موجودات که باتوجه به جثه، چالاکی ،سرعت و مصرف انرژی عملکرد موثری از خود نشان می دهند، از اصولی بهره می برند که با اکثر ساخته های دست بشر تفاوت اساسی دارد. آنها دوران بدنشان را در فضا بوسیله ارگان های مخصوصی موسوم به هالتر حس می کنند. این ارگان یک جفت زائده صلب است که در دو طرف بدن حشره با فرکانسی درحدود ۱۳۰Hz در فاز مقابل بال ها ارتعاش می کند. هنگام دوران در فضا، یک نیروی کوریولیس تناوبی به نوک هالترها اعمال می شود که حشره آنرا حس می کند. مکانیزم مذکور، الگوی طبیعی ژیروسکوپ های ارتعاشی است. این نوع ژیروسکوپ ها ابزار اندازه گیری سرعت زاویه ای هستند که اساس عملکردشان (مشابه ژیروسکوپ های مکانیکی با جرم دوار) اصل کوریولیس است. اما تفاوت اصلی در آن است که به جای جرم دوار (اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای) از اندازه حرکت یک جسم الاستیک مرتعش (اصل بقای اندازه حرکت خطی) استفاده می شود. ماهیت عملکرد این دسته از ژیروسکوپ ها، ویژگی منحصر به فردی را ممکن می سازد. به عنوان مثال به علت نداشتن قطعه متحرک بی نیاز از موتور و یاتاقانند و بنابراین نسبت به اکثر متغیرهای تاثیرگذار محیطی غیر حساس و دارای کارکرد طولانی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند. از امتیازات دیگر، می توان به زمان کوتاه پاسخگویی (کمتر از یک ثانیه)، دریفت و نویز کم ( ۰٫۱^o/h ) دقت و حساسیت عالی، مصرف ناچیز انرژی ( ۳Watt>) و کاهش فوق العاده حجم با بهره گرفتن از فن آوری میکروماشین کاری اشاره کرد.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

بنابراین در مقایسه با ژیروسکوپ های مکانیکی و نوری (که گران و حجیم هستند) بسیار ارزان ترند و
حجم بسیار کمی را اشغال می کنند. تلاش اولیه در طراحی این نوع ژیروسکوپ در مواردی نظیر
پایداری و هدایت موشک ها و مهمات هوشمند از صنایع نظامی آغاز شد، اما اخیرا در صنایع غیر نظامی نظیر اتومبیل سازی (سیستم ترمز پیشرفته برای جلوگیری از لغزیدن خودرو) و دوربین های دستی (برای پایداری تصویر) و صنعت روباتیک کاربرد پیدا کرده است. در مجموع هر چه تکنولوژی پیشرفت کند امکان ساخت ژیروسکوپ های ارتعاش کوچک تر، ارزانتر و دقیقتر فراهم می شود و استفاده ازآنها گسترش بیشتری می یابد. فصل اول همراه با مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS، سیر تاریخی و تکامل این نوع ژیروسکوپ و کاربرد های مختلف آن را ارائه می کند و سپس مبانی عملکرد و رفتار رزوناتورهای مختلف را مورد بررسی قرار می دهد. دراین فصل نشان داده خواهد شدکه اصول عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع رزوناتورها ، مبتنی براثرکوریولیس است.
۲–۱ – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی
در سال ۱۸۵۱ فوکو با بهره گرفتن از پاندول نوسانی دوران زمین را نشان داد. پاندول فوکو را می توان نمونه اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی دانست. در سال ۱۹۶۴ کوئیک تحلیلی از تار مرتعش بعنوان یک سنسور حرکت زاویه ای را ارائه کرد. ثابت بودن یک سر تار و حرکت طولی طرف دیگر باعث تحریک در مود اول ارتعاش می شد. کوئیک بیان می دارد که اگر تکیه گاه حول محور تار شروع به دوران کند، صفحه ارتعاش ثابت خواهد ماند. او در مقاله اش به بررسی شرایط پایداری، اثر نواقص، عدم تقارن میرایی و الاستیک پرداخته، اما هیچ گونه توضیح عملی یا نتایج آزمایشگاهی ارائه نداده است. این طرح نیز همانند پاندول فوکو، یک سنسور تعیین زاویه دوران بود. در اوایل دهه ۱۹۸۰، اولین نمونه ژیروسکوپ های ارتعاشی (سنسورهای تعین سرعت زاویه ای) ساخته شد. در این نمونه از ماده پیزوالکتریک کوارتز استفاده شد که دارای بازده و ضریب کیفیت بالا در فشار اتمسفر بود. در سال
۱۹۹۱، شرکت ژاپنی موراتا دو طرح بسیار کم هزینه ارائه داد. در یک طرح از تیر فولادی با مقطع مثلثی استفاده کرد که بوسیله المان های پیزوالکتریک متصل به سطوح تیر، تحریک شده و حس می گردید. رزوناتور دوم، یک تیر چهارگوش پیزوالکتریک بود. در هر دو طرح، رزوناتورها در مود اول ارتعاشی یک تیر دوسر آزاد ارتعاش می کردند که تکیه گاه ها روی نقاط گرهی قرارگرفته بودند. طرح های ژیروسکوپی مبتنی بر رزوناتورهای تار، تیر مرتعش و پاندولی نسبت به شتاب های خطی حساس هستند. در صورتی که از یک رزوناتور متقارن مثل دیازپازون (که شاخک های آن دارای ارتعاش برابر اما مختلف الجهت هستند) استفاده شود، عیب مذکور مرتفع می گردد. طرح اول دیاپازون مرتعش بوسیله هانت و هابس ارائه شد. در این طرح، نیروهای کوریولیس ناشی از دوران شاخک های مرتعش حول محور طولی دیازپازون، باعث نوسان پیچشی پایه می شود که دامنه آن باسرعت زاویه ای اعمال شده ،متناسب است. طرح مذکور پر هزینه و حجیم بود و شاید دلیل اصلی بی نتیجه ماندن طرح های اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی را بتوان همین موضوع عنوان کرد، که با بهره گرفتن از فرآیندهای میکروماشین کاری و کوچک شدن ابعاد آنها، این نقیصه برطرف گردید. گام اصلی در این زمینه را شرکت سیسترون دانر برداشت. در طرح این شرکت از یک دیاپازون چهارشاخه استفاده شد که از یک جنس ماده پیزوالکتریک ( کوارتز تک کریستال) بود. دو شاخه اول حرکت نوسانی مختلف الجهت داشته که تحت تاثیر دوران، نیروی کوریولیس باعث تولید اندازه حرکت پیچشی در پایه دیاپازون می شد. در نتیجه، دو شاخه دیگر دیاپازون مطابق پیچش پایه و متناسب با سرعت زاویه ای اعمال شده اما با فرکانس طبیعی متفاوت، خارج از صفحه ارتعاش می کرد. در همین سال، شرکت دراپر دیاپازونی مرتعش از جنس سیلیکون – شیشه ارائه داد که بصورت الکترواستاتیکی تا دامنه حرکت ۱۰μm تحریک می شد.
همچنین نمونه هایی با دامنه ارتعاش زیاد و مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی ارائه شده است. درصنعت اتومبیل سازی ،شرکت دایملر – بنز با استفاده ازسیستم تحریک پیزوالکتریک که از قرار دادن یک لایه
نازک نیترید آلومینیوم روی شاخک ها حاصل می شد، تنش برشی ناشی از دوران پایه دیازپازون را
بصورت پیزوالکتریک به عنوان خروجی اندازه گرفت. نمونه ای از رزوناتورهای دیاپازونی نیز بوسیله سودرکویست ارائه شد،که از یک دیاپازون دوشاخه بدون استفاده از پایه پیچشی بهره می برد. استفاده
از رزوناتورهای پوسته ای نیز گسترش چشمگیری یافته است. تحلیل ارتعاش و اثر دوران روی این دسته از رزوناتورها (استوانه ای و ناقوسی شکل) که در سال ۱۸۹۰ توسط برایان انجام شد، در دهه ۱۹۶۰ مبنای کار شرکت جنرال موتور برای طراحی موفق یک ژیروسکوپ ارتعاشی با رزوناتور نیم کره ای قرار گرفت. رزوناتور نیم کره ای این رزوناتور، از کوارتز هم جوش ساخته شده بود، که بطور الکترواستاتیکی تحریک و حس می گردید. تعداد زیادی اختراع نیز بر این اساس به ثبت رسیده است. فن آوری HRG (ژیوسکوپ بارزوناتور های نیم کره ای) همراه با هزینه و حجم کم و بازده بالا، امکان رقابت با ژیروسکوپ های دقیق نوری را فراهم کرد. ژیروسکوپ ارتعاشی سیلندری، رزوناتور دیگری است که از ایده برایان ناشی شده است. دراین نوع، از یک استوانه نازک فولادی یک سر گیر دار، با المانهای مجزای پیزوالکتریک به منظور حس و تحریک استفاده شده است. کاربرد اولیه این طرح در موشک ها و بمب های هوشمند بود که توانایی این سنسور را در تست های شوک تا g25000 را به اثبات رساند.
همچنین اولین کاربرد تجاری آنرا می توان در مسابقات اتومبیل رالی فرمول-۱، ۱۹۸۷مشاهده کرد در نمونه های جدید، به جای اتصال المان های پیزوالکتریک به سطح استوانه ای کل پیکره از ماده پیزوالکتریک ساخته می شود. شرکت بریتیش ایرواسپیس نمونه ای از آنرا همراه با دو طرح جدیدتر مبتنی بر رزوناتورهای حلقوی ارائه داده است. در یکی از طرح ها سیستم تحریک الکترو مغناطیسی و سیستم حس کننده، خازنی می باشد. اما در طرح دوم هر دو سیستم، الکترومغناطیسی است. امروزه فن
آوری بر کاهش هزینه تولید این دسته از ژیروسکوپ ها متمرکز شده است. دراپر در سال ۱۹۹۱ اولین ژیروسکوپ ارتعاشی میکروماشینی سیلیکانی را پیشنهاد داد[۴]. در سال ۱۹۹۴ میکروژیروسکوپ ها توانستند که به سطح کاربری تجاری برسند[۵].
۳–۱– تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند
اطلاعات جامع تر در مورد این مفاهیم در مرجع [۶] آمده است. در اینجا به بیان مختصری از این مفاهیم اکتفا می کنیم.
بایاس :
بایاس توسط دو مولفه بیان می شود: مولفه غیراحتمالی(قطعی) که انحراف بایاس نامیده می شود اشاره به انحراف ناشی از اندازه گیری توسط سنسور در نتیجه ورودی صفر دارد و دیگری مولفه احتمالی است که خطای بایاس نامیده می شود اشاره به میزان خطا در واحد زمان دارد. خطای بایاس، خطای بلند مدت یا کوتاه مدت ژیروسکوپ بوده و معمولا بر حسب ^۰ /s یا ^۰ /hr بیان می شود.
ضریب تبدیل :
ضریب تبدیل رابطه بین سیگنال خروجی و کمیت فیزیکی ورودی می باشد و بصورت میزان تغییر در ولتاژ خروجی بر حسب تغییر سرعت دورانی تعریف می شود و بر حسب V/ ^۰ /s بیان می شود. ضریب تبدیل یک مولفه غیراحتمالی بوده و بوسیله کالیبراسیون آزمایشگاهی تعیین می شود.
ضریب کیفیت :
ضریب کیفیت عبارت است از میزان تلفات متناوب انرژی در یک سیستم نوسانی. آن بر حسب نسبت بین انرژی نهایی ذخیره شده در سیستم( E) به میزان تلفات انرژی توسط چرخه (E∆ ) بیان می شود.
مکانیزم اتلاف انرژی در رزوناتورهای شامل میرایی هوا، اتلاف سپر(مهار) صوتی، میرایی ترموالاستیک و اصطکاک داخلی می باشد. مجموع تلفات انرژی رابطه مستقیمی با تلفات انرژی نهایی داشته و مجموع معکوس هر کدام از ضرایب کیفیت برابر با معکوس ضریب کیفیت نهایی سیستم می باشد که بصورت زیر بیان می شود:
پهنای باند :
برای سیگنالهای آنالوگ که بصورت تابعی از زمان به نمایش در می آیند، پهنای باند ∆f بر حسب هرتز اندازه گیری می شود. حدود پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

شکل ۱-۱- پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ
۴–۱– اصول عملکرد میکرو ژیروسکوپ ارتعاشی
همانطور که پیش ازاین ذکر شد، مبنای عملکرد تمام ژیروسکوپ های ارتعاشی اثر کوریولیس است. میکرو ژیروسکوپهای ارتعاشی، دارای اجزاء غیر دواری هستند، که از اثر ناشی از شتاب کوریولیس جهت
تعیین میزان دوران زاویه ای اینرسی استفاده می شود. شتاب کوریولیس که بخاطر چرخش دستگاه مختصات مرجع ظاهر می شود، شتابی است که از آن جهت توصیف حرکت دورانی دستگاه مرجع و محاسبه حرکت محوری استفاده می شود. اثر کوریولیس در پدیده های زیادی که دوران پیچیده ای دارند ازجمله جریان هوا در بالای سطح زمین در نیمکره شمالی و جنوبی دیده می شود.
برای درک بهتر این اثر (که به نام مهندس فرانسوی نام گذاری شده)، ذره ای را درنظر بگیرید که با سرعت ثابت در امتداد محورy حرکت می کند و ناظر قرار گرفته بر روی محور x به آن نگاه می کند. ( شکل ۲-۱).

شکل ۲-۱- اثر کوریولیس
همانطور که در تصویر فوق مشخص است ناظر روی محور-x سیستم مختصات xyz قرار می گیرد. اگر در سیستم مختصاتی فوق دوران حول محور- z با سرعت زاویه ای صورت گیرد، ناظرگمان می کند که ذره نسبت به محور-x با شتابی معادل تغییر مسیر می دهد. نیروی حاصل از این شتاب در محور سومی ظاهر می شود،که برصفحه در برگیرنده محوردوران و بردار سرعت ذره عمود بوده و مقدار آن با سرعت زاویه ای محور- z متناسب می باشد. هر چند که نیروی واقعی ای بر ذره اعمال نشد، اما از نظر ناظر دوران دستگاه مرجع یک نیروی ظاهری را ایجاد می کند که مستقیما متناسب با سرعت دوران می باشد. این اصل مبنای مشترک عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع مختلف رزوناتور است. نیروی کوریولیس با بهره گرفتن از رابطه زیر بدست می آید :
= ۲m
که m جرم المان حساس، سرعت المان حساس و سرعت زاویه ای اندازه گیری شده می باشد.
از آنجائیکه نیروی کوریولیس متناسب با سرعت است حساسیت بهتر می تواند با افزایش سرعت تحریک المان حساس بدست آید. رزوناتور ژیروسکوپ های ارتعاشی را می توان به سه دسته رزوناتورهای ساده (جرم وفنر، تیرها و تارها)، رزوناتورهای بالانس (انواع دیاپازونی) و رزوناتورهای پوسته ای (استوانه ای – کروی – ناقوسی وحلقوی ) تقسیم بندی نمود. ساده ترین نمونه عملی از ژیروسکوپ های ارتعاشی سیستم جرم، فنر و دمپر می باشد. یک تیر یک سرگیردار نمونه ساده دیگری از رزوناتور ژیروسکوپ ارتعاشی است. حرکت نوسانی تیر در راستای محور-y تحت اثر دوران حول محور طولی (محور-z) و درنتیجه اثر کوریولیس رفتار نوسانی را در راستای محور-x از خود نشان خواهد داد، که دامنه آن با سرعت زاویه ای اعمال شده، متناسب است. نمونه کاربردی این سیستم که توسط یک شرکت ژاپنی موراتا ساخته شد مطابق شکل ۳-۱ از یک تیر یک سر گیردار با مقطع مثلث متساوی الاضلاع بهره می برد، و بوسیله المان های پیزو الکتریک متصل به سطوح تیر، حس شده و تحریک می گردد. انتخاب سطح مقطع متساوی الاضلاع بدان دلیل است که محورهای خمشی یکسان می باشند. این شرایط تضمین کننده برابری فرکانس طبیعی تیر در امتداد محورهای ox و oy است. ولتاژAC اعمال شده به المان پیزو الکتریک سطح C باعث حرکت اولیه تیر در امتداد محور oy می شود. وقتی تیر به طور ثابت
حول محور طولی خود (oz) دوران می کند، اختلاف بین سیگنال های خروجی المان های پیزوالکتریک سطوح A وB سیگنال سینوسی است که به عنوان خروجی شناخته شده و دامنه متناسب با نرخ دوران می باشد.
شکل۳-۱- رزوناتور تیری شکل با مقطع مثلثی و المانهای پیزوالکتریک
رزوناتورهای پوسته ای را می توان به اشکال ناقوسی ، نیم کره ای و استوانه ای تقسیم بندی نمود که براساس تولید نیروی کوریولیس ناشی از دوران و انتقال انرژی بین دو مود ارتعاشی کار می کنند. از آنجایی که در این رزوناتورها، درحالت ایده آل کوپلینگ کوریولیس بین دو مود ارتعاشی متعامد، دارای شکل مود و فرکانس طبیعی برابر است، لذا به تغییر درجه حرارت حساسیت کمتری دارند. انواع نیم کره ای و استوانه ای دارای گستردگی بیشتری می باشند، که در این میان نوع نیم کره ای در مقایسه با استوانه دارای دقت بالاتر (دریفت کمتر از ۰٫۰۰۵^deg/_h) والبته هزینه بیشتر می باشد.
پوسته نیم کره ای این رزوناتور بطور دقیق ماشین کاری شده و سپس به منظور کاهش ناهمگنی ها و خطای ماشین کاری بالانس دینامیکی می شوند. با اعمال یک سیگنالAC به المان های تحریک، پوسته شروع به نوسان در مود اول ارتعاش می کند. مود اول ارتعاش ناشی از دو موج با دامنه و سرعت
یکسان می باشد، که دوران اعمال شده حول محور طولی باعث اختلاف سرعت دو موج شده و نوسان پوسته را وارد مود دیگری می نماید که عمود بر مود اول ارتعاشی است. به ازای هر۹۰^° دوران، موقعیت شکم و گره های رزوناتور، با توجه به جهت دوران جابجا خواهد شد. مواردی مثل میرایی مادی و محیطی رزوناتور، میرایی ناشی از محل اتصال المان های سنسور و تحریک به بدنه رزوناتور، یکنواخت نبودن صافی سطح (صافی سطح یکنواخت زیر۰٫۱μm) و لقی، از عمده منابع تولید دریفت در رزوناتور نیم کروی می باشد. مبنای عملکرد رزوناتورهای استوانه ای و حلقوی نیز همانند نیم کره ای است. پژوهشگران زیادی میکرو ژیروسکوپهای ارتعاشی را با بهره گرفتن از شتاب کوریولیس طی دهه گذشته طراحی نموده اند [۵، ۶، ۷و۸].
۵–۱– ساختارهای معمول میکروجایروها
ویژگی‌های ساختاری و ابعاد و اندازه‌های ژیروسکوپ‌های MEMS به نحوی است که دستیابی به دقت‌های مورد انتظار در کاربردهای هوا – فضایی مثل سیستم‌های ناوبری اینرسی، سیستم‌های هدایت و سیستم تعیین و کنترل وضعیت هواپیماها، موشک‌ها و فضاپیماها تاکنون بدست نیامده است. با توجه به اینکه زمینه میکروژیروسکوپ‌ها به عنوان یک شاخه علمی جوان مطرح بوده و هنوز در ابتدای راه می‌باشد، پاسخ به این سؤال که آیا در آینده‌ای نزدیک و حتی دور می‌توان انتظار دقت‌های بالا از این سنسورها را داشت یا خیر، می‌تواند یک بحث راهبردی باشد. زیرا در صورتی که جواب سؤال فوق منفی باشد برای کاربردهای فوق‌الذکر در صنعت هوا- فضا مجبور به بازگشت به ژیروسکوپ‌های متداول فعلی خواهیم بود و یا در غیر این صورت اگر نخواهیم به طور کامل از MEMS قطع امید کنیم، بایستی به دنبال ساختارهای جدید دیگری از میکروجایروها باشیم که قابلیت دستیابی به دقت‌های بالا در آنها متصور باشد.
ساختارهای معمول و موجود میکروجایروها از جنبه‌های ذیل بررسی و تبیین می‌گردد:

• اصول عملکرد،‌ ویژگی‌های ساختمانی، نحوه تحریک و استخراج سیگنال خروجی