تحقیق ژیروسکوپ‌ها در MEMS

توضیحات

عنوان: ژیروسکوپ‌ها در MEMS

• مقدمه و کلیات
• انواع ژیروسکوپ های MEMS و کاربردهایشان
• اصول طراحی و مکانیک دستگاه های MEMS
• فرکانس تشدید و چگونگی تعیین آن در ژیروسکوپ
• چگونگی تاثیر نویز روی عملکرد ژیروسکوپ
• مدل نویز حلقه باز و حلقه بسته
• عوامل موثر در تخریب عملکرد صحیح ژیروسکوپ و روش‌هایی برای برطرف کردن برخی از عوامل مخرب در عملکرد ژیروسکوپ

مقدمه و کلیات

ژیروسکوپ (Gyroscope)، یا ژیرو (Gyro)، وسیله‌ای برای اندازه‌گیری یا حفظ حرکت دورانی است. ژیروسکوپ‌ها می‌توانند برای تعیین جهت، اندازه­‌گیری میزان چرخش از موقعیت تعادل و سنجش سرعت زاویه ای استفاده‌شوند و در بسیاری از سیستم‌های مستقل ناوبری وجود دارند. ژیروسکوپ‌ها اغلب برای اشیایی که با سرعت­های بسیار زیاد نمی­چرخند، استفاده می­شوند. ژیروسکوپ‌های  [1]MEMSبه معنای سیستم­‌های الکترومکانیکی در ابعاد میکرومتر است. ژیروسکوپ ‌های MEMS، سیستم الکترومکانیکی، حسگر‌های کوچک و ارزانی هستند که سرعت زاویه‌ای را اندازه می‌گیرند. واحد سرعت زاویه‌ای اندازه‌گیری شده درجه بر ثانیه (S⁄°) یا دوران بر ثانیه (RPS) است. سرعت زاویه ای، اندازه‌گیری سرعت چرخش است. یک ژیروسکوپی سه محوره ­ی MEMS، می­تواند چرخش حول سه محورx، y  و z را اندازه بگیرد. برخی ژیروسکوپ‌ها در مدل­‌های تک­ محوره یا دو­محوره تولید می­شوند، اما ژیروسکوپ‌های سه محوره در یک تراشه به سمت کوچک­تر شدن (از نظر ابعاد)، ارزان­تر شدن و رایج­تر شدن پیش می­روند. ژیروسکوپ‌ها به پروازِ با ثباتِ هواپیما کمک می­کنند. حسگر ژیروسکوپی درون MEMS بسیار کوچک (بین ۱ تا ۱۰۰ میکرومتر) است. وقتی که ژیروسکوپ می­چرخد، یک جرم نوسان­گر با تغییرات سرعت زاویه­ای جابجا می ­شود. این جابجایی به سیگنال­‌های جریان الکتریکی با اندازه­‌ی بسیار کم تبدیل می­شود که می­تواند تقویت شده و با یک میکروکنترلر خوانده شود. ژیروسکوپ‌های  MEMS  به طور کلی قطعات کم ­مصرفی از نظر توان هستند. جریان مصرفی­شان در محدوده ­ی میلی­ آمپر و گاهی اوقات میکروآمپر است. ولتاژ تغذیه ­ی ژیروسکوپ‌ها معمولا ۵ ولت یا کمتر است (صابری مقدم، 1396). ژیروسکوپ های MEMS به دلیل عدم احتیاج به یاتاقان، مشکلات ناشی از فرسودگی و ساییدگی در آنها رخ نمی دهد. علاوه بر این مصرف انرژی کمی دارند و بسیار کوچک و ارزان می باشند. این ژیروسکوپ دارای یک جرم حساس است و از تیرک های تاخورده برای تعلیق آن استفاده شده است. با به کارگیری این نوع تیرک ها ولتاژ کمتری برای راه اندازی ژیروسکوپ نیاز خواهد بود. راه اندازی این ژیروسکوپ به شیوه الکترواستاتیکی و از نوع تحریک- شانه ای است که توانایی راه اندازی با جابه جایی بالا به ازای یک ولتاژ پایین را دارا می باشد. آشکارسازی سرعت زاویه ای نیز به صورت خازنی و از نوع شکاف- متغیر می باشد. مشهورترین دستگاه های MEMS سنسورهای اینرسی MEMS مانند شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها هستند که بازار آنها بطور مداوم با سرعت چشمگیری در حال رشد است. این دستگاه ها در ابتدا برای کاربردهای نظامی و فضایی ساخته شده اند و اکنون در بسیاری از محصولات روزمره یافت می شوند. به عنوان مثال، در زمینه خودرو، سنسورهای انتشار کیسه هوا و کنترل پایداری الکترونیکی اکنون به یک استاندارد تبدیل شده اند. همچنین، نظارت بر بیماران ضربان ساز و تثبیت حرکت روبات ها، هواپیماهای بدون سرنشین و دوربین ها از استفاده از سنسورهای MEMS اینرسی بهره مند می شوند. اما بهترین کاربردهای شناخته شده احتمالاً سنجش حرکت است که در الکترونیک مصرفی، سیستم های ناوبری شخصی و سایر رابط های انسان و ماشین ادغام شده است. ورود MEMS اینرسی به مناطق کاربرد جدید هنوز در حال شتاب گرفتن است (Kempe, 2011). انتظار می رود بازارهای جدید رشد از تکامل حسگرهای الکترونیکی پوشیدنی، خدمات بهداشتی موبایل و اینترنت اشیا برخوردار باشند. به ویژه ژیروسکوپ های MEMS دستگاه هایی هستند که برای تشخیص سرعت زاویه ای استفاده می شوند.  

انواع ژیروسکوپ های MEMS و کاربردهایشان

با تکامل مداوم فناوری ریز ماشین سازی، ژیروسکوپ های لرزاننده میکرو الکترو مکانیکی (MEMS) به دلیل وزن سبک، اندازه کوچک، مصرف انرژی کمتر و سهولت، به عنوان یک راه حل ابتکاری برای اندازه گیری سرعت زاویه ای در برنامه های سنجش اینرسی ظاهر شده اند. دیگر دسته های جالب ژیروسکوپ MEMS به غیر از ژیروسکوپ ارتعاشی کوریولیس (CVG)، ژیروسکوپ ارتعاشی پیزوالکتریک (PVG)، ژیروسکوپ موج صوتی سطح (Oh)، ژیروسکوپ موج صوتی انبوه (BAW)، ژیروسکوپ معلق الکترواستاتیکی میکروماشین (MESG)، ژیروسکوپ معلق مغناطیسی (MSG)، ژیروسکوپ میکرو فیبر نوری (MFOG)، ژیروسکوپ مایعات کوچک (MFG) و ژیروسکوپ های میکرو اتم (MAG) می باشند (Giannini et al., 2020). ژیروسکوپ MEMS معمولاً ژیروسکوپ ارتعاشی کوریولیس (CVG) است و با استفاده از عناصر مکانیکی ارتعاشی میزان زاویه را حس می کند (Acar and Shkel, 2009). ژیروسکوپ ارتعاشی کوریولیس از اثرات تعدیل فرکانس مرتبط با حفظ حرکت زاویه ای بهره می برند (Minotti et al., 2018; Zega et al., 2017). ژیروسکوپ های MEMS که معمولاً در چارچوب صنعتی یافت می شوند. در ژیروسکوپ ارتعاشی کوریولیس که ساده ترین طرح آنها یک تشدید کننده جرم معلق با دو حالت اصلی تشدید، حالت درایو و حالت حس است. از طریق تحریک الکترواستاتیک، یک لرزش کنترل شده در حالت تشدید درایو اعمال می شود و می توان سرعت زاویه ای در جهت حالت حس را به دلیل اتصال نیروی دو حالت در کوریولیس تشخیص داد. این اصل کار در دهه های اخیر در تعداد زیادی از اجرای ژیروسکوپ MEMS استفاده شده است. این امر منجر به توسعه ساختارهای حسگر پیچیده تر و پیچیده تری شده است (Xia et al., 2014)، به دنبال الزامات بازار که همزمان با افزایش کارایی، به سمت کوچک سازی مداوم دستگاه ها فشار می آورند. به عنوان مثال ، ژیروسکوپ های تنظیم چنگالی (TFG) از دو توده ضد جابجایی هدایت شده در ضد فاز بهره برداری می کنند که می توانند ورودی های حالت معمول (به عنوان مثال شتاب های خطی) را به لطف سنجش دیفرانسیل رد کنند (Endean et al., 2019; Li et al., 2019). همچنین، ژیروسکوپ های ساختاری جدا شده حرکت محرک را از حرکت حس از طریق ساختارهای قاب جداکننده جدا می کنند، که اثرات جفت مکانیکی نامطلوب را به حداقل می رساند (Acar and Shkel., 2001; Pagani et al., 2012). ژیروسکوپ های چند درجه آزادی امکان دستیابی به منطقه ای با فرکانس گسترده را فراهم می کنند که در آن سنسور دارای افزایش ثابت و پاسخ فاز ثابت باشد (2011 Trusov et al.,). ژیروسکوپ های دو محوره و چند محوری قادر به درک نرخ های زاویه ای خارجی در محورهای مختلف با یک ساختار واحد هستند اجازه می دهد تا ابعاد و هزینه های حسگر را کاهش دهد (2017 Guerinoni et al.,).

توجه:

برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.

لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.