عنوان پایان‌نامه
طراحی شتاب سنج خازنی MEMS و بررسی روشهای نوین برای کنترل آن
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک- تکنولوژی نیمه هادی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 36755
- تاریخ دفاع
- ۰۲ بهمن ۱۳۸۶
- دانشجو
- فائزه عرب حسنی
- استاد راهنما
- مرتضی فتحی پور
- چکیده
- شتاب سنج های خازنی MEMS کاربردهای متنوعی از قبیل آشکارسازی موقعیت و حرکت، مانیتور و کنترل کردن ارتعاش، اندازه گیری شوک و کج شدگی دارند. کارایی شتاب¬سنج بر اساس سه عامل شتاب بیشینه قابل اعمال به شتاب سنج، دقت و پهنای باند آن مشخص می گردد. در این پایان نامه روشی برای طراحی شتاب سنج خازنی برای رسیدن به شتاب بیشینه و چگالی نویز معینی ارائه گردید. از پارامترهای بدست آمده از طراحی نظیر جرم، ثابت فنر و ضریب میرایی، برای تحلیل عملکرد شتاب سنج در سطح سامانه توسط نرم افزار سیمولینک و از ابعاد بدست آمده، برای تحلیل و بررسی چگونگی توزیع تنش در ساختار شتاب سنج توسط نرم افزار انسیس استفاده شده است. شتاب سنج ممکن است در حین کار با عوامل ناخواسته ای مواجه شود که عملکرد آن را تحت تاثیر قرار می دهد. بررسی این عوامل ناخواسته امکان پیش بینی طول عمر و آگاهی از قابلیت اطمینان شتاب سنج را فراهم می کند. برای بررسی این عوامل در این پایان نامه مسئله تشکیل ترک در فنر، تغییر ضریب میرایی بر اثر تغییرات دما و بروز پدیده چسبندگی بر اثر اعمال شتاب های ورودی بالا مورد بررسی قرار گرفته است. تاثیر تشکیل ترک بر توزیع تنش مطالعه گردید. با انجام تحلیل مودال به کمک نرم¬افزار انسیس، میزان تاثیر تشکیل ترک بر فرکانس طبیعی و ثابت فنر بررسی شد. تغییرات دما نیز با تغییر ضریب چسبناکی سبب ایجاد تغییرات در ضریب میرایی می¬شود و تغییر ضریب میرایی نیز می¬تواند عملکرد شتاب¬سنج را تحت تاثیر قرار دهد. سپس با استفاده از تئوری کنترل غیرخطی، تخمینگری برای پیش بینی تغییرات ایجاد شده در ثابت فنر و ضریب میرایی در نظر گرفته شده است که به مدار معادل سامانه حلقه بسته شتاب سنج افزوده می شود. استفاده از تخمینگر امکان آزمون خودکار سامانه را فراهم می آورد. علاوه بر آن بر اثر اعمال شتاب های بالاتر از شتاب مجاز، جابجایی انگشتک ها ممکن است از حد مجاز بالاتر برود و پدیده چسبندگی انگشتک های شتاب سنج به یکدیگر رخ دهد. با استفاده از کنترل کننده طراحی شده بر اساس تئوری کنترل غیرخطی از پدیده چسبندگی انگشتک ها جلوگیری شده است. استفاده از کنترل کننده سبب ساده تر کردن روند طراحی و کاهش چگالی نویز می گردد علاوه بر آن که مقاومت سامانه را در مقابل شتابهای بالا افزایش می دهد.
- Abstract
- MEMS capacitive accelerometers have different applications such as motion and position detection, vibration monitoring and control, shock and tilt measurement. Accelerometer performance is determined based on three factors: maximum applied acceleration, resolution and band width. In this thesis, a method for designing of a capacitive accelerometer is presented based on maximum input acceleration and a specified noise density. The derived parameters such as mass, spring stiffness and damping factor are used for system-level analysis of accelerometer using SIMULINK software and also for investigation of the stress distribution in the accelerometer using ANSYS software. The accelerometer operation may be disturbed by undesirable events. Study of these events provides the capability of predicting reliability and life time of accelerometer. The undesirable events studied in this thesis include the presence of cracks in the spring, changes in damping factor caused by temperature variations and pull-in phenomena caused by high input accelerations. Presence of crack affects stress distribution in the spring. Modal analysis was carried to study the effect of crack on the natural frequency and the spring stiffness. Temperature variation results in changes in damping factor which affect the accelerometer operation. An estimator based on nonlinear control theory is used for online estimation of spring stiffness and damping factor variations and is added to the equivalent circuit model of closed loop accelerometer. Using the estimator gives the capability of self testing to the system. Moreover, by applying accelerations above a specified value, displacement may exceed the maximum allowed value which results in pull-in phenomena. A controller is designed based on nonlinear control techniques to prevent displacement from exceeding the stated value and pull-in phenomena. Using this controller, the design process will simplify and noise density is reduced. Moreover the shock resistance of system will be increased.
