Sensori di temperatura basati su MEMS in tecnologia standard : analisi di sistema ed implementazioni circuitali integrate

In electronics the topic of temperature sensors is growing constantly, their operation principle consists in using whatever electronic device that can produce a temperature dependent signal in a known and repeatable way, which will be processed. In literature can be found many sensor implementations based on resistors, BJTs or MOS, although the adoption of MEMS sensors is becoming more and more used. This thesis project is about the implementation of a temperature sensor using a MEMS resonator, based on THELMA process with epitaxial Poly- Silicon, fabricated in ST technology, whose resonant frequency has a tempe- rature dependance (TCf) very repeatable. This device peculiarity can be used to implement a sensing circuit that ela- borates the frequency and outputs an electric signal proportional to the tem- perature variations on the resonator. The output signal with the tempera- ture information was initially generated through an analog Phase-Locked- Loop (PLL), taking the output voltage node between the low-pass-filter and the VCO. However the drift mechanisms of the voltage controlled oscillator didn’t allow allow a precise data sensing, in order to solve this issue a Frequency- to-Digital-Converter (FDC) was secondly adopted, whose output signal is a digital word. The final result is a temperature sensor with resolution of about 1mK and current consumption 170μA, that can be concurrent with the state of the art.

In elettronica il mondo dei sensori di temperatura è in continua espansione, il principio di funzionamento su cui si basano è generare da un dispositivo un segnale dipendente dalla temperatura in modo noto e ripetibile per poi processarlo. In letteratura sono presenti molti esempi di implementazioni di sensori con alla base resistori, BJT o MOS, anche se una soluzione sempre più sperimentata sta diventando quella dei sensori MEMS. Questo lavoro di tesi tratta l’ implementazione di un sensore di temperatura utilizzando un risonatore MEMS basato su processo THELMA con PoliSili- cio epitassiale fabbricato in tecnologia ST, la cui frequenza di risonanza ha una dipendenza dalla temperatura (TCf) molto ripetibile. Si è pensato di sfruttare questa peculiarità del dispositivo per implementare un circuito di lettura ed elaborazione della frequenza, per produrre in uscita un segnale elettrico proporzionale alle variazioni di temperatura sul risonatore. Per generare il segnale in uscita contenente l’ informazione sulla tempera- tura la prima idea è stata adottare un Phase-Locked-Loop (PLL) analogico, prendendo come uscita in tensione il nodo compreso tra il filtro passa-basso ed il VCO. I meccanismi di drift di quest’ ultimo tuttavia non permettono una lettura precisa del dato, per ovviare a questo problema si è poi deciso di utilizzare un Frequency-to-Digital-Converter (FDC), che produce in uscita direttamente una parola digitale. Il risultato finale è un sensore di tempe- ratura con risoluzione 1mK e consumo di corrente 170μA, concorrenziale rispetto allo stato dell’ arte.