MEMS sensors for the measurement of angular velocity: mechanical and structural issues

MicroElectroMechanical Systems (MEMS) technology has revolutionized inertial sensors such as accelerometers and gyroscopes. Since the first demonstration of a micromachined gyroscope by the Draper Laboratory in 1991, a number of different micromachined gyroscope designs fabricated with different technologies have been reported. MEMS gyroscopes measure the external angular rate by exploiting different physical phenomena among which the most popular one, up to now, is the Coriolis effect. Moreover, they are expected to lead to reliable, robust and high performance angular-rate sensors with low production costs and high yields, fitting into or enabling many applications in the aerospace/defense, automotive and consumer electronics market. The main purpose of the thesis is to discuss some of the critical aspects of the MEMS Coriolis based gyroscopes and give a possible solution to them from the mechanical and structural point of view. In particular the robustness against fabrication imperfections and environmental fluctuations is a key issue during the design process of a MEMS gyroscope in order to guarantee good performances of the devices. For similar reasons, the designer of MEMS gyroscopes has, also, to deal with nonlinearities that arise because of the reduced dimensions of the mechanical components or for the actuation/detection schemes. Nonlinear phenomena must be, then, studied in deep with the purpose to understand how they can improve or compromise the functioning of the gyroscopes. Finally, the design of smart springs and mechanisms is of fundamental importance when smaller and smaller devices are required from the market. A new kind of MEMS gyroscopes, the frequency modulated (FM) gyroscopes, is, then, proposed to fulfill the need of robustness against fabrication imperfections and environmental fluctuations: in fact, it promises to improve long term scale factor stability and long term bias stability and to lower the power consumption. The design of FM yaw, pitch/roll and triaxial gyroscopes is proposed in the first part of the thesis together with an explanation, from the theoretical point of view, of the new working principle. In the second part of the thesis, two nonlinear dynamic models are, instead, studied from the analytical, numerical and experimental point of view, to explain the self-induced parametric amplification that significantly improves the performance of disk resonator gyroscopes and the dynamic pull-in that can compromise the behavior of resonant devices such as accelerometers or gyroscopes. Finally, to fulfill the need of smart auxiliary springs that guarantee the motion of the masses of MEMS gyroscopes without breaking the main constraints in terms of footprint, performance and fabrication process, some new motion conversion mechanisms are proposed. Auxetic structures have been, for this reason, exploited and properly optimized.

La tecnologia dei Sistemi Micro Elettro Meccanici (MEMS) ha decisamente rivoluzionato il mondo dei sensori inerziali come accelerometri e giroscopi. A partire dal primo giroscopio MEMS prodotto nel 1991 dal Draper Laboratory, infatti, numerosi prototipi di giroscopi MEMS sono stati fabbricati e commercializzati. I giroscopi MEMS misurano la velocità angolare esterna sfruttando diversi fenomeni fisici tra cui, il più comune, è l’effetto della forza apparente di Coriolis. Essi, inoltre, devono garantire buone prestazioni e alta affidabilità ad un basso costo e ingombro per poter rispondere alle esigenze del mercato automobilistico, aerospaziale e dei beni di consumo. L’obiettivo principale della tesi è quello di analizzare le principali criticità che si incontrano nella progettazione dei giroscopi MEMS e offrire alternative migliori dal punto di vista meccanico e strutturale. Garantire affidabilità e robustezza a fronte di imperfezioni di fabbricazione e variazioni delle condizioni ambientali è uno degli aspetti chiave nella progettazione di un giroscopio MEMS. Per migliorare le prestazioni del dispositivo, il progettista MEMS deve, però, anche essere capace di comprendere e gestire le eventuali nonlinearità che compaiono durante il funzionamento dinamico del giroscopio sia per la ridotta dimensione dei componenti meccanici che per la tipologia di attuazione/rilevamento. I fenomeni nonlineari dinamici vanno, quindi, studiati nel dettaglio per comprendere come possano migliorare o compromettere il funzionamento globale del dispositivo. Infine, la progettazione di elementi deformabili elastici e meccanismi intelligenti è di fondamentale importanza per rispondere all’esigenza del mercato di avere a disposizione strutture sempre più piccole. In questa tesi, per rispondere alla richiesta di robustezza e affidabilità, si propone un nuovo tipo di giroscopi MEMS, i giroscopi a modulazione di frequenza (FM): essi, infatti, promettono di migliorare la stabilità a lungo termine della risposta e di abbassare il consumo. Nella prima parte della tesi vengono presentati nuovi prototipi di giroscopi a modulazione di frequenza in grado di misurare velocità di rotazione di ‘imbardata’, ‘rollio’, ‘beccheggio’ in modo singolo o combinato insieme ad una spiegazione teorica del principio di funzionamento. Nella seconda parte della tesi sono presentati due modelli di dinamica nonlineare studiati dal punto di vista analitico, numerico e sperimentale. Essi spiegano il fenomeno dell’amplificazione parametrica autoindotta che migliora decisamente le prestazioni di un giroscopio risonante a disco e il fenomeno delle instabilità dinamiche che può compromettere il funzionamento di strutture risonanti come accelerometri o giroscopi. Infine, nella tesi, sono proposti nuovi meccanismi di conversione del moto ispirati a materiali con coefficiente di Poisson negativo (auxetici) per rispondere alla richiesta di strutture intelligenti da utilizzare all’interno di dispositivi MEMS per garantire il moto desiderato delle masse senza violare i vincoli in termini di ingombro, prestazioni e processo di fabbricazione. Le strutture auxetiche sono state, pertanto, studiate e ottimizzate.