Toward Inertial-Navigation-on-Chip: The Physics and Performance Scaling of Multi-Degree-of-Freedom Resonant MEMS Gyroscopes

این پایان نامه نسل بعدی ژیروسکوپ های چند درجه آزادی و واحدهای اندازه گیری اینرسی (IMU) را با استفاده از فناوری سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) توسعه می دهد. این هم یک مطالعه جامع از فیزیک ژیروسکوپ‌های تشدیدکننده و هم راه‌حل‌های جدید ساخت میکرو/نانو برای محدودیت‌های عملکرد کلیدی در ژیروسکوپ‌های تشدیدگر MEMS را پوشش می‌دهد. اولاً، مطالعات نظری و تجربی پدیده‌های فیزیکی از جمله محلی‌سازی حالت، رفتار غیرخطی، و اتلاف انرژی بینش‌های جدیدی را در مورد چالش‌هایی مانند خطاهای ربع و نویز سوسو زدن در سیستم‌های ژیروسکوپ تشدیدکننده ارائه می‌کنند. ثانیا، طرح‌های پیشرفته و روش‌های ساخت میکرو/نانو که در این کار توسعه داده شده‌اند، کاربردهای ارزشمندی را برای طیف وسیعی از دستگاه‌های MEMS/NEMS نشان می‌دهند. به طور خاص، پلت فرم فرآیند HARPSS+ که در این پایان نامه ایجاد شده است، دارای یک مبدل نانو شکاف شیب دار جدید است که اولین نمونه اولیه IMU تک تراشه ای بسته بندی شده در سطح ویفر را با ژیروسکوپ های سه محوری تشدید فرکانس بالا و میکرومحوری سه محوره با پهنای باند بالا فعال می کند. -شتاب سنج های گرانشی این نمونه اولیه عملکردی را در میان بالاترین‌ها تا به امروز نشان می‌دهد، با استحکام و پتانسیل بی‌نظیر برای یکپارچه‌سازی بستر انعطاف‌پذیر و عملکرد بسیار کم مصرف. این پایان نامه مسیری را به سمت برنامه های کاربردی مبتنی بر IMU کم مصرف از جمله سنسورهای اینرسی پوشیدنی، انفورماتیک سلامت و ناوبری اینرسی شخصی نشان می دهد.

This thesis develops next-generation multi-degree-of-freedom gyroscopes and inertial measurement units (IMU) using micro-electromechanical-systems (MEMS) technology. It covers both a comprehensive study of the physics of resonator gyroscopes and novel micro/nano-fabrication solutions to key performance limits in MEMS resonator gyroscopes. Firstly, theoretical and experimental studies of physical phenomena including mode localization, nonlinear behavior, and energy dissipation provide new insights into challenges like quadrature errors and flicker noise in resonator gyroscope systems. Secondly, advanced designs and micro/nano-fabrication methods developed in this work demonstrate valuable applications to a wide range of MEMS/NEMS devices. In particular, the HARPSS+ process platform established in this thesis features a novel slanted nano-gap transducer, which enabled the first wafer-level-packaged single-chip IMU prototype with co-fabricated high-frequency resonant triaxial gyroscopes and high-bandwidth triaxial micro-gravity accelerometers. This prototype demonstrates performance amongst the highest to date, with unmatched robustness and potential for flexible substrate integration and ultra-low-power operation. This thesis shows a path toward future low-power IMU-based applications including wearable inertial sensors, health informatics, and personal inertial navigation.