Kim, Illh-Wan;Seok, Seon-Ho;Kim, Hyeon-Cheol;Kang, Moon-Koo;Chun, Kuk-Jin
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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제5권1호
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pp.58-66
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2005
Inertial-grade vertical-type and lateral-type differential resonant accelerometers (DRXLs) are designed, fabricated using one process and tested for navigational applications. The accelerometers consist of an out-of-plane (for z-axis) accelerometer and in-plane (for x, y-axes) accelerometers. The sensing principle of the accelerometer is based on gap-sensitive electrostatic stiffness changing effect. It says that the natural frequency of the accelerometer can be changed according to an electrostatic force on the proof mass of the accelerometer. The out-of-plane resonant accelerometer shows bias stability of $2.5{\mu}g$, sensitivity of 70 Hz/g and bandwidth of 100 Hz at resonant frequency of 12 kHz. The in-plane resonant accelerometer shows bias stability of $5.2{\mu}g$, sensitivity of 128 Hz/g and bandwidth of 110 Hz at resonant frequency of 23.4 kHz. The measured performances of two accelerometers are suitable for an application of inertial navigation.
This paper describes the design, fabrication and testing of a micromachined resonant accelerometer consisting of a symmetrical pair of proof masses and double-ended tuning fork(DETF) oscillators. Under the external acceleration along the input axis, the proof mass applies forces to the oscillators, which causes a change in their resonant frequency. This frequency change is measured to indicate the applied acceleration. Pivot anchor and leverage mechanisms are adopted in the accelerometer to generate larger force from a proof mass under certain acceleration, which enables increasing its scale factor. Finite element method analyses have been conducted to design the accelerometer and a silicon on insulator(SOI) wafer with a substrate glass wafer was used for fabricating it. The fabricated accelerometer has a scale factor of 188 Hz/g, which is shown to be in agreement with analysis results.
It is necessary to study on acoustic and vibratory response of a MEMS resonant accelerometer before applying to military applications. In this paper, we analyze why the resonant accelerometer reacts to an acoustic wave and a high frequency vibration. And we describe experimental results on acoustic and vibratory response of the accelerometer. The accelerometer consists of a proof mass and a dual ended tuning fork. It is a differential resonant accelerometer with arranging a pair of accelerometers. The mode shape was analyzed to find out the input mode frequency by using a FEM simulation. Some experiments regarding the acoustic noise was carried out by using a tweeter and a microphone in the anechoic room. Results showed that the accelerometer reacted to the acoustic wave and vibration which had the input mode frequency as we had expected. We showed experimentally not only that the susceptibility of the accelerometer to an acoustic wave was 70 dB but also that the effectiveness of applying an acoustic absorber and a metal case was 20 dB, respectively. Also, we could minimize the vibratory response property of the accelerometer by installing a IMU with a silicone rubber mount pad.
This paper investigates a resonant microaccelerometer that measures acceleration using a built-in micromechanical resonator, whose resonant frequency is changed by the acceleration-induced axial force. A set of design equations for the resonant microaccelerometer has been developed, including analytic formulae for resonant frequency, sensitivity, nonlinearity and maximum stress. On this basis, the sizes of the accelerometer are designed for the sensitivity of 10$^3$Hz/g in the detection range of 5g, while satisfying the conditions for the maximum nonlinearity of 5%, the minimum shock endurance of 100g and the size constraints placed by microfabrication process. A set of the resonant accelerometers has been fabricated by the combined use of bulk-micromachining and surface-micromachining techniques. From a static test of the cantilever beam resonant accelerometer, a frequency shift of 860Hz has been measured for the proof-mass deflection of 4.3${\pm}$0.5$\mu\textrm{m}$; thereby resulting in the detection sensitivity of 1.10${\times}$10$^3$Hz/g. Uncertainty analysis of the resonant frequency output has been performed to identify important issues involved in the design, fabrication and testing of the resonant accelerometer.
본 논문에서는 안정된 진동을 얻기 위한 자동 이득 제어(AGC) 루프를 이용하여 자가 유지 특성을 갖는 공진형 가속도계를 설계하였다. 제안된 가속도계의 기본 원리는 가속도 입력시, 가변 진동의 진폭을 일정하게 유지시키는 방법을 이용한다. 시스템 모델링과 진동의 포락선을 고려한 루프 설계 및 변환를 통하여 다양한 가속도 입력 하에서 진동 신호의 진폭을 일정하게 유지하도록 제어기를 설계하였고, 시뮬레이션 결과를 통해 실현가능성을 확인하였다. 따라서 고안된 공진 가속도계는 산업과 민간 응용 분야에 있어서 제어용 등급의 관성 측정 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
This paper presents the fabrication and testing of a polysilicon piezoresistive accelerometer with p+ silicon diaphragm by simple process such as two step photolithography for the RIE process to form the cantilevers and a deep anisotropic etch process for the complete fabrication of the accelerometer. The fabricated accelerometer consists of a seismic mass and four cantilevers on which polysilicon piezoresistors are formed. The measurement of the output signal from the bridge circuit of the fabricated accelerometer is carried out with the HP 3582A spectrum analyzer. The analysis of the experimental result is showed in terms of the sensitivity and the resonant frequency. At atmospheric condition, the measurement values of the sensitivity and the resonant frequency are $11\;{\mu}V/Vg$ and 475 Hz, respectively.
In this paper, a nonlinear feedback system is analyzed for a surface micromachined resonant accelerometer. For this, a brief illustration of the plant dynamics is given. In the analysis, the periodic signal in the nonlinear feedback loop is obtained by the limit cycle point, which is best approximated via the describing function method. Considering the characteristic feature of plant dynamics, a simple phase shifted relay with finite slope is designed for the nonlinearity implementation. With a describing function for random plus sinusoidal input, we analyzed the effect of a white Gaussian noise on oscillation frequency. Finally, simulation and experimental result is given.
This paper presents the differential type resonant accelerometer (DRXL) and its performance test results. The DRXL is the INS grade, surface micro-machined sensor. The proposed DRXL device produces a differential digital output upon an applied acceleration, and the principle is a gap-dependent electrical stiffness variation of the electrostatic resonator with torsion beam structures. Using this new operating concept, we designed, fabricated and tested the proposed device. The final device was fabricated by using the wafer level vacuum packaging process. To test the performance of the DRXL, a nonlinear self-oscillation loop is designed using describing function technique. The oscillation loop is implemented using discrete electronic elements. The performance test of the DRXL shows that the sensitivity of the accelerometer is 12 Hz/g and its long term bias stability is about $2mg(1{\sigma})$. The turn on repeatability, bandwidth, and dynamic range are 4.38 mg, 100 Hz, and ${\pm}\;70g$, respectively.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제5권1호
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pp.35-42
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2007
This paper presents an INS(Inertial Navigation System) grade, surface micro-machined differential resonant accelerometer(DRXL) manufactured by an epitaxially grown thick poly silicon process. The proposed DRXL system generates a differential digital output upon an applied acceleration, in which frequency transition is measured due to gap dependent electrical stiffness change. To facilitate the resonance dynamics of the electromechanical system, the micromachined DRXL device is packaged by using the wafer level vacuum sealing process. To test the DRXL performance, a nonlinear self-oscillation loop is designed based on the extended describing function technique. The oscillation loop is implemented using discrete electronic elements including precision charge amplifier and hard feedback nonlinearity. The performance test of the DRXL system shows that the sensitivity of the accelerometer is 24 Hz/g and its long term bias stability is about 2 mg($1{\sigma}$) with dynamic range of ${\sigma}70g$.
In this paper, a silicon piezoresistive accelerometer is designed and fabricated using a silicon direct bonded wafer. The accelerometer consists of a seismic mass and four cantilevers, and is fabricated mainly by the anisotropic etching method using EPW as an etchant. The measured sensitivity and the resonant frequency are 0.02 mV/V.g and 3.4 kHz, respectively. The nonlinearity is less than $\pm$0.3% of the full scale of the output.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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