Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
442035		Design of a MEMS based hydraulic pressure sensor / MEMS tabanlı hidrolik basınç sensörü tasarımı Yazar:UTKU GÖREKE Danışman: YRD. DOÇ. DR. KIVANÇ AZGIN ; YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA İLKER BEYAZ Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı Konu:Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2016 103 s.
Bu tez mikroelektromekanik sistem (MEMS) rezonatör kullanarak hidrolik basınç algılanması için özgün bir teknik sunmaktadır. Önerilen algılayıcı, bir çift taraflı ayarlama çatalı rezonatöründen faydalanmaktadır. Ayarlama çatalı, literatürde bir diyaframın esnemesini ölçmek için kullanılmıştır. Ancak, bu çalışmada ayarlama çatalı, orta noktasındaki esneme miktarı ölçülecek olan diyafram ile dik şekilde konumlandırılmıştır. Hidrolik basınç uygulandığında diyafram orta noktasında oluşan esneme, rezonatör üzerinde eksenel sıkıştırıcı yönde gerginlik üretmekte ve bu gerginlik doğal frekansın azalma yönünde kaymasına neden olmaktadır. Ayarlama çatalının ucu kolayca zarar görebileceği için, tasarıma, ucu ölçülen yer değiştirmenin eksene dik bileşenlerinden korumak için, kayıcı mesnet yapısı eklenmiştir. Ayrıca, kayıcı mesnet tarafından yönledirilen yer değiştime, uç yer değiştirmesinin yaklşık % 1' ini çift taraflı ayar çatalına aktaran bir yay yapısı üzerinden geçerek çift taraflı ayarlama çatalına ulaşmaktadır. Yayın eklenmesi hassasiyeti olumsuz yönde etkilese de, yay, ucun esnekliğini artırarak montaj verimini artırmaktadır. Bu tasarımın yararı, yay veya diyafram geometrisi üzerinde değişiklik yapılarak farklı basınç aralıkları için ölçüm gerçekleştirilebilmesine izin vermesidir. Rezonatör çatalının ölçüleri, hassasiyet ve kalite etkeninin en büyük bileşkesini elde etmek üzere en iyilenmiştir. Algılayıcı, atmosfer basıncı altında çalışabilmektedir ve bu yüzden tasarım, sıkışan film sönümlemesinin etkisinden kaçınmak için örtüşen tarak parmaklarından yararlanmaktır. MEMS rezonatör ve diyaframı bağlantı halinde tutmak için bir basınç bağlantı yapısı tasarlanmıştır. Bu basınç bağlntı yapısı, daha yüksek hassasiyet için alüminyumun daha üstün esneme kabiliyetini, daha yüksek güvenlik katsayısı için çeliğin çekme mukaveti üstünlüğü ile birleştirmektedir. Alüminyum ve çelik parçalar algılayıcının çalışmasını göstermek için sıkı geçme ile geçirilerek sabitlenmiştir. MEMS algılayıcı, silisyum mikroişleme ile ODTÜ-MEMS Merkezi' nin temizalanında üretilmiştir. Süreç akımı, 3 tane fotolitografi adımından içermekte ve 1 adet SOI (yalıtkan üzerinde silisyum) pul kullanmaktadır. Çalışma prensibi ve analitik model sonlu eleman analizi simulasyonları ile doğrulanmıştır. Sensör çekirdeği üzerinde uç yer değiştirmesi testleri, tüm cihaz üzerinde de hidrolik basınç testleri gerçekleştirilmiştir. Yer değiştime testlerinde rezonatör kalite faktörü ve en yüksek hassasiyet değerleri sırasıyla 238 ve 198.49 Hz/Bar olarak ölçülmüştür. Bu yer değiştirme hassasiyetinin basınç hassasiyeti karşılığı, 1 mm kalınlığında ve 6.2 mm çapında alüminyum diyafram için 9.45 Hz/Bar olarak hesaplanmaktadır. Hidrolik basınç testlerinde en yüksek hassasiyet değeri 33.40 Hz/Bar olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak, ayarlama çatalı rezonatörünün, diyaframa dik konumda hidrolik basınç sensörü olarak kullanılması gösterilmiştir. Önerilen bu özgün konumlama, yüksek dinamik aralık vaadetmektedir.
This dissertation presents a novel technique for detection of hydraulic pressure by using a MEMS resonant sensor. Proposed sensor utilizes a double ended tuning fork (DETF) resonator. In the literature tuning forks are used for measurement of the deflection of a diaphragm. However, in this study, a tuning fork is configured to lay in orthogonal direction with a diaphragm of which center point deflection is being measured. Upon application of pressure, center deflection of the diaphragm induces an axial compressive load on the DETF resonator which induces decrease in natural frequency of the resonator. Since the tip is vulnerable, a roller structure which is simply a guided beam is included in the design to protect tip from transverse components of measured displacement. Additionally, the applied displacement is directed through the roller to a spring element which transmits nearly 1 % of tip displacement to DETF. Although the addition of the spring adversely affects the sensitivity, the spring increases the overall compliance of the tip which increases the assembly yield. Advantage of such design is that by modifying the geometry of the spring or the diaphragm, different pressure ranges for measurement can be attained. The resonator's tine dimensions are optimized for maximum of sensitivity quality factor product. The device can operate in atmospheric conditions, and hence the design makes use of overlapping comb fingers to avoid squeeze film damping. A pressure port is designed to keep diaphragm and MEMS sensor together in contact. The pressure port combines the deflection performance of aluminum for better sensitivity, and greater strength of steel for larger safety factor. Aluminum and steel parts are fixed together with interference fit for demonstration of the sensor operation. Surface micromachining of MEMS sensor is carried out at METU-MEMS cleanroom facility. Process flow involves 3 photolithography steps and makes use of 1 silicon-on-insulator (SOI) wafer. Pressure port is manufactured with conventional machining. Operation principle and analytical model is validated with FEM simulations. Tests are conducted for both tip displacement for sensor core and hydraulic pressure for the overall assembly. Resonator quality factor and maximum sensitivity measured in tip displacement tests were 238 and 198.49 Hz/µm, respectively, which is equivalent of 9.45 Hz/Bar with an aluminum diaphragm with 6.2 mm diameter and 1 mm thickness. A maximum sensitivity of 34.40 is achieved in hydraulic pressure tests. As a summary, operation of tuning fork resonator in orthogonal configuration with a diaphragm as a hydraulic pressure sensor is demonstrated. Proposed novel configuration promises a high dynamic range hydraulic pressure measurement.