MEMS gyroscopes based on NEMS piezoresistive elements: a comprehensive analysis of design, reliability and experiments

The Thesis discusses the design, the characterization and the development of innovative MEMS gyroscopes based on piezoresistive NEMS sensing elements. At the same time, the Thesis provides a characterization and a knowledge improvement on several aspects of the used, innovative, piezoresistive technology. In particular, the Thesis presents the design, the layout and a detailed characterization of tri-axial gyroscopes for consumer and for medical applications. These two different application fields share the same requirements: low power consumption and miniaturization. The obtained results satisfy the defined performance given by the targets specifications for both applications. In parallel with the design of the gyroscopes, dedicated test structures are developed in the framework of the Thesis and thus described in this work. These devices enable particular characterization of mechanical and technological issues of the NEMS gauges, that are the peculiar elements of the technology. Then, the performance in terms of linearity, reliability, critical tensile and compressive stress and fatigue are discussed. The end of the Thesis is the presentation of a gyroscope which includes a further step of innovation: the nano gauge transduction is here used not only for the sense mode, but also for the drive motion detection, showing anglerandom walk in the order of few hundreds udps/sqrt(Hz) with voltage applied at the gyroscope lower than 1.5 V. Such a level of voltage is considerably lower, at least one order of magnitude, than for a capacitive gyroscope with the same noise performance.

La Tesi discute il progetto, la caratterizzazione e lo sviluppo di giroscopi MEMS innovativi basati su elementi sensibili piezoresistivi NEMS. Allo stesso tempo, la Tesi fornisce una caratterizzazione ed un miglioramento conoscenze su vari aspetti dell’utilizzo di questa innovativa tecnologia piezoresistiva. In particolare, la tesi presenta il design, il layout e una caratterizzazione dettagliata di giroscopi triassiali per applicazioni in campo consumer e per applicazioni mediche. Questi due diversi campi di applicazione condividono gli stessi requisiti: basso consumo energetico e miniaturizzazione. I risultati ottenuti soddisfano gli obiettivi di performance definiti, dati dalle specifiche per entrambe le applicazioni. In parallelo con la progettazione dei giroscopi, strutture di test dedicate sono state sviluppate nell'ambito della Tesi e vengono così descritte in questo lavoro. Questi dispositivi permettono di particolare caratterizzazione di problematiche meccaniche e tecnologiche dei gauge NEMS, che sono gli elementi peculiari della tecnologia. Infine, sono discusse le prestazioni in termini di linearità, affidabilità, resistenza critica e sollecitazione a compressione e fatica. La conclusione della tesi è la presentazione di un giroscopio che comprende una ulteriore innovazione: la trasduzione tramite nano gauge viene utilizzata non solo per la modalità di sense, ma anche per il rilevamento del movimento di drive, mostrando un angle random walk nell'ordine di alcune centinaia udps / sqrt (Hz) con tensione applicata al giroscopio inferiore a 1,5 V. Un tale livello di tensione è notevolmente inferiore, almeno un ordine di grandezza, rispetto un giroscopio capacitivo con le stesse prestazioni di rumore.