Design and implementation of a measurement system for the frequency characterization of MEMS sensors

To transmit and process data acquired by the Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) sensors more efficiently, it is more convenient to integrate the digital conversion and the filtering chain in the sensor itself. This is the reason why the vast majority of the newestgeneration MEMS sensors have a digital output and are called Digital Output Sensors (DOS). This technology is very powerful because it makes the integration of the sensor in a complex system easier. Many MEMS devices are designed to sense physical quantities such as acceleration, vibration, angular rate, pressure and magnetic field within a certain intensity and frequency range according to the design specifications. As a consequence, to state whether the specifications have been met in the design process and to evaluate the performance of MEMS sensors excited at different frequencies, it is common practice to characterize them in the frequency domain by computing the Fourier Transform of the sensor output signal. In the case of DOS, the Discrete Fourier Transform allows to extract relevant information about the signal amplitude and phase and draw the corresponding Bode diagrams. In particular, the goal of this thesis is to find a reliable methodology to compute the transfer function of the Vibration Control System and to build up a characterization bench for the experimental evaluation of phase and group delay and the characterization of MEMS DOS processing chain blocks. However, while the computation of the amplitude frequency response is straightforward, getting information on the phase is challenging. Indeed, for the correct measurement of the phase and group delay, the time base for data acquisition has to be the same, but the DOS are provided with an internal clock generator and an own sampling frequency to perform the analog to digital conversion of the data so that the output and the input signals of the frequency response analysis do not share the same time base. For this reason, starting from the Vibration Control System setup, a Digital Acquisition Unit realized with a STM32 microcontroller has been introduced to synchronize the acquisition of the Vibration Control System signals.

Per trasmettere e elaborare i dati acquisiti dai sensori Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) in modo più efficiente, è più conveniente integrare la conversione digitale e la catena di filtraggio direttamente nel sensore stesso. Questa è la ragione per cui la maggioranza dei sensori MEMS di ultima generazione ha un’uscita digitale e sono chiamati Digital Output Sensor(DOS). Questa tecnologia è molto potente perché facilita l’integrazione del sensore in un sistema complesso. Molti dispositivi MEMS sono progettati per rilevare grandezze fisiche come accelerazione, vibrazione, velocità angolare, pressione e campo magnetico entro un certo intervallo di intensità e frequenza secondo le specifiche di progetto. Di conseguenza, per stabilire se le specifiche sono state rispettate nel processo di progettazione e per valutare le prestazioni dei sensori MEMS eccitati a diverse frequenze, è prassi comune caratterizzarli nel dominio delle frequenze calcolando la Trasformata di Fourier del segnale di uscita del sensore. Nel caso dei DOS, la Trasformata di Fourier Discreta permette di estrarre informazioni rilevanti sull’ampiezza e sulla fase del segnale e di tracciare i diagrammi di Bode corrispondenti. In particolare, l’obiettivo di questa tesi è trovare una metodologia affidabile per calcolare la funzione di trasferimento del Sistema di Controllo delle Vibrazioni e costruire un banco di caratterizzazione per la valutazione sperimentale del ritardo di fase e di gruppo e la caratterizzazione dei blocchi della catena di elaborazione MEMS DOS. Tuttavia, mentre il calcolo della risposta in frequenza dell’ampiezza è semplice, ottenere informazioni sulla fase è sfidante. Infatti, per la corretta misurazione della fase e del ritardo di gruppo, la base temporale per l’acquisizione dei dati deve essere la stessa, ma i DOS sono dotati di un generatore di clock interno e di una propria frequenza di campionamento per eseguire la conversione da analogico a digitale dei dati, facendo sì che i segnali di uscita e di ingresso dell’analisi della risposta in frequenza non condividano la stessa base temporale. Per questo motivo, a partire dal setup del Sistema di Controllo delle Vibrazioni, è stata introdotta una Digital Acquisition Unit (DAU) realizzata con un microcontrollore STM32 per sincronizzare l’acquisizione dei segnali del Sistema di Controllo delle Vibrazioni.