Development of resonance tracking and optical readout methods for MEMS sensor arrays

Abstract

Bu tez çalışmasında, MEMS sıra algılayıcılar için çeşitli tınlaşım frekansı takibi ayrıca farklı optik okuma yöntemleri geliştirilmiştir. Manyetik eyleyici olarak, bir bobin ve yüksek akımlı bir bobin sürücüsü geliştirilmiştir. Anma akımı 1 Ap-p olan bu sürücü ile DC – 100 kHz frekans aralığında, en fazla 2° faz hatası ve %1'in altında toplam armonik distorsyon elde edilmiştir. Geliştirilen bu geniş bantılı manyetik eyleyiciyi kullanılarak, interferometrik optik okuma ve kapalı devre kendi kendine uyarma (SSA) yöntemi ile tek foto diyot kullanılarak, gaz ortamında MEMS mikroçubukların çoklu tınlaşım frekanslarının okuması gerçekleştirilmiştir.SSA yöntemi genellikle yüksek kalite faktörü olan rezonatorlerde uygun performans sergilerken, düşük kalite faktorlü sistemlerde büyük ölçüde gürültü ve bozulmalara yol açmaktıadır. Bu problemlere çözüm olarak, sayısal faz kilitli halka (PLL) tabanlı ve analog sinüs dalga üreten bir tınlaşım frekans takip sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu sistemle, 5-50 kHz frekans aralığına, +90° (±2.5°) faz tepkisi elde edilmiştir.Geliştirilen PLL tabanlı sistem, yaygın rezonatorler ile yüksek karalılık sergilerken, interferometrik okuma yönteminin doğrusal olmayan optik dönüşüm fonksiyonunda meydana gelen faz algılama hatalarından, büyük olçüde frekans kaymaları gözetlenmiştir. Faz algılama hatalarını çözmek için, çift PLL'li bir yöntem geliştirilmiştir. Geliştirilen bu çift PLL'li sistem, kan plazmasının viskozite ölçümü deneylerinde kullanılmıştır. PLL sistemleri aynı anda sadece tek bir frekansa kilitlenebilir olmalarından, çok kanallı uygulamalar için zaman bölüşümlü yöntemler kullanılmalıdır. Eşzamanlı çoklu okuma sağlayan alternatif yöntem olarak, optik fiber tabanlı çok kanallı bir optik okuma yöntemi geliştirilmiştir. Diğer yöntemlerden farklı olarak, bu yöntemde tınlaşım frekansı okuması, faz ölçümü yapılarak gerçekleştirilmiştir. Yüksek hassasiyetli çok kanallı faz ölçümleri için, yazılım tabanlı bir kilitlemeli yükselteç geliştirilmiştir. Literatürde sıvı ortamında MEMS çubukların tınlaşım frekansı takibi çalışmalarının bulunmasına karşın, bu çalışmada ilk kez sıvı ortamında eş zamanlı çok kanallı tınlaşım frekansı okuması gerçekleştirilmiştir.

In this thesis work, we developed various resonance tracking and optical readout methods for magnetically actuated MEMS sensor arrays. For magnetic actuation, we designed an electro-coil and a closed-loop high-current driver operating at nominal current of 1 Ap-p, frequency range of DC – 100 kHz with maximum phase error of less than 2°, and total harmonic distortion of less than 1%. Using this broadband actuator we demonstrated simultaneous monitoring of multiple MEMS sensors in gases using an interferometric readout method with a single photodiode operating in closed-loop self-sustained actuation (SSA) mode.SSA method is suitable for high-quality factor resonators where most of the noise and harmonic distortions are filtered out in the resonator. As a more robust closed-loop method for low-quality factor resonators, we developed a broadband resonance tracking system that is based on CMOS digital PLLs. It provides a fixed-amplitude and frequency-independent +90° phase-shifted sinewave output for exciting resonant systems at their resonance frequency without any initial tuning or calibration process. We achieved a maximum of ±2.5° phase error over the whole operating frequency range of 5 – 50 kHz.The PLL system we have developed shows extremely stable results with standard resonators, we have however experienced large frequency drifts originating from phase-detection errors in the interferometric optical readout. For solving this problem, we developed a novel dual-edge detecting dual-PLL system. This method suppresses all the phase-detection errors arising from the asymmetrical waveform of the feedback signal as well as the dc-offset drifts in the front-end electronics. We demonstrate a viscosity measurement system for measuring the viscosity of blood plasma using the developed dual-PLL system.Since PLL systems could only lock into a single resonator at a time, for parallel measurements a time-multiplexing mechanism must be employed. As an alternative method providing real-time simultaneous measurements, we developed a novel optical fiber-based readout method with phase-based resonance monitoring. For high-precision phase measurements, we implemented a custom multi-channel lock-in amplifier in software. To our knowledge this is the first demonstration of simultaneous parallel optical monitoring of dynamic mode micro-cantilever sensors in liquid environment.