In this work two innovative low thermal drift MEMS accelerometers have been analyzed. The design and fabrication process has been conducted in partnership with STMicroelectronics. The first sensor is based on a modulation of the electrostatic stiffness while the other modulates the inertia momentum. First of all the offset in MEMS devices has been analyzed, determining its origins and the major contributions to its thermal drift. Both devices will be described in terms of mechanical structure, working principle and electrical model. Then, the driving and readout circuits have been designed and the whole system has been implemented on a discrete components electronic board. The experimental campaign is composed by a first electromechanical characterization in which sensitivity and linearity will be assessed, followed by a noise analysis of the electronic circuit. To determine the offset's thermal stability performances, various samples have been tested in a wide temperature range. Final results shows repeatability across all devices for an offset's thermal stability lower than 50ug/K. This represents a factor twenty improvement respect to consumer grade accelerometers.

In questo lavoro sono stati analizzati innovativi accelerometri MEMS a basso drift termico dell'offset, progettati nel contesto di una collaborazione tra il laboratorio e STMicroelectronics. Essi sono basati su due tipologie di modulazione: modulazione di rigidezza elettrostatica e modulazione di momento d'inerzia. E' stato innanzitutto analizzato il fenomeno dell'offset in strutture MEMS ricercandone le cause ed evidenziando i contributi fondamentali al suo drift in temperatura. Per entrambi i dispositivi verrà presentata la struttura, il principio di funzionamento e il relativo modello elettrico. In seguito viene progettata l'elettronica di pilotaggio e di lettura, implementate quindi a componenti discreti su scheda elettronica. La fase sperimentale prevede la caratterizzazione del sensore, in termini di parametri elettromeccanici, sensitività e linearità, e dell'elettronica, in termini di rumore. Tutte le misure effettuate sono risultate ripetibili sui vari dispositivi testati. Infine vengono presentate le misure in temperatura, volte a determinare le prestazioni in termini di stabilità termica dell'offset, che risulta inferiore a 50ug/K e quindi migliore di un fattore venti rispetto ad accelerometri attualmente sul mercato.

Accelerometri MEMS a basso drift dell'offset : analisi teorica, progetto dell'elettronica e caratterizzazione sperimentale

FERRARI, FILIPPO MARIA
2016/2017

Abstract

In this work two innovative low thermal drift MEMS accelerometers have been analyzed. The design and fabrication process has been conducted in partnership with STMicroelectronics. The first sensor is based on a modulation of the electrostatic stiffness while the other modulates the inertia momentum. First of all the offset in MEMS devices has been analyzed, determining its origins and the major contributions to its thermal drift. Both devices will be described in terms of mechanical structure, working principle and electrical model. Then, the driving and readout circuits have been designed and the whole system has been implemented on a discrete components electronic board. The experimental campaign is composed by a first electromechanical characterization in which sensitivity and linearity will be assessed, followed by a noise analysis of the electronic circuit. To determine the offset's thermal stability performances, various samples have been tested in a wide temperature range. Final results shows repeatability across all devices for an offset's thermal stability lower than 50ug/K. This represents a factor twenty improvement respect to consumer grade accelerometers.
MARRA, CRISTIANO ROCCO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
3-ott-2017
2016/2017
In questo lavoro sono stati analizzati innovativi accelerometri MEMS a basso drift termico dell'offset, progettati nel contesto di una collaborazione tra il laboratorio e STMicroelectronics. Essi sono basati su due tipologie di modulazione: modulazione di rigidezza elettrostatica e modulazione di momento d'inerzia. E' stato innanzitutto analizzato il fenomeno dell'offset in strutture MEMS ricercandone le cause ed evidenziando i contributi fondamentali al suo drift in temperatura. Per entrambi i dispositivi verrà presentata la struttura, il principio di funzionamento e il relativo modello elettrico. In seguito viene progettata l'elettronica di pilotaggio e di lettura, implementate quindi a componenti discreti su scheda elettronica. La fase sperimentale prevede la caratterizzazione del sensore, in termini di parametri elettromeccanici, sensitività e linearità, e dell'elettronica, in termini di rumore. Tutte le misure effettuate sono risultate ripetibili sui vari dispositivi testati. Infine vengono presentate le misure in temperatura, volte a determinare le prestazioni in termini di stabilità termica dell'offset, che risulta inferiore a 50ug/K e quindi migliore di un fattore venti rispetto ad accelerometri attualmente sul mercato.
Tesi di laurea Magistrale
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