چکیده
در این پایان نامه دو روش مختلف کنترلی برای کنترل مد تحریک یک ژیروسکوپ محور z طراحی می شود. روش اول یک کنترلر PD است که با استفاده از روش زیگلر- نیکولز طراحی می گردد و به این شکل تخمین سرعت دورانی ورودی ممکن می شود. این تخمین با استفاده از روش حداقل مربعات بازگشتی انجام می پذیرد. به این صورت یک راه ساده تر برای طراحی کنترلر ارائه می کند و می تواند در مواقعی که اغتشاشات خارجی و نویز کوچکی در سیستم وجود دارد، مورد استفاده قرار گیرد. روش دوم یک کترلر تطبیقی مدل مرجع بهبود یافته است که پاسخ گذرای هموارتری را ایجاد می کند و رفتار مقاومی در برابر اغتشاشات خارجی، نویزهای اندازه گیری و نامعینی های مدل از خود نشان می دهد. کنترلر تطبیقی مدل مرجع پیشنهادی برای ژیروسکوپ MEMS محور z تخمین همزمانی از سرعت زاویه ای حاصل می آورد و به صورت همزمان پارامترهای نامعین ژیروسکوپ شامل ضرایب فنریت و میرایی را تخمین می زند. بنابراین عیوب حاصل از ساخت و نویز ها و اغتشاشات متغیر با زمان قابل جبرانسازی خواهد بود. این تخمین ها با استفاده از خطای ردگیری بین خروجی مدل مرجع و خروجی واقعی تجدید1 می گردد. مدل مرجع می بایست طوری طراحی شود تا شرایط تحریک پایا را فراهم سازد تا پارامترهای تخمین زده شده بتوانند به مقادیر واقعی خود همگرا شوند.
کلمات کلیدی: ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS ؛ کنترل فرآیند تحریک؛ کنترل تطبیقی؛ کنترل PD ؛ روش حداقل مربعات بازگشتی.
فهرست مطالب صفحه
چکیده …………………………………………………………………………………………………………………………………………………
1فصل اول : ژیروسکوپ های میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها) MEMS1-1- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS …………………………………………………….122-1 – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی ………………………………………………..15 3-1- تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند ……………………………..184-1- اصول عملکرد میکرو ژیروسکوپ ارتعاشی …………………………………………………………………..
5-1- ساختارهاي معمول ميكروجايروها ………………………………………………………………………………
6-1- تقسيم بندي ساختاري ميكروجايروها …………………………………………………………………………
1-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي (جرم متمركز) ……………………………………………………..
2-6-1- ميكروجايروی ارتعاشي ديسكي ………………………………………………………………………………
3-6-1- ميكروجايروی موجي حلقوي …………………………………………………………………………………..
4-6-1- ميكرو جايروهاي ارتعاشي شاخه‌اي …………………………………………………………………………
1-4-6-1- میکرو جایروی دیاپازونی …………………………………………………………………………………….
5-6-1- ميكروجايروهاي اپتيكي (نوري MOEMS) …………………………………………………………
1-5-6-1- ميكروجايروهاي نوري (ليزري) …………………………………………………………………………..
20
23
24
24
25
27
28
29
31
32فصل دوم : تبیین فرآیند تحریک در ژیروسکوپ های ارتعاشی1-2- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………362-2- تحریک پارامتری …………………………………………………………………………………………………………393-2- معادله ماتئو …………………………………………………………………………………………………………………414-2- ویژگی های خاص تحریک ………………………………………………………………………………………….435-2- اصول مربوط به فرآیند تحریک ………………………………………………………………………………….. 446-2- اصول مربوط به تحریک در ژیروسکوپ دیاپازونی ………………………………………………………447-2- طراحی و تفهیم مدار تحریک حلقه بسته ………………………………………………………………….. 468-2- سنسورها و مکانیزم های تحریک ……………………………………………………………………………….. 509-2- مدل دینامیکی ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS انتخابی در این پروژه ………………………
54فصل سوم : طراحی کنترلر PD مد تحریک یک ژیروسکوپ MEMS برای تخمین سرعت دورانی1-3- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………. 592-3- کنترلر PID ………………………………………………………………………………………………………………..593-3- طراحی کنترلرPD برای کنترل موقعیت دو محوره یک ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS ……………………………………………………………………………………………………………………………….
61 4-3- تخمین پارامتر ها به روش حداقل مربعات بازگشتی ………………………………………………….625-3- قضیه تحریک پایا ………………………………………………………………………………………………………..
65فصل چهارم : کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبود یافته برای کنترل ژیروسکوپ MEMS 1-4- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………….672-4- کنترلر تطبیقی ……………………………………………………………………………………………………………711-2-4- کنترلرتطبیقی مدل مرجع(MRAC) …………………………………………………………………..743-4- کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبود یافته ……………………………………………………………………..
فصل پنجم : نتایج شبیه سازی761- 5- کنترلر PD ……………………………………………………………………………………………………………….. 852-5- کنترلر تطبیقی مد لغزشی با استفاده از صفحه لغزنده تناسبی و انتگرالی ………………..933-5- کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبودیافته ………………………………………………………………………
97فصل ششم : جمع بندی مطالب و نتیجه گیری و پیشنهاداتی برای مطالعات آینده 1- 6- جمع بندی مطالب و نتیجه گیری ……………………………………………………………………………. 1042-6- پیشنهاداتی برای مطالعات آینده ………………………………………………………………….
106مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………….107
فهرست اشکال صفحه
شکل 1-1- پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ ………………………………………………………………………..19شکل 2-1- اثر کوریولیس ………………………………………………………………………………………………………..20شکل3-1- رزوناتور تیری شکل با مقطع مثلثی و المانهای پیزوالکتریک ……………………………….22شكل 4-1- يك نمونه ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي ………………………………………………………….25 شكل 5-1- مدل ديناميكي ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي …………………………………………………..25 شكل-a6-1- ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي ……………………………………………………………………….26 شكلb-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي و تقدم محورها …………………………………………….27 شکل 7-1- انواع ساختارهاي جايروهاي ارتعاشي حلقوي ………………………………………………………28 شكل 8-1- دياپازون سه‌شاخه و نحوه ارتعاش آن …………………………………………………………………..29 شكل 9-1- كواپازون چهار شاخه …………………………………………………………………………………………….29 شكل10-1- ميكروجايرو دياپازوني ………………………………………………………………………………………….30 شكل 11-1- نماي بالاي يك ميكروجايروي پيزوالكتريك ……………………………………………………..31 شكل12-1- تير با دو تكيه‌گاه مفصلي …………………………………………………………………………………….31 شكل 13-1- نماي شماتيك ژيروسكوپ ارتعاشي نوري ميكروماشين شده …………………………..33 شكل 14-1- نماي شماتيك ژيروسكوپ MOEM ……………………………………………………………….34شکل 1-2- طبقه بندی رزونانس خارجی ………………………………………………………………………………
شکل 2-2- طبقه بندی رزونانس داخلی …………………………………………………………………………………
شکل 3-2- تحریک عمودی متناوب در نتیجه نوسان آونگی میله یکنواخت ………………………..
شکل5-2- شماتیک میکرو ژیروسکوپ ……………………………………………………………………………………38
39
42
45شکل6-2A– مدار رابط سیگنال سنس و درایو B- مدار معادل …………………………………………..48شکل 7-2- سنسور پیزوالکتریک ……………………………………………………………………………………………..50شکل 8-2- سنسور پیزو رزیستور ……………………………………………………………………………………………51شکل 9-2- مکانیزم خازنی ……………………………………………………………………………………………………..52شکل10-2- مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی ………………………………………………………………………54شکل 11-2- نمای شماتیک از یک ژیروسکوپ MEMS محور z ……………………………………..56شکل1-4- شمای کلی MRAC ……………………………………………………………………………………………74شکل 1-5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک …………………………………..87شکل 2-5- ردگیری پارامتر موقعیت xدر برابر x_c ……………………………………………………………….87شکل 3-5- ردگیری پارامتر سرعت x ̇ در برابر x ̇_c …………………………………………………………………88شکل 4-5- ردگیری پارامتر موقعیت y در برابر y_c ……………………………………………………………….88شکل 5-5- ردگیری پارامتر سرعت y ̇ در برابر y ̇_c …………………………………………………………………89شکل 6-5- تخمین و مقدار واقعی x ̈ ………………………………………………………………………………………90شکل 7-5- خطای تخمین x ̈ ………………………………………………………………………………………………….90شکل 8-5- تخمین و مقدار واقعی y ̈ ………………………………………………………………………………………91شکل 9-5- خطای تخمین y ̈ ………………………………………………………………………………………………….91شکل 10- 5- تخمین و مقدار واقعی Ω^* ……………………………………………………………………………….92شکل 11- 5- تخمین و مقدار واقعیΩ^* در حضور یک نویز سفید با میانگین صفر ……………..93شکل 12- 5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک ……………………………….94شکل 13- 5- (الف) خطای موقعیت در راستای محور x . (ب) خطای موقعیت در راستای محور y . (ج) خطای سرعت در راستای محور x . (د) خطای سرعت در راستای محور y ……
95شکل 14-5- (الف) ترم لغزشی اول (S_1) . (ب) ترم لغزشی دوم (S_2) (ج) سیگنال کنترلی محور x (د) سیگنال کنترلی محور y ………………………………………………………………………………………
96شکل 15- 5- مقدار حاصل شده برای Ω_z …………………………………………………………………………….97شکل16- 5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک …………………………………98شکل17- 5- خطای موقعیت در راستای محور x …………………………………………………………………..99شکل 18- 5- خطای موقعیت در راستای محور y …………………………………………………………………99شکل 19- 5- خطای سرعت در راستای محور x ……………………………………………………………………100شکل 20- 5- خطای سرعت در راستای محور y ……………………………………………………………………100شکل21- 5- تلاش کنترلی در راستای محور x ……………………………………………………………………..101شکل22- 5- تلاش کنترلی در راستای محور y ……………………………………………………………………..101شکل23- 5- ورودی واقعی و تخمین زده شده برای سرعت دورانی ………………………………………102
فهرست جداول صفحه
جدول1-3: تنظیم بهره کنترلرPID …………………………………………………………………………………..60جدول2-3: قوانین تنظیم دستی کنترلرPID ……………………………………………………………………60جدول1- 5: پارامترهای ژیروسکوپ MEMS …………………………………………………………………..86
فصل اول
ژیروسکوپ های میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها) MEMS
1- 1- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS
میکروژیروسکوپها، ژیروسکوپ های بسیار کوچک یک و یا دو محوره هستند که با تکنولوژی نیمه هادی ها و مدارات مجتمع ساخته می شوند. از لحاظ ساختاری شامل تراشه هائی هستند با زیر لایة کوارتزی با ابعاد از چند میلیمتر مربع تا میکرون، که به روش فتولیتوگرافی و روش های مشابه آن به صورت سازه های ارتعاشی صفحه ای تهیه می شوند.
به دلیل عدم امکان استفاده از ساختارهای یاتاقانی و موتورهای محرک از نوع ژیروسکوپ های کلاسیک (به خاطر ابعاد و اندازه های کوچک)، در ژیروسکوپ های MEMS از ساختارهای ارتعاشی با تکیه گاههای الاستیک یک سرگیردار یا دو سرگیردار استفاده می گردد. وجه مشترک این نوع ژیروسکوپ ها با اسلاف خود، استفاده از اندازه حرکت المان حساس(proof mass) و نیروی کوریولیس برای آشکار سازی سرعت زاویه ای پاية حامل ژیروسکوپ می باشد. در سالهای اخیر توجه بسیاری به میکروژیروسکوپها معطوف شده و کارهای علمی و فنی فراوانی توسط محققین در این زمینه انجام پذیرفته است و اصولا زمینه ژیروسکوپ های MEMS زمینه علمی جوانی محسوب می شود. آنچه که توجه گسترده ای را به ژیروسکوپ های MEMS جلب کرده نه تنها رسیدن به دقت بهتر و کاربردهای هوا- فضایی آن، بلکه قیمت فوق العاده پائین آنها و درجة بعدی ابعاد و اندازه های کوچک آنها می باشد. همین پايین بودن قیمت است که زمینه های کاربرد جدید بسیاری برای میکروژیروسکوپها مهیا کرده که از جمله آنها می توان به کاربرد آن در صنایع خودروسازی و کنترل خودرو، روباتیک، کنترل دوربین های فیلم برداری و دوربین های دو چشمی، تلسکوپ ها و دسته های بازی های کامپیوتری و حتی اسباب بازی ها اشاره کرد.
بعضی مزایای مهم ژیروسکوپهای MEMS که باعث شده محققین در زمینه های موشکی و هوا- فضایی به دنبال عملیاتی کردن این ژیروسکوپها در زمینه کاری خود باشند عبارتند از :
1- دارای زمان کوتاه راه اندازی هستند.
2- بدلیل نداشتن محور گردنده نیاز به یاتاقان ندارند.
3- نیاز به موتور ندارند.
4- در صورت طراحی موثر طول عمر بسیار طولانی داشته و به نگهداری وتعمیرات نیاز ندارند.
5- بسیار کوچکتر و سبکتر از ژیروسکوپها ی سنتی می باشند.
6- ارزان بودن از مزایای بسیار مهم این ژیروسکوپهاست.
7- پروسه ساخت راحت تری دارند.
8- مصرف انرژی بسیار کمی دارند.
همانطور که اشاره شد، ژیروسکوپ های MEMS داری مزایای متعددی از جمله هزینه پائین، اندازه کوچک و وزن ناچیز در مقایسه با ژیروسکوپ های میکروماشینی رایج هستند. بعضی از اشکالات ژیروسکوپ MEMS شامل دقت پایین به علت دامنه ارتعاش خیلی کوچک، پهنای باند باریک و مسائل ساخت چالش های باقیمانده ای هستند که می بایست بر طرف گردد. یزدی، ایاذی و نجفی [1]جزء اولین محققانی بودند که تحقیقاتی را در مورد ژیروسکوپ های ارتعاشی میکرو ماشینی ارائه داده اند.
ژیروسکوپ از نظر ساختمان به دو دسته یک درجه آزادی و دو درجه آزادی تقسیم می شود که منظور از درجه آزادی قابلیت اندازه گیری سرعت زاویه ای یا زاویه حول یک محور می باشد. اکثر ژیروسکوپ های MEMS یک درجه و از نوع سرعتی ( Rate ) هستند، ولی انواع دو محوره نیز وجود دارند، که دارای دو محور اندازه گیری هستند.
ژیروسکوپ عضو اصلی سیستم های هدایت اینرسی است ، وعمدتا برای اندازه گیری مقدار دوران، سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در وسایل نقلیه هوایی، فضایی، دریایی و زمینی مورد استفاده قرار می گیرد. محور مطالعه در بسیاری ازگروه های تحقیقاتی(که روی مکانیزم های پرنده کار می کنند)
مکانیزم هایی با ابعاد یک تا پنج سانتی متر است. بنابراین مشکلی که طراحان با آن مواجه اند پایداری پرواز است. وسایل پرنده بزرگ (نظیر هواپیما) به طور آیرودینامیکی پایدارند و به علت حجم زیاد امکان بهره مندی از سیستم های تعیین موقعیت را دارند، اما زمانی که مکانیزم پرنده کوچک و نیازمند توقف درفضا باشد (مشابه پرواز بالگرد، ولی در ابعاد بسیار کوچکتر) خاصیت مذکور کارایی خود را از دست می دهد. در طبیعت، حشرات الگوی واقعی این مکانیزم هستند. این 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 130Hz 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 ( 0.1o/h ) دقت و حساسیت عالی، مصرف ناچیز انرژی ( 3Watt>) و کاهش فوق العاده حجم با استفاده از فن آوری میکروماشین کاری اشاره کرد.
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.
2-1 – گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی
در سال 1851 فوکو با استفاده از پاندول نوسانی دوران زمین را نشان داد. پاندول فوکو را می توان نمونه اولیه ژیروسکوپ های ارتعاشی دانست. در سال 1964 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 1980، 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
1991، 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 استفاده 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 10μm 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 1890 توسط برایان انجام شد، دردهه 1960 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-1، 1987مشاهده 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 1991 اولین ژیروسکوپ ارتعاشی میکروماشینی سیلیکانی را پیشنهاد داد[4]. در سال 1994 میکروژیروسکوپ ها توانستند که به سطح کاربری تجاری برسند[5].
3-1- تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند
اطلاعات جامع تر در مورد این مفاهیم در مرجع [6] 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 0 /s یا 0 /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/ 0 /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.
Q=E/∆E
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:
1/Q_total =1/Q_air +1/Q_anchor +1/Q_thermoelastic +1/Q_intrsic
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 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1-1- پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ
4-1- 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 2-1).
شکل 2-1- 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 Ωصورت گیرد، ناظرگمان می کند که ذره نسبت به محور-x با شتابی معادل v ⃗×2Ω ⃗ 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 استفاده از رابطه زیر بدست می آید :
(F ) ⃗= 2mΩ ⃗×V ⃗
که m جرم المان حساس،V ⃗ سرعت المان حساس و Ω ⃗ 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 3-1 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.
شکل3-1- 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 0.005deg/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 هر90° 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 زیر0.1μm) 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 استفاده از شتاب کوریولیس طی دهة گذشته طراحی نموده اند [5، 6، 7و8].
5-1- ساختارهاي معمول ميكروجايروها
ويژگي‌هاي ساختاري و ابعاد و اندازه‌هاي ژيروسكوپ‌هاي MEMS به نحوي است كه دستيابي به دقت‌هاي مورد انتظار در كاربردهاي هوا – فضايي مثل سيستم‌هاي ناوبري اينرسي، سيستم‌هاي هدايت و سيستم تعيين و كنترل وضعيت هواپيماها، موشك‌ها و فضاپيماها تاكنون بدست نيامده است. با توجه به اينكه زمينة ميكروژيروسكوپ‌ها به عنوان يك شاخه علمي جوان مطرح بوده و هنوز در ابتداي راه مي‌باشد، پاسخ به اين سؤال كه آيا در آينده‌اي نزديك و حتي دور مي‌توان انتظار دقت‌هاي بالا از اين سنسورها را داشت يا خير، مي‌تواند يك بحث راهبردي باشد. زيرا در صورتي كه جواب سؤال فوق منفي باشد براي كاربردهاي فوق‌الذكر در صنعت هوا- فضا مجبور به بازگشت به ژيروسكوپ‌هاي متداول فعلي خواهيم بود و يا در غير اين صورت اگر نخواهيم به طور كامل از MEMS قطع اميد كنيم، بايستي به دنبال ساختارهاي جديد ديگري از ميكروجايروها باشيم كه قابليت دستيابي به دقت‌هاي بالا در آنها متصور باشد.
ساختارهاي معمول و موجود ميكروجايروها از جنبه‌هاي ذيل بررسي و تبيين مي‌گردد:
اصول عملكرد،‌ ويژگي‌هاي ساختماني، نحوة تحريك و استخراج سيگنال خروجي
مدل‌هاي رياضي و روابط ديناميكي
عوامل و منابع خطا و روش‌هاي احتمالي جبران‌سازي و كاهش آنها
حدود دقت و كاربردهاي ممكنه
6-1- تقسيم بندي ساختاري ميكروجايروها:
ساختارهاي معمول ميكروجايروها را در تقسيم‌بندي زير مي‌توان قرار داد:
1-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي
2-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي
3-6-1- ميكروجايروي موجي حلقوي
4-6-1- ميكروجايروهاي شاخه‌اي (دياپازوني،‌ چند شاخه، شانه‌اي و تيرمرتعش)
5-6-1- ميكروجايروهاي اپتيكي (MOEMS)
1-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي (جرم متمركز)
ژيروسكوپ‌هاي ميكرو الكترومكانيكي ارتعاشي تخت (صفحه‌اي)، به عنوان ژيروسكوپ سرعتي(Rate Gyro)، كاربرد فراوان در موارد مختلف از جمله واقعيت مجازي،‌ ناوبري انفرادي، روباتيك و … دارند. شماتيك يك نمونه از اين نوع ژيروسكوپ در شكل (4-1) نشان داده شده است،‌ شماره1 المان حساس ژيروسكوپ است كه توسط فنرهاي خمشي (شماره 4) به قاب (شماره 2) متصل شده؛ قاب نيز در جهت عمود بر آن توسط فنرهاي خمشي (شماره 5) به بدنه ژيروسكوپ (شماره 6) متصل مي‌گردد. ارتعاشات طبيعي جرم + قاب در جهت افقي توسط سيستم محرك الكترواستاتيكي (شمارة 3) تشديد مي‌گردد. درصورت چرخش بدنة ژيروسكوپ حول محور عمود بر صفحة المان حساس (محور ورودي ژيروسكوپ) نيروي كوريوليس ايجاد شده باعث بروز نوسانات جرم حساس در جهت عمود بر ارتعاشات تحريك در صفحة المان حساس (در شكل در جهت قائم با فلش نشان داده شده است) مي‌گردد. با اندازه‌گيري دامنة اين ارتعاشات مي‌توان سرعت زاويه‌اي چرخش بدنه حول محور ورودي را مشخص نمود. به جز ساختار فوق‌الذكر كه داراي قاب مي‌باشد، نوع بدون قاب نيز وجود دارد، كه همان اصول كار فوق را دارا مي‌باشد، كه سيستم تحريك مستقيما به جرم اينرسي متصل مي‌گردد.

شكل 5-1- مدل ديناميكي شكل 4-1- يك نمونه ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي
2-6-1- ميكروجايروی ارتعاشي ديسكي
در اين نوع ميكروجايرو يك روتور ديسكي به چهار فنر عمود بر هم وصل گرديده و پايه فنرها نيز به صفحه زير لايه (Substrate) متصل مي‌باشد. روتور مي‌تواند با توجه به درگير بودن با فنرها حركت رفت و برگشتي چرخشي در صفحة خود داشته باشد. اين حركت نوساني در صورت وجود سرعت زاويه‌اي خارجي حول دو محور ديگر ديسك حركت كوريوليس ژيروسكوپي را بروز مي‌دهد كه مي‌توان از آن براي اندازه‌گيري سرعت زاويه‌اي بهره گرفت.( شكل6-1)
براي تشريح بهتر اگر به محور Z در شكل (6-1) توجه شود، حركت نوساني رفت و برگشتي روتور حول آن توسط سيستم تحريك، تشديد شده و حال اگر حول محور x و y حركت زاويه‌اي در اثر گردش وسيله نقليه پيدا شود، در محور سوم يك شتاب كوريوليس بوجود مي‌آيد، كه عمود بر دو محور قبلي خواهد بود. اين شتاب كوريوليس يك حركت كوريوليس با دامنه‌اي متناسب با سرعت چرخش زاويه‌اي زير لايه ايجاد مي‌كند. با محاسبه دامنة اين حركت مي‌‌توان نرخ چرخش بدنه جايرو را تعيين نمود.
ويژگي بارز ميكروجايروي ديسكي دو محوري تقارن دايره‌اي المان حساس آن (روتور اينرسي) مي‌باشد. وقتي روتور اينرسي نوسان مي‌كند، چرخش زير لايه در حول محور x (به عبارت ساده‌تر يعني چرخش مثلاً هواپيما حول محور x) شتاب كوريوليس را در حول محور y بوجود مي‌آورد. كه آن نيز به نوبه خود نوعي نوسان مورب روتور را در حول محور y ايجاد مي‌كند و چون جايروي مكانيكي حول دو محور عمود بر هم (x,y) متقارن است هر چرخش حول محور y نيز نوعي نوسان عمود در حول محور x را بوجود آورده و سرعت چرخش حول اين محور نيز مي‌تواند اندازه‌گيري شود و منتج به ايجاد يك جايروي نرخي (Rate Gyro) دو محوري گردد.

شكل-a6-1-
ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي

شكل-b6-1-
ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي و تقدم محورها

3-6-1- ميكروجايروی موجي حلقوي
اين نوع ژيروسكوپ با اقتباس ‌از ژيروسكوپ‌هاي(Hemispherical Resonator Gyroscope) HRG ساخته شده است و براساس آشكارسازي نيروي كوريوليس و در نهايت نرخ سرعت زاويه‌اي كار مي‌كنند. اين جايروها داراي انواع مختلفي هستند كه در شكل‌هاي (a-7-1) تا (e-7-1) ساختار آنها مشاهده مي‌شود. انواع ساختارهاي جايروهاي ارتعاشي حلقوي به شرح ذيل مي‌باشند:
جايروي ارتعاشي حلقوي يك قوسي سيليكوني. شكل (a-7-1)
جايروي ارتعاشي حلقوي دو قوسي با قوس‌هاي برابر. شكل (b-7-1)
جايروي ارتعاشي حلقوي تك كريستال سيليكوني (SCS). شكل (c-7-1)
جايروي ارتعاشي حلقوي دو قوسي با قوس‌هاي نابرابر. شكل (d-7-1)
جايروي ارتعاشي حلقوي با تحريك و تشخيص مركزي. شكل (e-7-1)
همان‌گونه كه در اشكال فوق ديده مي‌شود، انواع جايروهاي حلقوي ساختارهاي متفاوت دارند و اين مسئله باعث شده است كه از لحاظ دقت و فاكتور كيفيت و ساير خصوصيات نيز باهم تفاوت داشته باشند. در اين ژيروسكوپ‌ها نيز نقايصي وجود دارد كه از جمله مهمترين آنها خطای ساخت است و از مزاياي بزرگ اين سيستم‌ها آن است كه به علت تقارن ساختاري، نسبت به تغييرات حرارت تا حدود زيادي تغيير رفتار نشان نمي‌دهند.
a b
C d e شکل 7-1- انواع ساختارهاي جايروهاي ارتعاشي حلقوي

4-6-1- ميكرو جايروهاي ارتعاشي شاخه‌اي
در اين ژيروسكوپ‌ها نيز در يك جهت ارتعاشات خطي شاخه (تير) تحريك و تشديد شده و از ارتعاشات ايجاد شده در محور ديگر به خاطر نيروي كوريوليس ناشي از دوران پاية ژيروسكوپ حول محور سوم (Ω) براي تشخيص و اندازه‌گيري سرعت دوران پايه استفاده مي‌گردد. انواع موجود اين ميكروجايروها شامل 5 مورد زير است:
1- ژيروسكوپ دو شاخه (دياپازوني يك‌طرفه و دوطرفه)
2- ژيروسكوپ 3 شاخه
3- ژيروسكوپ‌ 4 شاخه (كوآپازون) Quapason
4- ژيروسكوپ‌هاي شانه‌اي (تيريك سردرگير و تيرروي‌ دو تكيه‌گاه‌ مفصلي ‌ياد و سرگيردار)
5- ژيروسكوپ تيرمرتعش
شكل 8-1- دياپازون سه‌شاخه و نحوه ارتعاش آن [5] شكل 9-1- كواپازون چهار شاخه

1-4-6-1) ميكروجايرو دياپازوني
اصول عملكرد جايروي دياپازوني بدين صورت است كه مود دوم ارتعاشات طبيعي دياپازون (حركت شاخه‌ها در خلاف جهت هم) در امتداد محور x توسط يك سيستم الكتريكي و يا مغناطيسي تحريك و تشديد مي‌گردد، به طوريكه دامنة ثابتي براي اين ارتعاشات برقرار گردد. وجود سرعت زاويهای پايه ژيروسکوپ باعث بروز شتاب کوريوليس و در نتيجه انحراف شاخکها در جهات مختلف ميگردد. دامنه اين انحراف متناسب با سرعت مي باشد.
معمولترين نوع دراين خانواده، نوع دياپازوني مي‌باشد. انواع بزرگ اين ژيروسكوپ‌ها اولين بار با وزن 7 كيلوگرم ساخته شد كه عليرغم وزن زياد، از دقت كافي برخوردار نبود. نوع كاملتر ژيروسكوپ دياپازوني، نوع متقارن H شكل (دو طرفة) آن مي‌باشد كه داراي كارآئي و دقت بهتر مي‌باشد. حساسيت به ارتعاشات خطي پايه ژيروسكوپ از معايب هر دو نوع مي‌باشد (شكل 10-1). ژيروسكوپ‌هاي شانه‌اي از انواع ساختارهاي كاملتر و كلي‌تر دياپازوني و شاخه‌ايي هستند كه به راحتي در IC ها تعبيه شده و ساختار صفحه‌اي را ايجاد مي‌كنند.
در سال 2002، Seshia يك‌جايروي MEMS با اصول كاركرد اندازه‌گيري تشديد را ارائه نمود[1]. اين جايرو با استفاده از فن‌آوري SNL IMEMS ساخته شده است. سنسور پلي سيليكوني آن داراي ابعاد 2/1ميليمتر × 2/1 ميليمتر است و ضخامتي حدود 25/2 ميكرومتر دارد. اين سيستم شامل يك جرم حساس (Proof mass) معلق شده به وسيله فنر خمشي متصل به قاب خارجي صلب است. جرم حساس با استفاده از اكچويتورهاي شانه تحريك جانبي نسبي به سمت فريم خارجي رانده مي‌شود. شانه‌هائي جهت از بين بردن خطا و خود كنترلي اختصاص يافته‌اند. [8]

شكل10-1- ميكروجايرو دياپازوني
ساختارهاي تك شاخه ساده‌ترين انواع ژيروسكوپ‌هاي شاخه‌اي هستند، كه به خاطر اينكه فقط از يك تير تشكيل شده‌اند، نياز به تنظيم همسان و متقارن بودن ساختار نخواهد بود. شكل 11-1 نماي بالاي يك ميكروجايروي پيزوالكتريك را نشان مي‌دهد. در اين طراحي چهار سنسور تيري وجود دارند. هر سنسور تيري يك لايه پيزوالكتريك (PZT) دارد و در دو طرف آن دو لايه الكترود وجود دارد. ابعاد هركدام از اين لايه‌ها 800×380 ميكرومتر مي‌باشد. بنابر تاثير مستقيم پيزوالكتريك، وقتي يك سيگنال AC ورودي به كار برده شود سنسور تيري شماره يك و سه فشرده شده و فركانسي معادل آن سيگنال ورودي ايجاد مي‌كند، اين ساختار مركزي و سنسور تيري وادار به ارتعاش در فركانسي معادل فركانس ورودي به كار رفته مي‌شوند. ساختار شكل12-1يعني تير با دو تكيه‌گاه مفصلي، عملكرد بهتر و حساسيت كمتري دارد. مقطع تير مي‌تواند به شكل مربع و يا مثلث باشد. يك نوع با پروفيل مربعي كه در آن از چهار عدد سلول پيزو الكتريك و ارتباط فيدبك براي اندازه‌گيري و تعيين سيگنال خروجي استفاده مي‌شود، در مدار ميرا كنندگي اتوپايلوت شركت ‌بوئينگ استفاده شده است. در اين ساختار به علت استفاده از بخش غير خطي رفتار سلول پيزوالكتريك براي ورودي‌هاي كم، در عمل آستانه حساسيت ژيروسكوپ نسبتا بزرگ مي‌باشد. اين عيب در ژيروسكوپ‌هاي شركت Gyrostar Murata با پروفيل مثلثي مقطع تير برطرف شده است. در اين نوع، 3 المان پيزوالكتريك نصب مي‌گردد كه دو تا از آنها براي استخراج سيگنال خروجي به كار مي‌روند. شركت Murata Gyrostar براي اولين بار اين جايرو را در سال 1998 ارائه نمود و شركت Systron Donner نيز بر روي تراشه‌هايش از آن استفاده كرد. جايرو مثلثي ارتعاشي پيزوالكتريكي داراي يك ميله دوسرآزاد است كه داراي مقطع مثلثي متساوي‌الاضلاع است و در طول ميله شكل و ابعاد اين مثلث هيچ تغييري نمي‌كند. جنس اين ميله از مواد كاملاً يكنواخت و الاستيك مي‌باشد. سه قطعه سراميك PE برروي سه وجه اين ميله قرار دارند.

شكل 11-1- نماي بالاي يك ميكروجايروي پيزوالكتريك شكل12-1- تير با دو تكيه‌گاه مفصلي
5-6-1- ميكروجايروهاي اپتيكي (نوري MOEMS1 )
اصطلاح MOEMS به دو نوع كاملاً متفاوت ميكروجايروها اطلاق مي‌گردد، اولين گروه ژيروسكوپ‌هاي MEMS هستند كه فرآيند آشكارسازي در آنها به طريقة اپتيكي صورت مي‌گيرد، كه با هدف حذف خطاي ناشي از سيستم‌هاي آشكارسازي قبلي (پيزوالكتريك و خازني) به كار گرفته شده‌اند. در مقالاتی ژيروسكوپ ارتعاشي با تشخيص(pickoff) نوري گزارش شده است. [2] گروه دوم، كه از چشم‌انداز بسيار خوبي براي رسيدن به ميكروجايروهاي دقيق (در كلاس ناوبري) برخوردارند، كاملا اپتيكي بوده و در رديف ژيروسكوپ‌هاي نوري (ژيروسكوپ‌هاي ليزر حلقوي و ژيروسكوپ‌هاي فيبر نوري) قرار مي‌گيرند.
1-5-6-1- ميكروجايروهاي نوري (ليزري)
براي عملكرد بهتر از 0.1o/hr پيشنهاد شده است كه يك ليزري حلقوي با ساختار MEMS مانند آنچه در شكل 13-1 ديده مي‌شود استفاده گردد. همانطور كه در شكل ديده مي‌شود، ساختار ژيروسكوپ‌هاي ليزر حلقوي (Ring Laser Gyro)



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید