i MEMS GYROSCOPES FOR TACTICAL-GRADE INERTIAL MEASUREMENT APPLICATIONS A ...

331 Pages·2005·28.7 MB·English

MEMS GYROSCOPES
FOR TACTICAL-GRADE INERTIAL MEASUREMENT APPLICATIONS

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

SAİD EMRE ALPER

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY
IN
ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING

SEPTEMBER 2005
i
Approval of the Graduate School of Natural and Applied Sciences

Prof. Dr. Canan ÖZGEN
Director
I certify that this thesis satisfies all the requirements as a thesis for the degree of
Doctor of Philosophy.

Prof. Dr. İsmet ERKMEN
Head of Department
This is to certify that we have read this thesis and that in our opinion it is fully
adequate, in scope and quality, as a thesis for the degree of Doctor of Philosophy.

Prof. Dr. Tayfun AKIN
Supervisor
Examining Committee Members:
Prof. Dr. Cengiz BEŞİKÇİ (Chairman) (METU, EEE)

Prof. Dr. Tayfun AKIN (METU, EEE)

Prof. Dr. Mehmet Ali Sahir ARIKAN (METU, ME)

Asst. Prof. Dr. Haluk KÜLAH (METU, EEE)

Dr. Tarık REYHAN (Bilkent University, EEE)
ii
ISM

I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that,
as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material
and results that are not original to this work.

Said Emre ALPER

iii
ABSTRACT

MEMS GYROSCOPES FOR TACTICAL-GRADE
INERTIAL MEASUREMENT APPLICATIONS

Alper, Said Emre
Ph. D., Department of Electrical and Electronics Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Tayfun AKIN

September 2005, 301 pages

This thesis reports the development of high-performance symmetric and decoupled
micromachined gyroscopes for tactical-grade inertial measurement applications.
The symmetric structure allows easy matching of the resonance frequencies of the
drive and sense modes of the gyroscopes for achieving high angular rate sensitivity;
while the decoupled drive and sense modes minimizes mechanical cross-coupling
for low-noise and stable operation. Three different and new symmetric and
decoupled gyroscope structures with unique features are presented. These structures
are fabricated in four different micromachining processes: nickel electroforming
(NE), dissolved-wafer silicon micromachining (DWSM), silicon-on-insulator (SOI)
micromachining, and silicon-on-glass (SOG) micromachining. The fabricated
gyroscopes have capacitive gaps from 1.5µm to 5.5µm and structural layer
thicknesses from 12µm to 100µm, yielding aspect ratios up to 20 depending on the
iv
fabrication process. The size of fabricated gyroscope chips varies from 1x1mm2 up
to 4.2x4.6mm2.

Fabricated gyroscopes are hybrid-connected to a designed capacitive interface
circuit, fabricated in a standard 0.6µm CMOS process. They have resonance
frequencies as small as 2kHz and as large as 40kHz; sense-mode resonance
frequencies can be electrostatically tuned to the drive-mode frequency by DC
voltages less than 16V. The quality factors reach to 500 at atmospheric pressure and
exceed 10,000 for the silicon gyroscopes at vacuum. The parasitic capacitance of
the gyroscopes on glass substrates is measured to be as small as 120fF.

The gyroscope and interface assemblies are then combined with electronic control
and feedback circuits constructed with off-the-shelf IC components to perform
angular rate measurements. Measured angular rate sensitivities are in the range from
12µV/(deg/sec) to 180µV/(deg/sec), at atmospheric pressure. The SOI gyroscope
demonstrates the best performance at atmospheric pressure, with noise equivalent
rate (NER) of 0.025(deg/sec)/Hz1/2, whereas the remaining gyroscopes has an NER
better than 0.1(deg/sec)/Hz1/2, limited by either the small sensor size or by small
quality factors. Gyroscopes have scale-factor nonlinearities better than 1.1% with
the best value of 0.06%, and their bias drifts are dominated by the phase errors in the
demodulation electronics and are over 1deg/sec. The characterization of the SOI
and SOG gyroscopes at below 50mTorr vacuum ambient yield angular rate
sensitivities as high as 1.6mV/(deg/sec) and 0.9mV/(deg/sec), respectively. The
NER values of these gyroscopes at vacuum are smaller than 50(deg/hr)/Hz1/2 and
36(deg/hr)/Hz1/2, respectively, being close to the tactical-grade application limits.
Gyroscope structures are expected to provide a performance better than 10 deg/hr in
a practical measurement bandwidth such as 50Hz, provided that capacitive gaps are
minimized while preserving the aspect ratio, and the demodulation electronics are
improved.

Keywords: Gyroscope, Angular Rate Sensor, Micromachining, Capacitive Interface
Circuit, Microelectromechanical Systems (MEMS).
v
ÖZ

TAKTİK AMAÇLI ATALETSEL ÖLÇÜM
UYGULAMALARI İÇİN MEMS DÖNÜÖLÇERLER

Alper, Said Emre
Doktora, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tayfun AKIN

Eylül 2005, 301 sayfa

Bu tez taktik amaçlı ataletsel ölçüm uygulamaları için yüksek performanslı simetrik
ve etkileşimsiz dönüölçerlerin geliştirilmesini anlatmaktadır. Simetrik yapı, yüksek
açısal hız hassasiyeti için dönüölçerlerin sürüş ve algılama modlarının rezonans
frekanslarının kolaylıkla eşleştirilebilmesi amacıyla, etkileşimsiz sürüş ve algılama
modları ise düşük gürültü ve kararlı çalışma için mekanik etkileşimin en aza
indirilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Üç farklı ve yeni simetrik ve etkileşimsiz
dönüölçer yapısı sunulmaktadır. Bu yapılar dört farklı mikroişleme teknolojisi ile
üretilmiştir: aşındırılmış-pul silisyum mikroişleme, nikel elektrokaplama, yalıtkan-
üzeri-silisyum mikroişleme, ve cam-üzeri-silisyum mikroişleme. Üretilen
dönüölçerlerin sığasal açıklıkları 1.5µm’den 5.5µm’ye, yapısal katmanlarının
kalınlıkları ise 12µm’den 100µm’ye kadar değişmekte olup yapıların derinlik-
açıklık oranları üretim sürecine bağlı olarak 20’ye kadar çıkabilmektedir. Dönüölçer
yongalarının alanları 1x1mm2’den 4.2x4.6mm2’ye kadar değişmektedir.
vi
Üretilen dönüölçerler, standart 0.6µm CMOS sürecinde üretilen kapasitif okuma
devrelerine hibrit olarak bağlanmıştır. Dönüölçerlerin rezonans frekansları 2kHz ile
40kHz aralığında olup, algılama modlarının rezonans frekansları 16V’dan daha
düşük DC gerilimler yardımıyla sürüş modunun rezonans frekansına
eşleştirilebilmektedir. Dönüölçerlerin kalite faktörleri atmosfer basıncında 500’lere
ulaşırken, bu değer vakumda silisyum dönüölçerler için 10,000’i aşmaktadır. Cam
taban üzerinde üretilen dönüölçerlerin parazitik sığalarının 120fF kadar düşük
olabildiği görülmüştür.

Arabirim devresine bağlı dönüölçerler daha sonra açısal hız ölçümleri yapmak üzere
standart entegre devre elemanlarından kurulmuş elektronik kontrol ve geri-besleme
devreleri ile birleştirilmiştir. Üretilen dönüölçerlerin açısal hız hassasiyetleri
atmosfer basıncında 12µV/(der/sn)’den 180µV/(der/sn)’ye kadar değişmektedir.
SOI dönüölçer atmosfer basıncında 0.025(der/sn)/Hz1/2’lik bir gürültü-eşdeğer-dönü
(GED) değeri ile en iyi performansı göstermiş, diğer dönüölçerlerin GED değerleri
küçük duyarga boyutları veya düşük kalite faktörleri nedeniyle 0.1(der/sn)/Hz1/2 ile
sınırlı kalmıştır. Dönüölçerlerin orantı katsayısı hataları %1.1’den daha iyi olup, en
iyi değer %0.06 olarak elde edilmiştir. Dönüölçerlerin sabit kaymaları
demodulasyon elektroniğindeki faz hataları sebebiyle 1der/sn’nin üzerindedir. SOI
ve SOG dönüölçerler 50mtorr’un altındaki vakum ortamında sırasıyla
1.6mV/(der/sn) ve 0.9mV/(der/sn) açısal hız hassasiyeti göstermişlerdir. Bu
dönüölçerlerin GED değerleri ise taktik uygulama limitlerine yaklaşarak sırasıyla
50(der/saat)/Hz1/2 ve 36(der/saat)/Hz1/2 olarak ölçülmüştür. Derinlik-açıklık oranları
korunarak sığasal açıklıkların küçültülmesi ve demodulasyon elektroniğinin
iyileştirilmesi ile dönüölçer yapılarının 50Hz gibi pratik bir ölçüm bandı içerisinde
10der/saat’ten daha iyi bir performans sergilemeleri beklenmektedir.

Anahtar Kelimeler: Dönüölçer, Açısal Hız Duyargası, Mikroişleme, Sığasal
Arabirim Devresi, Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS).
vii
DEDICATION

“Every careful mankind recognizes the perfect ingenuity in the universe…”

Dedicated to;
The Greatest Artist and the Greatest Artwork
viii
ACKNOWLEDGEMENTS

I would like to thank to my thesis advisor Prof. Dr. Tayfun Akın not only for his
guidance and support during my graduate studies and the development of this thesis,
but also for his everlasting friendly attitude. It is a great opportunity for me to make
research together with him.

I would like to thank Prof. Dr. Cengiz Beşikçi and Prof. Dr. Mehmet Ali Sahir
Arıkan for their comments and suggestions during the development of this thesis.

Special thanks to the members of METU-MEMS inertial sensors group; Refet Fırat
Yazıcıoğlu and Mehmet Akif Erişmiş (both are currently at IMEC, Belgium) for
their helps during the development of nickel electroforming process, İlker Ender
Ocak for his helps during the process development and improvement of the
capacitive interface circuit, Kanber Mithat Silay for his helps during the tests of the
fabricated gyroscopes, and Kıvanç Azgın for discussions about the mechanical
design of the gyroscopes. I would like to thank Orhan Şevket Akar and the
remaining METU-MET staff, for their helps during the fabrication of the gyroscopes
and keeping the fabrication facilities operating without interruption. I would also
like to thank to Prof. Khalil Najafi and Dr. Jun-Seok Chae from The University of
Michigan, for their helps and contributions during the development of the dissolved
wafer process. I should include Murat Tepegöz for his assistance about software
and network issues, Mehmet Ünlü and Kaan Topallı for valuable discussions on
fabrication processes, and all other officemates for generating a nice research
atmosphere.
ix
I am very grateful to my wife Nuray for her eternal patience and great support, and
to my son İbrahim Ethem, “The sweet”. I also appreciate my parents Serpil and
Ahmet Alper, as well as Nuran and Halil Karagöz, Fazilet and Eyüp Alper, Semahat
and Hacı Gedikli, Meliha and (to the late of) İbrahim Özdemir, and all of my dear
seniors and friends, who give continuous moral support to me.

This research is funded by the State Planning Organization (DPT) with grant
BAP 08-11-DPT-2002K120530, The Research and Development Department of
Ministry of National Defense (MSB-ArGe) under contracts 99-03-01-54 and
2004.03.01.2.00.07, The Scientific and Technical Research Council of Turkey
(TÜBİTAK) with project EEEAG-100E020, and partially supported by ASELSAN.
x