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
- Tez No: 774641
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 187
Özet
Bu çalışma, düşük sıcaklık ve güç kaynağı bağımlılığına sahip yüksek performanslı bir rezonant ivmeölçer için yeni bir düşük güç tüketimine sahip dijital tabanlı okuma devresi önermektedir. Okuma devresi, küçük hareket akımını okunabilir voltaja dönüştüren, daha sonra dijital alanda genlik ve frekans çıkarımını gerçekleştirmek için 16 bitlik bir ADC kullanılarak dijital alana dönüştürülen bir şarj algılayıcı ön amplifikatör aşaması kullanır. Sensör çıkışını sabit bir değerde tutmak için Oransal-İntegral (PI) denetleyici kullanılır. Frekans izleme, dijital alanda bir Faz-Kilitli-Döngü (PLL) uygulanarak gerçekleştirilir. Bu çalışmada kullanılan zaman ayarlı bir referans sinyal tekniği, PLL uygulaması için hesaplama gereksinimlerini azaltır. Demodüle edilmiş frekans ve genliğe dayalı olarak bir sürüş sinyali üretilir ve sinyali rezonatörlere aktarmak için bir dijitalden analoğa çevirici (DAC) kullanılır. Birkaç ivmeölçer sensörünün çip düzeyinde karakterizasyonu, bir dinamik sinyal analizörü (DSA) ile gerçekleştirilir. Farklı sensör parametrelerini karakterize etmek için bir kilitli yükseltici cihazı kullanılır. Rezonatörlerin rezonans frekansını ve kazancını elde etmek için frekans tarama testleri yapılır. Kilitli yükseltici cihazı yazılımında bulunan PLL ve PI kontrolcüleri, sensörleri kapalı bir döngüde çalıştırmak için kullanılır. Dijital PCB üzerindeki testler, karakterize edilen rezonanslı MEMS ivmeölçerden biri kullanılarak gerçekleştirilir. Farklı ön gerilim koşulları altında rezonatörlerin rezonans frekansını elde etmek için bir frekans süpürme algoritması kullanılır: 3V ila 10V arası ataletsel kütle voltajı ve 0.1mV ila 1mV uyarma voltajı. Rezonatörlerin rezonans frekansı yaklaşık olarak 16485Hz ve 16720Hz'dir. Okuma devresi, rezonatörlerin rezonans frekansını doğru ve tekrar eden şekilde ölçer ve sonuçlar, sensör karakterizasyon sonuçlarıyla tutarlıdır. Frekans tarama testleri ayrıca yüksek bir uyarma gerilimi değerinin doğrusal olmayan bölgede rezonatörleri tahrik ettiğini gösterir. Okuma devresi ile hesaplanan ölçek faktörü, tüm ön gerilim koşulları altında kararlı olan 95Hz/g'dir. Her bir rezonatörün ölçüm hassasiyeti farklıdır: rezonatör 1 için 45Hz/g ve rezonatör 2 için 50Hz/g. Bu konfigürasyon ile, daha iyi bir MEMS ivmeölçer tasarımı ile daha da azaltılabilecek olan 9.7µg'lik bir sapma kararsızlığı değerine ulaşılır ve bu değer kilitli yükseltici cihazı ile elde edilen değere yakındır. Dışarıdan uygulanan temiz sinüs sinyali ile elde edilen gürültü değeri 0.3µg/√Hz'dir. Sistemin bant genişliği 68Hz'dir ve bu değer gürültü performansından feragat ederek iyileştirilebilir. Sıcaklık kompanzasyonu, sensörün sabit kayma hatası kararsızlığını 3 kat iyileştirir. Diferansiyel rezonatör tasarımı ideal olarak sıcaklığa karşı bağışıktır, ancak üretimde yaşanan sorunlar nedeniyle rezonatörlerin duyarlılığındaki fark, sensör verilerini sıcaklığa bağımlı hale getirir.
Özet (Çeviri)
This study proposes a new digital control loop-based compact readout circuit for a resonant MEMS accelerometer providing high performance with reduced temperature and power supply dependence while utilizing low processing power. The readout circuit utilizes a charge-sensing pre-amplifier stage that converts the small motional current to readable voltage, which is then converted to the digital domain using a 16-bit ADC to perform the amplitude and frequency extraction in the digital domain. A Proportional Integral (PI) controller is used to maintain the sensor output at a stable value. The frequency tracking is performed by implementing a Phase-Locked-Loop (PLL) in the digital domain. A timed reference signal technique used in this study reduces the computational requirements for the PLL implementation. A drive signal is generated based on the demodulated frequency and amplitude, and a DAC is used to transfer the signal to the resonators. Chip-level characterization of several resonant MEMS accelerometer sensors is performed with a dynamic signal analyzer (DSA). A lock-in-amplifier is used to characterize different sensor parameters. The frequency-sweeping tests are performed to obtain resonance frequency and gain of the resonators. The PLL and PI controllers, available in the lock-in-amplifier software, are used to operate the sensors in a closed loop. The digital PCB realization is performed using one of the characterized resonant MEMS accelerometers. A frequency-sweeping algorithm is used to obtain the resonance frequency of the resonators under different biasing conditions: 3V to 10V proof mass voltage and 0.1mV to 1mV excitation voltage. The resonance frequency of the resonators is approximately 16485Hz and 16720Hz. The readout circuit accurately and repeatedly measures the resonance frequency of the resonators, and the results are consistent with the sensor characterization results. The frequency-sweeping tests also show that a high value of excitation voltage drives the resonators in the non-linear region. The scale factor calculated with the readout circuit is 95Hz/g which is stable under all the biasing conditions. The sensitivity of the individual resonators is different: 45Hz/g for Resonator 1 and 50Hz/g for Resonator 2. This configuration achieves a bias instability of 9.7µg, which can be further reduced with a better MEMS accelerometer design, and this value is very close to the bias instability obtained using a lock-in-amplifier setup. Testing with a pure sine generator shows that this readout circuit can achieve a 0.3µg/√Hz noise level. The system's bandwidth is approximately 68Hz, which can be improved by sacrificing the noise performance. The temperature compensation improves the bias instability of the sensor by 3 times. The differential resonator design is ideally immune to temperature, but the difference in the sensitivity of the resonators due to fabrication-related problem make the sensor data dependent on the temperature.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- Design and electromechanical modeling of vertically stacked silicon nanowire arrays as coupled resonators
Üst üste yerleştirilmiş silisyum nanotel dizilerinin bağlaşımlı çınlaçlar olarak tasarımı ve elektromekanik modellemesi
İSMAİL YORULMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. B. ERDEM ALACA
- A versatile 5th order sigma-delta modulation circuit for MEMS capacitive accelerometer characterization
Kapasitif MEMS ivmeölçer karakterizasyonu için çok yönlü 5 dereceli sigma-delta modülasyon devresi
TUNJAR ASGARLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN