A new approach for mechanical design and quadrature compensation of MEMS gyroscopes

The aim of this research is to present an innovative approach for the mechanical design of MEMS gyroscopes. There is practical engineering interest in having a powerful tool, useful to implement different dynamic analysis in the optimization process of these devices. Focus is given to the modeling and the compensation of the mechanical cross-coupling related to quadrature error originated by DRIE fabrication technology. An innovative simulation environment, that combines the Finite Element theory together with a lumped parameter approach, has been introduced. This tool provides fast and flexible analysis on inertial MEMS. Thanks to that, different dynamical simulations have been performed on commercially available sensors. Mechanical suspensions and transmission mechanisms have been investigated, in order to reduce the problems caused by fabrication process. As a result, this new approach has been implemented in the design of elastic elements for MEMS structures, to analyze the effects produced by the quadrature error on gyroscopes. Finally, optimal configurations have been chosen and integrated in the complete layout of a 3-axis MEMS gyroscope, resulting in a device with increased performance.

Lo scopo di questa ricerca è quello di presentare un approccio innovativo per la progettazione meccanica di giroscopi MEMS. Nella realtà industriale c'è un interesse rilevante nell'avere a disposizione uno strumento capace di implementare svariate analisi dinamiche per il processo di ottimizzazione di questi dispositivi. Si vuol dare particolare attenzione alla modellazione e alla compensazione dell'accoppiamento meccanico relativo all'errore di quadratura causato dal processo di fabbricazione DRIE. È stato introdotto un innovativo ambiente di simulazione, che combina la teoria agli elementi finiti con un approccio a parametri concentrati. Questo strumento permette analisi veloci e flessibili su sensori inerziali MEMS. Grazie ad esso, sono state effettuate varie simulazioni dinamiche su due sensori disponibili in commercio. Sono stati quindi studiati meccanismi di trasmissione e sospensioni meccaniche in grado di ridurre i problemi generati nella struttura dal processo di fabbricazione. Questo nuovo approccio è stato utilizzato nella progettazione di elementi elastici in strutture MEMS, così da analizzare gli effetti di quadratura sui giroscopi. Infine, le configurazioni ottime sono state scelte ed integrate in un layout completo di un giroscopio MEMS triassiale, garantendo un netto incremento di prestazioni.