Design of a small footprint MEMS 3-axial gyroscope

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) are generally defined as miniaturized devices that combine mechanical and electrical elements. In particular, MEMS gyroscopes are sensors for angular rate detection which can be found in many different electric devices, from smartphones to robots, cars and aerospace applications. Nowadays, the trend of the industry is to go for smaller footprint sensors that can be easily embedded in smaller systems and improve the so-called CSWaP ratio (cost, size, weight and power). The aim of this thesis is to present a new design of a 3-axis MEMS gyroscope with a smaller size with respect to the actual ones that can be found in the literature. First of all, following the state of art standards, a novel layout for a 3-axis MEMS gyroscope is proposed and tested in COMSOL Multiphysics. Then, a series of planar size reductions of the gyroscope is performed in order to analyze the effects that arise in small footprint layouts. The reductions are done while maintaining a constant device thickness, corresponding to the technology process, and the results have been examined to highlight the issues related to miniaturization. Taking into account the features of the proposed gyroscope and the limitations given by the manufacturing of the device, a final layout that is half the size of the initial one is presented. The final model has a total area of 0.75x0.75 〖mm〗^2 and shows good mechanical performances. Finally, the gyroscope model is tested in COMSOL Multiphysics and the nonlinear effects, related to the sense softening, are evaluated.

I sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) sono generalmente definiti come dispositivi miniaturizzati che combinano elementi meccanici ed elettrici. In particolare, i giroscopi MEMS sono sensori per il rilevamento della velocità angolare che si trovano in molti dispositivi elettrici diversi, dagli smartphone ai robot, alle automobili e alle applicazioni aerospaziali. Al giorno d'oggi, la tendenza dell'industria è quella di puntare su sensori con ingombro ridotto, che possano essere facilmente incorporati in sistemi più piccoli e in grado di migliorare il cosiddetto rapporto CSWaP (costo, dimensioni, peso e potenza). Lo scopo di questa tesi è quello di presentare un nuovo progetto di giroscopio MEMS triassiale con dimensioni ridotte rispetto a quelle attuali che si possono trovare in letteratura. Innanzitutto, seguendo lo stato dell'arte, viene proposto e testato in COMSOL Multiphysics un nuovo layout per un giroscopio MEMS triassiale. Successivamente, è stata eseguita una serie di riduzioni delle dimensioni planari del giroscopio per analizzare gli effetti che si verificano nei layout a ingombro ridotto. Le riduzioni sono state effettuate mantenendo costante lo spessore del dispositivo, corrispondente al processo tecnologico, e i risultati sono stati esaminati per evidenziare le problematiche legate alla miniaturizzazione. Tenendo conto delle caratteristiche del giroscopio proposto e delle limitazioni date dalla fabbricazione del dispositivo, è stato presentato un layout finale di dimensioni dimezzate rispetto a quello iniziale. Il modello finale ha un'area totale di 0.75x0.75 〖mm〗^2 e delle buone prestazioni meccaniche. Infine, il modello del giroscopio è stato testato in COMSOL Multiphysics e sono stati valutati alcuni effetti non lineari.