Investigation of temperature sensitivity of a MEMS gravimeter based on geometric anti-spring

重力仪 微电子机械系统 材料科学 灵敏度(控制系统) 薄脆饼 有限元法 热的 弹簧(装置) 温度梯度 光电子学 复合材料 机械工程 光学 电子工程 热力学 物理 气象学 工程类 干涉测量
作者
Vinod Belwanshi,Abhinav Prasad,K. Toland,Richard Middlemiss,Douglas J. Paul,G. Hammond
出处
期刊:Review of Scientific Instruments [American Institute of Physics]
卷期号:93 (12) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0114664
摘要

This paper describes a technique for temperature sensitivity or thermal sag measurements of a geometric anti-spring based microelectromechanical system (MEMS) gravimeter (Wee-g). The Wee-g MEMS gravimeter is currently fabricated on a (100) silicon wafer using standard micro-nano fabrication techniques. The thermal behavior of silicon indicates that the Young's modulus of silicon decreases with increase in temperature (∼64 ppm/K). This leads to a softening of the silicon material, resulting in the proof mass displacing (or sagging) under the influence of increasing temperature. It results in a change in the measured gravity, which is expressed as temperature sensitivity in terms of change in gravity per degree temperature. The temperature sensitivity for the silicon based MEMS gravimeter is found to be 60.14-64.87, 61.76, and 62.76 µGal/mK for experimental, finite element analysis (FEA) simulation, and analytical calculations, respectively. It suggests that the gravimeter's temperature sensitivity is dependent on the material properties used to fabricate the MEMS devices. In this paper, the experimental measurements of thermal sag are presented along with analytical calculations and simulations of the effect using FEA. The bespoke optical measurement system to quantify the thermal sag is also described. The results presented are an essential step toward the development of temperature insensitive MEMS gravimeters.

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