Effects of bending stress on m and nems gyroscopes based on piezoresistive nano-gauges

This thesis work, carried out at the MEMS and microsensors laboratory of Politecnico di Milano, aims at studying the impact of undesired mechanical stress applied to M&NEMS gyroscopes based on piezoresistive readout. The used M&NEMS gyroscopes already have elements that can provide information about the stress, without requiring the addition of dedicated sensors in the chip housing the device. Furthermore, these devices have a better immunity to parasitic elements if compared to capacitive gyroscopes. After reviewing the literature on the effects of stress on other types of gyroscopes, the four-point bending test was chosen as the test to be conducted because of its ability to generate uniform controlled stress in the tested specimen. Then, the mechanical system needed for the measurements was designed and simulated using COMSOL Multiphysics software. The first physical tests were conducted on non-operating gyroscopes in which the suspended mass is not held in oscillation: the stress experienced by each piezoresistor is individually monitored while a controlled stress is applied to the board where the chip is mounted. For this purpose, two electronic boards were designed with the Altium Designer software. The results of the simulations were compared with the values obtained from the measurements, without obtaining a satisfactory match. Subsequently, two additional boards were developed to conduct tests on operating gyroscopes, allowing the monitoring of both near-DC stress and the gyroscope output (proportional to the angular velocity) using the same piezoresistors. The designed system was employed to make measurements which showed both that the performance of the gyroscopes is not affected by the additional parasitic elements due to the stress-monitoring system, and that the Zero-Rate Offset (ZRO) is linked to the stress experienced by each individual piezoresistor. Exploiting this correlation to compensate for the ZRO has yielded promising preliminary results. This work paves the way for real-time monitoring and compensation of long-term drift without additional structures in M&NEMS gyroscopes.

Questo lavoro di tesi, svolto presso il laboratorio di MEMS e microsensori del Politecnico di Milano, è mirato allo studio degli effetti dello stress meccanico applicato a dei giroscopi M&NEMS a lettura piezoresistiva. I giroscopi M&NEMS utilizzati presentano già degli elementi che possono fornire informazioni sullo stress, senza richiedere l’aggiunta di sensori dedicati nel chip che ospita il dispositivo. Inoltre, questi dispositivi sono più immuni ai parassitismi rispetto ai giroscopi capacitivi. Dopo un’analisi della letteratura sull’effetto dello stress su altre tipologie di giroscopi, è stata selezionato, come test da condurre, una prova di flessione a quattro punti, in quanto essa riesce a generare uno stress controllato e uniforme sull’ oggetto testato. Poi, il sistema meccanico necessario per le misurazioni è stato progettato e simulato utilizzando il software COMSOL Multiphysics. I primi test sono stati condotti su giroscopi spenti in cui la massa sospesa non è tenuta in oscillazione: i valori dello stress a cui sono soggetti i piezoresistori sono stati monitorati singolarmente mentre uno stress controllato è stato applicato alla scheda su cui il dispositivo è saldato. A questo scopo, due schede elettroniche sono state progettate con il software Altium Designer. I risultati delle simulazioni sono stati confrontati con i valori ottenuti dalle misure, senza ottenere una corrispondenza soddisfacente. Sono poi state sviluppate due ulteriori schede per condurre i test su giroscopi in funzionamento, permettendo di monitorare, tramite i medesimi piezoresistori, sia lo stress in continua sia l’output del giroscopio proporzionale alla velocità angolare. Le misurazioni effettuate mostrano sia che le prestazioni dei giroscopi non sono affette dagli ulteriori parassitismi dovuti al sistema di monitoraggio dello stress, sia che lo Zero-Rate Offset (ZRO) è correlato allo stress a cui sono soggetti i singoli piezoresistori. Sfruttare questa correlazione per compensare lo ZRO ha prodotto risultati preliminari promettenti. Questo lavoro apre la strada al monitoraggio e alla compensazione in tempo reale del drift a lungo termine senza necessità di strutture aggiuntive nei giroscopi M&NEMS.