Design of innovative inertial MEMS sensors for the minimization of quadrature error

This thesis presents the strategies to design mechanical structure of MEMS vibratory gyroscopes with quadrature error compensating capabilities. The focus is on the mechanisms along the out of plane sensing direction of the surface micromachined gyroscopes. The main responsible mechanism of out of plane quadrature error generation is known to be the skew bending of the flexible beams, resulting from the cross-section distortion, due to non-uniform etching of vertical sidewalls during the DRIE process. In this thesis, another important source of anisoelasticity of the structure, which is caused by the non-uniform etching along the longitudinal axis of the flexible beams is represented. Two main approaches are followed to achieve self-compensating quadrature error mechanical structures. The first approach is based on quadrature force absorption by the aid of carefully designed flexible elements and the second strategy is to manipulate the dynamic modes of vibration of the structure, in order to decouple the Coriolis excited modes, from the quadrature components mainly induced by the anisoelasticity mechanisms. A 3-axis gyroscope design (GkPAR) based on first approach with highly reduced quadrature error is achieved. The modes decoupling solution concept is also developed on a single axis primary layout (GkFrog) demonstrating high potentials for quadrature nulling. The final goal of research is to realize 3-axis gyroscope with low power consumption and unit cost, highly applicable to mobile devices, by the aid of a well designed mechanical architecture in a compact area with reduced quadrature error. A final layout of 3-axis gyroscope with promising improvement, compatible with STMicroelectronics process technology is designed and prototyped.

Questa tesi presenta le strategie per la progettazione della struttura meccanica dei giroscopi vibratori MEMS con capacità di compensazione errore quadratura. La messa a fuoco è sui meccanismi lungo la direzione del piano di rilevamento dei giroscopi micromachinali superficiali. Il meccanismo responsabile principale della generazione di errori di quadratura aerea è noto come la flessione inclinata delle travi fl essibili, derivanti dalla deformazione della sezione trasversale, dovuta all'incisione non uniforme delle pareti laterali verticali durante il processo DRIE. In questa tesi è rappresentata un'altra importante fonte di anisoelasticità della struttura, che è causata dall'incisione non uniforme lungo l'asse longitudinale delle travi fl essibili. Sono seguiti due approcci principali per ottenere strutture meccaniche di errore di quadratura auto compensante. L'approccio primo è basato sull'assorbimento della forza quadratura mediante l'uso di elementi fl essibili accuratamente progettati e la seconda strategia è quella di manipolare i modi dinamici di vibrazione della struttura, per dissociare i modi eccitati di Coriolis, dai componenti quadraturatari indotti principalmente dalla Meccanismi di anisoelasticità. Viene raggiunto un disegno giroscopico a 3 assi (GkPAR) basato su primo approccio con errore di quadratura altamente ridotto. Il concetto di soluzione di disaccoppiamento delle modalità è anche sviluppato su un layout primario di un singolo asse (GkFrog) che dimostra potenti alti per il nulling quadrature. L'obiettivo finale della ricerca è realizzare giroscopio a 3 assi con un basso consumo di energia e un costo unitario, altamente applicabile ai dispositivi mobili, grazie ad un'architettura meccanica ben progettata in un'area compatta con errore di quadratura ridotto. È stato progettato e prototipato un layout finale di giroscopio a 3 assi con un miglioramento promettente, compatibile con la tecnologia di processo di STMicroelectronics.