Uusi MEMS-kulmanopeusanturi pohjoisen etsintään

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-05-17
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
fi
Pages
71
Series
Abstract
Tarkka ja luotettava suunnan määrittäminen pohjoiseen nähden on avainasemassa monissa paikannus- ja navigointisovelluksissa, ja sen merkitys kasvaa itseohjautuvien ajoneuvojen ja uusien robotiikan sovellusten myötä. Monet sovellukset tarvitsevat tietoa pohjoisen suunnasta, jota ne voivat käyttää kiintopisteenä tai referenssinä suunnan määrittämiseen. Nykyisissä elektroniikan sovelluksissa suunnan määrittäminen pohjoisen suhteen toteutetaan usein GPS:n lisäksi magneettisilla antureilla, jotka ovat alttiita häiriöille ja siksi epäluotettavia. Yksi varteenotettava vaihtoehto olisi hyödyntää MEMS-teknologiaan (Mikro-elektro-mekaaninen systeemi) perustuvaa kulmanopeutta mittaavaa anturia, jonka etuna on korkea suorituskyky, tarkkuus ja alhainen kustannustaso. Tässä diplomityössä tarkastellaan uuden tyyppistä MEMS-kulmanopeusanturia eli MEMS-gyroskooppia. Tavoitteena on tutkia uuden anturin suorituskykyä tietokoneella mallintamalla, ja selvittää voisiko uutta anturia soveltaa pohjoisen suunnan määrittämiseen. Suunniteltu MEMS-anturi mittaa maapallon kulmanopeusvektorin suuntaa ja laskee sen perusteella suunnan pohjoiseen horisontaalisella tasolla maapallon pintaan nähden. Diplomityön kokeellinen osuus ja tutkimusmenetelmä perustuvat tietokoneella ajettaviin MEMS-kulmanopeusanturin sisällä sijaitsevan resonaattorirakenteen fysiikkasimulaatioihin käyttämällä COMSOL Multiphysics -ohjelmaa. Uuden MEMS-kulmanopeusanturin resonaattorirakenne suunniteltiin käyttämällä Tanner L-Edit -ohjelmaa ja työ toteutettiin yhteistyössä Murata Electronics Oy:n kanssa. Tietokonesimulaatioiden tulosten perusteella analysoidaan suunnitellun MEMS-anturin rakennetta ja suorituskykyä. Tietokoneella ajettujen simulaatioiden perusteella voidaan todeta, että MEMS-anturin resonaattorirakenne saatiin toimimaan suunnitellulla tavalla halutulla taajuusalueella. Primääri- ja sekundäärimoodien liike on simulaatioiden perusteella lineaarista. Mallinnuksessa ilmenneet parasiittiset moodit onnistuttiin eliminoimaan ja resonoiva rakenne saatiin balansoitua. Termisen kohinan perusteella laskettu keskiarvoistamisaika, joka kuluu pohjoisen suunnan määrittämiseen, vaihtelee vaaditun tarkkuuden ja resonaattorirakenteen mekaanisten ominaisuuksien funktiona.

Reliable and precise heading is a key factor in many location and navigation applications and its role becomes increasingly important in autonomous vehicles in the future. Many applications need information about the North direction as a reference for the heading. Currently, many applications use digital magnetometers that measure the magnetic field of the Earth to locate the North direction. However, magnetometers can be unreliable and vulnerable to magnetic distortions. Moreover, magnetometers point to the magnetic North instead of the true geographic North. One alternative to the magnetometers could be an inertial MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) gyroscope, which is a sensor that measures the angular velocity. In this case the sensor is designed to measure the angular velocity of the Earth and calculate the direction of the true geographic North based on the measurement. In this master's thesis, the objective is to design and model a new MEMS Gyroscope using computer simulations and to evaluate the performance of this new sensor. The methodology on this thesis is based on physics simulations of the resonator structure inside the MEMS sensor. The new sensor is designed in collaboration with Murata Electronics and the work is carried out by using various software tools, such as Tanner L-Edit and COMSOL Multiphysics. Computer physics simulations are utilized to study the mechanical properties of the resonator structure and the results are used to evaluate the performance of the new sensor in terms of thermal noise and integration time. Based on the computer simulations the new MEMS gyroscope functions as intended. Primary and secondary modes are linear and their resonant frequencies are as planned, matching the integrated circuit's operation frequency. Parasitic modes were successfully eliminated and the structure balanced. Based on thermal noise calculations the integration time to determine the North direction varies based on the required precision and properties of the resonator structure.
Description
Supervisor
Paulasto-Kröckel, Mervi
Thesis advisor
Blomqvist, Anssi
Keywords
MEMS, gyroscope, North, COMSOL, FEM, sensor
Other note
Citation