Giroscopi MEMS basati su NEMS piezoresistivi per la lettura dei modi di drive e di sense : progetto dell'elettronica e caratterizzazione

This Thesis discusses the design, the characterization and the development of innovative MEMS gyroscopes based on piezoresistive NEMS sensing elements, used both as sense-motion detection and, for the first time, also as drive-motion detection 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 mechanical design, the electronics development and a detailed characterization of tri-axial gyroscopes for medical applications. The experimental tests involve measurements of sensitivity and noise, and their comparison with a device that does not exploit NEMS gauges in the drive-motion frame. For the first time, few 100 μdps/sqrt(Hz) angular rate resolution is obtained for biasing voltages applied to the MEMS structure as low as 1.8 V.

La presente Tesi ha riguardato la progettazione, la caratterizzazione e lo sviluppo di innovativi giroscopi MEMS basati su NEMS piezoresistivi, componenti nanometrici utilizzati sia per la rivelazione del moto di sense, sia, per la prima volta, per la rivelazione del moto di drive. In particolare la Tesi presenta la struttura meccanica, l’elettronica di lettura, e una caratterizzazione di giroscopi triassiali impiegati in applicazioni biomediche. I test sperimentali effettuati sui dispositivi consistono in misurazioni sulla sensitività e sul rumore, e tali risultati sono poi posti a confronto con giroscopi che non sfruttano i NEMS nella parte di drive. Si è ottenuta per la prima volta, con tensioni di bias molto basse (1.8 V) applicate alla struttura MEMS, una risoluzione sulla velocità angolare pari a poche centinaia di μdps/sqrt(Hz).