 Cấu trúc hệ tụ điện cảm ứng vi sai (a) và cấu trúc của một cặp tụ (b). ....77 Hình 3.13 Sự phụ thuộc của độ thay đổi điện dung vào d. .......................................79 Hình 3.14 Sự phụ thuộc độ thay đổi điện dung vào chuyển vị của răng lược cảm ứng. .............................................................................................79 Hình 3.15 Mô hình phân tích FE. .............................................................................83 Hình 3.16 Kết quả phân tích FE đối với vi cảm biến vận tốc góc ............................84 Hình 3.17 Ảnh hưởng của bề dày lớp Si linh kiện tới tần số đối với 10 mode đầu tiên. ............................................................................................................................87 Hình 3.18 Sơ đồ mạch điện cấp cho hệ tụ răng lược dẫn động. ...............................88 Hình 3.19 Sự phụ thuộc của biên độ dẫn động vào tần số điện áp xoay chiều kích thích cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm. ......................................89 Hình 3.20 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào tần số điện áp xoay chiều với Ω = 10 rad/s cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm. ..............................89 Hình 3.21 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm. .............................................................................90 Hình 3.22 Sự phụ thuộc thay đổi điện dung cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế tấm. ..................................................................90 Hình 3.23 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vào tần số điện áp xoay chiều với Ω = 10 rad/s cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung. ................91 Hình 3.24 Sự phụ thuộc của chuyển vị cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung. .........................................................................92 Hình 3.25 Sự phụ thuộc thay đổi điện dung cảm ứng vào vận tốc góc cho trường hợp vi cảm biến vận tốc góc loại đế khung. ..............................................................92 Hình 3.26 Cấu trúc mặt nạ tổng thể của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa được thiết kế bằng phần mềm Clewin. .......................................................................................93 Hình 3.27 Thiết kế mặt nạ mô tả các cấu trúc dầm liên kết, cấu trúc đẩy kéo chống mode cảm ứng đồng pha, khung dẫn động, khung cảm ứng, ... của vi cảm biến vận tốc góc ......................................................................................94 Hình 3.28 Ảnh chụp cấu trúc bánh xe tự quay (a) và cấu trúc tụ răng lược cảm ứng (b) của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa trong tấm mặt nạ Cr. ................................94 x Hình 3.29 Ảnh quang học chụp kiểm tra hệ dầm dạng hình thoi liên kết giữa hai khối gia trọng của vi cảm biến vận tốc góc âm thoa sau quá trình quang khắc. .......95 Hình 3.30 Ảnh SEM chụp cảm biến vi cảm biến vận tốc góc âm thoa: (a) Toàn bộ cấu trúc cảm biến; (b) Vòng tự xoay và dầm liên kết hình thoi; (c) Dầm kết nối khung dẫn động và khung cảm ứng; (d) Hệ răng lược cảm ứng; (e) Các hốc trên khung dẫn động và khung cảm ứng. .........................................................................97 Hình 3.31 Ảnh SEM chụp mặt dưới của vi cảm biến vận tốc góc với lớp ôxít đệm SiO2 chưa được tẩy bỏ. ..................................................................97 Hình 3.32 Sơ đồ kết nối dây điện cực (a) và ảnh chụp vi cảm biến vận tốc góc sau khi hàn dây (b) và đóng gói (c). ..........................................................................98 Hình 3.33 Đặc trưng tần số của mode dẫn động. ......................................................99 Hình 3.34 Đặc trưng tần số của mode cảm ứng. .......................................................99 Hình 3.35 Đặc trưng điện áp - vận tốc góc của vi cảm biến vận tốc góc. .............100 Hình 4.1 Sơ đồ 3-D của vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậctự do. ..........................103 Hình 4.2 Mode X của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS. .....................105 Hình 4.3 Mode Y của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS. .....................106 Hình 4.4 Mode Z của vi cảm biến gia tốc nhận được bằng ANSYS. .....................106 Hình 4.5 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode X. .......107 Hình 4.6 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Y. .......108 Hình 4.7 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Z. ........108 Hình 4.8 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode X. .......109 Hình 4.9 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Y. .......109 Hình 4.10 Sự phụ thuộc của chuyển vị vào gia tốc trong trường hợp mode Z. ......110 Hình 4.11 Hình ảnh mặt nạ của cảm biến gia tốc. ..................................................111 Hình 4.12 Hình ảnh tấm mặt nạ tổng thể. ...............................................................111 Hình 4.13 Ảnh SEM chụp vi cảm biến gia tốc. ......................................................112 Hình 4.14 Ảnh SEM chụp cấu trúc thanh dầm gấp của vi cảm biến gia tốc. .........113 Hình 4.15 Ảnh SEM chụp cấu trúc hệ tụ điện răng lược của vi cảm biến gia tốc. .113 Hình 4.16 Đặc trưng tần số đối với mode X của vi cảm biến gia tốc. ....................113 Hình 4.17 Đặc trưng tần số đối với mode Y của vi cảm biến gia tốc. ....................114 Hình 4.18 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương X. .....................................115 Hình 4.19 Đặc trưng điện áp-gia tốc tĩnh theo phương Y. .....................................115 Hình 4.20 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương X. ...........116 Hình 4.21 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương Y. ...........116 Hình 4.22 Đặc trưng điện áp – gia tốc động của cảm biến theo phương Z. ...........116 xi 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 cảm biến gia tốc và ba 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 loại và dễ dàng tích hợp với các mạch điện tử. Để ứng dụng trong quân sự, hệ thống IMU cần đáp ứng các yêu cao về tính năng kỹ thuật vì vậy các cảm biến cần có độ chính xác và độ ổn định cao chẳng hạn như độ trôi của của cảm biến vận tốc góc phải nhỏ hơn 0,1 o /giờ. Khi đó các cảm biến quán tính quang thường được sử dụng. 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 vỏ trong chân không nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các hiệu ứng suy hao chẳng hạn như hiệu ứng suy hao nén (squeeze damping) và hiệu ứng suy hao trượt (slide damping) 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 cũng như độ nhạy của linh kiện. Tuy nhiên, đóng vỏ 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. Với định hướng ứng dụng cho hệ thống dẫn đường quán tính, việc tiếp tục nghiên cứu nâng cao phẩm chất hoạt động các vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc cũng đã được đặt ra. Để xác định vận tốc góc, vi cảm biến vận tốc góc âm thoa (Tunning Fork Gyroscope) kiểu tụ là một lựa chọn thích hợp bởi đây là loại vi cảm biến vận tốc góc dao động có độ nhạy cao. Tuy nhiên, để đảm bảo tính ổn định của 1 cảm biến, việc hạn chế hiện tượng đồng pha của các mode dẫn động và mode cảm ứng là vấn đề cần được xem xét trên cơ sở đưa ra các cấu trúc thích hợp. Đối với cảm biến gia tốc, nghiên cứu phát triển vi cảm biến gia tốc điện dung đa bậc tự do cho phép xác định đồng thời các thành phần gia tốc của vật thể chuyển động đã được đặt ra nhằm tăng cường hiệu quả ứng dụng của loại linh kiện này trong thực tế đặc biệt trong tích hợp với vi cảm biến vận tốc góc trong hệ thống dẫn đường quán tính MEMS. 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 thành phần 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 vào vận tốc góc đối với vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vào gia tốc đối với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ đã được thực hiện trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS. - Công nghệ vi cơ khối khô với các kỹ thuật chính như kỹ thuật quang khắc, kỹ thuật tạo màng mỏng, kỹ thuật ôxi hóa và kỹ thuật khắc khô/ ăn mòn khô sâu DRIE đã được sử dụng để chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do. - 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. Trên cơ sở các khảo sát đó, độ nhạy của vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do đã 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 2 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. 3 6. Cấu trúc của luận án - Chương I: 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. Trên cơ sở tổng quan tài liệu, các hướng nghiên cứu liên quan đến vi cảm biến vận tốc góc dao động kiểu âm thoa và vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do đã được đề xuất. - Chương II: Cơ sở phương pháp mô phỏng và thực nghiệm Trong chương này, các vấn đề liên quan tới cơ sở mô phỏng linh kiện và các kỹ thuật thực nghiệm sẽ được trình bày. Đối với mô phỏng linh kiện, phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS sẽ được giới thiệu. Về các kỹ thuật thực nghiệm, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc trên cơ sở công nghệ vi cơ khối khô sẽ được trình bày. Để khảo sát hoạt động của linh kiện, phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc sẽ được đề cập. Các vấn đề liên quan tới xây dựng hệ đo vận tốc góc và hệ đo gia tốc của cảm biến cũng sẽ được trình bày trong chương này. - Chương III: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa Trong chương này, các nội dung chính luận án liên quan đến nghiên cứu thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa sẽ trình bày, bao gồm: (i).Thiết kế và mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa dao động trong mặt phẳng với cấu trúc có khối dao động kích thích và khối dao động cảm ứng được treo tự do trên đế khung nhằm giảm thiểu hiệu ứng suy hao trong không khí; (ii). Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa dao động trên cơ sở công nghệ MEMS; (iii). Khảo sát các đặc trưng của linh kiện vi cảm biến vận tốc góc nhằm đánh giá các thông số chính của cảm biến như hệ số phẩm chất và độ nhạy. - Chương IV: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do Trong chương này, các vấn đề liên quan đến nghiên cứu thiết kế và chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do sẽ được trình bày: (i).Thiết kế và mô phỏng vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do kiểu tụ sử dụng cấu trúc tụ điện vi sai; (ii). Chế tạo vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do trên cơ sở công nghệ MEMS; (iii). Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc và đánh giá sự ảnh hưởng chéo. 4 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 I.1.1. Giới thiệu chung MEMS là chữ viết tắt của thuật ngữ Micro Electro-Mechanical System. MEMS là Hệ Vi cơ-Điện tử, một hệ có sự kết hợp của các thành phần có chức năng hoạt động trên cơ sở tính chất điện và cơ có kích thước dưới milimet (submillimeter) như được minh họa ở hình 1.1. Hình 1.1 Kích thước vật lý trong thế giới tự nhiên. MEMS được hiểu như là một hệ thống thông minh với kích thước thu nhỏ bao gồm các chức năng cảm nhận/thu thông tin từ môi trường bên ngoài (sensing), xử lý thông tin (processing) và điều khiển (actuating) tác động trở lại môi trường (thế giới vật lý) (hình 1.2). Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ vi cơ điện tử (MEMS). Ngày nay, MEMS được xem là hệ thống thông minh tích hợp các thành phần như vi cảm biến, vi chấp hành, vi cấu trúc cơ và mạch vi điện tử trên cùng một chip (hình 1.3). Các linh kiện này có thể thực hiện các chức năng đơn giản một cách riêng rẽ ở mức độ vi mô trong khi vẫn được kết hợp với nhau để tạo ra một hoạt động phức tạp ở mức độ vĩ mô [1-3]. Một hệ vi cơ điện tử MEMS có các đặc trưng cơ bản như sau: 5 - 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, Hình 1.3: Cấu trúc tiêu biểu hệ vi cơ - điện tử tích hợp trong một chip. - Có thể là một linh kiện đơn lẻ hoặc là một hệ tích hợp phức tạp giống như - một thiết bị hoàn chỉnh, Có độ lặp lại cao và giá thành hạ do được chế tạo hàng loạt. I.1.2. Lịch sử phát triển Thời điểm được coi như cột mốc đầu tiên cho sự ra đời các linh kiện MEMS là vào năm 1954 khi Charles Smith tìm ra hiệu ứng áp điện trở ở các vật liệu bán dẫn Silicon (Si) và Germanium (Ge). Tiếp sau đó là ý tưởng chế tạo các linh kiện và thiết bị có kích thước nhỏ được đề xướng bởi Richard P. Feymann trong bài thuyết trình nổi tiếng có tên gọi “Plenty of Room at the Bottom” vào cuối năm 1959. Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 đã đánh dấu những thành công trong các nghiên cứu triển khai đưa đến sự ra đời của 2 nhánh công nghệ căn bản của lĩnh vực hệ thống vi cơ điện tử là công nghệ vi cơ khối ướt và công nghệ vi cơ bề mặt, là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử (Integrated Circuit - IC) với qui trình vi chế tạo (microfabrication) các cấu trúc ba chiều kích thước siêu nhỏ trong phạm vi micromet dựa trên kỹ thuật ăn mòn vật liệu. Thập kỷ 70 và 80 đánh dấu sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này, theo đó các cảm biến áp suất và gia tốc kiểu áp điện trở và kiểu tụ trở thành thương phẩm trên thị trường, mở ra các ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và giao thông. Bên cạnh đó là các nghiên cứu mới về vi cảm biến vận tốc góc và các cấu trúc truyền động (actuator) làm các động cơ. Những năm cuối thế kỷ 20, sự ra đời của công nghệ LIGA và công nghệ vi cơ khối khô trên cơ sở kỹ thuật ăn mòn i-ôn hoạt hóa theo qui trình BOSCH đã dẫn đến những sự phát triển có tính cách mạng nhằm theo kịp tiến trình thu nhỏ hóa linh kiện (hay tăng số lượng linh kiện trên một chip) của công nghệ vi điện tử. 6 Bảng 1.1 Tiến trình phát triển một số linh kiện MEMS điển hình [4]. Thương Quá trình Tên sản Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn phẩm phổ phát triển phẩm Phát minh Hoàn thiện Cải tiến biến (năm) Cảm biến áp suất Cảm biến gia tốc Đầu mực phun Chuyển mạch quang Vi biến cảm vận 1954-1960 1960-1975 1975-1990 1990 36 1974-1985 1985-1990 1990-1998 1998 24 1978-1984 1984-1990 1990-2002 2002 24 1980-1993 1993-1998 1998-2008 2003 23 1984-1990 1990-1996 1996-2006 2006 22 1986-1994 1994-1998 1998-2005 2005 19 1992-1994 1994-2000 2000-2010 2010 18 1994-1998 1998-2001 2001-2008 2008 14 tốc góc Cảm khí biến Cảm biến sinh-hóa Bộ thu phát tần số vô tuyến (RF) Kể từ đó, các sản phẩm của công nghệ vi cơ điện tử đã tiếp tục được hoàn thiện và mở rộng, đưa đến sự ra đời của các kết cấu hết sức tinh vi theo xu hướng thu nhỏ kích thước đáng kể. Các linh kiện MEMS đã được nghiên cứu phát triển chẳng hạn như các cảm biến áp suất và gia tốc có tích hợp vi mạch điện tử để xử lý tín hiệu với kích thước chỉ từ 1 đến vài mi-li-mét vuông, các vi động cơ hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện (rotary electrostatic micromotor), các khớp nối vi cơ (micromachined hinge) sử dụng cho cấu trúc giả 3 chiều (pseudo-3D structures) hay dây chuyền lắp ráp, linh kiện vi gương số (Digital Micromirro Device - DMD) sử dụng trong các máy chiếu và xử lý ánh sáng số, các hệ vi vận tải (microtransport) kích thước vài xăng-ti-mét vuông, các thiết bị tí hon có vai trò như một phòng thí nghiệm phân tích gọi là Lab on chip sử dụng cho lĩnh vực y-sinh v.v… Cũng theo đà phát triển tiến trình phát triển từ ý tưởng đến sản phẩm cụ thể đã được ngày càng rút ngắn về thời gian như được chỉ ra ở bảng 1.1. 7 Hiện nay, trên thế giới có trên 6000 trung tâm nghiên cứu phát triển về MEMS tại các trường Đại học, viện nghiên cứu, các hãng công nghiệp với số tiền đầu tư mỗi năm vào các hoạt động nghiên cứu, chế thử khoảng 1 tỉ USD [5]. Châu Âu nổi tiếng với Laboratoire d’electronic et de Technologie d’Instrumentation (LETI) ở Pháp; Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) ở Bỉ; Viện nghiên cứu (Insititut fur Festkoerpertechnik -IFT) và các phòng thí nghiệm R&D của các tập đoàn công nghiệp Siemen/Infinion, Bosch, Aktiv-sensor ở Đức; MESA+ research institute, Delf ở Hà Lan; Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) của Thụy Sĩ. Nhật nổi bật với các trung tâm nghiên cứu R&D công nghiệp như Toyota Central Research and Development Laboratory, Nippondenso Research Laboratories, okogawa Electric Corporation, Matsushita Research Institute, Nissan Motor Company Central Engineering Laboratories, Fuji Electric Company, Hitachi bên cạnh các trung tâm nghiên cứu điển hình tại các đại học Tohoku University và Ritsumeikan University. Mỹ được biết nhiều với các trung tâm nghiên cứu và ứng dụng công nghệ MEMS tại đại học University of Wisconsin, học viện công nghệ Matsachuset (MIT), cơ quan hàng không-vũ trụ NASA, các cơ sở công nghiệp mạnh như Analog Devices, Motorola, Draper Lab... Hàng năm, kết quả nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm của các trung tâm nghiên cứu và của các công ty công nghiệp ở khắp nơi trên thế giới đã được công bố tại các hội nghị khoa học lớn tổ chức ở Hoa Kỳ, Canada, Châu Âu, Nhật Bản cũng như trên hàng chục tạp chí uy tín như Sensor and Actuator A, B, và C, hay các ấn bản của tổ chức quốc tế IEEE về lĩnh vực kỹ thuật điện-điện tử… I.1.3. Phân loại công nghệ MEMS Công nghệ MEMS là 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 8 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 xăng-timét 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. Cảm biến vận tốc góc I.2.1 Cảm biến vận tốc góc cổ điển Cảm biến vận tốc góc hay con quay hồi chuyển (Gyroscope) là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì phương hướng dựa vào nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Năm 1852, lần đầu tiên chuyển động quay của trái đất được giải thích theo quy luật chuyển động quay của gyroscope bởi nhà khoa học người Pháp Jean-Bernad-Léon Foucault. Thuật ngữ “Gyroscope” được ghép lại từ các chữ Hy Lạp, đó là “Gyro” quay tròn và “skopeein” - quan sát [6]. 9 Hình 1.4 Cấu trúc và nguyên lý chuyển động của con quay cơ học cổ điển. Cấu trúc của con quay cơ học cổ điển bao gồm một đĩa có trục quay xuyên tâm được liên kết với hệ khung quay bên ngoài bởi các khớp quay đóng vai trò làm hệ khung giá đỡ, sao cho trục quay của bánh đà và các khung treo trực giao với nhau (hình 1.4). Khi bánh đà quay với vận tốc Ω sẽ sinh ra một động lượng góc (L) khá lớn nhưng luôn được bảo toàn. Khi gắn vào một hệ chuyển động thì cấu trúc này sẽ bị nghiêng đi một góc. Do tính bảo toàn mô men động lượng mà trục quay của đĩa quay sẽ luôn được giữ một hướng cố định. Do vậy, con quay cơ học cổ điển đã được ứng dụng để tạo ra các công cụ định hướng và dẫn lái theo một hướng xác định trong giao thông hàng hải. Những thiết bị dẫn hướng kiểu này đã có mặt trên những con tàu lớn từ năm 1911 trên cơ sở các phát minh của nhà bác học Mỹ, Elmer Sperry, như được minh họa trên hình 1.5. Năm 1920 công cụ này đã được ứng dụng vào trong các hệ thống dẫn lái của các loại bom ngư lôi, đến năm 1930 thì được ứng dụng vào làm các bộ dẫn hướng cho hệ thông các tên lửa, đạn đạo và rockets [7]. Hình 1.5 Mô hình con quay dẫn hướng sử dụng trong lĩnh vực hàng hải. Do sử dụng nhiều bậc tự do quay nên khi làm việc, các khớp này xuất hiện ma sát làm nhanh bị mài mòn, hiệu suất truyền động giảm xuống, gây sai số và làm nhiễu tín hiệu đầu ra. 10 Như vậy nhược điểm trên của Gyroscope đã được nghiên cứu khắc phục, hơn nữa nhằm nâng cao độ chính xác cũng như giảm kích thước, trọng lượng và nguồn nuôi cảm biến, các loại cảm biến hiện đại hơn đã được phát triển. I.2.2 Cảm biến vận tốc góc quang học Các cảm biến vận tốc góc/con quay quang học được chế tạo dựa trên hiệu ứng Sagnac đã được nghiên cứu. Hiệu ứng này được thực hiện bằng cách tách nguồn tia sáng từ một nguồn phát thành hai và được giao thoa với nhau thông qua hệ thống gương phản xạ. Các đặc tính giao thoa được quan sát và tính toán góc của vật quay [8]. Cảm biến vận tốc góc quang này đã được sử dụng thay thế cho các con quay cơ học trong các ứng dụng dẫn hướng trong các ngành công nghệ hàng không vũ trụ. Các cảm biến vận tốc góc quang học có ưu điểm vượt trội là độ ổn định cao (sai số < 0,0010/h) và dải động học của cảm biến đạt đến cỡ 106 [9]. Hai loại cấu hình đã được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân sự và quân sự, loại cấu hình thứ nhất dựa trên nguyên lý giao thoa ánh sáng trong các sợi dẫn quang (Interferometric fiber optic gyrocope) như được chỉ ra ở hình 1.6. Hình 1.6 Cấu hình cảm biến vận tốc góc loại sợi quang [10]. Loại thứ hai sử dụng vòng tia laze (Ring laser gyroscope - RLG). Độ lệch của hai tín hiệu quang được nhận biết bởi cảm biến, tỷ lệ với vận tốc góc. Cấu trúc loại này được mô tả ở hình 1.7a. a) b) Hình 1.7 Cảm biến RLG [11]. 11