theoretical and experimental analysis of frequency modulated mems accelerometers with innovative electrodes topology

In the last years, the developments of frequency modulation accelerometer based on the time-switched concept (TSFM) has closed the gap between in the MEMS sensors and the required performances of the market. This ar chitecture showed a promising growth potential, resolving the zero-g offset which afflicts both the amplitude modulation (AM) and frequency modula tion (FM) accelerometer architectures. However, the actaul implementation of the TSFM topology has its intrinsic limitation, blocking the reaching of the required noise performances by the emerging application, such as in ertial navigation or autonomous driving. In the present Thesis work, the problems related to the TSFM accelerometer are discussed, for which two solutions are proposed to improve the linearity and noise performance of the literature implementation. The first solution relies on the parallel plate replacement with the Shaped Comb Finger for the frequency modulation mechanism. For this approach, the thesis proposes a mathematical model for the electrode design, which is optimized to match the electrostatic characteristic of the PP configuration. The study is completed with the electronic and mechanical design of the ac celerometer, from which the noise and linearity performances are extracted by a Simulink model. The second solution recalls a TSFM architecture based on a piezo-resistive readout, removing the problems related to the capacitive sensing electrodes. After the development of the electronic circuit, the device is tested to extract experimental information relative to noise and scale factor performances, underlining the benefits with respect to the device on the market.

Negli ultimi anni, lo sviluppo di accelerometri a lettura di frequenza basati sul concetto time-switched (TSFM) ha avvicinato la tecnologia MEMS alle prestazioni richieste dal mercato high-end. Questa architettura ha mostrato importanti margini di crescita, risolvendo i problemi legati allo zero-g off set che affligono sia gli accelerometri a modulazione d’ampiezza (AM) che quelli a modulazione di frequenza (FM) basati su altri meccanismi. D’altra parte, l’attuale implementazione degli accelerometri TSFM possiede limiti intrinsici che impediscono il raggiungimento delle prestazioni di rumore richieste da applicazioni emergenti quali la navigazione inerziale o la guida autonoma. Nel presente lavoro di tesi, i problemi relativi agli accelerometri TSFM sono discussi e due soluzioni alternative sono proposte, volte a miglio rare le prestazioni di linearità e rumore dell’attuale implementazione. La prima soluzione consiste nell’utilizzo di Shaped Comb Finger in sosti tuzione dei piatti piani paralleli (PP) per la modulazione di frequenza. Per questo approccio, l’elaborato propone un modello matematico per la proget tazione dell’elettrodo, il quale verrà successivamente ottimizzato per rag giungere le prestazioni dei PP in termini di fattore di scala. Lo studio è com pleatato con la progettazione meccanica ed elettronica dell’accelerometro MEMS, del quale verranno valutate le prestazioni teoriche di rumore e lin earità attraverso un modello Simulink. La seconda soluzione riprende la struttura di un accelerometro TSFM basato sulla lettura piezo resististiva, rimuovendo i vincoli legati alla let tura capacitiva. A valle dello sviluppo del circuito elettronico, il dispositivo è sperimentato per estrarre le prestazioni sperimentali di rumore e fattore scala, evidenziando gli eventuali benefici rispetto i dispositivi sul mercato.