Progetto di un oscillatore integrato a basso rumore per accelerometri MEMS a modulazione di frequenza con alta stabilità dell'offset

The traditional architecture of MEMS amplitude modulation accelerometers (AM) is now mature, but maintains some limitations intrinsically linked to the operating principle. In literature new architectures, called frequency modulation (FM), have been recently proposed. The innovative operating principle is able to overcome the limits imposed by the existing trade-off between the maximum range of measurable accelerations and the system stability with respect to environmental perturbations. These new architectures offer huge benefits in terms of performance and open the way to new applications such as augmented reality and inertial navigation, where the stability of the system plays a fundamental role. In this project the operating principle of the FM Time-Switched accelerometer is analyzed in order to obtain its equivalent electrical model. An analysis on the phase noise highlighted the optimal architecture for the integrated oscillator to sustain the MEMS oscillation: the cirtuit has been designed, manufactured and tested. The data collected from the experimental measurement campaign confirm better performances with respect to the traditional AM accelerometer showing the actual overcoming of the trade-off previously discussed.

L'architettura tradizionale degli accelerometri MEMS a modulazione d'ampiezza (AM) è ormai matura, ma mantiene alcuni limiti intrinsecamente legati al principio di funzionamento. In letteratura sono state recentemente proposte nuove strutture, dette a modulazione di frequenza (FM). L'innovativo principio di funzionamento proposto è capace di superare i limiti imposti, per sensori AM standard, dal trade-off esistente tra il massimo intervallo di accelerazioni misurabili e la stabilità del sistema rispetto a perturbazioni ambientali. La soluzione di questo compromesso è la chiave per abilitare nuove applicazioni come la realtà aumentata e la navigazione inerziale, dove la stabilità del sistema gioca un ruolo fondamentale. In questo progetto di Tesi verrà analizzato il principio di funzionamento di un accelerometro FM Time-Switched per ricavarne il modello elettrico equivalente, necessario alla progettazione dell'oscillatore integrato ad esso accoppiato. Al fine di sceglierne l'architettura ottimale, sarà svolta un'analisi del rumore di fase circolante nell'oscillatore. I singoli blocchi verranno quindi progettati e sarà eseguito il layout dell'intero circuito integrato. Infine saranno sviluppate le schede di test per la caratterizzazione sperimentale del sistema. I dati raccolti da queste misure sperimentali confermeranno le migliori prestazioni dell'accelerometro FM studiato e mostreranno l'effettivo superamento del trade-off cui sono soggetti gli accelerometri AM.