A new approach for MEMS gyroscopes modeling and design process optimization

The present work describes a new method used for MEMS gyroscope modeling, that combines the Finite Element theory together with the lumped parameter approach. Through a comparison with classical FEM results on a sensor already available in commerce, the new methodology has been validated. Later, the new approach has been implemented during the design process of a 3 axes MEMS gyroscope to analyze the effects produced by the quadrature error on the device. Once the most critical elements have been identified in the complete structure, a Signal to Noise optimization was required. To implement a topology optimization process, the complete structure has been reduced to a simplified layout and different combinations have been examined. Among the analyzed configurations, the one with improved performances have been chosen and extend to the complete layout. The work also presents a possible solution for the critical element, the transmission from x to y direction in the drive frame.

Il lavoro presentato descrive un metodo innovativo di modellazione di giroscopi MEMS, per mezzo di un approccio ibrido che sfrutta il metodo FEM unitamente ad una modellazione a parametri concentrati. La validazione della metodologia sviluppata è stata effettuata mediante confronto con i risultati di un FEM classico di un sensore già presente in commercio. In seguito, si è applicato il nuovo approccio per valutare gli effetti di quadratura su un giroscopio MEMS triassiale in fase di progettazione. Su quest'ultimo sono stati individuati gli elementi che introducono maggiore quadratura nel dispositivo ed è stata effettuata un'analisi di sensibilità del segnale rispetto al valore di rumore. Con lo scopo di mitigare le criticità riscontrate, è stata eseguita una modellazione semplificata della struttura, sulla quale risulta più efficace apportare modifiche topologiche tali da incrementare le prestazioni del dispositivo. Questa nuova struttura ottimizzata potrà successivamente essere estesa ed integrata in un layout completo, in modo da garantire valori di SNR non raggiungibili con gli attuali dispositivi. Da ultimo si è proposta una possibile soluzione per il problema di trasmissione del moto di drive.