New paths towards low-power low-noise MEMS accelerometers

In this work, new solutions for the realization of low-power and lownoise MEMS accelerometers, are presented. As a part of a collaboration between the Department of Electronics and Information Technology and the Department of Structural Engineering of Politecnico di Milano with the industrial partner STMicroelectronics, two novel device architectures, both tailored for consumer market applications, have been developed. Therefore, the present doctoral dissertation has been organized in two parts, one for each of the two devices. The first part, deals with the design, the characterization and the modeling of new high-sensitivity uniaxial and bi-axial MEMS resonant accelerometers. The development of the suitable low-power readout electronics is also discussed.In the second part of the dissertation, a novel MEMS accelerometer device based on the variation of the fringe capacitance between co-planar electrodes is presented. The main advantage of this device, with respect to conventional parallel-plates capacitive accelerometers, is its intrinsic immunity to pull-in instability. The device is constituted by co-planar electrodes fabricated, isolated by a dielectric layer, on top of a grounded silicon substrate. The capacitance between these electrodes is mainly formed by the fringe capacitance between the electrodes edges. A grounded seismic mass, moving over the fringe field volume by means of an external acceleration, intercepts some of the fringe field streamlines changing their configuration and thus the value of the capacitance between the electrodes. The idea beyond this device, is to decouple the sensing direction from the moving direction, obtaining a device in which no movable structures is moved towards a fixed structure polarized at a different voltage potential, minimizing the possibility of pull-in issue.

Nella presente tesi di dottorato, vengono presentate nuove soluzioni implementative per la realizzazione di sensori accelerometri MEMS a basso consumo e basso rumore. L’attività di ricerca svolta è parte di un progetto di collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano e il partner industriale ST Microelectronics. Nell’ambito di tale attività sono stati sviluppati due sensori innovativi per la misura dell’accelerazione in campo applicativo di tipo consumer. La tesi è stata dunque organizzata in due parti, ognuna dedicata ad un singolo dispositivo. La prima parte riporta i risultati ottenuti in seguito alla progettazione, alla caratterizzazione ed al modeling di sensori di accelerazione risonanti di tipo uni-assiale e bi-assiale. Le prestazioni ottenute attraverso la realizzazione di elettronica di lettura integrata VLSI a basso rumore e consumi ridotti accoppiata a tali sensori vengono presentate e discusse.La seconda parte della presente tesi presenta una nuova architettura micromeccanica per la realizzazione di accelerometri MEMS di tipo capacitivo. Questa nuova struttura permette di misurare l’accelerazione valutando la variazione di capacità di bordo o di “fringe” tra due elettrodi coplanari. Questo nuovo dispositivo presenta un fondamentale vantaggio rispetto ai dispositivi di tipo capacitivo a parallel-plates che oggi rappresentano lo stato dell’arte nel campo consumer: grazie ad un disaccoppiamento della direzione lungo la quale la massa sismica del dispositivo si muove sotto l’effetto di un accelerazione esterna dalla direzione in cui viene effettuata la misura della variazione di capacità, il dispositivo risulta intrinsecamente immune a fenomeni di pullin. Infatti, gli elettrodi fissi di lettura, sono posizionati direttamente sotto la massa sismica per cui, diversamente dai capacitivi a parallelplates, nessuna parte mobile può muoversi verso una parte fissa polarizzata ad un diverso potenziale.