High performance CMOS capacitive interface circuits for MEMS gyroscopes
MEMS dönüölçerler için yüksek performanslı CMOS sığasal arabirim devreleri
- Tez No: 181068
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Sığasal Arabirim Devresi, Yüksek-empedanslı düğümeğilimleme, Dönüölçer, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS), Capacitive Interface Circuit, High-Impedance Node Biasing, Gyroscope, Microelectromechanical Systems (MEMS)
- Yıl: 2006
- 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: 204
Özet
Bu tez, Orta Doğu Teknik Üniversitesi'nde (ODTÜ) geliştirilmiş MEMSdönüölçerlerin performanslarını geliştirmek için tasarlanan yüksek performanslıCMOS okuma devrelerinin geliştirilmesini ve analizini anlatmaktadır. Bu okumadevreleri, kaynak takipçisi yapılarıyla oluşturulmuş kazancı 1 olan tampon devretabanlıdır. Sığasal arabirim devrelerinde bulunan yüksek-empedanslı düğümeğilimleme sorunu, eşikaltı bölgesinde çalışan bir tranzistör kullanımıylaçözülmüştür.Sığasal arabirim devrelerinin dönüölçer modeli ile simüle edililebilmeleri için,geri-besleme elektrotlarını içeren genellenmiş tam-farksal bir dönüölçer modeligeliştirilmiştir. Bu model, ODTÜ'de üretilmiş tek-çıkışlı dönüölçerler içinsadeleştirilmiş ve rezonans karakteristiği simülasyonları yapılmıştır.Önceki arabirim devrelerindeki sorunlar göz önünde bulundurularak, üç türlüdönüölçer arabirimi tasarlanmıştır. lk tasarım, eşikaltı tranzistörü ile eğilimlenmişbir tek-çıkışlı kaynak takipçisi devresi ile oluşturulmuştur. Simülasyon sonuçlarınagöre, eğilimleme empedansının gigaohm mertebelerine ulaşabileceğigözlemlenmiştir. kinci tasarım ise oto-eğilimleme sistemi eklenmiş ilk tasarımıntam-farksal versiyonudur. Başka bir arabirime ise, ikinci tasarımın üzerinetam-farksal tek çıkış dönüşümü yapan bir aygıt kuvvetlendiricisi eklenmiştir. Tümbu arabirim devreleri standart 0.6 µm CMOS sürecinde üretilmiştir.Üretilen arabirim devrelerinin, ac, gürültü ve de sinüsoidal girişe geçiş tepkileriölçülerek, devreler karakterize edilmiştir. Ölçüm sonuçlarından, 60 gigaohma kadareğilimleme empedansı elde edilebileceği gözlemlenmiştir. Oto-eğilimleme yapısı,çıkışta 0 V dc noktası elde etmek için eşikaltı tranzistörünün kaynağınıneğilimlenmesi gerekliliğini ortadan kaldırmıştır.Tek-çıkışlı SOG dönüölçerleri, tek-çıkışlı sığasal arabirim devrelerine bağlanarakkarakterize edilmiş ve sürüş-moduna takılan sığasal arabirimle 45 dB kazançgelişimi gözlemlenmiştir. Arabirim tarafından ölçülebilecek asgari sığa ve mesafedeğişiminin 58.31 zF ve 38.87 Fermi olduğu hesaplanmıştır. Dönüölçerin orantıkatsayısı, ±100 °/sn ölçüm aralığında %0.001 kadar doğrusallıktan sapma ile1.97 mV/(°/sn) bulunmuştur. Dönüölçerin sabit kayma kararsızlığı ve açısal rastgelekayması Allan varyans metodu kullanılarak hesaplanmış ve sırasıyla 2.158 °/âsaat ve124.7 °/saat olarak bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis reports the development and analysis of high-performance CMOSreadout electronics for increasing the performance of MEMS gyroscopes developedat Middle East Technical University (METU). These readout electronics are basedon unity-gain buffers implemented with source followers. High-impedance nodebiasing problem present in capacitive interfaces is solved with the implementation ofa transistor operating in the subthreshold region.A generalized fully-differential gyroscope model with force-feedback electrodes hasbeen developed in order to simulate the capacitive interfaces with the model of thegyroscope. This model is simplified for the single-ended gyroscopes fabricated atMETU, and simulations of resonance characteristics are done.Three gyroscope interfaces are designed by considering the problems faced inprevious interface architectures. The first design is implemented using asingle-ended source follower biased with a subthreshold transistor. From thesimulations, it is observed that biasing impedances up to several gigaohms can beachieved. The second design is the fully-differential version of the first design withthe addition of a self-biasing scheme. In another interface, the second design ismodified with an instrumentation amplifier which is used for fully-differential tosingle-ended conversion. All of these interfaces are fabricated in a standard 0.6 µmCMOS process.Fabricated interfaces are characterized by measuring their ac responses, noiseresponse and transient characteristics for a sinusoidal input. It is observed that,biasing impedances up to 60 gigaohms can be obtained with subthreshold transistors.Self-biasing architecture eliminates the need for biasing the source of thesubthreshold transistor to set the output dc point to 0 V.Single-ended SOG gyroscopes are characterized with the single-ended capacitiveinterfaces, and a 45 dB gain improvement is observed with the addition of capacitiveinterface to the drive-mode. Minimum resolvable capacitance change anddisplacement that can be measured are found to be 58.31 zF and 38.87 Fermi,respectively. The scale factor of the gyroscope is found to be 1.97 mV/(°/sec) with anonlinearity of only 0.001% in ±100 °/sec measurement range. The bias instabilityand angle random walk of the gyroscope are determined using Allan variancemethod as 2.158 °/âhr and 124.7 °/hr, respectively.
Benzer Tezler
- MEMS gyroscopes for tactical-grade intertial measurement applications
Taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için MEMS dönüölçerler
SAİD EMRE ALPER
Doktora
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Advanced readout and control electronics for MEMS gyroscopes
MEMS dönüölçerler için ileri seviye okuma ve kontrol elektroniği
YÜKSEL TEMİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve 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 tunable active inductors for microwave circuits
Mikrodalga devreleri için yüksek başarımlı ayarlanabilir aktif endüktörler
HADI GHASEMZADEH MOMEN
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN YAZGI
YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN KÖPRÜ