تحلیل و طراحی شتاب‌سنج سه محوره خازنی MEMS با دامنه دینامیکی و فرکانس کاری بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

2 دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

چکیده

در این مقاله تحلیل و طراحی یک شتاب‌سنج خازنی سه محوره با استفاده از تکنولوژی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی ارائه شده است. شتاب‌سنج‌ها به لحاظ قابلیت اندازه‌گیری شتاب به سه دسته کلی تک محوره، دو محوره و سه محوره تقسیم می‌شوند. در این ساختار اندازه گیری شتاب در هر سه محور، همزمان با استفاده از یک سیستم جرم و فنر انجام می‌‌شود که این مهم موجب گردیده تا بتوان در حداقل سطح اشغالی به حساسیت بالا بدون از دست دادن سایر فاکتور‌های شتاب‌سنج دست پیدا کرد. همچنین با بکار گیری تفاضل در این ساختار تاثیر شتاب هر محور بر شتاب اندازه گیری شده‌ سایر محور‌ها بسیار ناچیز شده است. اگر هر عامل بیرونی مثل امواج الکترومغناطیسی مقدار تک تک خازن‌ها را تغییر دهد مقدار خروجی اصلی خازن اندازه گیری شده جهت تشخیص شتاب تغییر نخواهد کرد یعنی طراحی بگونه ای انجام شده است که نه تنها شتاب هر محور بر محورهای دیگر تاثیری ندارد بلکه عوامل بیرونی نیز نمی‌تواند اختلالی در عملکرد سیستم ایجاد کند. از دیگر مشخصات رایج و با اهمیت یک شتاب‌سنج می‌توان به دامنه ی دینامیکی، محدوده فرکانس کاری و حساسیت اشاره کرد. مزیت این ساختار نسبت به کارهای انجام شده قبلی در این است که دامنه‌ی دینامیکی تا 1000g و محدوده‌ی فرکانس کاری تا 20kHz را دربر می گیرد. حساسیت شتاب‌سنج در جهت محور Z مقدار 4fF/g و برای محورهای X و Y مقدار 9fF/g بدست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Analysis and Design of Three-Axis MEMS Capacitor with High Dynamic Range and Operating Frequency

نویسندگان [English]

  • Bahram Azizollah Ganji 1
  • Kamran Delfanhemmati 2
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering Babol University of Technology, Babol Iran
2 Ph.D. student of Faculty of Electrical and Computer Engineering, Babol Noshirvani
چکیده [English]

This study has designed, analyzed a three-axis capacitor accelerator in which micro-electromechanical systems technology is employed. The accelerometers are generally divided into three categories of single axis, two axes, and three axes in terms of their ability to measure acceleration. In the suggested structure in this paper, acceleration measurements are carried out on all the three axes simultaneously with the use of a mass and spring system, which makes it possible to achieve a high sensitivity at a low occupancy level without losing other accelerator factors. Due to taking difference in this structure, the effect of any axis acceleration on the measured acceleration of the other two axes has been very low. If any external factor (e.g., electromagnetic waves) changes the value of a single capacitor, the original output of the capacitor measured for detecting acceleration does not change. That is, designing is done in such a way that the acceleration of each axis does not affect the other two axes and the external factors cannot also disrupt the system performance. Among the other important characteristics of the accelerometers are dynamic range, operating frequency, and sensitivity. As an advantage, this study covers a dynamic range up to 1000g and an operating frequency up to 20 kHz. The accelerometer sensitivity has been obtained to be 4fF/g in the z axis direction and 9fF/g in the x and y axes directions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Accelerometer
  • Three Axis
  • MEMS
  • Dynamic Range
  • Operating Frequency