High performance MEMS gyroscopes
Yüksek performanslı MEMS dönüölçerler
- Tez No: 199086
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Dönüölçer, MEMS Dönüölçer, Diyapazon Dönüölçer, SilisyumMikroişleme, SOI, g-Hassasiyeti, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS), Gyroscope, MEMS Gyroscope, Tuning Fork Gyroscope, SiliconMicromachining, SOI, g-Sensitivity, Microelectromechanical Systems (MEMS)
- Yıl: 2007
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 172
Özet
Bu tez tek, çift ve dört kütleye sahip üç değişik yüksek performanslı, düşük g-hassasiyetlidönüölçerin geliştirilmesini anlatmaktadır. Tek kütleli dönüölçer (TKD), çift kütlelidönüölçer (ÇKD) ve dört kütleli dönüölçer (DKD) ile performans karşılaştırması yapmakiçin geliştirilmiştir. ÇKD, öngörülemeyen g-yüklenmelerinin etkisini azaltan birdiyapazon dönüölçerdir, DKD ise en aza indirilmiş birörnek g-hassasiyeti içingeliştirilmiş bir ikiz diyapazon dönüölçerdir. DKD ve ÇKD, karşı etkileşimi ve içsel vedışsal ivmelerin orantı katsayısıyla çıkış sinyalleri üzerindeki etkilerini en aza indiren zıtfazlı ve birörnek sürüş modu titreşimleri sağlamak için sürüş modunda kütleleribirleştiren yeni halkasal yay bağlantıları kullanmaktadır. Çokkütleli dönüölçerlerin herbir kütlesinin algılama modlarının rezonans frekansları olası frekans eşleştirme ihtiyacıiçin sürüş modundan daha yüksek tasarlanmıştır ve bu algılama modlarının frekanseşleştirmek veya ayarlamak için adanmış frekans ayarlama elektrotları vardır. Gelişmişbilgisayar modelleriyle ARCHITECT yazılımı kullanılarak detaylı performanssimülasyonları yapılmıştır.Bu dönüölçerler, 2 µm sığasal açıklık ve 25 µm yapısal kalınlık sağlayan MEMSCAPşirketinin standart SOIMUMPs işlemiyle üretilmişlerdir. Üretilen dönüölçerlerin yongaboyutları tek kütleli için 4.1 mm x 4.1 mm, çift kütleli için 4.1 mm x 8.9 mm ve dörtkütleli dönüölçer için 8.9 mm x 8.9 mm'dir. Üretilen dönüölçerler ayrı bileşenlerdenoluşturulan adanmış farksal okuma devreleriyle test edilmişlerdir. Bu dönüölçerlerinsürüş modu rezonans frekansları 3.4 kHz ile 5.1 kHz arasındadır. Sürüş modu mekaniğinebağlı olarak, üretilen dönüölçerlerin atmosferik basınçta sürüş modu kalite faktörleri 300civarındadır ve 50 mTorr vakum ortamında bu değer 2500'e kadar çıkmaktadır. Üretilendönüölçerlerden TKD 0.109 der/sn, ÇKD 0.055 der/sn ve DKD 1.80 der/sn lik dönü hızıfarkını ayrıştırabilmektedir. Vakum ortamında bu dönüölçerlerin hassasiyetleri belirginbir şekilde artmakta ve ayrı okuma devreleri kullanılmasına rağmen TKD için 106der/saat ve DKD için 780 der/saat'e ulaşmaktadır. Atmosfer basıncında yapılan ivmehassasiyeti ölçümleri DKD'nin 1.02 der/sn/g'lik çıkış g-hassasiyeti ve1.59(mV/(der/sn))/g'lik orantı katsayısı g-hassasiyeti ile en düşük değerlere sahipolduğunu göstermektedir. Bu çok kütleli dönüölçerlerin performans seviyeleri, yüksekperformanslı tümleşik sığasal okuma devreleri kullanılarak ve hassas algılama modu fazeşlemesiyle daha da iyileştirilebilir.
Özet (Çeviri)
This thesis reports development of three different high performance, low g-sensitivemicromachined gyroscopes having single, double, and quadruple masses. The singlemass gyroscope (SMG) is developed for comparison of its performance with the doublemass gyroscope (DMG) and quadruple mass gyroscope (QMG). DMG is a tuning forkgyroscope, diminishing the effects of unpredictable g-loadings during regular operation,while QMG is a twin tuning fork gyroscope, developed for a uniform and minimized g-sensitivity. DMG and QMG use novel ring spring connections for merging the masses indrive modes, providing uniform and anti-phase drive mode vibrations that minimize thecross-coupling and the effects of intrinsic and extrinsic accelerations on the scale factorand bias levels of the gyroscopes. The sense mode of each mass of the multi-massgyroscopes is designed to have higher resonance frequencies than that of the drive modefor possible matching requirements, and these sense modes have dedicated frequencytuning electrodes for frequency matching or tuning. Detailed performance simulationsare performed with a very sophisticated computer model using the ARCHITECTsoftware.These gyroscopes are fabricated using a standard SOIMUMPs process of MEMSCAPInc., which provides capacitive gaps of 2 µm and structural layer thickness of 25 µm.Die sizes of the fabricated gyroscope chips are 4.1 mm x 4.1 mm for the single mass, 4.1mm x 8.9 mm for the double mass, and 8.9 mm x 8.9 mm for the quadruple massgyroscope. Fabricated gyroscopes are tested with dedicated differential readoutelectronics constructed with discrete components. Drive mode resonance frequencies ofthese gyroscopes are in a range of 3.4 kHz to 5.1 kHz. Depending on the drive modemechanics, the drive mode quality (Q) factors of the fabricated gyroscopes are about 300at atmospheric pressure and reaches to a value of 2500 at a vacuum ambient of 50 mTorr.Resolvable rates of the fabricated gyroscopes at atmospheric pressure are measured to be0.109 deg/sec, 0.055 deg/sec, and 1.80 deg/sec for SMG, DMG, and QMG, respectively.At vacuum, the respective resolutions of these gyroscopes improve significantly, reachingto 106 deg/hr with the SMG and 780 deg/hr with the QMG, even though discrete readoutelectronics are used. Acceleration sensitivity measurements at atmosphere reveal thatQMG has the lowest bias g-sensitivity and the scale factor g-sensitivity of 1.02deg/sec/gand 1.59(mV/(deg/sec))/g, respectively. The performance levels of these multi-massgyroscopes can be even further improved with high performance integrated capacitivereadout electronics and precise sense mode phase matching.
Benzer Tezler
- Deep-trench Rie optimization for high performance MEMS microsensors
Yüksek performanslı MEMS duyargaları için derin-kuyu Rie optimizasyonu
AKIN AYDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
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
- On-chip compensation of stress, temperature, andnonlinearity in a mems gyroscope
Başlık çevirisi yok
ERDINC TATAR
- 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
- Analytical and experimental study of imperfections, stress, and temperature effects in circular MEMS gyroscopes
Yapısal kusurlar, stres ve sıcaklığın dairesel MEMS dönü-ölçerlere etkilerinin analitik ve deneysel olarak çalışılması
MEHRAN HOSSEINI PISHROBAT
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ERDİNÇ TATAR