Oven controlled package for MEMS devices
MEMS cihazları için fırın kontrollü paketleme
- Tez No: 803063
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN, DOÇ. DR. ÖZGÜR BAYER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Bu tez, paket düzeyinde bir MEMS sensörü için bir sıcaklık kompanzasyon yaklaşımını rapor etmektedir. Araştırma, dahili bir kapalı devre sıcaklık denetleyicisi ile MEMS sensörünün vakum seviyesi paketinin tasarımını, modellenmesini, fabrikasyonunu ve karakterizasyonunu içerir. Tasarımın birincil amacı, MEMS sensörü için sıcaklık kontrollü bir ortam yaratmaktır. Bir sıcaklık kontrol yüzeyi oluşturmak için bir alümina malzeme seçilir. MEMS sensörü alümina tabanın üzerine konumlandırılır. Alümina taban üzerindeki ısıtma elemanları metal serilmesi ile oluşturulurken sıcaklık algılaması termistörler ile sağlanmaktadır. Paket, lehimleme yoluyla bir kapakla kapatılır ve iç boşluğu vakumlamak için bir bakır boru kullanılır. Kıstırma yöntemi, bakır boruyu kapatmak için kullanılır. Mevcut literatürden farklı olarak bu araştırma, sıcaklık kontrolünün yalnızca MEMS sensörü ile sınırlı olmadığını, aynı zamanda sinyal yükseltici devresini de kapsadığını öne sürmektedir. Bu nedenle alümina malzeme üzerinde oluşturulan trans-empedans yükseltici (TIA) devresi paketin arka tarafında, sıcaklık kontrol yüzeyinin karşı tarafında konumlandırılmıştır. Sonuç olarak, sıcaklık kontrol yüzeyi TIA devresi için de kullanıma hazır hale gelir. Sistemin ısıl modelini anlamak ve kapalı çevrim sıcaklık kontrolörü elde etmek için analitik bir model geliştirilmiştir. Analitik modele ek olarak, sonlu elemanlar modeli (FEM) temel birkaç sebep ile oluşturulur. İlki, üretime başlamadan önce sistemin tasarım kontrolü ve ısıtma elemanlarının paketi stabilize edebilmesinin sağlanmasıdır. İkincisi, test verilerini kullanarak ısı transfer katsayısını elde etmek ve bununla sistemin zamana bağlı davranışını analiz etmektir. Son olarak, kapalı döngü sıcaklık kontrolörünü sonlu elemanlar analizinden kullanarak oluşturmaktır. Sıcaklık kontrol yüzeyinin imalatı, trans-empedans yükselteç devresi, tüm elemanların uygulanması ve testleri ODTÜ MEMS Merkezi'nde yapılmaktadır. Test fazında, analitik model ve sonlu elemanlar modeli yaklaşımları kullanılarak MEMS sensörü tanımlanır. Sistem düzeyinde testler, çalışma sıcaklıkları bu aralık içinde tanımlandığından, 5 °C ile 35 °C arasında sıcaklık kontrolü olan ve olmayan bir iklim odasında gerçekleştirilir. 5 °C ile 35 °C arasında, MEMS sensörünün eş fazlı modunun rezonans frekansı, bir fırın kontrolü olmadığında 3120 Hz sapar. Tersine, kapalı devre bir sıcaklık kontrol cihazında rezonans frekansının sapması 380 Hz'dir. Benzer şekilde, sıcaklık kontrolörü olmadan faz dışı modun sapması 3140 Hz iken, sıcaklık kontrolörü ile 154 Hz'dir.
Özet (Çeviri)
This thesis reports a temperature compensation approach for a MEMS sensor at the package level. The research involves the design, modeling, fabrication, and characterization of the vacuum level packaging of the MEMS sensor with a built-in closed-loop temperature controller. The design's primary objective is to create a temperature-controlled environment for the MEMS sensor. Alumina is selected as a material for constructing a temperature control surface. The MEMS sensor is bonded on top of the alumina base. The heating elements on the alumina base are formed by the deposition of metal, while temperature sensing is provided by thermistors. The package is sealed with a cap by soldering, and a copper tube is used to vacuum the internal cavity. The pinch-off method is used to seal the copper tube. Different than the prevailing literature, this research posits that temperature control is not solely limited to the MEMS sensor, but also encompasses the signal amplifier circuit. Therefore, the trans-impedance amplifier (TIA) circuit, which is also created on the alumina material, is positioned on the opposite side of the temperature control surface, on the back of the package. Consequently, the temperature control surface is also utilized for the TIA circuit. An analytical model is developed to comprehend the system's thermal model and obtain a closed-loop temperature controller. In addition to the analytical model, a finite element model (FEM) is constructed for several important reasons. The first is a design check of the system before starting production and ensuring that heating elements can stabilize the package. The second is to obtain the heat transfer coefficient using test data and analyze the time-dependent behavior of the system with it. Finally, building a closed-loop controller while leveraging FEM. The fabrication of the temperature control surface, the trans-impedance amplifier circuit, the implementation of all the elements, and tests are carried out in the METU MEMS Center. In the test phase of this work, the MEMS sensor is identified by using analytical and FEM approaches. System-level tests are conducted in a climate chamber with and without temperature control between 5 °C and 35 °C, as operating temperatures are defined within that range. Between 5 °C and 35 °C, the resonance frequency of the in-phase mode of the MEMS sensor deviates by 3120 Hz in the absence of an oven control. In contrast, the deviation of the resonance frequency with a closed-loop temperature controller is 380 Hz. Likewise, without a temperature controller, the deviation for the out-of-phase mode is 3140 Hz, whereas it is 154 Hz with a temperature controller.
Benzer Tezler
- İstiridye mantarından (Pleurotus ostreatus) mantar tozu ve cips üretiminin optimizasyonu
Optimization of mushroom powder and chips production from the oyster mushroom (Pleurotus ostreatus)
NURCAN DOĞAN
Doktora
Türkçe
2016
Gıda MühendisliğiHarran ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ABDÜLHEY HAYOĞLU
DOÇ. DR. MUSTAFA ÇAM
- Determination of the best drying conditions for gelatin based candies
Jelatin bazlı yumuşak şekerlerin kurutma koşullarının optimizasyonu
DAMLA KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Gıda MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİL MECİT ÖZTOP
- Akıllı ev otomasyon sistemi tasarımı
Design of an intelligent house automation system
HALİL İBRAHİM ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSelçuk ÜniversitesiElektronik ve Bilgisayar Sistemleri Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. FATİH M. BOTSALI
- Ağırlığa duyarlı sıcaklık kontrollü fırın tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Weight sensitive temperature controlled oven design and implementation
ABDULAZİM HANSU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ADEM GÖLCÜK
- Platin içeren katalizörlerde düşük temparatür karbonmonoksit oksidasyonunun incelenmesi
Investigation of low-temperature carbonmonoxide oxidation over platinum-containing catalysts
BURÇAK TAŞÇEVİREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL BOZ