Publicação
Navigation grade frequency-modulated MEMS accelerometer using internal thermal-piezoresistive amplification
| Resumo: | A investigação sobre acelerómetros MEMS está constantemente à procura de melhor desempenho para atender aos requisitos exigentes das aplicações de grau de nevegação. Os acelerómetros MEMS modulados em frequência são uma abordagem adequada para atender a este objetivo, baseando-se num ressoador cuja frequência de ressonância varia com a aceleração externa. Fatores de qualidade elevados são fundamentais no desempenho destes ressoadores, melhorando a imunidado ao ruído, a estabilidade a longo termo, a resolução e a gama dinâmica. Na literatura recente, ressoadores baseados numa viga piezoresistiva que apresentam um mecanismo inovador – a amplificação termo piezoresistiva interna (TPA) – demonstraram fatores de qualidade acima de um milhão. Assim, nesta tese, é proposto o desenvolvimento de um acelerómetro MEMS FM baseado neste mecanismo, pretendendo-se alcançar um elevado desempenho utilizando os benefícios de um fator de qualidade elevado. O mecanismo interno de TPA foi caracterizado usando ressoadores atuados electrostaticamente com massa única (SMR) ou dupla (DMR). Modelos analíticos e discretos foram desenvolvidos e os dois tipos de ressoadores foram fabricados e caracterizados para validação experimental dos modelos. O ressoador com melhor desempenho em termos de frequência de ressonância, fator de qualidade e mecanismo interno de TPA foi usado para projetar duas versões de um acelerómetro FM diferencial, que incluem um sistema de alavancas. Estes acelerómetros diferem na forma como a força amplificada é transmitida aos ressoadores e o seu desempenho foi simulado usando a análise de elementos finitos. Foram fabricados e caracterizados em termos de sensibilidade e linearidade, na faixa de aceleração compreendida entre -1 g a 1 g, usando um teste estático de inclinação controlado por circuito fechado. Apesar das várias fontes de erro identificadas, os modelos para o SMR ajustam-se bem aos resultados experimentais. Contudo, estes erros não permitiram confirmar se o DMR se comporta de acordo com o modelo desenvolvido. O mecanismo de TPA foi somente verificado em ressoadores com uma viga piezoresistiva de dimensões específicas, indicando que este mecanismo é bastante sensível a variações da estrutura e das suas condições ambientais. O DMR apresentou melhor desempenho em vácuo do que o SMR, alcançando frequências de ressonância, fatores de qualidade e amplificações superiores. Assim, o projeto das duas versões do acelerómetro basearam-se no DMR. Na primeira versão, cada DMR demonstrou uma sensibilidade inferior a 1 Hz/g, enquanto que os DMRs da segunda versão são mais sensíveis (~30 Hz/g) e têm melhor linearidade. No entanto, nenhum destes DMRs apresentou mecanismo de TPA, quando colocados em conjunto com os restantes elementos do acelerómetro, mostrando a sensibilidade do mecanismo a variações estruturais e ambientais. A presença do mecanismo aumentaria o fator de qualidade dos DMRs, melhorando o desempenho global do acelerómetro. Portanto, esta é uma tecnologia promissora, que deve continuar a ser estudada para alcançar acelerómetros com desempenho elevado, atendendo aos requisitos de grau de navegação. |
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| Autores principais: | Coelho, Cláudia Alexandra Araújo |
| Assunto: | Acelerómetros MEMS ressonantes Amplificação termo-piezoresistiva Ressoadores MEMS MEMS resonant accelerometers MEMS resonators Thermal-piezoresistive amplification |
| Ano: | 2021 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | A investigação sobre acelerómetros MEMS está constantemente à procura de melhor desempenho para atender aos requisitos exigentes das aplicações de grau de nevegação. Os acelerómetros MEMS modulados em frequência são uma abordagem adequada para atender a este objetivo, baseando-se num ressoador cuja frequência de ressonância varia com a aceleração externa. Fatores de qualidade elevados são fundamentais no desempenho destes ressoadores, melhorando a imunidado ao ruído, a estabilidade a longo termo, a resolução e a gama dinâmica. Na literatura recente, ressoadores baseados numa viga piezoresistiva que apresentam um mecanismo inovador – a amplificação termo piezoresistiva interna (TPA) – demonstraram fatores de qualidade acima de um milhão. Assim, nesta tese, é proposto o desenvolvimento de um acelerómetro MEMS FM baseado neste mecanismo, pretendendo-se alcançar um elevado desempenho utilizando os benefícios de um fator de qualidade elevado. O mecanismo interno de TPA foi caracterizado usando ressoadores atuados electrostaticamente com massa única (SMR) ou dupla (DMR). Modelos analíticos e discretos foram desenvolvidos e os dois tipos de ressoadores foram fabricados e caracterizados para validação experimental dos modelos. O ressoador com melhor desempenho em termos de frequência de ressonância, fator de qualidade e mecanismo interno de TPA foi usado para projetar duas versões de um acelerómetro FM diferencial, que incluem um sistema de alavancas. Estes acelerómetros diferem na forma como a força amplificada é transmitida aos ressoadores e o seu desempenho foi simulado usando a análise de elementos finitos. Foram fabricados e caracterizados em termos de sensibilidade e linearidade, na faixa de aceleração compreendida entre -1 g a 1 g, usando um teste estático de inclinação controlado por circuito fechado. Apesar das várias fontes de erro identificadas, os modelos para o SMR ajustam-se bem aos resultados experimentais. Contudo, estes erros não permitiram confirmar se o DMR se comporta de acordo com o modelo desenvolvido. O mecanismo de TPA foi somente verificado em ressoadores com uma viga piezoresistiva de dimensões específicas, indicando que este mecanismo é bastante sensível a variações da estrutura e das suas condições ambientais. O DMR apresentou melhor desempenho em vácuo do que o SMR, alcançando frequências de ressonância, fatores de qualidade e amplificações superiores. Assim, o projeto das duas versões do acelerómetro basearam-se no DMR. Na primeira versão, cada DMR demonstrou uma sensibilidade inferior a 1 Hz/g, enquanto que os DMRs da segunda versão são mais sensíveis (~30 Hz/g) e têm melhor linearidade. No entanto, nenhum destes DMRs apresentou mecanismo de TPA, quando colocados em conjunto com os restantes elementos do acelerómetro, mostrando a sensibilidade do mecanismo a variações estruturais e ambientais. A presença do mecanismo aumentaria o fator de qualidade dos DMRs, melhorando o desempenho global do acelerómetro. Portanto, esta é uma tecnologia promissora, que deve continuar a ser estudada para alcançar acelerómetros com desempenho elevado, atendendo aos requisitos de grau de navegação. |
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