Effects of Radiation on the Measurement Stability of MEMS-Based IMU Sensor

Öz

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are widely used in environments with high radiation risk, such as search and rescue activities after nuclear power plant accidents, leak detection and space missions. The operations of these systems under harsh environmental conditions are directly dependent on the reliability of Micro Electro-Mechanical System (MEMS)-based Inertial Measurement Units (IMUs). However, exposure of electronic components in the structure of MEMS sensors to ionizing radiation can lead to impaired measurement stability. Therefore, it is critical to characterize the behavior of sensors under radiation to ensure operational reliability.In this study, the behavior of the MEMS-based MPU6050 sensor under the impact of gamma radiation (Co-60) is analyzed in detail. The reliability of IMU sensors used in unmanned aerial vehicles (UAVs) has been investigated as regards maintaining flight stability in the contamination zone. Acceleration and gyroscope data obtained with a sampling frequency of 10 Hz on the Raspberry Pi 5 platform were recorded before and after radioactive irradiation. The data were statistically analyzed using time series, histogram (number, probability, pdf), sensitivity (standard deviation) and noise (variance) metrics. The findings of the analysis revealed that the sensor axes respond differently to gamma radiation on an axis-by-axis basis. In particular, MPU_Gz and MPU_Az axes showed permanent distortions such as signal amplitude reduction, offset shift and sensitivity degradation. Transient distortions were determined the MPU_Gy axis, while shifts in dispersion symmetry and signal suppression were detected in the MPU_Gx axis. The highest performance degradation was observed in the MPU_Ax axis, where both noise enhance, offset deviation and sensitivity degradation occurred at the same time. These findings show that MEMS-based IMUs exposed to gamma radiation can sustain serious performance losses in terms of measurement accuracy and stability, despite the fact that they remain physically undamaged. The results obtained require a reassessment of sensor selection and calibration methods, specifically for UAV systems operating in radiation environments, and provide a significant scientific basis for the development of systems with high radiation resistance. As a result of the analysis, it was determined that the signal average decreased from 0,55 g to 0,25 g on the MPU_Ax axis of the sensor exposed to a total dose of 9,85 R, and the variance expressing the noise level increased from 0,0015 (g)² to 0,0039 (g)², and the most significant performance loss was experienced on this axis. In addition, the decrease in the offset value from 1,1 °/s to 0,78 °/s band on the MPU_Gz axis quantitatively confirms the permanent signal suppression effect of radiation.

Anahtar Kelimeler

• Gamma Radiation
• MEMS
• UAV
• MPU6050
• IMU
• Co-60

Radyasyonun MEMS Tabanlı IMU Sensörünün Ölçüm Kararlılığına Etkileri

Öz

İnsansız hava araçları (İHA) nükleer santral kazaları sonrası yürütülen arama-kurtarma faaliyetleri, sızıntı tespiti ve uzay görevleri gibi yüksek radyasyon riski taşıyan ortamlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin zorlu çevresel koşulları altında operasyonları Mikro Elektro-Mekanik Sistem (MEMS) tabanlı Ataletsel Ölçüm Birimlerinin (IMU) güvenilirliğine doğrudan bağlıdır. Ancak, MEMS sensörlerin yapısında bulunan elektronik bileşenlerin iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalması, ölçüm kararlılığının bozulmasına yol açabilmektedir. Bu nedenle, operasyonel güvenilirliğin sağlanması için sensörlerin radyasyon altındaki davranışlarının karakterize edilmesi kritik önem arz etmektedir.Bu çalışma kapsamında, MEMS tabanlı MPU6050 sensörünün gama radyasyonu (Co-60) etkisi altındaki davranışı detaylı biçimde analiz edilmiştir. İnsansız hava araçlarında (İHA) kullanılan IMU sensörlerinin, kontaminasyon bölgesinde uçuş kararlılığını sürdürebilmesi açısından güvenilirliği araştırılmıştır. Raspberry Pi 5 platformu üzerinden 10 Hz örnekleme frekansıyla elde edilen ivme ve jiroskop verileri; radyoaktif ışıma öncesi ve sonrası ölçümler ile toplanmıştır. Elde edilen veriler zaman serisi, histogram (sayı, olasılık, pdf), duyarlılık (standart sapma) ve gürültü (varyans) metrikleriyle istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Analiz sonuçları, sensör eksenlerinin gama radyasyonuna karşı eksen bazlı farklı tepki verdiğini ortaya koymuştur. Özellikle MPU_Gz ve MPU_Az eksenlerinde sinyal genliğinde azalma, ofset sapması ve duyarlılık düşüşü gibi kalıcı bozulmalar gözlenmiştir. MPU_Gy ekseninde geçici bozulmalar öne çıkarken, MPU_Gx ekseninde dağılım simetrisinde kaymalar ve sinyal bastırılması tespit edilmiştir. En yüksek performans kaybı ise MPU_Ax ekseninde gözlemlenmiş; bu eksende hem gürültü artışı, hem ofset sapması hem de duyarlılık zayıflaması eşzamanlı olarak gerçekleşmiştir. Bu bulgular, gama radyasyonuna maruz kalan MEMS tabanlı IMU’ların fiziksel olarak sağlam kalsalar da ölçüm doğruluğu ve kararlılık açısından ciddi performans kayıplarına uğrayabileceğini göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, özellikle radyasyon ortamlarında görev yapan İHA sistemleri için sensör seçimi ve kalibrasyon yöntemlerinin yeniden değerlendirilmesini zorunlu kılmakta; radyasyon dayanımı yüksek sistemlerin geliştirilmesine yönelik önemli bilimsel bir temel sunmaktadır. Yapılan analizler sonucunda, toplam 9,85 R doza maruz bırakılan sensörün MPU_Ax ekseninde sinyal ortalamasının 0,55 g’den 0,25 g’ye gerilediği ve gürültü seviyesini ifade eden varyansın 0,0015 (g)²’den 0,0039 (g)²’ye yükselerek en belirgin performans kaybının bu eksende yaşandığı tespit edilmiştir. Ayrıca MPU_Gz ekseninde ofset değerinin 1,1 °/s seviyesinden 0,78 °/s bandına inmesi, radyasyonun kalıcı sinyal bastırma etkisini nicel olarak doğrulamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Gama Radyasyonu
• MEMS
• İHA
• MPU6050
• IMU
• Co-60

Kaynakça

1. [1] Yamaguchi, M., "Drone explores Fukushima's nuclear reactor for the first time," AP News, 2024. Erişim adresi: https://apnews.com/article/japan-fukushima-nuclear-reactor-drone-radiation-water-af1640b8ae800066d5bfc728a211d34b
2. [2] University of Bristol, “UAVs used for radiation mapping of Chernobyl’s Red Forest,” South West Nuclear Hub, 2020. Erişim_adresi:https://southwestnuclearhub.ac.uk/radiation-mapping-chernobyl
3. [3] Herbert R. Shea, Effects of Radiation on MEMS, Reliability, Packaging, Testing, and Characterization of MEMS/MOEMS and Nanodevices X, Proceedings of SPIE, vol. 7928, 2011.
4. [4] David D. Lynes, Hengky Chandrahalim, Wendi He, Effects of Gamma Ray Radiation on the Performance of Microelectromechanical Resonators, Advanced Engineering Materials, Wiley-VCH, 2023.
5. [5] M. Glova, D. Donoval, J. Jakovenko, A. Lobotka, M. Weis, Neutron and Gamma Radiation Effects on MEMS Structures, Procedia Engineering, vol. 25, pp. 1081–1084, 2011.
6. [6] Bazzano, G., Ampollini, A., Cardelli, F., Fortini, F., Nenzi, P., Palmerini, G. B., ... & Sabatini, M. (2021). Radiation testing of a commercial 6-axis MEMS inertial navigation unit at ENEA Frascati proton linear accelerator. Advances in Space Research, 67(4), 1379-1391.
7. [7] Petersen, H. R., Holm, R., Mathisen, H. E., & Horntvedt, M. (2019). COTS for Space–Radiation Characterization of Gyro and IMUs for LEO Operations.
8. [8] Mathisen, H. E. (2025). Radiation testing of STIM210 and STIM300 (Technical Note No. 25051401).https://safran-navigation-timing.com/wp-content/uploads/2025/06/TN25051401-Radiation-testing-of-STIM210-and-STIM300-pub_low-res.pdf.

9. [9] Earthperson, A., & Diaconeasa, M. A. (2023). Integrating commercial-off-the-shelf components into radiation-hardened drone designs for nuclear-contaminated search and rescue missions. Drones, 7(8), 528.
10. [10] De Pasquale, G., & Soma, A. (2010). Reliability testing procedure for MEMS IMUs applied to vibrating environments. Sensors, 10(1), 456-474.
11. [11] Shimane, E., Matsumoto, S., Moriguchi, T., Iwai, Y., & Uchino, R. (2019). The study on performance of MEMS IMU for launch vehicle under high vibration environment. Transactions of the Japan society for aeronautical and space sciences, aerospace technology Japan, 17(4), 421-426.
12. [12] Kugiumtzis, D., & Tsimpiris, A., Measures of Analysis of Time Series (MATS): A MATLAB Toolkit for Computation of Multiple Measures on Time Series Data Bases, Journal of Statistical Software, vol. 33, no. 5, pp. 1–30, 2010.
13. [13] García-Villamil, G., Ruiz, L., Jiménez, A. R., Seco, F., & Rodríguez-Sánchez, M. C., Influence of IMU’s measurement noise on the accuracy of stride-length estimation for gait analysis, CEUR Workshop Proceedings, vol. 3097, pp. 1–12, 2021.
14. [14] Jambrošić, K., Krhen, M., Horvat, M., & Jagust, T., Measurement of IMU sensor quality used for head tracking in auralization systems, e-Forum Acusticum 2020, Lyon, France, pp. 2063–2070, 2020.
15. [15] Nirmal, K., Sreejith, A. G., Mathew, J., Sarpotdar, M., Suresh, A., Prakash, A., & Safonova, M., Noise modeling and analysis of an IMU-based attitude sensor: improvement of performance by filtering and sensor fusion, Proceedings of the SPIE, vol. 9903, 2016.
16. [16] Yunfan Zhang, Chengjie Liu, Zeyu Wang, Mengchu Zhou, Xiaofeng Chen, Investigation of Acoustic Injection on the MPU6050 Accelerometer, Sensors, vol. 19, no. 13, 2019.
17. [17] Gill, W. A., Howard, I., Mazhar, I., & McKee, K., A Review of MEMS Vibrating Gyroscopes and Their Reliability Issues in Harsh Environments, Sensors, vol. 22, no. 19, p. 7405, 2022.