Development of an integrated resonant mems temperature sensor
Entegre rezonant mems sıcaklık duyargası geliştirilmesi
- Tez No: 442055
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN, PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
Bu tez yüksek performanslı entegre bir rezonant MEMS sıcaklık sensörünün tasarım, üretim ve karakterizasyonunu ve önerilen MEMS sıcaklık sensörlerinin bir uygulamasını göstermek için sığasal bir MEMS ivmeölçerin sıcaklık telafisini sunmaktadır. MEMS sıcaklık sensörü tasarımlarında, isimleri Dizayn #1 ve Dizayn #2 olarak belirlenen iki farklı yapıdaki çift-sonlu-ayar-çatalı (DETF) tipi rezonatörler kullanılmıştır. Farklı termal genleşme katsayıları olan taban ve sensör yapıları sebebiyle çatal dişlerinin üzerinde oluşan termal uzamayı artırmak için uzama-artırıcı kiriş yapısı DETF rezoantörlerine eklenmiştir. Uzama-artırıcı kiriş yapısının etkinliğini karşılaştırabilmek için, çift-taraflı sıkıştırmalı DETF rezonatörleri ve bir ucu serbest DETF rezonatörleri kullanılarak, iki farklı tamamlayıcı sıcaklık sensörü tasarımı sunulmuştur. DETF rezonatörlerinin sıcaklık sensörü olarak çalışmasını modelleyen analitik denklemlerin doğrulanması için, farklı geometrik özelliklere sahip iki DETF rezonatörü sıcaklık sensörü tasarımlarında kullanılmıştır. Her bir sıcaklık sensörü tasarımı için sonlu-eleman simulasyonları (modal ve termo-mekanik) yürütülmüştür. Sıcaklık sensörlerinden gerçek zamanlı veri toplamayı gerçekleştirmek için, DETF rezonatörlerin kendi kendine rezonans titreşimini sürdürebilecek bir okuma devresi tasarlanmış ve devre simulasyonları ile gösterilmiştir. Benzer şekilde, MEMS ivmeölçerlerin mekanik tasarımı ve okuma devresi ile ilgili kısa açıklamalar sunulmuştur. Sıcaklık telafisi yapılacak olan MEMS ivmeölçer ile sıcaklık sensörü arasındaki termal gecikmeyi ortadan kaldırarak doğru sıcaklık ölçümlerini mümkün kılan, sensörlerin çip-üzeri entegrasyonu ile MEMS sıcaklık sensörlerinin ve ivmeölçerlerin ortak üretimi yürütülmüştür. Üretimden sonra, karakterizasyon testleri sensör çipi içinde 10000 seviyesinde kalite faktörüne denk gelen vakum ortamı olduğunu göstermiştir (Sensör çipi içerisindeki basınç 10-100 mTorr arasındadır). İvmeölçer ve sıcaklık sensörlerinin eşzamanlı kapalı devrede çalıştırıldığı sistem-seviyesi sıcaklık testleri, 20 °C ve 60 °C arasında yürütülmüştür. Önerilen sıcaklık sensörü tasarımıyla, 730 ppm/K ve 636 ppm/K frekansın sıcaklık katsayısı (TCf) değerlerine ulaşılmıştır. Bu değerler, çift-taraflı sıkıştırmalı rezonatörler ile karşılaştırıldığında hassasiyette (TCf değerlerinde) 2.4 kata kadar, tek-ucu-serbest DETF rezonatörler ile karşılaştırıldığında 35 kata kadar iyileştirmeyi göstermektedir. Önerilen sıcaklık sensörü tasarımlarıyla saptanabilen en az sıcaklık 1.1 mK olarak raporlanmıştır. MEMS ivmeölçerlerin sıcaklık telafisi, ivmeölçerin çıkışının sıcaklık bağlılığı 1,164 µg/°C'den 1.4 µg/°C'ye düşürülerek 830 kat iyileştirmeyle sonuçlandırılmıştır. Bu tezde kullanılan MEMS ivmeölçerlerin gürültü değerleri 100 saniye entegrasyon zamanına kadar 10 µg offset kararsızlığı ve 13 µg/√Hz rastgele kaymayı göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, fabrication and characterization of a high performance, integrated, resonant MEMS temperature sensor, and temperature compensation of a capacitive MEMS accelerometer. Two different double-ended-tuning-fork (DETF) type resonator designs are developed and characterized for temperature sensing. The strain-amplifying beam structure is added to the DETF resonators in order to enhance thermal strain induced on the DETF tines due to the different thermal expansion coefficients of the substrate and the sensor structure. Two different supplementary temperature sensor designs have been demonstrated in order to compare the effectiveness of the strain-amplifying beam, i.e., the doubly-clamped DETF resonators, and one-end-free DETF resonators. Two DETF resonators with different geometric properties have been used in the temperature sensor designs in order to verify analytical equations representing the operation of DETF resonators as temperature sensors. Finite Element Analysis simulations (modal and thermo-mechanical) have been conducted for each of the temperature sensor designs. To realize real-time data acquisition from the temperature sensors, a read-out circuit which sustains self-resonance of the DETF resonators has been designed and demonstrated with the circuit simulations. The co-fabrication of the MEMS temperature sensors and MEMS accelerometer have been demonstrated by on-chip integration of the devices. This integration enables precise temperature measurements by removing the thermal lag between the temperature sensor and the MEMS accelerometer to be temperature-compensated. After fabrication, characterization tests have pointed out a good vacuum environment (pressure inside the sensor dies in range of 10-100 mTorr) which corresponds to quality factors in the order of 10000. The system-level temperature tests (from -20 °C to 60 °C) are done while the accelerometer and two temperature sensors were simultaneously operated in closed-loop. Temperature coefficient of frequency values (TCf) of 730 ppm/K and 636 ppm/K have been achieved with the proposed temperature design, which reveals an improvement in sensitivity (TCf) up to 2.4 times when compared to doubly-clamped DETF resonators, and an improvement up to 35 times improvement when compared to the one-end-free DETF resonators. Minimum detectable temperature attained with the proposed temperature sensor designs has been reported as 1.1 mK. The temperature compensation of MEMS accelerometer has resulted in an improvement up to 830 times by reducing the temperature dependence of the accelerometer output from 1164 µg/°C to 1.4 µg/°C. The noise performances of the MEMS accelerometers used in this study points out bias instability of 10 µg up to integration time of 100 seconds, and the velocity random walk of 13 µg/√Hz.
Benzer Tezler
- Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements
Gerçek zamanlı kütle, özkütle, viskozite ve pıhtılaşma ölçümleri için mikroçubuk tabanlı mikroakışkan algılayıcılar
ONUR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Slim design of power supply unit for OLED TV by using half bridge llc resonant converter topology
Yarım köprü llc rezonant çevirici topolojisi kullanarak OLED TV için ince güç kaynağı ünitesi tasarımı
SAMET KURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKTÜRK POYRAZOĞLU
- Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Design and application of half-bridge LLC resonant converter using reinforcement learning control
Pekiştirmeli öğrenme kontrollü yarım köprü LLC rezonans dönüştürücü tasarımı ve uygulaması
MUHAMMET KILIÇTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH BARIŞ ÖZTÜRK
- Amaca uygun olarak yansıma ve iletim karakteristikleri değiştirilebilen yapısal yüzey malzemesi
Design for the structural surface material at which reflection and transmission characteristics can be controlled
BORA DÖKEN
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL