A wide-bandwidth high-sensitivity MEMS gyroscope

Abstract

Bu tez çevresel basınç değişimlerine dayanıklı, geniş bant aralığına sahip, yüksek hassasiyetli ve etkileşimsiz MEMS dönüölçer geliştirilmesini anlatmaktadır. Geniş bant aralığına sahip yüksek hassasiyetli dönüölçüm işlemi bu çalışmada önerilen yeni tasarlanmış bir 2 serbestlik dereceli algılama modu osilatörü tarafından sağlanmaktadır. Bu yeni tasarım algılama modu osilatörü, mod frekansı eşleştirmeli dönüölçerlerin hassasiyet seviyelerine yaklaşırken, taktik amaçlı ve ataletsel seyrüsefer denetlemesi amaçlı uygulamaların gerektirdiği geniş bant aralığını sağlamaktadır. Tasarlanan dönüölçer ODTÜ Mikroelektronik tesislerinde geliştirilen cam-üzeri-silisyum mikroişleme yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen dönüölçer yalnızca 5,1 x 4,6 mm2'lik bir yüzey alanı kaplamaktadır.Tasarlanan dönüölçerin sürüş modu osilatörü 25 mTorr vakum altında 8760 kalite faktörü göstermiştir. Algılama modu osilatörü 40 V potansiyel altında 2,5 kHz bant aralığı göstermektedir. Tasarlanan algılama modu osilatörü 1 kHz bant aralığıyla çalıştırıldığında 131 uV/(derece/s) işlenmemiş dönü hassasiyetine sahiptir.Üretilen dönüölçer METU-MEMS grubunda tasarlanan devrelere bağlanarak bütün bir açısal hız ölçüm sistemi hazırlanmıştır. Bu sistemin orantı katsayısı 13,1 mV/(derece/s) olarak ölçülürken, orantı katsayısının çevresel basıncın 40 mTorr ve 500 mTorr arasında değiştirilmesine gösterdiği duyarlılık sadece % 0,38 olarak gözlemlenmiştir. Bu şartlar altında R kare orantı katsayısı hatası en yüksek % 0,0006, orantı katsayısının yüzdesel doğrusallıktan en yüksek sapması % 0,141 olarak ölçülmüştür. Üretilen açısal dönüş hızı ölçüm sistemi 131 derece/saat sabit kayma kararlılığı ve 1,15 derece/ kök saat açısal rastgele hareket değeri göstermektedir.Tasarlanan dönüölçerin düşük gürültülü elektronik devrelere bağlanmasıyla elde edilecek açısal hız ölçüm sistemi, taktik amaçlı uygulamaların gerektirdiği yüksek hassasiyeti sağlarken, çevresel basınç değişimlerine karşı yüksek dayanım göstereceği sonucuna varılmıştır.

This thesis reports the development of a wide-bandwidth high-sensitivity mode-decoupled MEMS gyroscope showing robustness against ambient pressure variations. The designed gyroscope is based on a novel 2 degrees of freedom (DoF) sense mode oscillator, which allows increasing the operation bandwidth to the amount required by tactical-grade and inertial-grade operations while reaching the mechanical sensitivity of near matched-mode vibratory gyroscopes. The designed gyroscope is fabricated using the in-house developed silicon-on-glass (SOG) micromachining technology at METU Microelectronics facilities. The fabricated gyroscope measures 5.1 x 4.6 mm2.The drive mode oscillator of the gyroscope reaches quality factor of 8760 under 25 mTorr vacuum environment. The sense mode bandwidth is measured to reach 2.5 kHz at 40 V proof mass voltage. When the fabricated gyroscope is operated with a bandwidth of 1 kHz, measurements show a relatively high raw mechanical sensitivity of 131 uV/(deg/s).Fabricated gyroscope is hybrid connected to external electronics developed at METU-MEMS research group. The scale factor is measured to be 13.1 mV/(deg/s) with a maximum R square nonlinearity of 0.0006 % and a maximum percent deviation nonlinearity of 0.141 %, while the maximum deviation of the scale factor for large vacuum level variations between 40 mTorr to 500 mTorr is measured to be only 0.38 %. The bias stability and angle random walk of the gyroscope are measured to be 131 deg/h and 1.15 deg/roothour, respectively.The proposed 2 DoF sense mode oscillator design shows the potential of tactical-grade operation, while demonstrating extreme immunity to ambient pressure variations.