Progetto di elettronica VLSI per sensori MEMS multifunzionali

Portable applications market pays particular attention to the developement of Inertial Measurement Units (IMU) containing different kind of multi-axial MEMS sensors, sensitive to linear and rotational movements and to the absolute position of the system which incorporates them. The state-of-the-art is represented by 9-axis units, integrating 3-axial accelerometers and gyroscopes, made in the same MEMS technology, and 3-axial magnetometers made in non-MEMS technology. In this context new studies are focused on integration of Lorentz force MEMS magnetometers, allowing the production of IMUs in a CMOS-MEMS standard technology. This thesis deals with the design of a VLSI readout circuit for MEMS sensors, capable of simultaneously measuring magnetic field and acceleration. Different readout circuit topologies for capacitive sensing are compared to choose the most suitable architecture for this devices. Then, the ASIC design is described in detail, underlining results in term of sensitivity and resolution. The simulated sistem, composed of MEMS and readout electronics, has a sensitivity of 15.8mV/g in acceleration sensing and a sensitivity of 52 uV/ uT in magnetic field sensing. The calculated resolution for acceleration sensing and magnetic field sensing is 1.2mg e 4 uT, respectively. Finally the description of the ASIC layout and of the PCB, designed for preliminary ASIC testing, are reported.

Per i dispositivi portatili è di particolare interesse lo studio di IMUs (Inertial Measurement Units) contenenti diversi tipi di sensori MEMS multiassiali, sensibili a movimenti lineari, rotazionali e alla posizione assoluta del sistema che le incorpora. Lo stato dell’arte è costituito da IMU a 9 assi, costituite da accelerometro e giroscopio triassiale, realizzati in tecnologia MEMS, e da magnetometro triassiale realizzato in tecnologia non MEMS, solitamente impegando materali magnetici. In questo contesto si studiano metodi per l’integrazione di magnetometri MEMS a forza di Lorentz che consentano la produzione di IMUs in un’unica tecnologia CMOS-MEMS standard. In questo lavoro viene presentato il progetto di un circuito VLSI per la lettura di sensori MEMS in grado di misurare simultaneamente segnali di campo magnetico e accelerazione. Sono confrontati diversi circuiti di lettura per sensori capacitivi per scegliere l’architettura circuitale più adatta per il sensore considerato. É poi descritto in dettaglio il circuito progettato, sottolineando i risultati in termini di sensibilità e risoluzione. Il sistema simulato, composto da MEMS ed elettronica di lettura, ha una sensibilità di 15.8mV/g per la lettura di segnali di accelerazione ed una sensibilità di 52u V/u T per la lettura di segnali di campo magnetico. La risoluzione ottenuta con il sistema è di 1.2mg per il l’accelerazione e di 4 uT per il campo magnetico. Infine è riportata la descrizione del layout dell’ASIC e delle PCB, progettate per polarizzare il circuito.