An in-plane MEMS gyroscope with adjustable sensitive axis
Ayarlanabilir hassas eksenli düzlem içi MEMS dönüölçer
- Tez No: 706496
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 165
Özet
Bu tez, maytagging ve carouseling metotlarını herhangi bir döner platforma ihtiyaç duymadan gerçekleştirebilen bir dönüölçerin, tasarımını, üretim adımlarını ve testlerini sunmaktadır. Duyarga aynı düzlem üzerinde birbirine dik, ayrıştırılmış sismik kütleye bağlı iki eş sürüş eksenine ve bu eksenlere dik olan algılama eksenine sahiptir. İki ayrı sürüş ekseni birbirinden bağımsız sürülebilmektedir. Bu yüzden eksenlerin sürüş genlikleri, fazları ve frekansları ayarlanarak sismik kütlenin hareket şekli ayarlanabilmektedir. Böylelikle carouseling ve maytagging metotları, sürüş eksenleri ile aynı düzlemde olan algılama ekseni değiştirilerek uygulanabilir. Dönüölçer kuzey bulma performansını etkileyen en sınırlayıcı faktör olan dönüölçer belirsizliğini en düşük değere indirmek amacıyla tasarlanmıştır. Bunu gerçekleştirmek için literatürde yer alan dönüölçerlere göre dönüölçerin boyutu arttırılmıştır. Ayrıca sürüş ve algılama eksenlerinin rezonans frekanslarını eşlemek ve sinyal gürültü oranını arttırmak için frekans eşleme elektrotları yerleştirilmiştir. Duyarganın kapladığı alan 20 x 20 mm, kalınlığı ise 400 µm'dir. Teorik hesaplamalara ek olarak, algılama ve sürüş modu frekansları arasındaki ne kadar fark olması gerektiğini belirlemek ve modların frekanslarını doğrulamak için sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Bu büyüklükte bir dönüölçeri üretebilmek için farklı üretim metotları denenmiştir ve DRIE ve yapıştırma adımları için optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Üretim adımlarında cihaz katmanını oluşturmak amacıyla SOI pul, destek katmanını oluşturmak için cam ve SOI pullar denenmiştir. Kalınlığı 400 µm ve en küçük açıklığı 12 µm olan cihaz katmanı için DRIE süreci parametreleri süreç içerisinde değişken olacak şekilde optimize edilmiştir. Yapılan optimizasyon çalışmalarında parmak yapılarında herhangi bir kapanma ve çimlenme sorunu olmayacak şekilde parametreler ayarlanmıştır. Sonrasında pullar Si-Au ötektik formasyonu kullanılarak birbirlerine yapıştırılmışlardır. Üretim tamamlandıktan sonra, vakum ve atmosfer koşullarında, iki farklı imalat yöntemi için duyarga karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Fakat yapılan çalışmalarda sismik kütlenin büyük olması sebebi ile sismik kütlenin tabandaki altın elektroda yapışma problemi ile karşılaşılmıştır. SOI pul iletken Si elektrotlarına izin verdiğinden, önerilen üretim sürecinde yalnızca SOI destek katmanına sahip cihazlar başarı ile üretilebilmiştir. İki farklı sürüş ekseni için rezonans frekansları 11762.5 Hz ve 11599.2 Hz olarak bulunmuştur. Algılama modu rezonans frekansı 12545.4 Hz olarak bulunmuştur. Son olarak, üretilen dönüölçer için orantı katsayısı, atmosferik basınç altında iki farklı hassas eksen için 10.4 µV/(derece/saniye) ve 12.82 µV/(derece/saniye) olarak ölçülmüştür.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, fabrication, and test steps of a gyroscope that can perform the maytagging and carouseling without the need for a rotary platform. The sensor has two orthogonal, decoupled, and identical drive axes connected to the same proof mass, and there is a sense axis orthogonal to both of these drive axes. The drive axes can be driven independently; hence, the motion path of the proof mass can be adjusted by adjusting the frequencies, amplitudes and phases of the driving signals. Thus, carouseling and maytagging methods can be applied by changing the direction of the sensitive axis, which is in the same plane with the drive axes. The gyroscope is designed to minimize measurement uncertainty. To achieve this, the structure is scaled up compared to the reported studies in the literature, and frequency tuning electrodes are placed to match the frequencies of the sense and the drive axes to reduce the signal-to-noise ratio. The footprint of the sensor is 20 x 20 mm with a thickness of 400 µm. In addition to theoretical design, finite element analyses were performed to verify the frequencies of the driving and sensing modes to determine the amount of the frequency split between the drive and the sense modes. Different fabrication methods have been studied, and optimization studies for DRIE and wafer bonding have been carried out to fabricate a gyroscope of this size and thickness. In the fabrication steps, SOI wafers were used to form the device layer, whereas for the substrate layer both glass and SOI wafer options are tried. The DRIE process parameters were optimized for 400 µm device thickness with a minimum gap of 12 µm. In the optimization studies, ramped process parameters were fine tuned to solve etch termination and grassing problems. Then, the fabricated device and substrate wafers were bonded with Si-Au eutectic formation. After fabrication was completed, sensor characterization had been performed for the two different substrates in both vacuum and atmosphere conditions. Due to the size of the proof mass, these trials suffered from stiction of proof mass to the thin film Au substrate electrodes. Since the SOI substrates allow conductive Si electrodes, only devices with SOI substrates survived the proposed fabrication process. Resonance frequencies of the fabricated device were found as 11762.5 Hz and 11599.2 Hz for the two drive axes. Sense mode resonance frequency was found to be 12545.4 Hz. Finally, the scale factor for the fabricated gyroscope was measured for orthogonal sensitive axes as 10.4 µV/(deg/sec) and 12.82 µV/(deg/sec) under atmospheric conditions.
Benzer Tezler
- Mems gyroscopes with capacitive enhancement
Kapasitif iyileştirilmiş mems dönüölçerler
EMRE ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Mini insansız hava araçları için bir fırçasız motor test sistemi geliştirilmesi
Development of a brushless motor test system for mini unmanned air vehicles
EZGİ ÇAKICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN DINDIŞ
- Navigasyon hassasiyetini arttırmak için ataletsel ölçüm birimine tamamlayıcı filtre uygulanması
Implementation of complementary filter to inertial measurement unit to increase navigation sensitivity
MEHMET EMİN OKUDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
- Improvements for chip-chip interconnects and mems packaging through materials and processing research
Başlık çevirisi yok
ERDAL UZUNLAR
- MEMS based ultrasonic gas sensor with universal sensing capability
MEMS tabanlı evrensel ölçüm kabiliyetine sahip ultrasonik gaz sensörü
DERİN ERKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDİNÇ TATAR