Sensori di temperatura MEMS multimodali basati sul rapporto tra risonanze con diverso coefficiente termico

Almost every electronic component is characterized by a dependence on temperature, which causes undesired behaviour. For this reason, many solutions have been developed over the years to mitigate this phenomenon. For example, in the field of MEMS devices it can be decreased through process-level compensation or at an electronic level. On one hand, excellent results are obtained with the first technique, but with the disadvantage of increasing production costs. On the other hand, electronic compensation represents a valid and cheaper alternative. For this reason, it has been the subject of many studies over the years. Ultimately, this technique requires the measurement of the operating temperature of the device. In the literature there are many example in which the temperature sensor, and its related electronics, are integrated within the ASIC. In this thesis work, an innovative method for temperature measurement is proposed, which exploits the drift of the resonant frequency of the resonant modes of a MEMS device. In particular, four MEMS resonators were used, each of which can be operated in three different res onance modes. Therefore, the first part of this work concerned the simulation of the structures in order to determine their physical parameters, from which it was possible to implement an electronic board, with the related components, for the characterization of the devices and the closed loop operation. Subsequently, each mode of each resonator was analyzed under different thermal conditions, to extract the temperature coefficients necessary for the calibration of the sensor. Finally, with the obtained results it was possible to simulate the devised system with the real parameters of the resonators.

I componenti elettronici sono caratterizzati da una dipendenza dalla temperatura di esercizio, che ne provoca un’alterazione del funzionamento. Per questo motivo, negli anni sono state sviluppate delle soluzioni per mitigare tale comportamento. Ad esempio, per i dispositivi MEMS essa può essere diminuita tramite compensazioni di processo o a livello elettronico. Da un lato la prima tecnica permette di ottenere ottimi risultati, ma con lo svantaggio di aumentare i costi di produzione. Invece, la compensazione a livello elettronico rappresenta una valida e più economica alternativa e, per questo, negli anni è stata oggetto di molti studi. In ultima analisi, ciò richiede la misura della temperatura di funzionamento del dispositivo. In letteratura sono presenti molti casi in cui il sensore di temperatura, e la relativa elettronica, sono integrati all’interno dell’ASIC. In questo lavoro di tesi si propone un metodo innovativo per la misura della temperatura che sfrutta la deriva della frequenza di risonanza dei modi del dispositivo MEMS. In particolare, sono stati utilizzati quattro risonatori MEMS, ciascuno dei quali può essere attuato in tre diversi modi risonanti. Pertanto, la prima fase di questo lavoro ha riguardato la simulazione delle strutture per la determinazione dei parametri fisici, dai quali è stato possibile implementare una scheda elettronica, con i relativi componenti, per la caratterizzazione dei dispositivi e per l’attuazione in anello chiuso. Successivamente, ciascun modo di ogni risonatore è stato analizzato in dif ferenti condizioni termiche, in modo da estrarre i coefficienti di temperatura necessari per la calibrazione del sensore. Infine, con i risultati ottenuti è stato possibile simulare il sistema ideato con i parametri reali dei risonatori.