Mems İvme Ölçer Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada, analog kapasitif MEMS ivme ölçer sisteminin teori, tasarım süreci ve analizi incelenmiş ve yüzey mikro makine tekniği olan MUMPS prosesi kullanılarak geniş ölçme dinamiğine sahip MEMS ivme ölçer sistemi gerçeklenmiştir. Mekanik sistemin optimizasyonu için Bölüm 2 ‘de elde edilen analitik modeller kullanılarak C++ programla dilinde MABEMS isimli görsel tabanlı bir program yazılmıştır. Mekanik sistemlerin sonlu eleman analizlerinde ticari bir yazılım olan ANSYS kullanılmıştır. Davranışsal seviyedeki simulasyonlar içinse sistemin MATLAB Simulink modeli oluşturulmuştur. Elektronik algılama kısmında, parazitik kapasitelerin etkisini azalttığı için yük kuvvetlendiricisi yapısı kullanılmıştır. İvme ölçerin Bölüm 3’te elde edilen matematik modeli, analog davranışsal modelleme kütüphanesi (ABM) kullanılarak PSPICE içerisinde gerçeklenmiş ve bu da elektronik algılama devresi ile mekanik elemanın aynı ortamda simulasyonuna olanak vermiştir. Geleneksel yöntemlerde, MEMS ivme ölçerler, ölçme dinamiği, bant genişliği ve lineerlik gibi performans ölçütlerinin iyileştirilmesi için geri beslemeli çevrimde çalıştırılır. Bu çalışmada, bu yönteme alternatif olarak ölçme hassasiyeti düşük olan bir sistemin, hassasiyeti daha yüksek olanın dinamik ofsetini (sıfırını) oluşturması prensibine dayanan ve “Kuvvet İleri Beslemesi” diye isimlendirdiğimiz yöntem önerilmiş ve kavramsal olarak tanımlanmıştır. Bu amaçla biri daha hassas fakat belli bir yer değiştirme değerinden sonra lineerliği bozulan, diğeri de daha az hassas fakat her zaman lineer çıkış veren iki farklı mekanik sistem tasarlamıştır. Tasarımlara ilişkin bütün sonuçlar Bölüm 3’te verilmiştir.

In this work, the theory, design process, and analysis of analog capacitive MEMS accelerometer system is examined and a high dynamic range MEMS accelerometer system is implemented by using MUMPS surface micromachining process. For the optimization of the mechanical system, by using the analytical models obtained in Section 2, a visual software, named MABEMS, is implemented in C++ programming language. Finite element analysis of the mechanical systems are made by using a commercially available simulation package ANSYS. MATLAB Simulink model of the system is realized for the behavioral level simulations. The charge amplifier topology is used in electronic sensing interface since this configuration eliminates the effect of the parastic capacitances. Mathematical model of the accelerometer, obtained in Section 3, is implemented in PSPICE by using the Analog Behavioral Modelling (ABM) library so, this allowed the simulation of the mechanical device and electronic interface in the same environment. In conventional methods, accelerometers are operated in closed loop by applying feedback signals to increase the performance parameters like dynamic range, bandwidth, and linearity. In this work, a new method, is offered and described conceptually as an alternative to the conventional closed loop systems and this method is named as Force Feed forward Mechanism. In this method, less sensitive system, forms the dynamic offset of the more sensitive device. For this reason, two different mechanical devices are designed such that one of them has high sensitivity but nonlinear output above a certain displacement and the other one has low sensitivity but linear even for large displacements. All the results about the designed systems are given in Section 3.