MEMS magnetometers: from application specifications to the development and characterization of a prototype beyond the state of the art

The aim of the project was to develop a 3-axis Lorentz-Force based MEMS magnetometer for heading and navigation applications, capable of overcoming several limitations of other types of commercial magnetometers, fabricated with different technologies. The development of the magnetometer has been based on the ThELMA process from STMicroelectronics, and exploits different techniques to enhance the performance of the sensor. Off-resonance operation, along with the design of multi-loop structures, allows to obtain a 30-fold improvement in terms of power dissipation for the same resulting resolution and a good stability with temperature. This is also enhanced by the design of a MEMS resonator within the same die. A first prototype has been characterized through a custom discrete components electronics and a custom measurement setup, demonstrating the possibility to achieve performances comparable with or beyond the state of the art of commercial. A further step in the direction of area occupation and offset drifts reduction has been the re-design of the structure, switching from three 1-axis structure to a single 3-axis device. The development has been carried out with the aim to fit the magnetometer into a 2x2 mm^2 package together with a 3-axis accelerometer, in order to obtain a full 6-axis electronic Compass.

Lo scopo del progetto è lo sviluppo di un magnetometro MEMS triassiale a Forza di Lorentz per applicazioni che spaziano dalla bussola alla navigazione inerziale, e capace di superare molti dei limiti dei dispositivi attualmente in commercio, fabbricati in tecnologie differenti. Lo sviluppo del magnetometro è basato sulla tecnologia ThELMA di STMicroelectronics, e pur rimanendo compatibile con la tecnologia standard, fa uso di tecniche innovative per il miglioramento delle prestazioni. L’operazione con mismatch di frequenza (off-resonance), insieme all’innovativo design di strutture multi-loop, consente un miglioramento di un fattore 30 in termini di consumo di potenza per ottenere la stessa risoluzione, ed un netto miglioramento in termini di stabilità in temperatura, anche grazie all’utilizzo di un risonatore MEMS all’interno dello stesso die. Un primo prototipo è stato caratterizzato con un’elettronica a componenti discreti ed un setup appositamente progettati e realizzati, dimostrando la possibilità di ottenere prestazioni comparabili ed in alcuni casi migliori dello stato dell’arte dei dispositivi commerciali. Un ulteriore passo verso la riduzione di area occupata e drift dell’offset è stato realizzato con un secondo design del magnetometro, passando da tre strutture uniassiali ad una struttura triassiale, nell’ottica di integrare il magnetometro, insieme ad un accelerometro triassiale, in un “6-axis eCompass” di dimensioni totali 2x2 mm^2.