MEMS gyroscopes for tactical-grade intertial measurement applications
Taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için MEMS dönüölçerler
- Tez No: 167389
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Dönüölçer, Açısal Hız Duyargası, Mikroişleme, Sığasal Arabirim Devresi, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS). vıı, Gyroscope, Angular Rate Sensor, Micromachining, Capacitive Interface Circuit, Microelectromechanical Systems (MEMS)
- Yıl: 2005
- 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: 330
Özet
ÖZ TAKTİK AMAÇLI ATALETSEL ÖLÇÜM UYGULAMALARI İÇİN MEMS DÖNÜÖLÇERLER Alper, Said Emre Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tayfun AKIN Eylül 2005, 301 sayfa Bu tez taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için yüksek performanslı simetrik ve etkileşimsiz dönüölçerlerin geliştirilmesini anlatmaktadır. Simetrik yapı, yüksek açısal hız hassasiyeti için dönüölçerlerin sürüş ve algılama modlarının rezonans frekanslarının kolaylıkla eşleştirilebilmesi amacıyla, etkileşimsiz sürüş ve algılama modları ise düşük gürültü ve kararlı çalışma için mekanik etkileşimin en aza indirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Üç farklı ve yeni simetrik ve etkileşimsiz dönüölçer yapısı sunulmaktadır. Bu yapılar dört farklı mikroişleme teknolojisi ile üretilmiştir: aşındırılmış-pul silisyum mikroişleme, nikel elektrokaplama, yalıtkan- üzeri-silisyum mikroişleme, ve cam-üzeri-silisyum mikroişleme. Üretilen dönüölçerlerin sığasal açıklıkları 1.5um'den 5.5 um' ye, yapısal katmanlarının kalınlıkları ise 12um'den l00um'ye kadar değişmekte olup yapıların derinlik- açıklık oranlan üretim sürecine bağlı olarak 20 'ye kadar çıkabilmektedir. Dönüölçer yongalarının alanları Ixlmm2'den4.2x4.6mm2'ye kadar değişmektedir. vıÜretilen dönüölçerler, standart 0.6um CMOS sürecinde üretilen kapasitif okuma devrelerine hibrit olarak bağlanmıştır. Dönüölçerlerin rezonans frekansları 2kHz ile 40kHz aralığında olup, algılama modlarının rezonans frekansları löV'dan daha düşük DC gerilimler yardımıyla sürüş modunun rezonans frekansına eşleştirilebilmektedir. Dönüölçerlerin kalite faktörleri atmosfer basıncında 500'lere ulaşırken, bu değer vakumda silisyum dönüölçerler için 10,000 'i aşmaktadır. Cam taban üzerinde üretilen dönüölçerlerin parazitik sığalarının 120fF kadar düşük olabildiği görülmüştür. Arabirim devresine bağlı dönüölçerler daha sonra açısal hız ölçümleri yapmak üzere standart entegre devre elemanlarından kurulmuş elektronik kontrol ve geri-besleme devreleri ile birleştirilmiştir. Üretilen dönüölçerlerin açısal hız hassasiyetleri atmosfer basıncında 12uV/(der/sn)'den 180uV/(der/sn)'ye kadar değişmektedir. SOI dönüölçer atmosfer basıncında 0.025(der/sn)/Hz1/2'lik bir gürültü-eşdeğer-dönü (GED) değeri ile en iyi performansı göstermiş, diğer dönüölçerlerin GED değerleri küçük duyarga boyutları veya düşük kalite faktörleri nedeniyle 0.1(der/sn)/Hz1/2 ile sınırlı kalmıştır. Dönüölçerlerin orantı katsayısı hataları % 1.1 'den daha iyi olup, en iyi değer %0.06 olarak elde edilmiştir. Dönüölçerlerin sabit kaymaları demodulasyon elektroniğindeki faz hataları sebebiyle lder/sn'nin üzerindedir. SOI ve SOG dönüölçerler 50mtorr'un altındaki vakum ortamında sırasıyla 1.6mV/(der/sn) ve 0.9mV/(der/sn) açısal hız hassasiyeti göstermişlerdir. Bu dönüölçerlerin GED değerleri ise taktik uygulama limitlerine yaklaşarak sırasıyla 50(der/saat)/Hz1/2 ve 36(der/saat)/Hzl/2 olarak ölçülmüştür. Derinlik-açıklık oranlan korunarak sığasal açıklıkların küçültülmesi ve demodulasyon elektroniğinin iyileştirilmesi ile dönüölçer yapılarının 50Hz gibi pratik bir ölçüm bandı içerisinde lOder/saat'ten daha iyi bir performans sergilemeleri beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
ABSTRACT MEMS GYROSCOPES FOR TACTICAL-GRADE INERTIAL MEASUREMENT APPLICATIONS Alper, Said Emre Ph. D., Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Tayfun AKIN September 2005, 301 pages This thesis reports the development of high-performance symmetric and decoupled micromachined gyroscopes for tactical-grade inertial measurement applications. The symmetric structure allows easy matching of the resonance frequencies of the drive and sense modes of the gyroscopes for achieving high angular rate sensitivity; while the decoupled drive and sense modes minimizes mechanical cross-coupling for low-noise and stable operation. Three different and new symmetric and decoupled gyroscope structures with unique features are presented. These structures are fabricated in four different rmcromachining processes: nickel electroforming (NE), dissolved-wafer silicon micromachining (DWSM), silicon-on-insulator (SOI) micromachining, and silicon-on-glass (SOG) micromacmning. The fabricated gyroscopes have capacitive gaps from 1.5 urn to 5. 5 urn and structural layer thicknesses from 12um to lOOum, yielding aspect ratios up to 20 depending on the ivfabrication process. The size of fabricated gyroscope chips varies from lxlmm2 up to 4.2x4.6mm2. Fabricated gyroscopes are hybrid-connected to a designed capacitive interface circuit, fabricated in a standard 0.6um CMOS process. They have resonance frequencies as small as 2kHz and as large as 40kHz; sense-mode resonance frequencies can be electrostatically tuned to the drive-mode frequency by DC voltages less than 16V. The quality factors reach to 500 at atmospheric pressure and exceed 10,000 for the silicon gyroscopes at vacuum. The parasitic capacitance of the gyroscopes on glass substrates is measured to be as small as 120fF. The gyroscope and interface assemblies are then combined with electronic control and feedback circuits constructed with off-the-shelf IC components to perform angular rate measurements. Measured angular rate sensitivities are in the range from 12uV/(deg/sec) to 180uV/(deg/sec), at atmospheric pressure. The SOI gyroscope demonstrates the best performance at atmospheric pressure, with noise equivalent rate (NER) of 0.025(deg/sec)/Hz1/2, whereas the remaining gyroscopes has an NER better than 0.1(deg/sec)/Hz1/2, limited by either the small sensor size or by small quality factors. Gyroscopes have scale-factor nonlinearities better than 1.1% with the best value of 0.06%, and their bias drifts are dominated by the phase errors in the demodulation electronics and are over ldeg/sec. The characterization of the SOI and SOG gyroscopes at below 50mTorr vacuum ambient yield angular rate sensitivities as high as 1.6mV/(deg/sec) and 0.9mV/(deg/sec), respectively. The NER values of these gyroscopes at vacuum are smaller than 50(deg/hr)/HzI/2 and 36(deg/hr)/Hz1/2, respectively, being close to the tactical-grade application limits. Gyroscope structures are expected to provide a performance better than 10 deg/hr in a practical measurement bandwidth such as 50Hz, provided that capacitive gaps are minimized while preserving the aspect ratio, and the demodulation electronics are improved.
Benzer Tezler
- A wide-bandwidth high-sensitivity MEMS gyroscope
Geniş bant aralığına sahip yüksek hassasiyetli MEMS dönüölçer
KORHAN ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Control electronics for MEMS gyroscopes and its implementation in a CMOS technology
MEMS dönüölçerler için kontrol elektroniği ve CMOS teknolojisinde gerçekleştirilmesi
BURAK EMİNOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- High performance readout and control electronics for MEMS gyroscopes
MEMS dönüölçerler için yüksek performanslı okuma ve kontrol elektroniği
EMRE ŞAHİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- A digitally controlled FM MEMS gyroscope system
Dijital olarak kontrol edilen FM MEMS dönüölçer sistemi
FERHAT YEŞİL
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Sensör füzyonu algoritmaları ile açısal konum referans sistemi tasarımı
Attitude and heading reference system design with sensor fusion algorithms
OBEN ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYDIN YEŞİLDİREK