Progetto di un innovativo magnetometro MEMS a lettura risonante

In questo lavoro di tesi si presenta il progetto di un innovativo sensore di campo magnetico MEMS a lettura risonante ad elevata sensitività. Il dispositivo, realizzato in tecnologia surface micromachining attraverso il processo industriale ThELMA di STMicroelectronics, è costituito da una massa mobile sorretta da un sistema di quattro molle attraversate da una corrente sinusoidale, e da due risonatori ancorati da una lato alle molle e dall’altro al substrato. In presenza di un campo magnetico esterno, la struttura si muove sotto l’azione della forza di Lorentz, causando uno stress assiale di segno opposto sui due risonatori e quindi una variazione differenziale della loro frequenza di risonanza. Monitorando tale variazione di frequenza è possibile risalire al valore di campo magnetico. Nella presente implementazione, il dispositivo è forzato ad operare alla propria frequenza di risonanza, sfruttando così il fattore di qualità Q per l’amplificazione dello spostamento e quindi dello stress agente sugli elementi risonanti. Vengono discussi nell’arco della trattazione i principi teorici alla base del funzionamento del sensore, di cui viene presentato un modello analitico capace di descriverne il comportamento in presenza del campo magnetico. L’architettura del dispositivo è stata ottimizzata tramite l’ausilio di simulazioni agli elementi finiti attraverso le quali è stata individuata la disposizione geometrica in grado di massimizzare la sensitività. Allo stesso tempo, lo sviluppo di un modello di sistema in ambiente Simulink ha permesso di studiare il comportamento dinamico del magnetometro risonante, permettendo di verificare le ipotesi di progetto. La presente tesi si è conclusa con la progettazione e il layout in ambiente Cadence di due versioni del magnetometro al lettura risonante. Le prestazioni attese per questi dispositivi sono in termini di sensitività sono di 120mHz/µT, per un fattore di qualità di 610,un risultato decisamente promettente in quanto due ordini di grandezza superiore alle prestazioni ottenute fino ad oggi in letteratura.