Mems gyroscopes with capacitive enhancement
Kapasitif iyileştirilmiş mems dönüölçerler
- Tez No: 725938
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, 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: 111
Özet
Bu tez, düzlem içi tahrik hareketine sahip MEMS dönüölçerleri için yeni bir kapasitif iyileştirme yaklaşımının geliştirildiğini bildirmektedir. Çalışma, MEMS cihazının tasarım, üretim, üretim sonrası işlem ve test adımlarını ve kapasitif iyileştirme düzeneğini içermektedir. Dönülöçer, elmas şeklindeki bir bağlaşım mekanizması ile birbirine bağlanan iki özdeş kütleden oluşur. Bu bağlaşım mekanizması, sürüş modunda mod düzenlemesi sağlar. Dönüölçer, algılama modunda daha yüksek deplasmanlar elde etmek için mod eşlenebilir olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu nedenle, algılama modu rezonans frekansı, sürüş modundan daha yüksek seçilmiş, böylece frekans ayarlama elektrotları, frekansları birbirine eşleyecek şekilde ayarlayabilir. Bunun yanı sıra, mekanik gürültüyü azaltmak için yapı, arttırılmış sismik kütlesi ile geleneksel dönüölçerlerden daha büyük ve kalın olacak şekilde tasarlanmıştır. Daha büyük kapasitif alan sağlayan daha kalın yapıya rağmen, silikon aşındırmadaki en boy oranı, minimum kapasitif boşluğu sınırlar ve daha yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) değerlerine ulaşılmasını engeller. Bu nedenle, elde edilebilecek minimum boşluk sınırlamasını ortadan kaldırmak için bir üretim sonrası işlem yaklaşımı geliştirilmiştir. Hem sürüş hem de algılama elektrotları, en-boy oranı sınırları içinde olacak şekilde tasarlanmış ve üretimden sonra üretim sonrası işlem gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan yapı, COMSOL ortamında simülasyonlar yapılarak doğrulanmıştır. Dönüölçerin üretimi ODTÜ MEMS Merkezi'nde gerçekleştirilmektedir. Bir SOI alttaşı cihaz katmanı olarak işlenir ve yapıştırma bölgeleri (ankorlar) ve elektrot kablajı sağlayan bir alt tabaka alttaşına bağlanır. Üretilen cihazlar 48 mm x 21 mm ayak izine ve 400 μm kalınlığa sahiptir. Dönüölçerlerin sürüş modu kapasitif boşlukları, oluşturulmuş okuma elektroniği devreleri ile vakum ortamında üretim sonrası işlemden önce test edilmiştir. Kalite faktörü, sürüş modu için sırasıyla 0.075 mTorr altında 700-800 arasında bulunmuştur. Üretim sonrası işlem gerçekleştirildikten sonra, algılama elektrotlarının 25 μm olan kapasitif boşlukları 1,4 μm'ye düşürülmüş ve sürüş parmak yapıları ortalama 5,5 μm boşlukla devreye alınmıştır. Sonuç olarak, algılama elektrotlarında başlangıçtaki seviyeye göre yaklaşık 11,5 kat kapasitans artışı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis reports development of a novel capacitive enhancement approach for MEMS gyroscopes with in-plane drive motion. The study includes design, fabrication, post-processing, and test steps of the MEMS device and enhancement setup. The gyroscope consists of two identical masses which were connected by a diamond shape coupling mechanism. This coupling mechanism provides mode ordering in drive mode. The gyroscope is designed to be mode-matched in order to achieve higher displacements in the sense mode. Therefore, the sense mode resonance frequency is selected higher than drive mode so that the dedicated frequency tuning electrodes can adjust the frequencies to match them. Beside from that, to decrease the mechanical noise the structure is designed to be larger and thicker than the conventional gyroscopes with a boosted proof mass. Despite the thicker structure providing larger capacitive area, the aspect ratio in the silicon etching limits the minimum capacitive gap and obstruct reaching higher signal-to-noise ratio (SNR) values. Therefore, a post-processing approach is developed to eliminate the minimum achievable gap limitation. Both drive and sense electrodes are designed to be within the limits of the aspect ratio and both drive and sense electrodes are post-processed after the fabrication. The designed structure is verified by performing simulations in the COMSOL environment. The fabrication of the gyroscope is conducted in the METU MEMS Center. The device layer of an SOI wafer is micromachined and bonded to a substrate wafer which provides bonding regions (anchors) and electrode wiring. The fabricated devices have a footprint of 48 mm x 21 mm with a 400 μm thickness. The drive capacitive gaps of the gyroscopes are tested before the post-processing in a vacuum environment with the constructed read-out electronics. The quality factors are between 700-800 under 0.075 mTorr for the drive mode. After the capacitive enhancement, the 25 μm capacitive gaps of the sense electrodes are enhanced to 1.4 μm and drive fingers are engaged with an average gap of 5.5 μm. As a result of the capacitive enhancement process, the achieved capacitance increase in the sense mode is approximately 11.5 times with respect to the initial value.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- A mems vibrating ring gyroscope with on-chip capacitive stress sensors for drift compensation
Uzun dönem sapma doğrulaması için çip içi kapasitif stres sensörlü mems titrek halka dönüölçeri
BAHA ERİM UZUNOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ERDİNÇ TATAR
- Silicon surface micromachined gyroscopes using mems technology
Mems teknolojisi ile silisyum yüzey mikroişlenmiş jiroskoplar
SAİD EMRE ALPER
Yüksek Lisans
İngilizce
2000
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAYFUN AKIN
- High performance MEMS gyroscopes
Yüksek performanslı MEMS dönüölçerler
KIVANÇ AZGIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN