Published October 26, 2020 | Version v1
Publication Open

Geometry Investigation and Performance Optimization of a Single-Mass Piezoelectric 6-DOF IMU

Creators

  • 1. University of Sfax
  • 2. University of Monastir
  • 3. Laboratoire de Génie Électrique et Électronique de Paris
  • 4. University of Paris-Saclay

Description

This paper explores the fundamental steps towards the development of a 6-axis piezoelectric Inertial Measurement Unit (IMU). The main specification of the reported device is its ability to concurrently detect 3-axis acceleration and angular velocity using a single mass-based design. This work represents a detailed numerical analysis based on a finite element model. Experimental reported data are exploited to validate the FEM model in terms of acceleration detection which is ensured through the direct piezoelectric effect. The angular rate is detected thanks to the Coriolis effect by ensuring drive and sense modes. Using a Finite Element Analysis (FEA), light was shed on the different basic parameters that influence the sensor performance in order to present an optimized design. A detailed geometrical investigation of factors such as anchor position, optimized locations for sensing electrodes, proof-mass dimensions, PZT thickness, and operating frequency is illustrated. The 6-DOF sensor outputs are extracted in terms of the original and the optimized design. The amelioration rate of sensitivity is found to be up to 165% for linear acceleration, while for angular rate sensing, the lateral sensitivity is ameliorated by about 330% and is multiplied by around ten times in the normal axis. The optimized design exhibits a good acceleration sensitivity of 260mV/g in the lateral axis and 60.7mV/g in the z-axis. For angular rate sensing, the new design is more sensitive along the longitudinal axis than the lateral one. Sensitivity values are found to be 2.65µV/rad/s for both x-and y-axis, and 1.24V/rad/s for the z-axis.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تستكشف هذه الورقة الخطوات الأساسية نحو تطوير وحدة قياس بالقصور الذاتي كهرضغطية ذات 6 محاور (IMU). المواصفات الرئيسية للجهاز المبلغ عنه هي قدرته على الكشف المتزامن عن التسارع ثلاثي المحاور والسرعة الزاوية باستخدام تصميم واحد قائم على الكتلة. يمثل هذا العمل تحليلاً عددياً مفصلاً يعتمد على نموذج العناصر المحدودة. يتم استغلال البيانات التجريبية المبلغ عنها للتحقق من صحة نموذج FEM من حيث اكتشاف التسارع الذي يتم ضمانه من خلال التأثير الكهربائي الإجهادي المباشر. يتم اكتشاف المعدل الزاوي بفضل تأثير كوريوليس من خلال ضمان أوضاع القيادة والاستشعار. باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA)، تم تسليط الضوء على المعلمات الأساسية المختلفة التي تؤثر على أداء المستشعر من أجل تقديم تصميم محسن. يتم توضيح فحص هندسي مفصل لعوامل مثل موضع المرساة، والمواقع المثلى لأقطاب الاستشعار، وأبعاد الكتلة المقاومة، وسمك PZT، وتردد التشغيل. يتم استخراج مخرجات مستشعر 6 - DOF من حيث التصميم الأصلي والأمثل. وجد أن معدل تحسين الحساسية يصل إلى 165 ٪ للتسارع الخطي، بينما بالنسبة لاستشعار المعدل الزاوي، يتم تحسين الحساسية الجانبية بنحو 330 ٪ ويتم ضربها بنحو عشر مرات في المحور الطبيعي. يُظهر التصميم الأمثل حساسية تسارع جيدة تبلغ 260 مللي فولت/جم في المحور الجانبي و 60.7mV/g في المحور z. بالنسبة لاستشعار المعدل الزاوي، يكون التصميم الجديد أكثر حساسية على طول المحور الطولي من المحور الجانبي. تم العثور على قيم الحساسية لتكون 2.65ميكرو فولت/راد/ثانية لكل من المحور x و y، و 1.24فولت/راد/ثانية للمحور z.

Translated Description (French)

Cet article explore les étapes fondamentales vers le développement d'une unité de mesure inertielle piézoélectrique (IMU) à 6 axes. La principale spécification du dispositif signalé est sa capacité à détecter simultanément l'accélération et la vitesse angulaire sur 3 axes à l'aide d'une seule conception basée sur la masse. Ce travail représente une analyse numérique détaillée basée sur un modèle par éléments finis. Les données expérimentales rapportées sont exploitées pour valider le modèle FEM en termes de détection d'accélération qui est assurée par l'effet piézoélectrique direct. La vitesse angulaire est détectée grâce à l'effet Coriolis en assurant les modes de conduite et de détection. À l'aide d'une analyse par éléments finis (FEA), la lumière a été faite sur les différents paramètres de base qui influencent les performances du capteur afin de présenter une conception optimisée. Une étude géométrique détaillée de facteurs tels que la position de l'ancrage, les emplacements optimisés pour les électrodes de détection, les dimensions de la masse d'épreuve, l'épaisseur du PZT et la fréquence de fonctionnement est illustrée. Les sorties du capteur 6-DOF sont extraites en termes de conception originale et optimisée. Le taux d'amélioration de la sensibilité s'avère être jusqu'à 165 % pour l'accélération linéaire, tandis que pour la détection de la vitesse angulaire, la sensibilité latérale est améliorée d'environ 330 % et est multipliée par environ dix dans l'axe normal. La conception optimisée présente une bonne sensibilité à l'accélération de 260mV/g dans l'axe latéral et 60.7mV/g dans l'axe z. Pour la détection de vitesse angulaire, la nouvelle conception est plus sensible le long de l'axe longitudinal que le latéral. Les valeurs de sensibilité sont de 2,65µV/rad/s pour les axes x et y, et de 1,24V/rad/s pour l'axe z.

Translated Description (Spanish)

Este documento explora los pasos fundamentales hacia el desarrollo de una Unidad de Medición Inercial (IMU) piezoeléctrica de 6 ejes. La principal especificación del dispositivo informado es su capacidad para detectar simultáneamente la aceleración de 3 ejes y la velocidad angular utilizando un único diseño basado en la masa. Este trabajo representa un análisis numérico detallado basado en un modelo de elementos finitos. Los datos experimentales informados se explotan para validar el modelo FEM en términos de detección de aceleración que se garantiza a través del efecto piezoeléctrico directo. La velocidad angular se detecta gracias al efecto Coriolis al garantizar los modos de conducción y detección. Utilizando un Análisis de Elementos Finitos (fea), se arrojó luz sobre los diferentes parámetros básicos que influyen en el rendimiento del sensor para presentar un diseño optimizado. Se ilustra una investigación geométrica detallada de factores como la posición del anclaje, las ubicaciones optimizadas para los electrodos de detección, las dimensiones de la masa de prueba, el espesor de PZT y la frecuencia de funcionamiento. Las salidas del sensor 6-DOF se extraen en términos del diseño original y optimizado. Se encuentra que la tasa de mejora de la sensibilidad es de hasta el 165% para la aceleración lineal, mientras que para la detección de la velocidad angular, la sensibilidad lateral se mejora en aproximadamente un 330% y se multiplica por alrededor de diez veces en el eje normal. El diseño optimizado presenta una buena sensibilidad a la aceleración de 260 mV/g en el eje lateral y 60.7mV/g en el eje z. Para la detección de velocidad angular, el nuevo diseño es más sensible a lo largo del eje longitudinal que el lateral. Se encuentra que los valores de sensibilidad son 2.65µV/rad/s para los ejes x e y, y 1.24V/rad/s para el eje z.

Files

2397.pdf

Files (1.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a8224c22b9f1844ebaca2f7691193353
1.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التحقيق الهندسي وتحسين الأداء لوحدة إدارة معلومات كهروإجهادية أحادية الكتلة 6 - DOF
Translated title (French)
Étude géométrique et optimisation des performances d'une IMU piézoélectrique à masse unique de 6-DOF
Translated title (Spanish)
Investigación de geometría y optimización del rendimiento de una IMU piezoeléctrica de masa única de 6 DOF

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3102045175
DOI
10.48084/etasr.3711

Is supplement to
https://openalex.org/W2149484996 (Other)
https://openalex.org/W2628866709 (Other)
https://openalex.org/W123316752 (Other)
https://openalex.org/W1973219514 (Other)
https://openalex.org/W2275557598 (Other)
https://openalex.org/W2067537352 (Other)
https://openalex.org/W1510705688 (Other)
https://openalex.org/W2322149471 (Other)
https://openalex.org/W3134829590 (Other)
https://openalex.org/W2363911845 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Tunisia

References

  • https://openalex.org/W1986009298
  • https://openalex.org/W1989604774
  • https://openalex.org/W2005995917
  • https://openalex.org/W2017375157
  • https://openalex.org/W2018416809
  • https://openalex.org/W2022752725
  • https://openalex.org/W2081718938
  • https://openalex.org/W2114380364
  • https://openalex.org/W2120077841
  • https://openalex.org/W2150897308
  • https://openalex.org/W2155730953
  • https://openalex.org/W2245363532
  • https://openalex.org/W2331577291
  • https://openalex.org/W2557292038
  • https://openalex.org/W2560583873
  • https://openalex.org/W2583643604
  • https://openalex.org/W2587049957
  • https://openalex.org/W2752814165
  • https://openalex.org/W2760396274
  • https://openalex.org/W2763560488
  • https://openalex.org/W2768736814
  • https://openalex.org/W2768870947
  • https://openalex.org/W2778064795
  • https://openalex.org/W2788868767
  • https://openalex.org/W2900475774
  • https://openalex.org/W4250087872