Mems teknolojisi ile yüzey mikroişlenmiş kapasitif ivme ölçerler

Micromachined accelerometers have found large attention in recent years due to their low-cost and small size. There are extensive studies with different approaches to implement accelerometers with increased performance for a number of military and industrial applications, such as guidance control of missiles, active suspension control in automobiles, and various consumer electronics devices. This thesis reports the development of various capacitive micromachined accelerometers and various integrated CMOS readout circuits that can be hybrid-connected to accelerometers to implement low-cost accelerometer systems. Various micromachined accelerometer prototypes are designed and optimized with the finite element (FEM) simulation program, COVENTORWARE, considering a simple 3-mask surface micromachining process, where electroplated nickel is used as the structural layer. There are 8 different accelerometer prototypes with a total of 65 different structures that are fabricated and tested. These accelerometer structures occupy areas ranging from 0.2 mm2 to 0.9 mm2 and provide sensitivities in the range of 1-69 fF/g. Various capacitive readout circuits for micromachined accelerometers are designed and fabricated using the AMS 0.8 æm n-well CMOS process, including a single-ended and a fully-differential switched-capacitor readout circuits that can operate in both open-loop and close-loop. Using the same process, a buffer circuit with 2.26fF input capacitance is also implemented to be used with micromachined gyroscopes. A single-ended readout circuit is hybrid connected to a fabricated accelerometer to implement an open-loop accelerometer system, which occupies an area less than 1 cm2 and weighs less than 5 gr. The system operation is verified with various tests, which show that the system has a voltage sensitivity of 15.7 mV/g, a nonlinearity of 0.29 %, a noise floor of 487 HzMikroişlenmiş ivmeölçerler, düşük maliyetleri ve küçük boyutları sebebiyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Füzelerde güdüm kontrolü, otomobillerde aktif süspansiyon kontrolü, ve çeşitli tüketici elektronik aygıtları gibi askeri ve endüstriyel uygulamalarda, daha yüksek performanslı ivmeölçerler yapabilmek için farklı açılardan, geniş çaplı araştırmalar yürütülmektedir. Bu tez çeşitli ivmeölçer yapılarını ve düşük maliyetli ivmeölçer sistemleri oluşturabilmek için ivmeölçerlere hibrit bağlanabilecek çeşitli entegre CMOS okuma devrelerini rapor etmektedir. Çeşitli mikroişlenmiş ivmeölçerler COVENTORWARE sonlu eleman simulatorü ile elektro kaplanmış nikelin yapısal kaptan olarak kullanıldığı, 3 maskeli yüzey mikroişleme üretimine göre tasarlanmış ve optimize edilmiştir. Üretilmiş ve test edilmiş 65 değişik yapıdan oluşan 8 farklı ivmeölçer prototipi bulunmaktadır. Bu ivmeölçer yapıları, 0.2 mm2 ile 0.9 mm2 arasında değişen alanları vi kaplamaktadırlar ve 1-69 fF/g aralığında değişen kapasite hassasiyeti sağlamaktadırlar. Açık döngü ve kapalı döngü olarak çalışabilen, bir tek çıkışlı ve bir tamamiyle fark gösteren anahtarlamalı kapasitör okuma devrelerini içeren çeşitli kapasitif okuma devreleri AMS 0.8 µm CMOS işleme ile dizayn edilip üretilmiştir. Aynı işlemeyi kullanarak, mikroişlenmiş jiroskoplarda kullanılmak üzere giriş kapasitesi 2.26 fF olan bir tampon devresi de oluşturulmuştur. 1 cm2 den daha az alan kaplayan ve 5 gr. dan daha hafif olan açık döngülü bir ivmeölçer sistemi oluşturmak için tek çıkışlı okuma devresi, üretilen bir ivmeölçere hibrit bağlanmıştır. Sistemin 5 V kaynaktan 20 mW’dan daha az güç tüketirken, 15.7 mV/g orantı katsayısı, % 0.29 orantı katsayısı hatası, 487 µg Hz gürültü seviyesi, ve 13.9 mg bias kararsızlığı olduğunu gösteren çeşitli testlerle sistemin çalışması onaylanmıştır. Bu araştırmada sunulan sistem Türkiye’de geliştirilen ilk ivmeölçer sistemidir, ve ivmeölçerler ve dönüölçerlerden oluşan düşük maliyetli ulusal ataletsel ölçüm birimi üzerine yapılan araştırmanın bir parçasıdır.M.S. - Master of Scienc