High precision MEMS accelerometer for microsatellites

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Garcia, Inês Sofia Moreira
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/64779
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores
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spelling High precision MEMS accelerometer for microsatellitesAcelerómetro MEMS de alta precisão para microssatélitesAccelerometerPull-inMEMSMicrosatellitesHigh precisionTime measurementAcelerómetroMicrossatélitesAlta precisãoPlacas paralelasAlta resoluçãoMedição de tempoEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e ComputadoresOn the aerospace industry, the CubeSat satellites aim to be miniaturized, low-power, inexpensive versions of flagship satellite missions like GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment [1]). GRACE missions have been instrumental in understanding the extent and consequences of the ongoing climatic changes. Nevertheless, for that type of missions to be implemented using CubeSats, geodetic grade level accelerometers with small size and low fabrication costs are required. In the past few years, novel approaches for the realization of high-performance accelerometers have been presented, including some pull-in-based techniques [2]. Reported noise levels as low as 3 μg/√, during open-loop operation have been achieved, far from the required levels for geodetic grade level accelerometers (<10 ng). Thus, this dissertation has as primary purpose the development of a geodetic-grade space MEMS accelerometer, based on the measurement of pull-in time [3]–[14], aiming to achieve a resolution below 10 nm/s2 at an operating frequency of 0.1 mHz. The novelty of this dissertation is the huge increase of the effective mass (126 mg), using the SOI wafer handle layer [15], while enhancing the squeeze-film damping. This is accomplished by adding passive parallel-plates on the handle-wafer, along with the differential sets of sensing and actuation electrodes in the device layer. Setting the device at the desired Q, between 0.5 and 1, is critical for the pull-in time accelerometer performance. Two different handle gap sizes were designed (25 μm and 30 μm) and fabricated on a 50 μm thick SOI wafer, using a three-mask dicing free process [16]. The mechanical properties were experimentally obtained. The measured Q values prove that the proposed technique can be used to successfully increase the device damping coefficient. The devices sensitivity was experimentally measured for different external accelerations and actuation voltages. The results show that when using a 7.8 V actuation voltage, it would be possible to achieve the desired 10 ng resolution by measuring the pull-in time with a 19 ns resolution, within an operating range of ±1 mg.Na indústria aeroespacial, os satélites CubeSat pretendem ser versões miniaturizadas, de baixo consumo e custo, de missões satélites como a GRACE (Gravity Recovery e Climate Experiment [1]). As missões GRACE foram fundamentais para entender a extensão e as consequências das mudanças climáticas. No entanto, para que este tipo de missões possam ser implementadas usando CubeSats, são necessários acelerómetros de grau geodésico, de pequenas dimensões e baixo custo de fabricação. Nos últimos anos, foram apresentadas novas abordagens para a realização de acelerómetros de alto desempenho, incluindo algumas técnicas baseadas no efeito de pull-in [2]. Encontram-se reportados níveis de ruído perto dos 3 μg/√ durante operação em malha aberta, longe dos níveis requeridos para acelerómetros de performance geodésica (<10 ng). Sendo assim, esta dissertação tem como objetivo primordial o desenvolvimento de um acelerómetro MEMS de performance geodésica, baseado na medição do tempo de pull-in [3]–[14], com o objetivo de alcançar uma resolução abaixo de 10 nm/s2 a uma frequência de operação de 0.1 mHz. A inovação presente nesta dissertação é o aumento da massa efetiva (126 mg), usando o substrato da bolacha SOI [15], de forma a aumentar o coeficiente de amortecimento. Isso é atingido pela adição de placas paralelas passivas no substrato, juntamente com os conjuntos de elétrodos diferenciais de leitura e atuação na camada do dispositivo. Conseguir estabelecer o Q desejado, entre 0.5 e 1, é fundamental para o desempenho do acelerómetro. Foram dimensionadas e fabricadas duas larguras diferentes no substrato (25 μm e 30 μm), numa bolacha SOI com 50 μm de espessura, usando um processo de separação sem dicing, com três máscaras [16]. As propriedades mecânicas foram obtidas experimentalmente. Os valores Q medidos provam que a técnica proposta pode ser usada para aumentar com sucesso o coeficiente de amortecimento do dispositivo. A sensibilidade dos dispositivos foi medida experimentalmente para diferentes acelerações externas e tensões de atuação. Os resultados mostram que ao usar uma tensão de atuação de 7.8 V, seria possível alcançar a resolução desejada de 10 ng medindo o tempo de pull-in com uma resolução de 19 ns, dentro de uma gama de operação de ± 1 mg.Rocha, Luís Alexandre MachadoAlves, Filipe Manuel SerraUniversidade do MinhoGarcia, Inês Sofia Moreira20192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/64779eng202447170info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:14:19Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/64779Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:06:37.293474Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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