Düşük sabit kayma hatası kaymasına sahip silisyum tabanlı rezonant ivmeölçer
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik Ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: HASAN DOĞAN GAVCAR
Danışman: Tayfun Akın
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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.