Capacitive Accelerometer Interfaces Utilising High-Q Micromechanical Sensor Elements

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Aaltonen, Lasse, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.author Yücetaş, Mikail
dc.date.accessioned 2013-06-25T09:00:10Z
dc.date.available 2013-06-25T09:00:10Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5211-3 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5210-6 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10330
dc.description.abstract The focus of the research work presented in this thesis was to design a low-noise accelerometer utilising a microfabricated, capacitive sensor element, which had a high quality factor, Q. The sensor element with high Q leads to a low Brownian noise floor. However, the high Q of the sensor element also leads to a high settling time and it may also lead to saturation of the sensor element displacement or the interfacing electronics. Thus, the high Q of the sensor element needs to be damped to achieve a reliable, low-noise operation. In this thesis, first, we go through the different interface topologies present in the existing literature to summarise both the advantages and disadvantages of the open- and closed-loop capacitive interfaces. Then, the building blocks of a capacitive accelerometer, a capacitive sensor element, different charge sensitive amplifiers (CSA) and first-order controllers, are studied. Later, we present the implementation of two accelerometer interfaces. The first implementation utilises a closed-loop, switched-capacitor analog interface. The measurements showed that the accelerometer is able to achieve both a low-noise and reliable operation, i.e. high Q of the sensor element is damped. Due to the closed-loop interface, the interface output was inversely proportional to the supply voltage. When the interface output was fed to an analog-to-digital converter (ADC), which uses supply voltage as reference voltage, the accelerometer output was dependent on the supply voltage meaning that the noise at the supply voltage is seen at the accelerometer output. In order to overcome this issue, a second interface was implemented. The second implementation utilised a novel hybrid interface, which consisted of a ratiometric, open-loop interface and an AC force-feedback. The AC force-feedback was utilised only to damp the high Q of the sensor element, whereas the ratiometric output of the interface was fed to an ADC, which uses the supply voltage as reference voltage, in order to decrease the dependency of the output to the supply voltage. The measurement results of the second implementation has shown that the hybrid interface is able to damp the high Q of the sensor element and to decrease the output dependency to the supply. en
dc.description.abstract Tutkimuksen keskeisenä osana on matalakohinaisen kiihtyvyysanturin suunnittelu mikrotyöstettyä kapasitiivista korkean Q-arvon anturielementtiä käyttäen. Korkean Q-arvon anturielementin käyttö johtaa matalaan Brownin kohinalattiaan. Samalla se johtaa kuitenkin pitkään asettumisaikaan ja mahdollisesti anturielementin siirtymän tai rajapintaelektroniikan saturoitumiseen. Korkean Q-arvon anturielementti on näin ollen vaimennettava, jotta matalakohinainen ja luotettava toiminta voidaan taata. Väitöskirjassa tutkitaan erilaisia kirjallisuudessa esitettyjä rajapintatopologioita, joiden perusteella tehdään yhteenveto avointen ja suljettujen silmukoiden kapasitiivisten rajapintojen eduista ja haitoista. Tämän jälkeen tarkastellaan kapasitiivisen kiihtyvyysanturin rakennetta: kapasitiivista anturielementtiä, varausvahvistimia ja ensimmäisen kertaluvun säätimiä. Jäljempänä käsitellään kahta kiihtyvyysanturin rajapintaa. Ensimmäisessä rajapintatoteutuksessa käytettiin analogista suljetun silmukan rakennetta ja kytkin-kondensaattoritekniikkaa. Mittaukset osoittivat, että kiihtyvyysanturi kykenee alhaiseen kohinatasoon ja luotettavaan toimintaan, mikä tarkoittaa sitä, että anturielementin korkea Q-arvo vaimentuu. Rajapinnan lähtö oli kääntäen verrannollinen käyttöjännitteeseen, sillä rajapinta käytti suljetun silmukan rakennetta. Kun rajapinnan lähtö syötettiin analogia-digitaalimuuntimeen, joka käyttää käyttöjännitettä vertailujännitteenä, kiihtyvyysanturin lähtö oli riippuvainen käyttöjännitteestä. Tämä merkitsi sitä, että käyttöjännitteen kohina näkyi kiihtyvyysanturin lähdössä. Asian korjaamiseksi toteutettiin toinen rajapinta. Toinen rajapintatoteutus käytti uutta hybridirajapintaa, joka muodostuu ratiometrisesta avoimen silmukan rajapinnasta ja AC-muotoisen voiman takaisinkytkennästä. AC-muotoisen voiman takaisinkytkentää käytettiin ainoastaan anturielementin korkean Q-arvon vaimentamiseen. Rajapinnan ratiometrinen lähtö puolestaan syötettiin analogia-digitaalimuuntimeen, joka käyttää käyttöjännitettä vertailujännitteenä lähdön käyttöjänniteriippuvuuden vähentämisessä . Toisesta toteutuksesta saadut mittaustulokset ovat osoittaneet, että hybridirajapinta kykenee vaimentamaan anturielementin korkean Q-arvon ja vähentämään lähdön riippuvuutta käyttöjännitteestä. fi
dc.format.extent 132
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 99/2013
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Capacitive Accelerometer Interfaces Utilising High-Q Micromechanical Sensor Elements en
dc.title Korkean Q-arvon mikromekaanisia anturielementtejä käyttävät kapasitiiviset kiihtyvyysanturirajapinnat fi
dc.type G4 Monografiaväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Mikro- ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Micro and Nanosciences en
dc.subject.keyword accelerometer en
dc.subject.keyword sensor interface en
dc.subject.keyword capacitive sensor en
dc.subject.keyword high-Q en
dc.subject.keyword closed-loop en
dc.subject.keyword low-noise en
dc.subject.keyword kiihtyvyysanturi fi
dc.subject.keyword anturirajapinta fi
dc.subject.keyword kapasitiivinen anturi fi
dc.subject.keyword korkea Q-arvo fi
dc.subject.keyword suljettu silmukka fi
dc.subject.keyword matalakohinainen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5211-3
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (monograph) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (monografia) fi
dc.contributor.supervisor Halonen, Kari, Prof., Aalto University, Finland
dc.opn Kraft, Michael, Prof., Dr., Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems, Germany
dc.rev Pastre, Marc, Dr., Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, Switzerland
dc.rev Carley, Richard L., Prof., Carnegie Mellon University, USA
dc.date.defence 2013-06-27


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account