Furkan Öztürk - 030100324- HW1 - İvmeölçer

İvmeölçer

Temel Prensip

İvmeölçer bir doğrultudaki ivmelenmeyi ölçmeye yarar. Bunu yaparken de içerisindeki sönümlenmiş kütlenin göreceli pozisyonundan faydalanır.

Görmüş olduğunuz kırmızı kütle bir yayla yeryüzüne göre yatay pozisyondaki kılavuzun içine bağlanmıştır.

Eğer bu sistem dikey pozisyona getirilecek olursa veya 9,80665 m/s²’ye eşit bir ivmeyle yatay pozisyonda hareket ettirilecek olursa, şu anda 0g hizasında olan kırmızı kütle 1g işaretine gelecek şekilde yayı uzatacaktır.

Bütün ivmeölçerlerin basitçe çalışma prensibi budur.  Şimdi bu ivmeölçerlerden 3 tanesini birbirine dik olacak şekilde bir araya getirdiğimizi düşünelim.  İvmeölçerler x, y ve z eksenlerinin üzerinde olacağından her yöndeki ivmeyi göstergeye bakarak gözlemlememiz mümkün.

Bugün cep telefonları döndürüldüğünde ekranın da dönmesini sağlayan aslında bu üçlü ivmeölçer sensörü prensibi.

İvmeölçer türleri

Birçok yöntemle bu prensipten faydalanılabilir. Örneğin resimde gördüğünüz kılavuzlar birer bobin, kırmızı kütle de mıknatıs olsaydı; kütle ivmelendikçe bobinin uçları arasında potansiyel fark oluşurdu ve deneysel olarak her ivmenin kaç voltluk bir potansiyel yarattığını not edip daha sonra bu düzeneği ivme ölçümünde kullanabilirdik. Ama bugün daha yüksek performans sağlamalarından ve üretimlerinin de oldukça ucuza mal olmasından dolayı piezoelektrik ve kapasitif ivmeölçerler sıklıkla kullanılıyor.

Piezoelektrik ivmeölçerler:

Piezoelektrik ivmeölçerler piezoseramik veya tek kristal quartzın basınç altında elektriksel potansiyel üretmeleri prensibine dayanır. Aynı salınımı yapan bir kütlenin altına piezoseramik parça yerleştirildiğinde kütle kristalin üzerine ivmeye bağlı olarak bir basınç uygulayacaktır. Piezoseramik basıncı mikro potansiyel farka dönüştürecektir. Daha sonra bu gerilim ölçülerek ivme hesaplanır.

Yüksek frekans ve yüksek çalışma sıcaklıkları gerektiren uygulamalarda piezoseramikler kullanılırken günümüzde en çok kapasitif mikro elektromekanik modüller kullanılmaktadır.

Kapasitif ivmeölçerler:

Öncelikle birkaç temel bilgiyi açıklamam gerekiyor. MEMS nedir? MEMS’in açılımı mikro elektromekanik sistemlerdir. Bu sistemleri üretme yöntemlerini; temelde lazer, elektron ışını gibi uygulanacağı yer kontrol edilebilen enerji kaynaklarıyla silisyum plakanın üzerinde ihtiyaç duyulan şeklin çizilerek daha sonra bir aşındırıcıyla bu işaretlenen yerlerin silisyum plaka yüzeyinden uzaklaştırılmasıdır diye basitleştirerek ifade edebiliriz. Örneğin sisteminizde zamanı kontrol etmesi için çok az enerji ihtiyacı duyacak mikro ölçülerde bir saate ihtiyacınız var.  Silisyum üzerine ihtiyaç duyduğunuz çark veya sarkaç gibi mekanik parçaları çizip biriktirme ve aşındırma yöntemleriyle istediğiniz saat mekanizmasını elde edebilirsiniz. Neye benzediğinin biraz daha anlaşılması için birkaç mikro çark görüntüsü ekliyorum. Bunlar silisyum üzerinde duran gene silisyumdan yapılmış çarklar.

Kapasitif ivmeölçerin SEM görüntüsü ise şöyle:

Tarama elektron mikroskopuyla elde edilen görüntü karmaşık görünmesine rağmen çalışma mantığı en baştaki yay ve kütle mekanizmasıyla tamamen aynı sayılır.

Bir kondansatörün kapasitesi  C= ε*A/d bağıntısıyla bulunur. Yukarıdaki şematik gösterime bakıldığında kütleden aşağı doğru uzanan plaka ve sabit plakaların birbirine paralel olan alanları (A) kütlenin hareketi esnasında hep sabit kalacağından ve iki plaka arasındaki dielektrik sabiti (ε) de değişemediğinden sabit plakalarla kütleye bağlı plaka arasındaki kapasite (C) yalnızca aralarındaki mesafeye (d) bağlı ve ters orantılıdır. Kapasitedeki değişim ölçülürse, ivmeölçerin entegre edildiği kütlenin ivmesindeki değişim de hesaplanabilir.

Referanslar

1)      http://en.wikipedia.org/wiki/File:PiezoAccelTheory.gif

2)      http://www.sensorsmag.com/sensors/acceleration-vibration/an-overview-mems-inertial-sensing-technology-970

3)      http://www.sensorsmag.com/sensors/acceleration-vibration/sonic-nirvana-mems-accelerometers-acoustic-pickups-musical-i-5852

4)      http://spectrum.ieee.org/computing/hardware/unsticking-mems