Compensazione attiva della risonanza in fase in accelerometri time-switched FM a lettura capacitiva

Abstract This Master Thesis work, carried out at MEMS and Microsensors laboratory of Politecnico di Milano, shows an innovative system formed by a frequency-modulated Time-Switched capacitive sensing MEMS accelerometer and a circuit which operates an active damping of the in-phase movement amplitude. The target is to keep using a square-wave tuning not worrying about the long settling-time of the inphase movement when the MEMS is subject to an external acceleration. The mechanical structure of the IP (In-Plane) accelerometer, the readout electronics are presented and, furthermore, the reason why a frequency-modulated Time-Switched MEMS accelerometer is able to solve the trade-off between the FSR (Full-Scale- Range) and the input referred offset is explained. The mechanical Sensitivity of the sensor, the noise model of the primary loop are obtained and an analysis about feedthrough problem and its circuital solution is carried out. Finally, an electronic compensation loop has been implemented using a force-feedback approach, which aims to reduced the in-phase resonant peak, followed by a vibration rejection up to 25 kHz, and to lower the settling-time of the in-phase movement. The final performances show a Sensitivity of 2.1 Hz/g, a FSR equal to ±65 g considering a linearity error of 1%, an input referred noise level equal to 50 μg/ √ Hz, a system recovery time, due to shocks bigger than 100 g, of less than 3 ms, that is about 20 times less than the case in which the active damping compensation circuit is not present.

Sommario Questo lavoro di Tesi Magistrale, svolto presso il laboratorio di MEMS e Microsensori del Politecnico di Milano, propone un sistema innovativo costituito da un accelerometro MEMS a modulazione di frequenza Time-Switched a lettura capacitiva e un circuito che opera uno smorzamento attivo dell’ampiezza dello spostamento in fase. Lo scopo è quello di continuare ad usare un tuning in onda quadra senza avere il problema di un elevato tempo di assestamento dello spostamento in-fase quando il MEMS è soggetto a un’accelerazione esterna. Viene presentata la struttura meccanica dell’accelerometro IP (In-Piano), l’elettronica di lettura e, inoltre, viene spiegato il motivo per cui un accelerometro a modulazione di frequenza Time-Switched è in grado di risolvere il compromesso tra FSR (Full-Scale-Range) e offset riferito all’ingresso. Viene ricavata la Sensitivity meccanica del sensore, il modello di rumore dell’anello primario ed è condotta un’analisi sul problema del feedthrough e sulla sua possibile risoluzione implementata in maniera circuitale. Infine è stato implementato un anello di compensazione elettronico tramite approccio force-feedback, che mira all’abbattimento del picco di risonanza in fase, con conseguente reiezione di disturbi fino a 25 kHz e diminuzione del tempo di assestamento dello spostamento in-fase. Le prestazioni finali mostrano sensitività di 2.1 Hz/g, un FSR di ±65 g con errore di linearità dell’ 1%, un livello di rumore riferito all’ingresso pari a 50 μg/√Hz, un tempo di recupero del sistema in seguito a shocks maggiori di 100 g, in meno di 3 ms, che è circa 20 volte in meno rispetto al caso in cui è non è presente il circuito di compensazione dello smorzamento attivo.