DİJİTAL KONTROL DÖNGÜLERİ KULLANARAK MEMS TİTREŞEN YAY TİPİ İVMEÖLÇER İÇİN YÜKSEK PERFORMANSLI OKUMA DEVRESİ GELİŞTİRİLMESİ

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: MUHAMMAD ALI

Danışman: Tayfun Akın

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

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.