Temperature detection using micro plate vibrations

Abstract

Bu tez rezonant MEMS plaka sıcaklık sensörünün tasarım, modelleme, üretim ve karekterizasyonunu sunmaktadır. Önerilen uygulamada sıcaklık değişimi, titreyen mikro plakanın belirli titreşim biçimine ait doğal frekansındaki değişim takip edilerek ölçülür.Rezonant MEMS plaka sıcaklık sensörünün tasarımı ve modellenmesi Chladni plaka geometrisi, geometrik merkezinden destekelnen ve tüm kenarları hareket edebilmesi için serbest olan kare plaka için yapıldı. Titreşim biçimleri ve bunlara karşılık gelen elektrosatik yumuşama etkisinin dahil edildiği doğal frekanslar için kapalı denklemler elde edebilmek amacıyla, enine titreşen Chladni plakanın hareket denklemlerinin çözümünde enerji yöntemleri kullanıldı. Elde edilen elektomekanik çözüme ısıl etkiler dahil edilerek termo-elektro-mekanik model elde edildi. Türetilmiş analitik modelin her bir adımını doğrulamak için Sonlu-Eleman (SE) benzetimleri yürütülmüştür.Tasarımları yapılan sensörler cam üzeri silicon yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen sıcaklık sensörleri frekans tepki ve sistem düzeyinde sıcaklık testleri ile karakterize edilmiştir. Titreşim şekli (1,1) ve (2,0) - (0,2) ait Q-faktörleri 20mTorr vakum basıncı seviyesinde sırasıyla 14300 ve 10700 olarak ölçülmüştür. 0.364mTorr vakum seviyesindeki Lazer Doppler Titreşimölçer (LDT) testleri analitik modelden ve SE benzetimlerinden elde edilen değerleri doğrulamaktadır. Buna ek olarak, elektrostatik tahrikin etkisi 0-40V arasında gövde kütle voltajı için test edilmiştir ve karşılık gelen doğal frekans kayması 0-26Hz olarak ölçülmüştür. Sistem seviyesi sıcaklık tesleri, sıcaklık değişimiyle kayan frekansı takip edebilmek için Faz Kilitli Döngü (FKD) ile birlikte 0.405mTorr vakum seviyesinde yapılmıştır. Üretilen sensörlerin ölçek çarpanı titreşim şekli (1,1) ve (2,0) - (0,2) için sırasıyla 2.0214Hz/°C ve 2.7211Hz/°C olarak ölçülmüştür. Üretilen sensörlerin sıcaklık eşdeğer frekans kararsızlıkları titreşim şekli (1,1) için 0.3725mK ve titreşim şekli (2,0) - (0,2) için 0.1499mK olarak ölçülmüştür.

This thesis presents the design, modelling, fabrication and characterization of a resonant MEMS plate temperature sensor. In the proposed application, temperature change is measured by tracking natural frequency shifts of a specific mode shape of the resonating micro plate. The design and modelling of the resonant MEMS plate temperature sensor are conducted for Chladni plate geometry that is square plate supported at the geometric center, having all edges free to move. Energy methods are utilized to solve the equation of motion of transversely vibrating Chladni plate structure to obtain the closed form equations for the mode shapes and respective natural frequencies with electrostatic softening effect. Thermo-electro-mechanical model is derived with the addition of thermal effect on top of the electromechanical solution. Finite Element (FE) simulations are conducted for each step of analytical model to verify the derived model.The designed sensors are fabricated using a silicon-on-glass (SOG) process. The fabricated temperature sensors are characterized with frequency response and system level temperature tests. The Q-factors of modes (1,1) and (2,0) - (0,2) are measured to be 14300 and 10700 at a vacuum pressure level of 20mTorr, respectively. The Laser Doppler Vibrometer (LDV) tests at vacuum level of 0.364mTorr verify the analytical model and FE simulations. In addition, effect of electrostatic softening is also tested for a proof mass voltage range of 0-40V, and corresponding frequency shift is measured to be 0-26Hz. System level temperature tests are done with a Phase Locked Loop (PLL) to track frequency drifts with changing temperature at vacuum level of 0.405mTorr. The scale factor of the fabricated sensor is obtained as 2.0214Hz/°C and 2.7211Hz/°C for mode shapes (1,1) and (2,0) - (0,2), respectively. The temperature equivalent frequency instabilities of the fabricated sensor are measured to be 0.3725mK for (1,1) mode shapes and 0.1499mK for (2,0) - (0,2) mode shape.