Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
313616		A high performance automatic mode-matched MEMS gyroscope / Yüksek performanslı otomatik mod eşlenmiş dönüölçer Yazar:SONER SÖNMEZOĞLU Danışman: PROF. DR. TAYFUN AKIN Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2012 179 s.
Bu tez, bir MEMS dönüölçerin artık ofset ve sürüş sinyalleri arasındaki faz ilişkisini; frekans eşleme koşulunu sağlamak ve sürdürmek amacıyla kullanan otomatik bir mod eşleme sistemini literatürde bir ilk olarak sunmaktadır. Ayrıca bu sistem, mekanik sensör bant genişliğinden bağımsız bir şekilde kapalı döngü mod kontrolcü parametrelerini ayarlayarak, sistem bant genişliğinin kontrol edilmesini sağlamaktadır. Bu tezde sunulan mod eşleme sistemini kullanan iki ayrı mod eşleme yöntemine yer verilmiştir. İlk yöntemde, dönüölçerin rezonans modları arasındaki frekans eşlemesi, ataletsel kütle potansiyelinin değiştirilmesiyle otomatik olarak sağlanmaktadır. Bu yöntemin kullanımındaki esas neden, algılama modunun elektrostatik ayarlanabilme özelliğini kullanarak, algılama modu rezonans frekansını sürüş modu rezonans frekansına göre ayarlayabilme yetisidir. İkinci yöntemde, mod-eşlenmiş dönüölçer işleyişi, yalnızca algılama modu rezonans frekansının ayarlanabilmesini sağlayan ve algılama çerçevesinde elektrostatik yay etkisi yaratan, ataletsel kütle potansiyelinden bağımsız özel frekans ayarlayan parmak yapıları kullanılarak sağlanmıştır. Bu çalışma, dönüölçer işleyişi sırasında ataletsel kütle potansiyeline bağlı sürüş ve algılama mod dinamiklerinin, ataletsel kütle üzerindeki etkisi istenmediğinden, çoğunlukla bahsi geçen ikinci yöntem üzerine yoğunlaşmıştır. Bu sebeple, özel frekans ayarlayan parmak yapıları içeren tek kütleli, tamamıyla etkileşimsiz bir dönüölçer tasarlanmıştır. Tasarlanan dönüölçerin mod şekillerini ve mod frekanslarını tanımlayabilmek amacıyla, sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu dönüölçerler, SOI temelli SOG üretim tekniği kullanılarak üretilmiştir. Üretim kusurları, dönüölçerin yapısal katmanları oluşturulurken belirlenmiştir. Bir sonraki adım olarak, sürüş genlik kontrol, algılama modu güç geri besleme, ofset giderme ve mod eşleme işlemleri için, ofset ve sürüş sinyalleri arasındaki faz ilişkisi göz önünde bulundurularak, kapalı-döngü kontrolcüler tasarlanmıştır. Mod eşleme, DC ayarlama gerilimi sağlayan kapalı-döngü kontrolcü tarafından sağlanmıştır. Vakum paketlenmiş duyarga, sürüş genlik kontrol, algılama modu güç geri besleme, ofset giderme ve mod eşleme modüllerini içeren mod eşleme sistemi, bir baskı devre kartı (PCB) üzerinde birleştirilmiş ve daha sonra sistem seviyesinde testler gerçekleştirilmiştir.Testler, mod eşleme sisteminin istenilen şekilde çalışmakta olduğunu göstermiştir. Test sonuçları eşlenmiş mod durumunda, eşlenmemiş mod (~200 Hz) durumuna göre, sabit kayma kararsızlığında 2.6 kata kadar, açısal rasgele kaymasında (ARK) 2 kata kadar, sırasıyla 0.73 °/saat'e ve 0.024 °/?saat'e ulaşarak, çalışılan dönüölçerlerin performansında gelişme olduğunu göstermiştir. Mod eşlenmiş dönüölçer işleyişi sırasında daha iyi performans 10 mTorr vakum koşulu altında sabit kayma kararsızlığı olarak 0.87 °/saat ve ARK olarak 0.014 °/?saat olarak elde edilmiştir ve bu sonuç teorik mekanik Brown gürültüsü olan 0.013 °/?saat'e yakındır. Sistem bant genişliği 50 Hz'den yüksek olacak şekilde ayarlanmış ve doğrulanmıştır. Mod eşlenmiş dönüölçer, ±90 °/sn dinamik ölçüm aralığında, %99.99 doğrusallığa sahiptir. Dönüölçerin dinamik ölçüm aralığı, doğrusallığı düşürmeden daha da yüksek değerlere artırılabilmektedir.Sonuç olarak, önerilen mod eşleme sistemi, sistem bant genişliği ve doğrusallığından feragat etmeden, algılama modu kontrolcüsünün elektronik gürültüsünü ileri derecede bastırarak dönüölçer performansını mekanik Brown gürültüsü seviyesi sınırlarına kadar iyileştirmiştir ve neticede 1 ?/saat'in altında performans elde edilmiştir.
This thesis, for the first time in the literature, presents an automatic mode-matching system that uses the phase relationships between the residual quadrature and drive signals in a gyroscope to achieve and maintain the frequency matching condition, and also the system allows controlling the system bandwidth by adjusting the closed loop parameters of the sense mode controller, independently from the mechanical sensor bandwidth. There are two mode-matching methods, using the proposed mode-matching system, presented in this thesis. In the first method, the frequency matching between the resonance modes of the gyroscope is automatically accomplished by changing the proof mass potential. The main motivation behind the first method is to tune the sense mode resonance frequency with respect to the drive mode resonance frequency using the electrostatic tuning capability of the sense mode. In the second method, the mode-matched gyroscope operation is accomplished by using dedicated frequency tuning electrodes that only provides a capability of tuning the sense mode resonance frequency generating an electrostatic spring effect on the sense frame, independently from the proof mass potential. This study mainly focuses on the second method because the proof mass potential variation is not desired during the gyroscope operation since the proof mass potential directly affects the drive and sense mode dynamics of the gyroscope. Therefore, a single-mass fully-decoupled gyroscope including the dedicated frequency tuning electrodes are designed. To identify mode shapes and mode frequencies of the designed gyroscope, FEM simulations are performed. The designed gyroscopes are fabricated using SOI-based SOG process. The fabrication imperfections are clarified during the formation of the structural layer of the gyroscope. Next, the closed loop controllers are designed for the drive amplitude control, sense force-feedback, quadrature cancellation, and mode-matching regarding the phase relationship between the quadrature and drive signals. Mode-matching is achieved by using a closed loop controller that provides a DC tuning potential. The mode-matching system consisting of vacuum packaged sensor, drive amplitude control, sense force-feedback, quadrature cancellation, and mode-matching modules is implemented on a printed circuit board (PCB), and then the system level tests are performed.Tests illustrate that the mode-matching system operates in a desired manner. Test results demonstrate that the performances of the studied MEMS gyroscopes are improved up to 2.6 times in bias instability and 2 times in ARW under the mode-matched condition compared to the mismatched (~200 Hz) condition, reaching down to 0.73 °/hr and 0.024 °/?hr, respectively. At the mode-matched gyroscope operation, the better performance is obtained to be bias instability of 0.87 ?/hr and ARW of0.014 °/?hr, close to a theoretical mechanical Brownian noise limit of 0.013 °/?hr, under 10 mTorr vacuum ambient condition. The system bandwidth is adjusted and measured to be greater than 50 Hz. The mode-matched gyroscope has a linearity of 99.99% in a dynamic range of ±90 °/sec. The dynamic range can be increased above that level without sacrificing linearity.To conclude, the proposed mode-matching system improves the performance of the gyroscope up to a mechanical Brownian noise limit by substantially suppressing the electronic noise of the sense mode controller and achieves sub-degree per hour performance without sacrificing system bandwidth and linearity.