MEMS resonant temperature sensing with variable coupling stiffness and improved sensitivity
Yüksek çözünürlüklü, değişken eşlenik yay sabitli titreşim tabanlı MEMS sıcaklık sensörü
- Tez No: 650230
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN, DR. ÖĞR. ÜYESİ EMRE YÜCE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 102
Özet
Bu tez, geliştirilmiş hassasiyete sahip bir rezonant tabanlı MEMS sıcaklık sensörünün tasarımını, modellemesini, imalatını ve karakterizasyonunu sunmaktadır. Sıcaklık sensörü elektrostatik olarak bağlı çift sonlu ayar çatalı (DETF) MEMS rezonatör içerir. Sensör, sıcaklık değişimini tespit etmek için termal genleşme katsayısı farkı prensibini kullanır. Tasarım, her birinin her iki tarafında iki kapasitif plakaya sahip olan 2 rezonatör çatalından oluşur. Rezonatörün iç kısmında birbirine bakan kapasitif plakalar çalışmanın can alıcı noktası olan elektrostatik bağlantı için kullanılır. Negatif elektrostatik bağlantı sertliği mod sıralamasını sağlar. Mod sıralaması ile sensör, daha yüksek hassasiyet elde etmek amacıyla faz dışı mod için sınır yapışma gerilimine çok yakın çalıştırılabilir. Denklemlerle çalışma mekanizmaları açıklanan dış kapasitif plakalar çalıştırma ve algılama için kullanılır. Analitik model, mod şekilleri ve karşılık gelen doğal frekanslar için termo-elektro-mekanik denklemlerle sunulur. Model, ilgili modlarının rezonans frekansları karşılaştırılarak sonlu eleman analizi ile doğrulanır. Sonlu eleman analizinde, elektrostatik bağlanmanın etkileri, çeşitli gövde kütle voltajı konfigürasyonları için termal genleşme fizik düğümü dahil edilerek parametrik taramayla gösterilmiştir. Isıl genleşme dahil edilerek, sıcaklık artışının etkisi modal analizde ilgili modlardaki frekans kayması olarak gösterilir. Karakterizasyon testleri vakum ortamında gerçekleştirilir. Zıt fazlı mod için kalite faktörü, 0.15mTorr civarındaki bir basınçta yaklaşık 25500'dür. Rezonatörün ilgili modu için rezonans frekansları analitik modele ve FEM simülasyon sonuçlarına yakındır. Elektrostatik yumuşatma etkisinin etkisi aynı ve zıt işarete gövde kütle voltaj konfigürasyonları için araştırılmıştır. Zıt işaretli kütle gövde voltajı yapılandırması için 6V'den 20V'ye frekans değişimi, sırasıyla faz dışı ve faz içi için sırasıyla 3063Hz ve 666Hz'dir. Aynı işaretli gövde kütle voltajı konfigürasyonu için, rezonans frekans değişimi 579Hz'tir. 25°C'den 65°C'ye sıcaklık artışı için faz dışı mod ve faz içi mod frekansı değişiklikleri, VPM1=20V ve VPM2=-20V için 1078Hz ve 988 Hz'dir. Aynı gövde kütle voltajı konfigürasyonu için (VPM1 = 20V ve VPM2 = 20V), frekans değişimi 986Hz'dir. Zıt işaretli gövde kütle voltaj konfigürasyonunun faz içi mod frekansına çok yakın olsa da beklendiği gibi daha düşüktür. Genel sıcaklık hassasiyetleri frekans yanıtı grafiklerinin maksimumlarından elde edilniştir. Zıt işaretli gövde kütle konfigürasyonu için faz dışı ve faz içi sıcaklık hassasiyetinin 8V'tan 20 V'a doğru olan gerilim artışı ile, sırasıyla, 24.4 Hz/K'den, 26,5 Hz/K'e ve 24 Hz/K'den, 24,4Hz/K'e arttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma, kütle voltaj geriliminin, sınır yapışma gerilimine yakınlaştırılarak, bağlantı sertliği değiştirilmesi ve mod sıralaması ile sıcaklık hassasiyetinin artırılabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, modelling, fabrication and characterization of a resonance based MEMS temperature sensor with improved sensitivity. The temperature sensor is composed of an electrostatically coupled double ended-tuning fork (DETF) MEMS resonator. The sensor utilizes the thermal expansion coefficient difference of the materials to detect the temperature change. The design consists of 2 resonator tines where each of them has two capacitive plates on each side. The capacitive plates facing each other on the inner side of the resonators are used for the electrostatic coupling, which is the crucial point of the study. The negative electrostatic coupling stiffness generated between these tines enables mode-ordering. By mode-ordering, the sensor can be operated closer to pull-in in order to achieve higher sensitivity for the out-of-phase mode. The outside capacitive plates are used for actuation and sensing, whose mechanisms are explained with the equations. The analytical model is presented with the thermo-electro-mechanical equations for the mode shapes and their corresponding natural frequencies. The model is verified by the Finite Element Analysis by comparing the resonance frequencies of the modes of interests. In FEM analysis, the effects of the electrostatic coupling are shown with the parametric sweep for the various proof mass voltage configurations with the thermal expansion physics node included. Having the thermal expansion, the effect of the temperature increase is shown in the modal analysis as the frequency shift in the mode of interests. The characterization tests are performed in a vacuum environment. The quality factor for the out-of-phase mode is about 25500 at a pressure of around 0.15mTorr. Resonance frequencies for the mode of interests of the resonator are close to the analytical model and the FEM simulation results. The effect of the electrostatic softening effect is investigated for the same, and the opposite sign proof mass voltage configurations. The frequency change for the opposite sign proof mass configuration from 6V to 20V is 3063Hz and 666Hz for out-of-phase and in-phase, respectively. For the same proof mass configuration, the resonance frequency shifts 579Hz. The out-of-phase mode and the in-phase mode frequency changes for the temperature increase from 25°C to 65°C are 1078Hz and 988 Hz for the VPM1=20V and VPM2=-20V. For the same proof mass configuration (VPM1=20V and VPM2=20V), the frequency change is 986Hz, still lower than the in-phase mode frequency of the opposite sign proof mass voltage configuration but very close as expected. The overall sensitivities are obtained using the maxima of the frequency response plots. For the opposite sign proof mass configuration, out-of-phase mode and in-phase mode temperature sensitivity are increased from 24.4Hz/K to 26.5Hz/K and 24Hz/K to 24.4Hz/K, respectively, with the voltage increase from 8V to 20V. This study shows that the temperature sensitivity can be increased by varying coupling stiffness by adjusting the proof mass voltages close to pull-in voltage and mode-ordering.
Benzer Tezler
- Development of an integrated resonant mems temperature sensor
Entegre rezonant mems sıcaklık duyargası geliştirilmesi
TALHA KÖSE
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- A low-drift silicon mems resonant accelerometer
Düşük sabit kayma hatası kaymasına sahip silisyum tabanlı rezonant ivmeölçer
HASAN DOĞAN GAVCAR
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- High-performance readout circuit for resonator-based MEMS accelerometer using digital control loop
Dijital kontrol döngüleri kullanarak MEMS titreşen yay tipi ivmeölçer için yüksek performanslı okuma devresi geliştirilmesi
MUHAMMAD ALI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Development of a parylene bonding based fabrication method for MEMS gravimetric resonant based mass sensors
MEMS gravimetrik tınlaşım esaslı kütle algılayıcıların üretimi için parylene pul bağlama yöntemini esas alan yeni bir üretim akışının geliştirilmesi
FURKAN GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- A readout circuit for resonant mems temperature sensors
Rezonans mems sıcaklık sensörleri için okuma devresi
HAMED ASADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN