Capacitive cmos readout circuits for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performans MEMS ivmeölçerler için sığasal cmos okuma devreleri
- Tez No: 177607
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN, YRD. DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- 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: 163
Özet
Bu tezde yüksek çözünürlüklü, geniş ölçüm aralığı olan, sığasal MEMS ivmeölçerler için sigma-delta tipi okuma devrelerinin geliştirilmesi anlatılmaktadır. Tasarlanan okuma devresinin, sayısal çıkışlı, tam farksal, kapalı devre yapısıyla, yüksek örnekleme ve yüksek çözünürlük elde edilir. Okuma devresi ve ivmeölçer duyargasının modelleri Cadence ve Matlab Simulink ortamlaında hazırlanıp, benzetimleri yapılmıştır. Benzetimler, ivmeölçer sisteminin kararlı ve doğru çalışmasını doğrulamıştır. Sigma-delta okuma devresi XFab 0.6 µm CMOS süreci kullanılarak üretilmiştir. Okuma devresi Silicon-On-Glass (SOG) ve Dissolved Wafer Process (DWP) ivmeölçer yapılarıyla birleştirilmiştir. İvmeölçer sisteminin, açık ve kapalı döngü testleri yapılmıştır. Açık döngü test sonuçları 8.1 V/g'ye kadar yüksek hassasiyet ve 4.8 mikrog/kökHz'lik düşük gürültü seviyesi göstermiştir. Kapalı döngü devre, dış filtreleme ve seyreltme elektroniği ile birlikte baskı devre kartına yerleştirilmiş ve 800 Hz örnekleme frekansında 16-bit sayısal çıktı elde edilmiştir. DWP ivmeölçerler kullanılarak yapılan yüksek ivme testleri, ±18.5 g ivme ölçüm aralığında yüksek doğrusallık göstermiştir. Kapalı devre gürültü testleri veriler toplanıp, Allan Variance tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Allan Variance testleri 86 mikrog/kökHz gürültü seviyesi ve 74 mikrog sabit kayma değeri göstermiştir. İvmeölçer sisteminin sıcaklık testleri de yapılmış ve 44mg/ºC sıcaklık hassasiyeti gözlemlenmiştir.Çözünürlüğü artırmak için, yüksek örnekleme frekansı kullanılarak, iki farklı, yeni, uyarlamalı sigma-delta okuma devresi tasarlanmıştır. İki devre de, uygulana ivme değerine göre ivme ölçüm aralığını değiştirmektedir. Uyarlamalı devrelerin biri, geri besleme süresi değişimi kullanırken, diğer devre çok-bitli geri besleme metodunu kullanır. Benzetim sonuçları kapalı döngüde, duyarga gürültüsü katılmadan mikro-g seviyesinde gürültü elde edildiğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents development of high resolution, wide dynamic range sigma-delta type readout circuits for capacitive MEMS accelerometers. Designed readout circuit employs fully differential closed loop structure with digital output, achieving high resolution. The simulations of the readout circuit together with the accelerometer sensor are performed using the models constructed in Cadence and Matlab Simulink environments. The implemented readout circuit is combined with Silicon-On-Glass (SOG) and Dissolved-Wafer-Process (DWP) accelerometers. Both open-loop and closed-loop tests of the accelerometer system are performed. Open loop test results showed high sensitivity up to 8.1V/g and low noise level of 4.8microg/rtHz. Closed loop circuit is implemented on a PCB together with the external filtering and decimation electronics, providing 16-bit digital output at 800Hz sampling rate. High acceleration tests showed ±18.5g of linear acceleration range with high linearity, using DWP accelerometers. The noise tests in closed loop mode are performed using Allan variance technique, by acquiring the digital data. Allan variance tests provided 86µg/ ? Hz of noise level and 74microg of bias drift. Temperature sensitivity tests of the readout circuit in closed-loop mode is also performed, which resulted in 44mg/ºC of temperature dependency.Two different types of new adaptive sigma-delta readout circuits are designed in order to improve the resolution of the systems by higher frequency operation. The two circuits both change the acceleration range of operation of the system, according to the level of acceleration. The simulation results showed micro-g level noise in closed loop mode without the addition of the mechanical noise of the sensor.
Benzer Tezler
- A low-power capacitive integrated CMOS readout circuitry for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performanslı MEMS ivmeölçerler için düşük güç tüketimli kapasitif tümleşik CMOS okuma devresi
OSMAN SAMET İNCEDERE
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Low-power low-noise highly programmable digital accelerometer readout for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performanslı MEMS ivmeölçerler için düşük güç tüketimli düşük gürültülü kapsamlı programlanabilir okuma sistemi tasarımı
BERK ENGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Capacitive CMOS readouts for high performance MEMS accelerometers
MEMS ivmeölçerler için yüksek performans kapasitif okuma devreleri
UĞUR SÖNMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- 5th order sigma delta MEMS accelerometer system with enhanced linearity
Doğrusallığı geliştirilmiş 5. derece sigma delta MEMS ivmeölçer sistemi
ULAŞ AYKUTLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- High performance CMOS capacitive interface circuits for MEMS gyroscopes
MEMS dönüölçerler için yüksek performanslı CMOS sığasal arabirim devreleri
KANBER MİTHAT SİLAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN