PROF. DR. TAYFUN AKIN

Quadrature error compensation and its effects on the performance of fully decoupled mems gyroscopes Ofset hatasının giderilmesi ve bunun tamamıyla etkileşimsiz dönüölçer performansına etkileri

Bu tez literatürde ilk defa ofset hatasının giderilmesinin tamamıyla etkileşimsiz dönüölçer performansına etkisine ve ofset hatasının kaynaklarına dair deneysel veri sunmaktadır. Tamamıyla etkileşimsiz bir dönüölçerde ofset hatasının giderilmesi için sadece diferansiyel DC potansiyellerle çalışan özel ofset giderme parmak yapısı tasarlanmıştır. Bilerek yay hatası yerleştirielen dönüölçerler, SOG üretim tekniğine göre daha yüksek verimli ve daha düzenli üretim imkanı sunan SOG tabanlı SOI üretim yöntemiyle üretilmiştir. Testler ofset giderme özelliği olan tamamıyla kapalı dongü sistemin beklendiği gibi çalıştığını göstermiştir. Ofset giderme devresi ile birlikte dönüölçer performans parametrelerinden sabit kayma kararsızlığında 7.8 kata kadar, açısal rastgele kaymasında (ARK) 10 kata kadar ve çıkış ofsetinde 800 kata kadar iyileşme olduğu gösterilmiştir. Asıl performans artış miktarı daha da fazladır çünkü bazı duyargalar ofset giderme devresi olamadan çalıştırılamamakta ve o duyargalar performans artış hesabına katılmamıştır. En iyi elde edilen performans sabit kayma kararsızlığı olarak 0.39?/saat ve ARK olarak 0.014?/?saat’tir ve bu duyarga için teorik ARK sınırı 0.012?/?saat’tir. En düşük çalışma bandı 70Hz ve tipik olarak 80Hz-100Hz arasında değişmektedir. Dönüölçerlerin çalışma aralığı ±100?/sn olarak ölçülmüştür fakat en az ±150?/sn’ye çıkabilecekleri öngörülmektedir. Ölçümler ofset hatasının azaltılmasında yay tasarımının önemli olduğunu göstermiştir. Ofset hatası dönüölçerler için en enömli hata kaynağı olarak bulunmuştur ve 1?/saat’in altına giden dönüölçer performansı yolunda bu hatanın kesinlikle giderilmesi gerekmektedir.

High performance readout and control electronics for MEMS gyroscopes MEMS dönüölçerler için yüksek performanslı okuma ve kontrol elektroniği

Bu tez ODTÜ’de geliştirilmiş MEMS dönüölçerler kullanarak açısal dönü algılama sistemleri uygulamak için çeşitli yüksek performanslı okuma ve kontrol elektroniğinin geliştirilmesini anlatmaktadır. İlk olarak, açık döngü algılama mekanizmalı üç sistem uygulanmıştır, bu sistemlerin herbiri (i) OLS_SquD olarak adlandırılan DA bağıl konumlu kare dalga sürüş sinyali (ii) OLS_SineD olarak adlandırılan DA bağıl konumlu sinüs sürüş sinyali ve (iii) OLS_OffD olarak adlandırılan rezonans frekansında olmayan sürüş sinyalini içeren farklı sürüş-modu otomatik kazanç kontrollü (OKK) kendinden salınımlı döngü yaklaşımlarına sahiptir. Dördüncü bir sistemse CLS_SquD olarak adlandırılan DA bağıl konumlu kare dalga sürüş sinyalli otomatik kazanç kontrollü (OKK) kendinden salınımlı döngü yaklaşımının olduğu kapalı döngü algılama mekanizmasıyla yapılmıştır. Algılama ve sürüş modu elektroniği sırasıyla geçiş-empedansı ve geçiş-direnci yükselticilerini okuma elektroniği olarak kullanmaktadır. Herbir sistem ticari ayrık devre elemanlarıyla baskı devre üzerinde uygulanmıştır. Daha sonra, açısal dönü ölçme sistemleri, iki farklı mekanik band genişliğine sahip olacak şekilde, 100 Hz ve 30 Hz, ayarlanan SOG (Cam-üstü-Silikon) dönüölçerlerle test edilmiştir. Bütün durumlarda elde edilen test sonuçları ODTÜ’de elde edilen en iyi sonuçlardır, taktiksel-seviye performansları sağlamaktadır ve ölçülen sabit kayma kararsızlığı ve ARK, literatürdeki silikon mikroişlenmiş dönüölçerler için en iyi sonuçlarla kıyaslanabilmektedir. Anahtar Kelimeler: MEMS Dönüölçer, Dönüölçer Elektroniği, Kontrol Elektroniği, Arabirim Devreleri, Genlik Kontrollü Salınım, Kapalı Döngü Açısal Dönü Algılama, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS)

A tactical grade MEMS accelerometer Taktik seviye MEMS ivmeölçer

Bu çalışmanın amacı da teknolojide ki en son gelişmelere paralel olarak, mikro işleme teknikleri ile geliştirilmiş, üç eksenli, taktik seviye bir ivmeölçer sistemi oluşturmaktır. Üretilecek bu 3 eksenli ivmeölçer sisteminin her ekseni, en fazla 200µg/?Hz gürültü yoğunluğu ve en düşük ±10g çalışma aralığına sahip olmalıdır. Bu performans değerlerine ulaşabilmek için, ivmeölçer performansını istenen seviye aralığında optimize edecek bir MATLAB algoritması geliştirilmiştir. Tasarlanan ivmeölçerlerin beklenen performans değerleri de COVENTORWARE sonlu eleman modelleme aracı ve MATLAB tarafından çıkarılmıştır. Tasarlanan yapılar daha sonra cam-üstü-silikon, çözülmüş pul işleme ve çözülmüş epitaksiyel pul işleme süreçleri ile üretilmiştir. Bu üretim sonuçları karşılaştırılmış ve en yüksek verimliliğin cam-üstü-silikon üretim süreci ile elde edildiği gözlemlenmiştir. Fakat bu süreç ile üretilen ivmeölçerler taktik seviye performans parametrelerini sağlayamamaktadır. En iyi performans değerleri ise çözülmüş pul işleme süreci ile elde edilmiştir, fakat yapısal katmaları içerisinde bulunan gerilim sebebiyle bu üretim sürecinin verimliliği çok düşük olmuştur. Bu üretimden çıkan ivmeölçerler kullanılarak üç eksenli bir ivmeölçer paketi hazırlanmış ve yapılan testler ile performansının taktik seviye isterleri karşıladığı gösterilmiştir. Bunların yanında üç eksenli aynı tabanda üretilebilen bir ivmeölçer üretim teknolojisi de önerilmiştir. Tek eksende üretilen ivmeölçerler ile elde edilen en iyi performans değerleri 153µg/?Hz gürültü yoğunluğu, 50µg sabit kayma kararsızlığı, 0.38% doğrusallıktan sapma oranı ve ±33.5g çalışma aralığıdır ki, literatürde yer alan benzerlerinden daha yüksek bir dinamik ölçüm aralığı değerine sahiptir. 3 eksenli ivmeölçer paketi ile elde edilen performans değerleri ise ~150µg sabit kayma kararsızlığı, <200µg/?Hz gürültü yoğunluğu, 0.4% doğrusallıktan sapma oranı ve ±10g'den büyük çalışma aralığıdır.

Control electronics for MEMS gyroscopes and its implementation in a CMOS technology MEMS dönüölçerler için kontrol elektroniği ve CMOS teknolojisinde gerçekleştirilmesi

Bu tez literatürde ilk defa MEMS dönüölçerler ile ilgili kapsamlı bir calışmayı sunmaktadır. MEMS dönü ölçerlerde kontrol, sensör parametrelerinden ve ortam koşullarında bağımsız çalışma için zorunludur. Kontrolcü tasarımlarındaki hatalar sistemin geçiş zamanındaki performansını etkilemek ile beraber kararsızlık gibi fonksiyonel sorunlara da yol açabilir. Buna bağlı olarak, doğru kontrolcü tasarımı işlev ve sistem performansı acısından kritik rol almaktadır. Bu tez, sürüş ve algılama modu kapalı döngü sistemleri için modelleme, sistem analizi ve kontrolcü tasarımı konularında detaylı bilgiler vermektedir. Kapalı döngüler hem ayrık elemanları kullanarak, hem de CMOS teknolojisinde tümleşik devreler biçiminde oluşturulmuştur. Simülasyon ve test sonuçları da tezde sunulan modelleme, analiz ve tasarım çalışmalarını desteklemektedir. ODTÜ’de daha önce gerçekleştirilmiş sürüş modu devrelerden gelen kusurlar da hesaba katılarak optimize edilmiştir. Bu optimizasyonla 4u sürüş modu hareketi için 50 ms yatışma zamanı ve 0 hedefi aşma sonuçlarına ulaşılmıştır. 60 derece faz marjı kutup-sıfır çıkarma metodu ile elde edilmiştir. Buna ek olarak, orta seviye geçiş performansı için yeni nesil ve basit sürüş modu kontrolcü sistemi taktik seviye uygulamaları için tasarlanmıştır. Literatürde ilk defa sunulan algılama modunun ana-banttaki eşdeğer modeli kullanılarak, iki çeşit kontrolcü tasarımı geliştirilmiştir. İlk olarak, orantılı-entegral-türetme kontrolcüsüdüşük eşlememe miktarı için tasarlanmıştır. İkinci olarak, entegral kontrolcüsü kullanılarak orta ve yüksek miktardaki eşleşmeme miktarı için bir tasarım yapılmıştır. Ana-banttaki eşdeğer model kullanılarak gerçekleştirilmiş olan tasarım ile, sabit kayma kararsızlığında, açı rastgele yürüyüşünde ve doğrusalsızlıkta sırasıyla 3, 5 ve 9 katlık iyileşmeler görülmüştür. Öne sürülen kontrol sistemleri 0.6u standart CMOS prosesi için tasarlanmış ve bu tasarımlar ürettirilmiştir. Bu üretilen yongalar ODTÜ’de geliştirilen MEMS dönüölçerler için yapılmış ilk fonksiyonel devrelerdir. Geleneksel sürüş modu kontrolcüsü, yeni nesil sürüş modu kontrolcüsü ve algılama modu kontrolcüsü devrelerinin işlevselliği doğrulanmıştır. 0.033 derece/kök(saat) açı rastgele yürüyüşü ve 3derece/saat sabit kayma kararsızlığı değerleri, açık döngü sistemi için elde edilmiştir. Bu sonuçlar ilk prototipler için çok umut vericidir ve gelecekteki çalışmalarda daha da iyileştirilecektir.

Development of high fill factor and high performance uncooled infrared detector pixels Yüksek etkin alanlı ve yüksek performanslı soğutmasız kızılötesi detektörlerinin geliştirilmesi

Bu tezde yüksek etkin alanlı ve yüksek performanslı yüzey mikroişleme teknolojisi ile üretilen soğutmasız kızılötesi direnç tipi mikrobolometre dedektörün tasarımı, üretimi ve karakterizasyonu sunulmaktadır. Aktif malzeme YBCO olarak seçilirken, 25 ?m büyüklüğündeki pikseller iyileştirilmiş direnç yapısı kullanılarak çift katlı olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Piksel yapısının ilk katı daha uzun destek kolları dolayısıyla daha düşük ısıl iletkenlik elde etmek amacıyla, destek kollarının şekillendirilmesi için ayrılmıştır. Piksel gövdesi, dedektörün etkin alanını ve emilimini azami seviyeye çıkarmak için ikinci katta geliştirilmiştir. Yapısal ve feda katmanları da 8-12 ?m dalgaboyu aralağındaki emilimi artırmak amacıyla optimize edilmiştir. Isıl simülasyonlar, sonlu eleman metodu (FEM) kullanılarak CoventorWare yazılımında yapılmıştır. Tasarlanan piksel, % 92’lik bir etkin alana sahiptir; ayrıca ısıl iletkenliği ve ısıl zaman sabiti sırasıyla 16.8 nW/K ve 19.3 ms olarak hesaplanmıştır. Pikseller, CMOS’a uyumlu üretim sürecinin tasarlanmasının ardından ODTU MEMS tesislerinde üretilmiştir. Tüm üretim aşamaları beklenen yüksek performansı elde edtmek amacıyla tek tek optimize edilmiştir. Piksellerin karakterizasyon aşaması direncin sıcaklıkla değişim katsayısı (TCR), pikselin gürültü seviyesi, ısıl iletkenliği ve ısıl zaman sabitinin ölçülmesini kapsamaktadır. Toplam direnci 55 k? ve kol direnci 8 k? olan pikselin direncinin sıcaklıkla değişim katsayısı (TCR) %?2.8 olarak ölçülmüştür. Pikselin 1/f gürültüsünün sınır frekansı 20 ?A ve 10 ?A akım biası için sırasıyla9.5 kHz ve 1.4 kHz’dir 8.4 kHz bant genişliği ve 20 ?A akım biası için toplam etkin değer 192 pA’dir. Pikselin ısıl iletkenliği 17.4 nW/K ve zaman sabiti 17.5 ms olarak ölçülmüştür. Ölçüm sonuçları, bu tez kapsamında tasarlanan ve üretilen piksellerin büyük biçimli odak düzlem matrislerine uygulanabilir olduğunu göstermektedir. 384×288 ve 640×480 boyutundaki odak düzlem matrisleri için beklenen gürültü eşlenikli sıcaklık farkı (NETD) değerleri sırasıyla 33 mK ve 36 mK’dir.

A low-power capacitive integrated CMOS readout circuitry for high performance MEMS accelerometers Yüksek performanslı MEMS ivmeölçerler için düşük güç tüketimli kapasitif tümleşik CMOS okuma devresi

Bu tez yuksek performanslı MEMS ivmeolçerler ve ivmeolcer sistemleri icin dogrusal model onerilmektedir. Bu dogrusal model sistem analizini ve tasarımını kolaylastırmaktadır. Tasarlanan okuma devresi cok dusuk gurultulu, genis dinamik aralıga ve yuksek dogrusallıga sahip sistemi, dusuk guc tuketimiyle sunmaktadır. Tasarlanan okuma devresi ivmeolcerin hareketini azaltmayı saglayan oransal-integral denetleyici icermektedir ve ivmeolcerin az hareket etmesi yuksek dogrusallıgı ve sensor degiskenlerine baglılıgın azalmasını saglamaktadır. Tasarlanan sistem ayrıca okuma devresi gurultu seviyesini buyuk olcude bastırmaktadır ve bu, sistem performansının dusmesine sebep olmadan dusuk gurultulu okuma devresi tasarlamaya olanak sunmaktadır. Okuma devresi butun sayısal zamanlama sinyallerini, analog devrelerin kutuplama akım ve voltaj degerlerini, ve guc tuketimini, on uc devresinin kazancını, oransal-integral denetleyicinin kazanc katsayılarını ve sigma-delta modulator devresinin kazancını kontrol etmeye olanak saglayan oldukca yuksek programlanabilir ozellige sahip sayısal denetleme devresi icermektedir. Ayrıca, tasarlanan okuma devresi istege baglı olarak cip dısından sayısal zamanlama sinyallerinin ve referans voltajının kullanılmasını saglamaktadır. Okuma devresinin tasarımı 0.35 um CMOS teknolojisinde gelistirilmistir. Devre duzeyinde ve sistem duzeyinde simulasyonlar sırasıyla Cadence ve MATLAB Simulink programlarında yapılmıstır. Simulasyonlar ivmeolcer sisteminin kararlılıgını ve duzgun calısmasını teyit etmistir. Ivmeolcer olarak 3.5×10-6 F/m hassasiyetli, hareketsiz halde 9.5 pF kapasiteye sahip, 2.32 kHz yankılama frekansında ve 4.6 g/Hz Brownian gurultusune sahip bir ivmeolcer kullanılmıstır. Simulasyon sonucları 5.3 g/Hz cıkıs gurultu seviyesi, ± 19.5 g giris aralıgı, 128.5 dB dinamik aralık ve 3.3 V guc kaynagı ile 1.8 mW guc tuketimi oldugunu gostermistir.