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https://hdl.handle.net/1822/48668
Título: | Auto-calibrated, thermal-compensated MEMS for smart inclinometers |
Autor(es): | Alves, Filipe Manuel Serra |
Orientador(es): | Rocha, Luís Alexandre Machado Cabral, Jorge Miguel Nunes dos Santos |
Data: | 8-Jun-2017 |
Resumo(s): | The electronic control of a mechanical structure with micro dimensions, offers
unique opportunities to exploit the tight coupling between co-integrated micromechanical
structures and ICs (=Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)). This
coupling allows the implementation of integrated data-acquisition systems, with
overall functionality or specifications that cannot be met using individually designed
structures and circuits.
This work focus on the development of a new class of MEMS-based inclinometers
that includes electromechanical pre-processing of the mechanical signal in the mechanical
domain and thermal compensation. The force-dependent pull-in voltage
of a micromechanical structure, due to a sufficiently large electrostatic field, enables
the realization of a high-resolution, low-bandwidth inclinometer. Pull-in is characterized
by the sudden loss of stability in electrostatically actuated parallel-plate
devices. Since pull-in voltage is stable and easy to measure, it enables an effective
transduction mechanism that does not require complex readout electronics.
A switched capacitor based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)
integrated circuit is developed, fabricated and used to detect the large capacitance
change in the MEMS sensing element, while controlling a high-resolution external
actuation system.
Dedicated MEMS microstructures with extra proof mass show high sensitivity,
269mV/◦ with a non-linearity better than 0.5%FS (Full Scale of ±23◦). The
measured noise is limited by the actuation system, rather than the mechanicalthermal
white noise of the MEMS device, setting the sensor’s resolution at 75μ◦,
high above state-of-the-art MEMS devices. The characteristics of this dedicated
MEMS inclinometer system enables an thermal compensation mechanism, which
increases the sensor stability to values better than 0.004%FS. O controlo eletrónico de estruturas mecânicas de micro dimensões, oferece oportunidades únicas para a exploração do acoplamento integrado entre microestruturas mecânicas e circuitos integrados (=Micro Electro Mechanical Systems MEMS). Este tipo de acoplamento permite a implementação de sistemas de aquisição de dados integrados, com funcionalidades ou especificações que não poderiam ser atingidas por estruturas ou circuitos desenhados individualmente. Este trabalho foca-se no desenvolvimento de um novo tipo de inclinómetros MEMS que inclui mecanismos de compensação térmica diretamente no domínio mecânico. A tensão de pull-in de uma microestrutura mecânica, possibilita a criação de inclinómetros de elevada resolução e baixa largura de banda. O fenómeno de pullin é caracterizado pela súbita perda de estabilidade em estruturas de elétrodosparalelos, quando electrostaticamente atuadas. Uma vez que a tensão de pull-in é estável e fácil de medir, é possível criar um método de transdução eficiente, sem ser necessário um front-end capacitivo de elevada complexidade. Um circuito integrado, baseado num amplificador de condensadores comutados, é desenvolvido, fabricado e usado para detetar a variação de capacidade no elemento sensorial, ao mesmo tempo que controla o sistema de atuação externo de elevada resolução. As microestruturas fabricadas com uma massa-inercial adicional, demonstraram elevada sensibilidade, 269mV/◦ (não linearidade < 0.5%, escala completa de ±23◦). O ruído medido não foi limitado pelo ruído termomecânico da estrutura, mas sim pelo sistema de atuação, colocando a resolução do sensor em 75μ◦, claramente acima do estado da arte em dispositivos MEMS. As características únicas deste inclinómetro, permitem a implementação de mecanismos de compensação térmica, podendo melhorar a estabilidade do sensor para valores superiores a 0.004%FS. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de doutoramento em Engenharia Electrónica e de Computadores (PDEEC) - Especialidade de Instrumentação e Microssistemas Eletrónicos |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/48668 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | DEI - Teses de doutoramento |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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Filipe Manuel Serra Alves.pdf | Tese de Doutoramento | 21,18 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |