Accelerometri MEMS ad alte prestazioni basati su modulazione di frequenza : sviluppo e sperimentazione

From the beginning of the new millennium, amplitude-modulated (AM) MEMS accelerometers have been widely employed in the automotive and consumer fields. However, the intrinsic limitations of such devices make them unsuitable for emerging applications such as inertial navigation, virtual/augmented reality and autonomous driving, for which the required performance in terms of noise and offset thermal stability are the same as for sensors that are currently employed in high-end applications (industrial automation, aerospace). In order to meet the specifications of new generation applications, in recent years an alternative operation mode has been proposed in the scientific literature as an alternative to the traditional amplitude modulation (AM): dual-phase readout (time-switched) frequency modulation (FM). In this Thesis work, after a brief general introduction to the mainstream operation modes of MEMS accelerometers proposed in the scientific literature in recent years, the modeling of a time-switched FM MEMS accelerometer and the related control electronics are described in detail. The results of the experimental characterization of the device with the electronics implemented on a discrete component board are then presented. Finally, an integrated analog front-end is designed, targeting noise performances compatible with FM accelerometer requirements.

Dagli inizi del nuovo millennio, gli accelerometri MEMS a modulazione di ampiezza (AM) hanno trovato largo impiego negli ambiti automotive e consumer. Le limitazioni intrinseche di questo tipo di dispositivi risultano però incompatibili con il loro utilizzo in applicazioni emergenti quali navigazione inerziale, realtà virtuale/aumentata e guida autonoma, per le quali le prestazioni richieste in termini di rumore e stabilità dell'offset in temperatura sono al pari di quelle dei sensori attualmente impiegati in applicazioni high-end (automazione industriale, aerospace). Per soddisfare le specifiche delle nuove applicazioni, negli ultimi anni è stata proposta nella letteratura scientifica una modalità di operazione alternativa alla tradizionale modulazione di ampiezza (AM): la modulazione di frequenza (FM) a due fasi di lettura (time-switched). Nel presente lavoro di Tesi, a seguito di una breve introduzione generale alle principali modalità di operazione degli accelerometri MEMS proposte nella letteratura scientifica degli ultimi anni, si descrive nel dettaglio la modellizzazione di un accelerometro MEMS FM time-switched e della relativa elettronica di controllo. Si espongono quindi i risultati sperimentali ottenuti dalla caratterizzazione del dispositivo con l'elettronica implementata su una scheda a componenti discreti. Infine, si progetta un front-end analogico integrato con prestazioni di rumore adatte all'operazione di accelerometri FM.