design and Multiphysics simulation of new XZ accelerometer

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) are devices that consist of a mechanical component that is the mobile element and an electronic component that is responsible for converting the mechanical response into an electrical response. MEMS devices have components in the order of micrometers, e.g. much smaller than a human hair. This thesis focuses on accelerometers, sensors of motion able to measure external accelerations. An innovative geometry of a XZ-axis accelerometer, previously proposed by the Department of Civil and Environmental Engineering (DICA) of Politecnico di Milano and STMicroelectronics™, is described and analyzed. Considering then the result obtained on this device, a new XZ-axis accelerometer is designed with the aim to improve its performances especially in terms of offset drift and nonlinearities. The proposed accelerometers are fabricated through the new fabrication process ThELMA-Double (Thick Epitaxial Layer for Micro-gyroscopes and Accelerometers – Double) developed by STMicroelectronics. The result shows that the non-linearity of the new XZ accelerometer is reduced, thus guaranteeing a better stability of the performance with respect to residual stresses.

I sistemi microelettromeccanici (MEMS) sono dispositivi che consistono in una componente meccanica che è l'elemento mobile e una componente elettronica che è responsabile della conversione della risposta meccanica in una risposta elettrica. I dispositivi MEMS hanno componenti dell'ordine dei micrometri, ad esempio molto più piccoli di un capello umano. Questa tesi si concentra sugli accelerometri, sensori di movimento in grado di misurare accelerazioni esterne. Viene descritta e analizzata una geometria innovativa di un accelerometro asse XZ, precedentemente proposta dal Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA) del Politecnico di Milano e STMicroelectronics™. Considerando quindi il risultato ottenuto su questo dispositivo, viene progettato un nuovo accelerometro asse XZ con l'obiettivo di migliorarne le prestazioni specialmente in termini di deriva dell'offset e non linearità. Gli accelerometri proposti sono fabbricati attraverso il nuovo processo di fabbricazione ThELMA-Double (Thick Epitaxial Layer for Micro-gyroscopes and Accelerometers – Double) sviluppato da STMicroelectronics. Il risultato mostra che la non linearità del nuovo accelerometro XZ è ridotta, garantendo così una migliore stabilità delle prestazioni rispetto alle tensioni residue.