A low-drift silicon mems resonant accelerometer
Düşük sabit kayma hatası kaymasına sahip silisyum tabanlı rezonant ivmeölçer
- Tez No: 785615
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 161
Özet
Bu tez çalışması, taktik seviye uygulamalar için sabit kayma hatası sıcaklıkla az değişen silisyum tabanlı rezonant ivmeölçerlerin tasarımını, üretimini ve deneysel olarak doğrulanmasını sunmaktadır. Silisyum tabanlı rezonant ivmeölçerin çalışma prensibi kuvvet algılamaya dayanmaktadır ve sensör çıkışı uygulanan ivme ile değişen bir frekans değeridir. Stresten etkilenmeyen bir sensör tasarımı, silisyum ile camın sıcaklıkla genleşme katsayısı farkından dolayı oluşan stresin ivmeye duyarlı rezonatörleri etkilemesini önler. Bu tez kapsamında, üç farklı silisyum tabanlı rezonant ivmeölçer yapısı tasarlanmış, üretilmiş karakterize edilmiş ve frekans okuma devresi ile test edilmiştir. İlk sensör tasarımı, diferansiyel olarak yerleştirilmiş iki adet rezonatör ve sabit bir dış çerçeveye bağlı büyük bir ataletsel kütleden oluşmaktadır. İkinci sensör yapısı ise, ilk sensör yapısına ek olarak algılama yapan rezonatöre etkiyen kuvveti artırmayı sağlayan mikro kaldıraç yapılarını içermektedir. İlk iki sensör yapısı stresi sönümleyen özel tasarlanmış yaylar içermesine rağmen, üretim sonrası sabit dış çerçevenin ataletsel kütle üzerinde yarattığı stresten oldukça etkilenmiştir. Üçüncü sensör yapısında, ilk iki sensör tasarımında karşılaşılan stres problemini ortadan kaldırmak amacıyla ataletsel kütle tek bir sabit çapa üzerine özel bir şekilde yerleştirilmiştir. Sensör tasarımları sonlu elemanlar yöntemi ile mod yapıları, ivme hassasiyeti ve sıcaklık hassasiyeti bakımından simüle edilmiştir. Tasarlanan sensörler aMEMS1 üretim prosesi ile pul seviyesi vakum paketlenerek üretilmiştir. Üretilen sensör çipleri, kapasitif ön okuma devresi ve sayısal işaret işleyici tabanlı faz kilitlemeli döngü devresi ile birleştirilmiştir. İvmeölçerlerin fonksiyonelliği rozanans ve döndürerek yer çekimi ivmesi uygulama testleri ile doğrulanmış, performans değerleri ise sıcaklık ve Allan varyans testleri ile sabit kayma hatası kararlılığı ve sıcaklıkla değişimi bakımından ölçülmüştür. Test sonuçlarına göre, tek çapa yapısına sahip silisyum tabanlı rezonant ivmeölçerin oda sıcaklığında, 33 Hz bant genişliği için sabit kayma hatası kararsızlığı değeri 1.25 µg, sabit kayma hatası kararlılığı değeri 2.8 µg, sabit kayma hatası tekrarlanabilirliği değeri 6.6 µg, hız rastgele yürüyüş hatası değeri 6.1 µg/√Hz, -40 °C ile +85 °C arasında sabit kayma hatasının sıcaklıkla maksimum değişimi 4.3 mg'dir. Tasarlanan sensör ölçüm aralığı, 500-ppm doğruluktan sapma sınırı içinde minimum ±60g'ye kadardır. Elde edilen sonuçlar Mikrosistemlerin ürün olarak geliştirdiği kapasitif MEMS ivmeölçerler ile karşılaştırıldığında, sabit kayma hatasının sıcaklıkla değişiminde en az 25 kat, sabit kayma hatası karasızlığı değerinde 7 kat, sabit kayma hatası kararlılığı değerinde 112 kat, gürültü değerinde ise 2 kat iyileşme vardır. Daha da önemlisi, test edilen kapasitif MEMS ivmeölçerin sabit kayma hatası değeri kontrollü 25 °C sıcaklıkta 50 dakika içinde 1.7 mg kayarken, bu çalışmada geliştirilen silisyum tabanlı rezonant ivmeölçerin sabit kayma hatası değeri sıcaklık kontrolsüz ortamda 10 saat sonunda 0.25 mg'den daha az kaymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, fabrication, and experimental verification of low temperature drift silicon resonant accelerometers for tactical grade applications. The working principle of a silicon resonant accelerometer is based on force sensing, in which the sensor output is a frequency proportional to the input acceleration. The stress-insensitive sensor design prevents the thermal stress produced by the mismatch of the thermal expansion coefficients (CTE) of glass and silicon from transmitting to the DETF resonators. In the scope of this thesis, three different silicon resonant accelerometer structures are sequentially designed, fabricated, characterized, and tested with the frequency readout circuit. The first sensor structure consists of two differential DETF resonators and a large proof mass connected to a stationary outer frame. The second sensor structure utilizes microlevers to magnify the inertial force acting on the DETF resonators in addition to the sensor frame of the first sensor structure. Although specially designed stress release beams are implemented in the first and second sensor structures, they suffer from thermal stress caused by the stationary outer frame after fabrication. In the third sensor design, the sensor structure is placed on a specially designed single anchor to overcome the stress problem encountered in the first two sensor designs. The FEM simulations are performed to analyze and optimize the mode shapes, force sensitivity, and temperature sensitivity of the sensor structures. The designed resonant accelerometers are fabricated using the aMEMS1 process with wafer-level hermetic encapsulation. The fabricated sensor chips are integrated with the capacitive preamplifier and digital signal processor (DSP)-based phase-locked-loop (PLL) system implemented on a Zurich Instrument HF-2 lock-in amplifier. The functionalities of the accelerometers are verified by the resonance and 4-point tumble tests, and their performances are experimentally evaluated in terms of thermal sensitivity and bias stability by temperature and Allan variance tests. Test results show that the single-anchor silicon resonant accelerometer achieves a bias instability of 1.25 µg, a bias stability of 2.8 µg, a bias repeatability of 6.6 µg, a velocity random walk of 6.1 µg/√Hz for the sensor bandwidth of 33 Hz at room temperature, and a maximum bias change of 4.3 mg for the temperature range from -40 °C to +85 °C. It has a measurement range up to ±60 g with a 500-ppm deviation from the linear scale range. Compared to the commercial capacitive MEMS accelerometer developed by Mikrosistemler, the silicon resonant accelerometer developed in this work exhibits at least a 20-fold improvement in bias temperature sensitivity, a 7-fold improvement in bias instability, a 112-fold improvement in bias stability, and a 2-fold improvement in noise floor. More importantly, although the bias of the commercial capacitive MEMS accelerometer tested in this study moves 1.7 mg in 50 minutes at constant 25°C, the bias of the silicon resonant accelerometer shifts less than 0.25 mg in 10 hours at ambient temperature.
Benzer Tezler
- A tactical grade MEMS accelerometer
Taktik seviye MEMS ivmeölçer
İLKER ENDER OCAK
Doktora
İngilizce
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Capacitive cmos readout circuits for high performance MEMS accelerometers
Yüksek performans MEMS ivmeölçerler için sığasal cmos okuma devreleri
REHA KEPENEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
YRD. DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- MEMS gyroscopes for tactical-grade intertial measurement applications
Taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için MEMS dönüölçerler
SAİD EMRE ALPER
Doktora
İngilizce
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Silicon carbide based nanoelectronic and optoelectronic devices for harsh environment applications
Zorlu ortam uygulamaları için silikon karbür bazlı nanoelektronik ve optoelektronik cihazlar
HABEEB MOUSA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER
- Hidrojenlendirilmiş amorf silisyum ve silisyum-karbon alaşımlarında ışık ile yaratılan yarı-kararlı kusurların incelenmesi
Light-induced metastable defect studies in hydrogenated amorphous silicon and silicon-carbon alloys
ALP OSMAN KODOLBAŞ
Doktora
Türkçe
1999
Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN ÖKTÜ