Low-pressure resonant MEMS accelerometers for automotive applications

Abstract

Os acelerómetros MEMS têm um papel importante no desenvolvimento de novas soluções/funcionalidades para a indústria automóvel, nomeadamente na melhoria das condições de segurança e de condução. Não obstante, dispositivos com melhor performance, dimensões mais reduzidas e menor custo possibilitariam a implementação de mais casos de uso/funcionalidades. A encapsulação em vácuo tem sido alvo de estudo para desenvolver sensores MEMS de dimensões reduzidas e de baixo custo, uma vez que viabiliza a integração monolítica de todos os sensores que compõe uma unidade de medição inercial. Contudo, os acelerómetros MEMS tradicionais não operam corretamente nestas condições. Esta tese foca-se no desenvolvimento de um acelerómetro MEMS ressonante baseado em ressonadores DETF ("double-ended tuning fork"). O sensor proposto é composto por dois ressonadores numa configuração diferencial para minimizar os efeitos de modo comum, ao qual foram adicionadas alavancas para aumentar a sensibilidade. Os dispositivos foram fabricados num processo standard de microfabricação na Bosch e encapsulados em vácuo. Foi desenvolvido um sistema que permite operar os ressonadores em malha aberta e malha fechada. Em malha fechada, a frequência de excitação dos DETF é constantemente atualizada, aumentando a linearidade e gama de medição. Após a caraterização exaustiva realizada é possível destacar uma alta sensibilidade (170.7 Hz/g) e boa não-linearidade (<0.63 %), em dimensões reduzidas (0.25 mm2), uma largura de banda de 63 Hz e uma gama de medida de ±5 g. Adicionalmente, é ainda apresentado um magnetómetro MEMS diferencial e modulado em frequência, que permite provar a deteção de campo magnético com DETFs. O sensor é também composto por um transdutor de força de Lorentz, tendo sido otimizado para aumentar a sua sensibilidade. Os magnetómetros foram fabricados no INL num processo SOI e é também apresentada a sua validação experimental.

MEMS accelerometers are paramount in the development of the automotive industry, where many applica-tions improved the security and driving experience. However, better, cheaper, and smaller devices would enable even further use-cases. Encapsulation in vacuum has been studied to develop more affordable and smaller devices since it would allow the monolithic integration of the sensors composing an inertial measurement unit. Nevertheless, traditional accelerometers do not operate properly at low pressures. This work focus on the development of a resonant accelerometer based on double-ended tuning fork (DETF) resonators. The accelerometer proposed is composed of two DETF on a differential configuration to min-imise common-mode effects, and a force amplification mechanism was added to increase sensitivity. The designed devices were fabricated in a Bosch standard surface micromachining process and encapsulated in vacuum. A system was implemented to validate the accelerometers, operating the resonators in open-loop and closed-loop. In closed-loop, the driving frequency of the DETF is constantly updated, increasing the sensor linearity and full-scale. An extensive characterisation was performed and a good non-linearity (<0.63% FS) and high sensitivity (170.7 Hz/g) on a small footprint (0.25 mm2) were highlighted as the main achievements. A bandwidth of 63 Hz and a measurement range of at least ±5 g were also reported. A differential frequency-modulated magnetometer was designed, implemented and characterised to prove the feasibility of magnetic field sensing using DETF resonators. A novel Lorentz force transducer was proposed and optimised to increase the device's sensitivity. The magnetometers were fabricated on an in-house two mask SOI-process, and the experimental validation of the envisioned sensor was performed.