MEMS quán tính tạo đột phá trong ứng dụng với năm loại cảm biến chuyển động – Phần 1: Giới thiệu

Sự xuất hiện của các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển (thiết bị đo góc hay gia tốc góc) dựa trên công nghệ MEMS (Microelectromechanical system), có giá thành rẻ và đáng tin cậy tạo điều kiện cho việc tích hợp khả năng nhận biết chuyển động vào ngày càng nhiều loại hình ứng dụng.

Mặc dù cảm biến MEMS đã được dùng cho việc phóng túi khí và trong các cảm biến áp suất ở ô tô từ hai thập kỷ trước nhưng công chúng chỉ hiểu được tiềm năng của những thiết bị này khi họ tiếp xúc với các máy chơi trò chơi Wii của Nintendo và điện thoại iPhone của Apple.

Phần nào thì ý niệm về sự hữu dụng của cảm biến quán tính chỉ dừng lại ở các sản phẩm trong đó cần phát hiện được gia tốc và giảm tốc. Điều này chỉ đúng nếu nhìn ở khía cạnh kỹ thuật nhưng lại bỏ qua tiềm năng ứng dụng ngày càng lớn của cảm biến gia tốc (Hình 1) và con quay hồi chuyển (Hình 2) dùng MEMS trong nhiều lĩnh vực như thiết bị y tế, công nghiệp, đồ điện tử trong tiêu dùng và ô tô.

Hình 1. Link kiện cảm biến gia tốc ba chiều công nghệ số iMEMS – ADXL345 của hãng Analog Devices. Nguồn SensorMagazine.com.

Nếu ta xem xét các khả năng của từng loại cảm biến chuyển động – gia tốc (bao gồm cả thông tin về chuyển động tịnh tiến như vị trí và hướng), rung động, chấn động, độ nghiêng, và quay – thì tầm ứng dụng của chúng sẽ mở rộng ra thêm rất nhiều.

Ví dụ như một cảm biến gia tốc có thể dùng để thực hiện các kỹ thuật quản lý điện năng bằng cách ra lệnh cho một thiết bị chuyển sang chế độ tiêu thụ năng lượng thấp nhất khi thiết bị này được cho là ở trạng thái nghỉ do cảm biến không nhận thấy có chuyển động hay rung động. Các bảng điều khiển với các nút điều khiển vật lý phức tạp cũng đang dần được thay thế bởi các giao diện nhận biết được cử động và được điều khiển bằng các cú chạm ngón tay. Trong các trường hợp sử dụng khác thì cảm biến giúp cho hoạt động của hệ thống trở nên chính xác hơn, ví dụ như một chiếc la bàn được hiệu chỉnh tùy theo độ nghiêng của nó khi người dùng cầm trên tay.

Bài viết này sẽ cung cấp các ví dụ về việc các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển cao cấp dùng MEMS hiện có trên thị trường sẽ thay đổi bộ mặt của rất nhiều loại sản phẩm nhờ vào năm kiểu chuyển động chúng nhận biết được.

Hình 2. Cảm biến con quay hồi chuyển ADXRS610 của hãng Analog Devices. Nguồn SensorMagazine.com.

Giới thiệu về Cảm biến Chuyển động và MEMS

Trong năm kiểu chuyển động – gia tốc, rung động, chấn động, nghiêng và quay – thì ngoại trừ chuyển động quay, những chuyển động còn lại đều là kết quả của sự thay đổi của gia tốc theo thời gian (Hình 3). Tuy nhiên, chúng ta không liên hệ những chuyển động trên, bằng trực giác, với sự thay đổi của gia tốc hay giảm tốc. Xem xét riêng từng chế độ cảm biến giúp chúng ta nhận ra các tiềm năng của chúng dễ dàng hơn.

Hình 3. Năm chế độ cảm biến chuyển động. Nguồn EECatalog.com.

Gia tốc, bao gồm cả chuyển động tịnh tiến, đo sự biến đổi của vận tốc theo thời gian. Vận tốc, được biểu diễn bởi đơn vị m/s, bao gồm thông tin cả về tốc  độ và hướng của chuyển động. Gia tốc được tính theo đơn vị m/s2. Khi gia tốc có giá trị âm, như khi một chiếc ô tô đi chậm lại do lái xe đạp phanh, thì được gọi là giảm tốc.

Nếu xét gia tốc theo thời gian thì rung động có thể coi như là gia tốc và giảm tốc thay nhau xảy ra theo chu kỳ tuần hoàn. Tương tự như vậy, chấn động là gia tốc xảy ra tức thì nhưng khác với rung động, gia tốc trong chấn động là một quá trình không tuần hoàn và thường chỉ xảy ra một lần.

Hãy xem xét trong một khoảng thời gian dài hơn. Khi một vật bị di chuyển làm thay đổi độ nghiêng của nó thì sẽ có sự thay đổi tương ứng về mặt lực hấp dẫn. Chuyển động này thường xảy ra chậm hơn so với rung và chấn động.

Do cả bốn dạng cảm biến chuyển động này đều liên quan tới gia tốc nên chúng được đo bằng lực g, đơn vị của lực hấp dẫn tác dụng lên một vật trên Trái đất (1g = 9.8m/s2). Cảm biến MEMS phát hiện độ nghiêng bằng cách đo mức ảnh hưởng của lực hấp dẫn lên từng trục chuyển động. Ví dụ với cảm biến gia tốc ba chiều sẽ cho ra ba kết quả đo biểu thị gia tốc trên các trục chuyển động X, Y, và Z.

Phần lớn các cảm biến có mặt trên thị trường hiện nay đo gia tốc bằng cách sử dụng các cặp tụ điện vi sai. Mức khác biệt về điện dung của các cặp tụ điện này tỉ lệ thuận với gia tốc của cảm biến. Mức khác biệt này sau đó được chuyển đổi sang dạng điện thế hoặc các tín hiệu nhị phân (đối với các cảm biến có đầu ra số), rồi thông tin này được chuyển tới bộ vi xử lý để thực thi các hoạt động tiếp theo. Những tiến bộ công nghệ gần đây cho phép sản xuất các cảm biến gia tốc MEMS nhỏ gọn trong dải gia tốc thấp (low-g) lẫn gia tốc cao (high-g) với băng thông rộng hơn trước đây rất nhiều, do đó càng gia tăng hơn nữa tiềm năng ứng dụng của chúng. Cảm biến trong dải gia tốc thấp (gia tốc dưới 20 g) phù hợp để phát hiện các chuyển động do con người tạo ra. Cảm biến trong dải gia tốc cao thì hữu dụng trong các ứng dụng liên quan tới máy móc hay xe cộ – về bản chất là các chuyển động không thể tạo ra bởi con người.

Cho tới lúc này chúng ta mới chỉ bàn tới chuyển động tịnh tiến, loại chuyển động này bao gồm gia tốc, rung động, chấn động, và nghiêng. Chuyển động quay được định lượng bằng tốc độ góc. Điểm khác biệt của kiểu chuyển động này là nó có thể diễn ra mà không hề có sự thay đổi về gia tốc. Để hiểu rõ vấn đề này hãy thử tưởng tượng một cảm biến quán tính 3 chiều, trong đó chiều X và Y nằm song song với mặt đất còn trục Z thì hướng tới tâm trái đất. Ở vị trí này, trọng lực đo được trên ba trục X, Y, và Z lần lượt là 0, 0, và 1 g. Tiếp đó, quay cảm biến xung quanh trục Z (Hình 4). Trục X và Y sẽ quay theo, và vẫn chỉ đo được 0 g trọng lực, trong khi trên trục Z vẫn là 1 g. Để phát hiện được chuyển động quay như trên cần sử dụng cảm biến con quay hồi chuyển. Do một số sản phẩm cần phải đo được chuyển động quay cùng với các dạng chuyển động khác nên các cảm biến con quay hồi chuyển có thể được tích hợp với các cảm biến gia tốc trong bộ IMU (Inertial Measurement Unit – bộ đo quán tính) đa chiều.

Hình 4. Chuyển động quay của một vật xung quanh trục Z.

(Xem Phần 2: Các ứng dụng của MEMS quán tính)

• Nguyên bản tiếng Anh: “The Five Motion Senses: MEMS Inertial Sensing To Transform Applications,” Rob O’Reilly, Harvey Weinberg, Sensors Magazine.com, January 2010.
• Người dịch: Phạm Duy Đông
• Hiệu chỉnh: Tạ Minh Chiến, Hồ Quang Tây