Surface micromachined capacitive accelerometers using MEMS technology
MEMS teknolojisi ile yüzey mikroişlenmiş kapasitif ivmeölçerler
- Tez No: 143336
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mikro Elektro Mekanik Sistemler (MEMS), Mikroişlenmiş İvmeölçer, Kapasitif Okuma Devresi, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Micromachined Accelerometer, Capacitive Readout Circuit
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 259
Özet
Mikroişlenmiş ivmeölçerler, düşük maliyetleri ve küçük boyutları sebebiyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Füzelerde güdüm kontrolü, otomobillerde aktif süspansiyon kontrolü, ve çeşitli tüketici elektronik aygıtları gibi askeri ve endüstriyel uygulamalarda, daha yüksek performanslı ivmeölçerler yapabilmek için farklı açılardan, geniş çaplı araştırmalar yürütülmektedir. Bu tez çeşitli ivmeölçer yapılarını ve düşük maliyetli ivmeölçer sistemleri oluşturabilmek için ivmeölçerlere hibrit bağlanabilecek çeşitli entegre CMOS okuma devrelerini rapor etmektedir. Çeşitli mikroişlenmiş ivmeölçerler COVENTORWARE sonlu eleman simulatorü ile elektro kaplanmış nikelin yapısal kaptan olarak kullanıldığı, 3 maskeli yüzey mikroişleme üretimine göre tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Üretilmiş ve test edilmiş 65 değişik yapıdan oluşan 8 farklı ivmeölçer prototipi bulunmaktadır. Bu ivmeölçer yapılan, 0.2 mm2 ile 0.9 mm2 arasında değişen alanları kaplamaktadırlar ve 1-69 fF/g aralığında değişen kapasite hassasiyeti sağlamaktadırlar. Açık döngü ve kapalı döngü olarak çalışabilen, bir tek çıkışlı ve bir tamamiyle fark gösteren anahtarlamalı kapasitör okuma devrelerini içeren çeşitli kapasitif okuma devreleri AMS 0.8 (j,m CMOS işleme ile dizayn edilip üretilmiştir. Aynı işlemeyi kullanarak, mikroişlenmiş jiroskoplarda kullanılmak üzere giriş kapasitesi 2.26 fF olan bir tampon devresi de oluşturulmuştur. 1 cm den daha az alan kaplayan ve 5 gr. dan daha hafif olan açık döngülü bir ivmeölçer sistemi oluşturmak için tek çıkışlı okuma devresi, üretilen bir ivmeölçere hibrit bağlanmıştır. Sistemin 5 V kaynaktan 20 mW'dan daha az güç tüketirken, 15.7 mV/g orantı katsayısı, % 0.29 orantı katsayısı hatası, 487 u,g/VHz gürültü seviyesi, ve 13.9 mg bias kararsızlığı olduğunu gösteren çeşitli testlerle sistemin çalışması onaylanmıştır. Bu araştırmada sunulan sistem Türkiye'de geliştirilen ilk ivmeölçer sistemidir, ve ivmeölçerler ve dönüölçerlerden oluşan düşük maliyetli ulusal ataletsel ölçüm birimi üzerine yapılan araştırmanın bir parçasıdır.
Özet (Çeviri)
Micromachined accelerometers have found large attention in recent years due to their low-cost and small size. There are extensive studies with different approaches to implement accelerometers with increased performance for a number of military and industrial applications, such as guidance control of missiles, active suspension control in automobiles, and various consumer electronics devices. This thesis reports the development of various capacitive micromachined accelerometers and various integrated CMOS readout circuits that can be hybrid-connected to accelerometers to implement low-cost accelerometer systems. Various micromachined accelerometer prototypes are designed and optimized with the finite element (FEM) simulation program, COVENTORWARE, considering a simple 3-mask surface micromachining process, where electroplated nickel is used as the structural layer. There are 8 different accelerometer prototypes with a total of 65 different structures that are fabricated and tested. These accelerometer structures occupy areas ranging from 0.2 mm to 0.9 mm and provide sensitivities in the range ofl-69fF/g. Various capacitive readout circuits for micromachined accelerometers are designed and fabricated using the AMS 0.8 um n-well CMOS process, including a single-ended and a fully-differential switched-capacitor readout circuits that can operate in both open-loop and close-loop. Using the same process, a buffer circuit with 2.26fF input capacitance is also implemented to be used with micromachined gyroscopes. A single-ended readout circuit is hybrid connected to a fabricated accelerometer to implement an open-loop accelerometer system, which occupies an area less than 1 cm2 and weighs less than 5 gr. The system operation is verified with various tests, which show that the system has a voltage sensitivity of 15.7 mV/g, a nonlinearity of 0.29 %, a noise floor of 487 ug/VHz, and a bias instability of 13.9 mg, while dissipating less than 20 mW power from a 5 V supply. The system presented in this research is the first accelerometer system developed in Turkey, and this research is a part of the study to implement a national inertial measurement unit composed of low-cost micromachined accelerometers and gyroscopes.
Benzer Tezler
- A fully-differential bulk-micromachined MEMS accelerometer with interdigitated fingers
İçiçe geçmiş parmaklar ile tam-diferensiyel gövde-mikroişlenmiş MEMS ivmeölçer
OSMAN AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Mikroişlenmiş ivme ölçer üretimi ve optimizasyonu
Fabrication and optimization of micro machined accelerometers
MEHMET MURAT OKYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. HAKAN ÖZDEMİR
- Silicon surface micromachined gyroscopes using mems technology
Mems teknolojisi ile silisyum yüzey mikroişlenmiş jiroskoplar
SAİD EMRE ALPER
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- Radiation impedance of capacitive micromachined ultrasonic transducers
Kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik çeviricilerin radyasyon empedansı
MUHAMMED NİYAZİ ŞENLİK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
- Fabrication of cmuts based on PMMA adhesive wafer bonding
PMMA yapıştırıcılı pul bağlama yöntemiyle kapasitif mikroişlenmiş ultrasonik güç çevirici (CMUT) üretimi
MANSOOR AHMAD
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYHAN BOZKURT