MEMS gyroscopes for tactical-grade intertial measurement applications
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2005
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SAİD EMRE ALPER
Danışman: TAYFUN AKIN
Özet:ÖZ TAKTİK AMAÇLI ATALETSEL ÖLÇÜM UYGULAMALARI İÇİN MEMS DÖNÜÖLÇERLER Alper, Said Emre Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tayfun AKIN Eylül 2005, 301 sayfa Bu tez taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için yüksek performanslı simetrik ve etkileşimsiz dönüölçerlerin geliştirilmesini anlatmaktadır. Simetrik yapı, yüksek açısal hız hassasiyeti için dönüölçerlerin sürüş ve algılama modlarının rezonans frekanslarının kolaylıkla eşleştirilebilmesi amacıyla, etkileşimsiz sürüş ve algılama modları ise düşük gürültü ve kararlı çalışma için mekanik etkileşimin en aza indirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Üç farklı ve yeni simetrik ve etkileşimsiz dönüölçer yapısı sunulmaktadır. Bu yapılar dört farklı mikroişleme teknolojisi ile üretilmiştir: aşındırılmış-pul silisyum mikroişleme, nikel elektrokaplama, yalıtkan- üzeri-silisyum mikroişleme, ve cam-üzeri-silisyum mikroişleme. Üretilen dönüölçerlerin sığasal açıklıkları 1.5um'den 5.5 um' ye, yapısal katmanlarının kalınlıkları ise 12um'den l00um'ye kadar değişmekte olup yapıların derinlik- açıklık oranlan üretim sürecine bağlı olarak 20 'ye kadar çıkabilmektedir. Dönüölçer yongalarının alanları Ixlmm2'den4.2x4.6mm2'ye kadar değişmektedir. vıÜretilen dönüölçerler, standart 0.6um CMOS sürecinde üretilen kapasitif okuma devrelerine hibrit olarak bağlanmıştır. Dönüölçerlerin rezonans frekansları 2kHz ile 40kHz aralığında olup, algılama modlarının rezonans frekansları löV'dan daha düşük DC gerilimler yardımıyla sürüş modunun rezonans frekansına eşleştirilebilmektedir. Dönüölçerlerin kalite faktörleri atmosfer basıncında 500'lere ulaşırken, bu değer vakumda silisyum dönüölçerler için 10,000 'i aşmaktadır. Cam taban üzerinde üretilen dönüölçerlerin parazitik sığalarının 120fF kadar düşük olabildiği görülmüştür. Arabirim devresine bağlı dönüölçerler daha sonra açısal hız ölçümleri yapmak üzere standart entegre devre elemanlarından kurulmuş elektronik kontrol ve geri-besleme devreleri ile birleştirilmiştir. Üretilen dönüölçerlerin açısal hız hassasiyetleri atmosfer basıncında 12uV/(der/sn)'den 180uV/(der/sn)'ye kadar değişmektedir. SOI dönüölçer atmosfer basıncında 0.025(der/sn)/Hz1/2'lik bir gürültü-eşdeğer-dönü (GED) değeri ile en iyi performansı göstermiş, diğer dönüölçerlerin GED değerleri küçük duyarga boyutları veya düşük kalite faktörleri nedeniyle 0.1(der/sn)/Hz1/2 ile sınırlı kalmıştır. Dönüölçerlerin orantı katsayısı hataları % 1.1 'den daha iyi olup, en iyi değer %0.06 olarak elde edilmiştir. Dönüölçerlerin sabit kaymaları demodulasyon elektroniğindeki faz hataları sebebiyle lder/sn'nin üzerindedir. SOI ve SOG dönüölçerler 50mtorr'un altındaki vakum ortamında sırasıyla 1.6mV/(der/sn) ve 0.9mV/(der/sn) açısal hız hassasiyeti göstermişlerdir. Bu dönüölçerlerin GED değerleri ise taktik uygulama limitlerine yaklaşarak sırasıyla 50(der/saat)/Hz1/2 ve 36(der/saat)/Hzl/2 olarak ölçülmüştür. Derinlik-açıklık oranlan korunarak sığasal açıklıkların küçültülmesi ve demodulasyon elektroniğinin iyileştirilmesi ile dönüölçer yapılarının 50Hz gibi pratik bir ölçüm bandı içerisinde lOder/saat'ten daha iyi bir performans sergilemeleri beklenmektedir. Anahtar Kelimeler: Dönüölçer, Açısal Hız Duyargası, Mikroişleme, Sığasal Arabirim Devresi, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS). vıı