Accelerometro MEMS a modulazione di frequenza, ad alto range dinamico e ridotto consumo di corrente

Nowadays, the increase of application fields for MEMS accelerometers has made more compelling the reliability requirements for this kind of sensors. Stability of offset with temperature, in particular, is a figure of merit of primary importance in growing interest fields as inertial navigation and virtual reality. Recently, a new FM accelerometer, demonstrated capable of overcoming the traditional trade-off between offset stability and Full-Scale-Range (FSR), has been presented. This sensor has a temperature dependent offset drift lower than 100u g/K (where g=9.8m/s^2 is the gravity acceleration of Earth). Starting from the obtained results with the already developed sensor, the aim of this Thesis is to explore the possibility of realization of a low-power accelerometer with high FSR and good offset stability performances. To this end, a behavioral model of the device has been developed and represented in the form of a VerilogA code, in order to perform simulations of the MEMS together with the coupled integrated circuit. Then, the obtained model has been used to define a guideline for a re-design of the accelerometer, intended to maximize the FSR. Finally, a different topology of the circuit to be coupled to the micromechanical device has been considered, with the aim of reducing power consumption. In detail, the main focus was given to the one-transistor-oscillator in which the MEMS is introduced (the Pierce oscillator). After a theoretical analysis, intended to make a prevision of the performances in terms of noise and power consumption, the circuit has been implemented in a 130nm technology. Theoretical and computational results show the possibility of rising the FSR to almost 100g, while mantaining the aforementioned offset stability and with a noise in the 200u g/(Hz)^0.5 range.

Il crescente numero di applicazioni degli accelerometri MEMS ha reso negli ultimi anni sempre più stringenti i requisiti di affidabilità per questa tipologia di sensori. In particolare, la stabilità dell'offset con la temperatura costituisce una figura di merito di primaria importanza in ambiti di crescente interesse come la navigazione inerziale e la realtà virtuale. Recentemente, è stato presentato un accelerometro FM che si è dimostrato in grado di superare il tradizionale trade-off tra stabilità dell'offset e Full Scale Range (FSR), garantendo una deriva dell'offset inferiore a 100u g/K (con g=9.8m/s^2 che rappresenta l'accelerazione di gravità terrestre). Prendendo avvio dai risultati ottenuti con il sensore già sviluppato, questa tesi si propone di analizzare la possibilità di realizzazione di un accelerometro low-power con alto FSR ed elevate prestazioni di stabilità dell'offset. A tal fine, si è sviluppato un modello comportamentale del dispositivo, il quale è stato rappresentato sotto forma di codice VerilogA, al fine di facilitare successivamente simulazioni del MEMS accoppiato a un circuito integrato. Quindi, si è utilizzato il modello ottenuto per definire le linee guida per una riprogettazione dell'accelerometro, volta a massimizzare il FSR. In ultimo, si è analizzata una diversa topologia circuitale da accoppiare al dispositivo micromeccanico, in modo da ottenere un consumo ridotto. Nello specifico, ci si è concentrati sul circuito oscillatore in cui il MEMS è inserito, optando per l'impiego di una topologia a singolo transistore (l'oscillatore Pierce). In seguito a una analisi teorica del circuito, finalizzata a prevederne le prestazioni di rumore e consumo, si è passati all'implementazione dello stesso in una tecnologia 130nm. I risultati teorici e computazionali mostrano la possibilità di estendere il FSR fino a quasi 100g, mantenendo la suddetta stabilità dell'offset e preservando il rumore nel range di 200u g/(Hz)^0.5.