Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Öğrenci: Ertuğ Şimşek
Danışman: KIVANÇ AZGIN
Özet:Bu tez, geliştirilmiş hassasiyete sahip bir rezonant tabanlı MEMS sıcaklık sensörünün tasarımını, modellemesini, imalatını ve karakterizasyonunu sunmaktadır. Sıcaklık sensörü elektrostatik olarak bağlı çift sonlu ayar çatalı (DETF) MEMS rezonatör içerir. Sensör, sıcaklık değişimini tespit etmek için termal genleşme katsayısı farkı prensibini kullanır. Tasarım, her birinin her iki tarafında iki kapasitif plakaya sahip olan 2 rezonatör çatalından oluşur. Rezonatörün iç kısmında birbirine bakan kapasitif plakalar çalışmanın can alıcı noktası olan elektrostatik bağlantı için kullanılır. Negatif elektrostatik bağlantı sertliği mod sıralamasını sağlar. Mod sıralaması ile sensör, daha yüksek hassasiyet elde etmek amacıyla faz dışı mod için sınır yapışma gerilimine çok yakın çalıştırılabilir. Denklemlerle çalışma mekanizmaları açıklanan dış kapasitif plakalar çalıştırma ve algılama için kullanılır. Analitik model, mod şekilleri ve karşılık gelen doğal frekanslar için termo-elektromekanik denklemlerle sunulur. Model, ilgili modlarının rezonans frekansları karşılaştırılarak sonlu eleman analizi ile doğrulanır. Sonlu eleman analizinde, elektrostatik bağlanmanın etkileri, çeşitli gövde kütle voltajı konfigürasyonları için termal genleşme fizik düğümü dahil edilerek parametrik taramayla gösterilmiştir. Isıl genleşme dahil edilerek, sıcaklık artışının etkisi modal analizde ilgili modlardaki frekans kayması olarak gösterilir. Karakterizasyon testleri vakum ortamında gerçekleştirilir. Zıt fazlı mod için kalite faktörü, 0.15mTorr civarındaki bir basınçta yaklaşık 25500'dür. Rezonatörün ilgili modu için rezonans frekansları analitik modele ve FEM simülasyon sonuçlarına yakındır. Elektrostatik yumuşatma etkisinin etkisi aynı ve zıt işarete gövde kütle voltaj konfigürasyonları için araştırılmıştır. Zıt işaretli kütle gövde voltajı yapılandırması için 6V'den 20V'ye frekans değişimi, sırasıyla faz dışı ve faz içi için sırasıyla 3063Hz ve 666Hz'dir. Aynı işaretli gövde kütle voltajı konfigürasyonu için, rezonans frekans değişimi 579Hz’tir. 25°C'den 65°C'ye sıcaklık artışı için faz dışı mod ve faz içi mod frekansı değişiklikleri, VPM1=20V ve VPM2=-20V için 1078Hz ve 988 Hz'dir. Aynı gövde kütle voltajı konfigürasyonu için (VPM1 = 20V ve VPM2 = 20V), frekans değişimi 986Hz'dir. Zıt işaretli gövde kütle voltaj konfigürasyonunun faz içi mod frekansına çok yakın olsa da beklendiği gibi daha düşüktür. Genel sıcaklık hassasiyetleri frekans yanıtı grafiklerinin maksimumlarından elde edilniştir. Zıt işaretli gövde kütle konfigürasyonu için faz dışı ve faz içi sıcaklık hassasiyetinin 8V'tan 20 V'a doğru olan gerilim artışı ile, sırasıyla, 24.4 Hz/K'den, 26,5 Hz/K’e ve 24 Hz/K’den, 24,4Hz/K’e arttığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma, kütle voltaj geriliminin, sınır yapışma gerilimine yakınlaştırılarak, bağlantı sertliği değiştirilmesi ve mod sıralaması ile sıcaklık hassasiyetinin artırılabileceğini göstermektedir.