3-axis frequency modulated MEMS accelerometer. From system-level specifications to sensors and electronic design

The topic of the present thesis work are low temperature drift, low noise and low power MEMS accelerometers. In the last years the conventional approach to realize MEMS accelerometers, based on capacitive readout, has reached its limits in terms of performance and future, marginal improvements could be obtained only improving the fabrication process. For this reason, the necessity of considering novel architectural approaches to realize such devices has arisen.\par This thesis deals with this topic proposing a solution based on frequency modulated MEMS accelerometers. Of such devices we introduce both the working principle and the integrated oscillator topology needed to let them operate. In particular, two oscillator topologies are considered and studied from a phase noise point of view in order to chose the one that offers the best phase noise performance.\par The mentioned arguments are presented in the following order: [Chapter One:] introduction to MEMS resonant accelerometers and description of the temperature drift phenomenon, introduction to the project specifications and identification of a promising architecture; [Chapter Two:] description of the proposed architecture, both in plane and out of plane, and theoretical computations of the sensitivity formulas; [Chapter Three: ] introduction to the integrated oscillator topology and to the phase noise. Calculation of the phase noise model able to predict the noise in various nodes of the oscillator loop, as well as the contribution of each noise source; [Chapter Four: ] design of the in-plane and out-of-plane structures, guidelines, layouts, simulink model and comsol simulations; [Chapter Five: ] design and comparison of two oscillator topologies employing two different phase shifters, phase noise analysis and performance of each solution;

Argomento del presente lavoro di tesi sono accelerometri MEMS ad alte prestazioni di stabilità, basso consumo e basso rumore. Negli ultimi anni l'approccio convenzionale per la realizzazione di tali dispositivi, basato su un meccanismo di lettura capacitivo, ha oramai raggiunto i limiti in termini di prestazioni e futuri miglioramenti, peraltro marginali, potranno essere raggiunti unicamente agendo sui processi di produzione; per questo motivo è sorta la necessità di guardare a tipologie alternative per la realizzazione di tali sensori.\par Questa tesi affronta l'argomento proponendo come soluzione architetturale l'utilizzo di accelerometri a modulazione di frequenza. Di tali dispositivi vengono introdotti sia il principio di funzionamento, sia l'elettronica integrata necessaria al funzionamento degli stessi. In particolare, per quest'ultima vengono analizzate due architetture di oscillatori differenti, sulle quali viene effettuato uno studio di rumore di fase al fine di ottenere prestazioni ottime. \par Gli argomenti menzionati sono così suddivisi nei seguenti capitoli: [Capitolo Primo:] introduzione agli accelerometri MEMS risonanti, descrizione del fenomeno di drift in temperatura, presentazione delle specifiche di progetto ed identificazione di una architettura promettente al fine di soddisfare le stesse; [Capitolo Secondo:] presentazione della architettura dei dispositivi per la rilevazione di accelerazione in piano e fuori piano, descrizione degli stessi e calcolo teorico delle formule di sensitività; [Capitolo Terzo: ] introduzione all'architettura dell'oscillatore integrato ed al rumore di fase nello stesso. Calcolo teorico di un modello di rumore che consenta di descrivere il contributo delle varie sorgenti di rumore nei vari punti dell'anello; [Capitolo Quarto: ] design dei dispositivi in piano e fuori piano, linee guida, layout, modello simulink e simulazioni comsol; [Capitolo Quinto: ] progetto e confronto di due topologie di oscillatori di drive facenti uso di differenti sfasatori, analisi di rumore e prestazioni ottenibili con ciascuna soluzione;