Design, simulation and fabrication of a MEMS based levitated platform for laser scanner applications
Lazer tarayıcı uygulamalarına yönelik MEMS tabanlı havalandırılmış platformun tasarımı, simülasyonu ve üretimi
- Tez No: 473280
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Bu tezde lazer tarayıcı uygulamaları için MEMS tabanlı bir havalandırılmış platformun tasarımı, simülasyonları ve üretimi sunulmuştur. Platformun havalandırılması için elektrostatik algılama ve eyleme mekanizmaları kullanılmıştır. Literatürde farklı uygulamalara yönelik çok sayıda lazer tarayıcı bulunmaktadır. Bu tarayıcıların tamamı, mekanik olarak asılan ışığa yön veren bir yapının pozisyonun kontrol edilmesine dayanmaktadır. Bu yapıların mekanik olarak bağlı olması tarayıcıların ulaşabildiği maksimum tarama açılarını sınırlandırmaktadır. Bu çalışma lazer tarayıcı uygulamalarına yönelik havalandırılmış bir platformu anlatmaktadır. Önerilen cihazın temelindeki motivasyon 360 derece tarama açısına sahip olmasıdır. Tasarlanan yapı iki adet stator ve bir adet rotordan oluşmaktadır. Stator üzerinde algılama ve eyleme için tanımlanmış elektrot yapıları bulunmaktadır. Eyleyici ve algılayıcı mekanizmaların matematiksel modelleri geliştirilmiştir. Rotorun 5 eksen üzerindeki hareketini modelleyen denklemler, kütle-yay-sönümleyici modeli kullanılarak sunulmuştur. Rotor üzerindeki damper ve yay etkileri sıkışan hava ve kayan hava modellerini kullanarak tanımlanmıştır. Rotorun 5 eksendeki hareketlerini voltaja çeviren kapasitif bir okuma devresi tasarlanmıştır. Rotorun stabil olarak havalandırılması için kapalı döngü kontrolcüler tasarlanmıştır. Kontrolcü tasarlanması için doğrusal olmayan ve birbirleriyle bağımlı olan rotor hareket denklemleri bağımsız hale getirilmiş ve rotorun nominal konumu çevresinde doğrusallaştırılmıştır. Bunu takiben root locus yöntemi ile kontrolcü parametreleri belirlenmiştir. Rotor üzerindeki damper ve yay etkileri dış basınca bağlı olduğu için kontrolcüler hem atmosferik hem de vakum çalışma şartları için tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin çalışabilirliği, doğrusal olmayan ve bağımlı rotor hareket denklemleri kullanılarak oluşturulan Simulink simülasyonunda gösterilmiştir. Algılama ve kontrolcü devreleri için kullanılan elektronik bileşenlerin oluşturduğu gürültü modellenmiştir. Eşdeğer voltaj gürültüsü hesaplanıp, rotor pozisyonu üzerindeki etkisi sunulmuştur. Önerilen yapının üretimi tamamlanmıştır. Stator yapıları 6 katmanlı devre kartından üretilmiştir. Rotor ise Silisyum üzeri yalıtkan (SOI) pul kullanılarak üretilmiştir. Rotorun yarıçapı 11300 μm ve rotorun kalınlığı 80 μm'dir. Üst ve alt statorlar birbirlerine 0.5 mm çapında toplar kullanılarak hizalanmıştır. Kapalı devre deneyler atmosferik koşullarda gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents design, simulation and fabrication of a MEMS based levitated platform for laser scanner applications. Electrostatic detection and actuation are utilized for levitation of the platform. There are a number of laser scanners presented in the literature for several applications. All of the scanners in the literature are based on a mechanically suspended structure, which redirects a light source. Mechanical connection of those structures limits the maximum achievable scan range. This work represents a levitated platform for laser scanner applications. The main motivation behind the proposed structure is to achieve 360 degrees of scan range. Designed structure consists of two stator and a rotor. There are set of actuation and sense electrode structures defined on each stator. Mathematical models for actuation and detection mechanisms for levitation are derived. Equations of motion of the rotor are obtained using mass-spring-damper model. Damping and stiffness acting on the rotor are modeled using squeeze film and slide film damping models. A capacitive readout circuitry is designed to convert rotor motion to voltage signals for each 5 axis. To achieve stable levitation of the rotor, closed loop controllers are designed for each of 5 axes. For controller design, nonlinear and coupled equations of motions of rotor are decoupled and linearized around the nominal position of rotor. Following that, root locus design techniques are utilized to determine controller parameters. Since damping and stiffness acting on the rotor highly depends on ambient pressure, controllers are designed for both in air and in vacuum operation conditions. Robustness of designed controllers are verified by Simulink simulations, which utilizes nonlinear and coupled equations of motions. Noise generated by the controller and sense electronics are modeled. Equivalent voltage noise is calculated and its effect on position of rotor along 5 axes is discussed. Fabrication of the proposed structure is performed. Stator structures are manufactured from a 6 layer PCB. Rotor, on the other hand, is fabricated using a SOI wafer. Rotor has a radius of 11300 μm and a thickness of 80 μm. Two stators are aligned with respect to each other by using bearing-balls with a diameter of 0.5 mm.
Benzer Tezler
- A MEMS-based microtensile testing method for Si nanowires
Si nanoteller için MEMS temelli mikrogerme test yöntemi
BERKAY GÜMÜŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- Design, fabrication and characterization of micromachined THz absorbers
Mikro ̇ıslenmis THz emicilerin tasarımı, Üretimi ve karakterizasyonu
AYDA MAMAGHANİ
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- Design, analysis, simulation and optimization of a MEMS Lorentz force magnetic field sensor for biosensing of biowarfare agents
Biyolojik savaş ajanlarının tespit uygulamaları için Lorentz kuvveti temelli manyetik alan sensörünün tasarımı, analizi, simülasyon ve optimizasyonu
EMİNE RUMEYSA YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- A new MEMS approach for spirometers
Spirometrelerde yeni bir MEMS yaklaşımı
SAHAR HABIBIABAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
BiyomühendislikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YEŞİM SERİNAĞAOĞLU DOĞRUSÖZ
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA İLKER BEYAZ
- Design, fabrication and implementation of a vibration based MEMS energy scavenger for wireless microsystems
Kablosuz sistemlere yönelik titreşim tabanlı bir mikro enerji üretecenin tasarımı, üretemi ve uygulanması
İBRAHİM SARI
Doktora
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUNA BALKAN
YRD. DOÇ. HALUK KÜLAH