Trang chủ Diễn đàn Mô phỏng con quay vi cơ điện tử

Mô phỏng con quay vi cơ điện tử

Tóm tắt: Con quay vi cơ chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) hiện được sử dụng rộng rãi trong các hệ quán tính phức tạp. Nhằm đáp ứng nhu cầu chế tạo và ứng dụng con quay vi cơ trong thực tế, bài báo này đề cập tới việc thiết kế một cấu trúc hoạt động theo cơ chế dao động được chế tạo trên vật liệu silic.

Cảm biến TFG có ưu điểm là cấu trúc đơn giản và dễ dàng tích hợp mạch xử lý tín hiệu. Các thiết kế viết trên MATLAB cho phép khảo sát cấu trúc ba chiều và các thông số của cảm biến.

Hình 1. Nguyên lý của cảm biến vận tốc góc TFG

MỞ ĐẦU
Con quay vi cơ hay còn gọi là cảm biến vận tốc góc được dùng để đo vận tốc góc quay. Với giá thành ngày càng hạ, kích thước ngày càng thu nhỏ, con quay vi cơ được dùng rộng rãi trong công nghiệp ôtô (cân bằng, điều khiển phanh, tăng tốc); điện tử dân dụng (máy ảnh, máy giặt, thực tại ảo); robot và đặc biệt là trong quân sự [1]. Ngoài ra, con quay vi cơ được sử dụng kết hợp với các cảm biến gia tốc phục vụ dẫn đường cho máy bay, tên lửa…     
Bài báo này đề cập tới một loại cảm biến vận tốc góc hoạt động theo cơ chế dao động có dạng âm thoa. Đây là một trong những cấu trúc dễ chế tạo và dễ dàng tích hợp mạch điện tử. Cấu trúc cơ học của cảm biến sẽ được phủ các lớp điện cực cảm biến và điện cực truyền động. Mạch điện tử bên ngoài được kết hợp nhờ công nghệ CMOS. Những thiết kế cơ học được thực hiện theo phương pháp phân tích trong môi trường MATLAB. Các thông số của cảm biến TFG (tần số cộng hưởng, nhiễu, độ nhạy...) được đánh giá và phân tích chi tiết trong công trình này.
NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
Sơ đồ nguyên lý của một cảm biến vận tốc góc được mô tả trong hình 1. Khối gia trọng m được gắn trong một khung cố định gồm bốn lò xo đàn hồi và bốn bộ suy hao. Hệ số đàn hồi của lò xo tương ứng là kx/2 và ky/2. Hệ số suy hao tương ứng là bx/2 và by/2. Giả sử rằng lò xo và bộ suy hao có khối lượng không đáng kể gắn vào khung cố định nhờ 4 bánh xe có thể trượt không ma sát trên khung.
Gọi Qx và Qy lần lượt là hệ số phẩm chất theo trục x và y.  và  tương ứng là tần số cộng hưởng của TFG theo trục x và y. Khi cảm biến chịu một vận tốc góc   quay quanh trục z, ta có phương trình động học:

(1.a)
(1.b)

Chọn trục x là trục truyền động tức là đặt một dao động:

(2)


Với  là tần số truyền động và x0 là biên độ dao động. Trục y sẽ cảm nhận được vận tốc góc   thông qua biên độ dao động y0 trên trục y [2]. Sử dụng công thức tính lực CORIOLIS, ta có:

(3)

Với mục tiêu thiết kế cảm biến có hệ số chất lượng là 1000, vận tốc góc tối đa  = 200 o/s=3.5 rad/s và tần số cộng hưởng ở cả 2 chế độ khoảng 30kHz thì tỉ số y0/x0 là rất nhỏ. Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của dao động trên trục y lên trục x được coi bằng 0. Hệ phương trình được đơn giản hoá thành :

(4.a)
(4.b)

Phương trình (4.b) cho ta phương trình động học của một cảm biến gia tốc với gia tốc ngoại lực là.

Hình 2. Thông số hình học của TFG

THIẾT KẾ CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC TFG
Thiết kế các cảm biến vận tốc góc kiểu tụ sử dụng chương trình mô phỏng Sugar hoạt động dựa vào phân tích nút để giải các phương trình vi phân phi tuyến [3]. Chương trình được thực hiện trong môi trường MATLAB với độ chính xác cao, tương đương với những mô phỏng truyền thống [4]. Các tham số đầu vào có thể dùng thay đổi  các tính chất vật lý và hình học như hệ số Young, hệ số Poison, hằng số điện môi, độ rộng thanh dầm… Điều này rất thuận lợi khi thay đổi thiết kế các cảm biến khác nhau và đây cũng là ưu điểm lớn so với các công cụ mô phỏng khác (ANSYS, MEMSCAP).
Hình 2 mô tả các thông số hình học của cảm biến TFG trên mặt phẳng xz.

Bảng 1. Thông số vật lý và hình học của cảm biến vận tốc góc TFG
Bảng 2. Thông số điện cực của tụ điện
Bảng 3. Các thông số truyền động và cảm biến của TFG

Bảng 1 mô tả các thông số chi tiết của cảm biến. Ở đây E là module Young, v là hệ số Poisson và  là khối lượng riêng của silic.

Hình 3. Bốn chế độ cộng hưởng của TFG

Hình 3 biểu diễn bốn chế độ dao động cộng hưởng được mô phỏng bằng SUGAR. Dựa vào chuyển động tương đối của hai thanh dầm mà có thể kí hiệu các chế độ cộng hưởng đó là xlẻ, xchẵn, ylẻ và ychẵn. Trong bốn chế độ này thì xlẻ và ylẻ được lựa chọn bởi hệ số phẩm chất trong hai chế độ cộng hưởng này là lớn nhất [5].
Từ những tính toán lý thuyết và mô phỏng bằng SUGAR thấy rằng các thông số b1, c2 và độ dày h ảnh hưởng rất lớn tới các tần số cộng hưởng. Ta biết rằng sai số trong quá trình chế tạo sẽ làm thay đổi đặc tính mong muốn của cảm biến. Điều này có thể khắc phục bằng phương pháp điều chỉnh tần số [6]. Trong bài báo này, các điện cực của tụ điện có kích thước như trong bảng 2:
Các thông số ở chế độ truyền động và cảm biến được tính toán và liệt kê như trong bảng 3. Cảm biến có dải tần hoạt động là 30 Hz và nhiễu nhiệt Brownian là 0.010/s/Hz1/2. Trong bài báo này chưa đề cập đến việc tính toán nhiễu của toàn bộ cảm biến vận tốc góc cần thiết kế (là tổng của nhiễu Brownian và nhiễu do mạch điện tử). Giá trị này sẽ xác định độ phân giải của cảm biến TFG.
KẾT LUẬN
Trong công trình này, một cảm biến vận tốc góc đơn giản với những ưu điểm nổi bật như cấu trúc đơn giản và dễ dàng tích hợp mạch điện tử đã được tiến hành thiết kế. Cảm biến được chế tạo bởi sự kết hợp giữa công nghệ MEMS và công nghệ CMOS. Các thông số chi tiết của cảm biến được mô phỏng và tính toán trên cơ sở công cụ SUGAR. Những kết quả này hết sức quan trọng và cần thiết để chế tạo thành công cảm biến vận tốc góc phù hợp với các yêu cầu đề ra.

Khánh Linh Trường ĐH Công nghệ

Số 114 (4/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật