Tên luận án:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ
Ngành:
Ngành không được nêu rõ trong văn bản.
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo vi cảm biến vận tốc góc âm thoa và cảm biến gia tốc kiểu tụ, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các hệ thống dẫn đường quán tính (IMU). Vấn đề đánh dấu vị trí vật thể, thường được giải quyết bằng IMU, đòi hỏi các cảm biến quán tính MEMS với ưu điểm về giá thành thấp, kích thước nhỏ và khả năng tích hợp cao. Tuy nhiên, việc đóng gói chân không để giảm suy hao cho cảm biến MEMS là tốn kém, và các nghiên cứu về cảm biến hoạt động trong môi trường áp suất khí quyển còn hạn chế.
Mục tiêu của luận án là thiết kế và 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, cùng với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do có khả năng xác định đồng thời ba thành phần gia tốc với độ nhạy chéo trục thấp. Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng lý thuyết bằng phần mềm ANSYS (sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn) để phân tích mode, đặc trưng tần số, chuyển vị và thay đổi điện dung, cùng với phương pháp thực nghiệm sử dụng công nghệ vi cơ khối khô để chế tạo cảm biến và khảo sát đặc trưng.
Kết quả nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế mô hình vi cảm biến vận tốc góc âm thoa với cấu trúc trục Z và đế khung, giúp giảm tổn hao nén/trượt và hạn chế các mode không mong muốn. Đối với vi cảm biến gia tốc kiểu tụ, cấu trúc thanh dầm gập dạng L được đề xuất để xác định đồng thời ba thành phần gia tốc. Cả hai loại cảm biến đều được chế tạo thành công bằng công nghệ vi cơ khối khô và các hệ đo đặc trưng đã được xây dựng. Kết quả thực nghiệm cho thấy vi cảm biến vận tốc góc âm thoa đạt hệ số phẩm chất mode cảm ứng 111,2 và độ nhạy 11,56 mV/°/s trong môi trường áp suất khí quyển. Vi cảm biến gia tốc kiểu tụ đạt độ nhạy theo phương X, Y, Z lần lượt là 13 mV/g, 11 mV/g, 0,2 mV/g, với độ nhạy chéo trục thấp (4,5% theo phương X và 5% theo phương Y). Các kết quả này mở ra khả năng tích hợp các cảm biến vào hệ linh kiện dẫn đường quán tính MEMS.
Mục lục chi tiết:
- Chương I: Tổng quan
- I.1. Công nghệ vi cơ điện tử MEMS
- I.2. Vi cảm biến vận tốc góc
- I.2.1. Vi cảm biến vận tốc góc cổ điển
- I.2.2. Vi cảm biến vận tốc góc quang học
- I.2.3. Vi cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử (MEMS Gyroscopes - MG)
- I.2.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
- I.2.4.1. Nguyên lý hoạt động
- I.2.4.2. Phương trình động lực học
- I.2.4.3. Phân loại và các đặc trưng của vi vi cảm biến vận tốc góc dao động
- I.2.5. Tình hình nghiên cứu phát triển vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động
- I.2.5.1. Vi cảm biến vận tốc góc Drapper (Gimbals gyroscope)
- I.2.5.2. Cảm biến dao động kiểu mâm tròn (Vibrating ring gyroscope)
- I.2.5.3. Vi cảm biến vận tốc góc đa trục (Multi – axis input gyroscope)
- I.2.5.4. Vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope TFG)
- I.3. Cảm biến gia tốc
- 1.3.1. Bối cảnh lịch sử
- 1.3.2. Phân loại cảm biến gia tốc
- 1.3.2.1. Nguyên lý hoạt động
- 1.3.2.2. Vi cảm biến gia tốc cân bằng lực
- 1.3.2.3. Vi cảm biến gia tốc kiểu lệch
- 1.3.3. Các thông số đặc trưng của cảm biến gia tốc
- 1.3.4. Phân loại vi cảm biến gia tốc MEMS
- 1.3.4.1. Vi cảm biến gia tốc áp điện
- 1.3.4.2. Vi cảm biến gia tốc áp điện trở
- 1.3.4.3. Vi cảm biến gia tốc điện dung
- 1.3.4.4. So sánh đánh giá hoạt động của ba loại cảm biến gia tốc
- 1.3.5. Vi cảm biến gia tốc điện dung MEMS
- Chương II: Cơ sở phương pháp mô phỏng và thực nghiệm
- II.1. Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS
- II.2. Công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc và vi cảm biến gia tốc
- II.2.1. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
- II.2.2. Quy trình công nghệ chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ
- II.3. Phương pháp đo đáp ứng tần số của cảm biến
- II.3.1. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến gia tốc
- II.3.2. Phương pháp đo đáp ứng tần số của vi cảm biến vận tốc góc
- II.4. Xây dựng hệ đo vận tốc góc
- II.5. Xây dựng hệ đo gia tốc
- Chương III: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến vận tốc góc MEMS kiểu âm thoa
- III.1. Thiết kế mô phỏng vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa
- III.1.1. Thiết kế vi cảm biến vận tốc góc
- III.1.2. Cấu trúc thanh dầm sử dụng trong thiết kế cảm biến
- III.1.3. Kết quả tính toán mô phỏng
- III.1.3.1. Tính toán tối ưu kích thước tụ vi sai cảm ứng
- III.1.3.2. Tính toán hệ số suy hao và hệ số phẩm chất của cảm biến
- III.1.3.3. Mô phỏng phân tích mode của cảm biến
- III.1.3.4. Mô phỏng các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
- III.2. Chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
- III.2.1. Thiết kế mặt nạ
- III.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến vận tốc góc
- III.2.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc
- III.2.3.1. Đặc trưng tần số
- III.2.3.2. Đặc trưng điện áp-vận tốc góc
- Chương IV: Nghiên cứu thiết kế chế tạo vi cảm biến gia tốc kiểu tụ ba bậc tự do
- IV.1. Thiết kế vi vi cảm biến gia tốc ba bậc tự do
- IV.1.2. Kết quả mô phỏng vi cảm biến gia tốc
- IV.1.2.1. Mô phỏng phân tích mode
- IV.1.2.2. Mô phỏng các đặc trưng của vi cảm biến
- IV.2. Chế tạo vi cảm biến gia tốc
- IV.2.1. Thiết kế mặt nạ
- IV.2.2 Kết quả chế tạo vi cảm biến gia tốc
- IV.3. Khảo sát các đặc trưng của vi cảm biến gia tốc
- IV.3.1. Đặc trưng tần số
- IV.3.2 Khảo sát đặc trưng điện áp – gia tốc của vi cảm biến
- Kết luận: Trình bày tóm lược các kết quả chính của luận án.