Opportunities amidst challenges : frequency-modulated MEMS accelerometers for high-end applications

Frequency modulated MEMS (Micro-Electromechanical System) accelerometers have experienced an ever increasing performances in the last two decades in terms of stability and noise level. The thesis discusses the advantages and the critical points of two main working principles belonging to this typology: the mechanically induced frequency modulation and that electrostatically induced. The former has been designed with double-ended tuning fork (DETF) resonators, whose frequency is modulated by the axial stress induced by the displacement of a seismic mass. It is provided with a custom IC and a FPGA-based frequency readout. The results reach the state-of-the-art performances for this kind of devices, particularly its dynamic range (164 dB) and time stability (> 10\textsuperscript{4}) paving the way for the replacement of the bulky and expensive quartz accelerometers in high-end applications. On the other side, the architecture is based on a AM modulation of the frequency, also called Time-Switched Frequency Modulation (TSFM). The architecture is deeply investigated through four different devices: one exploits a different process technology (dual layer) to enhance the temperature stability and robustness against substrate bending and it is compared with a standard one. Another device has been simulated and fabricated with a disruptive application of shaped comb fingers to provide the tuning effect replacing the parallel plates to improve by an order of magnitude the frequency noise level. The last one has the same purpose but it is fabricated with a piezoresistive readout, replacing the capacitive one: it demonstrated promising results particularly in its out-of-plane sensitive implementation with a state-of-the-art dynamic range.

Gli accelerometri MEMS (Micro-Electromechanical System) a modulazione di frequenza hanno riscontrato un continuo miglioramento delle prestazioni negli ultimi due decenni in termini di stabilità e risoluzione. La tesi discute i vantaggi e i punti critici di due principi di funzionamento appartenenti a questa tipologia: quello basato sulla modulazione di frequenza indotta meccanicamente e quella indotta elettrostaticamente. Il primo è stato progettato con risonatori a tuning fork (DETF), la cui frequenza è modulata dalla sollecitazione assiale indotta dallo spostamento della massa principale. È stato progettato un circuito integrato a basso rumore e di un sistema di lettura della frequenza basato su FPGA. I risultati raggiungono prestazioni comparabili allo stato dell'arte per questo tipo di dispositivi, in particolare il suo intervallo dinamico (164 dB) e la stabilità temporale (> 10^4), aprendo la strada alla sostituzione degli ingombranti e costosi accelerometri al quarzo nelle applicazioni high-end. Nell’altra tipologia, l'architettura si basa su una modulazione AM della frequenza, chiamata anche Time-Switched Frequency Modulation (TSFM). L'architettura è stata approfonditamente studiata attraverso quattro diversi dispositivi: uno sfrutta una tecnologia di processo differente (doppio strato) per migliorare la stabilità termica e la robustezza contro la flessione del substrato ed è confrontato con uno standard. Un altro dispositivo è stato simulato e fabbricato con un'applicazione innovativa di comb fingers sagomate per fornire l'effetto di modulazione sostituendo i parallel plates, migliorando di un ordine di grandezza il livello di rumore di frequenza. L'ultimo ha lo stesso scopo ma è fabbricato con una lettura piezoresistiva, sostituendo quella capacitiva: ha dimostrato risultati promettenti, in particolare nella sua implementazione sensibile fuori piano con un range dinamico allo stato dell'arte.