Identification of drive resonator quality factor in MEMS gyroscopes

MEMS (Microelectromechanical Systems) sensors are small and complex devices used in a growing number of applications, and among them there are the gyroscopes based on the Coriolis effect, which measure the angular velocity. A fundamental role in their industrial manufacturing is played by the Final Test, which consists in measuring the parameters, calibrating and verifying the specifications of every piece before shipment to customer. Concerning gyroscopes, an important parameter is the quality factor (or Q factor) of the drive mechanical resonator. This thesis deals with the work done in collaboration with STMicroelectronics, aiming at developing new methods for the identification of the drive quality factor which can surpass the current one in terms of estimation accuracy and productivity. This problem is equivalent to identifying the damping ratio of the mechanical system. In particular, the work focused on a gyroscope produced for automotive safety systems, a field requiring high performance and utmost reliability. The constraints imposed by the testing process forced to measure the quality factor by using the sampled free response of the resonator, that is the damped oscillations. Different methods were analysed and tested on real data, until three techniques based on the extraction of the time envelope were identified. They were implemented and integrated into the present test program, and then applied to a large number of pieces. Such three algorithms resulted to be more accurate and faster than the currently adopted method. The best solution is the extraction of the signal envelope by means of the moving quadratic mean, followed by the exponential regression.

I sensori MEMS (Microelectromechanical Systems) sono complessi dispositivi di piccole dimensioni utilizzati in un crescente numero di applicazioni e tra di essi vi sono i giroscopi basati sull'effetto Coriolis, che misurano la velocità angolare. All'interno della loro produzione industriale, un ruolo fondamentale è svolto dal Final Test, ovvero la fase di misurazione dei parametri, calibrazione e verifica delle specifiche effettuata su ciascun pezzo prima della spedizione. Nei giroscopi, un parametro importante è il fattore di qualità (o fattore di merito) del risonatore meccanico di drive. Questa tesi tratta il lavoro svolto, in collaborazione con l'azienda STMicroelectronics, al fine di sviluppare nuovi metodi di identificazione del fattore di qualità del drive, che siano migliorativi di quello attuale in termini di bontà della stima e di produttività. Tale problema coincide con l'identificazione dello smorzamento del sistema meccanico. In particolare, è stato analizzato un giroscopio prodotto per i sistemi di sicurezza automobilistica, ambito in cui si richiedono prestazioni elevate e massima affidabilità. I vincoli del processo di test hanno imposto di misurare il fattore di qualità utilizzando i campioni raccolti dal movimento libero del risonatore, ovvero dalle sue oscillazioni smorzate. Diversi metodi sono stati presi in considerazione e provati su dati reali, fino ad individuare tre tecniche basate sull'estrazione dell'inviluppo temporale del segnale acquisito. Esse sono state implementate e integrate nel programma di test complessivo, per poi applicarle su un elevato numero di pezzi. Tali tre algoritmi sono risultati più accurati e veloci del metodo attuale, tra questi il migliore può essere considerato quello che estrae l'inviluppo eseguendo la media quadratica mobile del segnale, seguito da regressione esponenziale.