Date of Award

11-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Khalifa H. Harib

Abstract

This study presents the design, simulation, and analysis of Micro Electromechanical Systems (MEMS) sensors, constituting the principal components of MEMS-based Inertial Measurement Units (IMUs). The main objective of the study is to design, simulate and analyze 3-axis capacitive accelerometer and 3-axis gyroscope. The MEMS-based capacitive accelerometers and gyroscope are analyzed using Ansys Workbench. Modal, Static Structural and harmonic analysis are used to obtain resonant frequencies, deformation/stress and profile of amplitude over a wide range of frequencies. Mechanical sensitivity analysis of the designed accelerometer and gyroscope is performed using the Finite Element Method (FEM). Analytical Equations are developed to calculate mechanical sensitivity and capacitance sensitivity and a comparison is performed between the FEM analysis and the analytical calculations. A simulation study is performed in MATLAB/Simulink for the designed MEMS accelerometer and gyroscope to analyze the performance of the designed accelerometer and gyroscope sensors. Kalman filter is employed in the Simulink model to investigate the effects of measurement noise. The main findings of the study demonstrated that under typical loads of 10 g accelerations and 34.9 rad/s angular rate, the structures of the two sensors can withstand such loading and exhibit little deformations. The IMU sensor can be used in various applications in unmanned aerial vehicles (UAVs) and drones.

Arabic Abstract


تصميم ونمذجة مقياس التسارع السعوي MEMS القائم على FEM والجيرسكوب لتطبيقات الطائرات الرباعية/الطائرات بدون طيار

تعرض هذه الدراسة تصميم ومحاكاة وتحليل أجهزة استشعار الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، التي تشكل المكونات الرئيسية لوحدات القياس بالقصور الذاتي (IMUs) القائمة على MEMS. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تصميم ومحاكاة وتحليل مقياس التسارع السعوي ثلاثي المحاور والجيروسكوب ثلاثي المحاور. يتم تحليل مقاييس التسارع والجيروسكوب المستندة إلى MEMS باستخدام Ansys Workbench. يتم استخدام التحليل الهيكلي والثابت والتوافقي للحصول على ترددات الرنين والتشوه/الإجهاد وملف تعريف السعة عبر نطاق واسع من الترددات. يتم إجراء تحليل الحساسية الميكانيكية لمقياس التسارع والجيروسكوب المصمم باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM). تم‏ تطوير المعادلات التحليلية لحساب الحساسية الميكانيكية وحساسية السعة ويتم إجراء مقارنة بين تحليل FEM والحسابات التحليلية. تم إجراء دراسة محاكاة في MATLAB/Simulink لمقياس التسارع والجيروسكوب المصممين MEMS لتحليل أداء مستشعرات مقياس التسارع والجيروسكوب المصممة. تم استخدام مرشح كالمان في نموذج Simulink لدراسة تأثيرات ضوضاء القياس. أظهرت النتائج الرئيسية للدراسة أنه في ظل حمل نموذجي يبلغ تسارعاً قدره 10 جم ومعدل زاوي قدره 34.9 راد/ثانية، يمكن لهياكل المستشعرين تحمل مثل هذا التحميل وتظهر تشوهات قليلة. يمكن استخدام مستشعر IMU تطبيقات مختلفة في المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) والطائرات بدون طيار.

Download
COinS