Auto-calibrated, thermal-compensated MEMS for smart inclinometers

Abstract

The electronic control of a mechanical structure with micro dimensions, offers unique opportunities to exploit the tight coupling between co-integrated micromechanical structures and ICs (=Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)). This coupling allows the implementation of integrated data-acquisition systems, with overall functionality or specifications that cannot be met using individually designed structures and circuits. This work focus on the development of a new class of MEMS-based inclinometers that includes electromechanical pre-processing of the mechanical signal in the mechanical domain and thermal compensation. The force-dependent pull-in voltage of a micromechanical structure, due to a sufficiently large electrostatic field, enables the realization of a high-resolution, low-bandwidth inclinometer. Pull-in is characterized by the sudden loss of stability in electrostatically actuated parallel-plate devices. Since pull-in voltage is stable and easy to measure, it enables an effective transduction mechanism that does not require complex readout electronics. A switched capacitor based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuit is developed, fabricated and used to detect the large capacitance change in the MEMS sensing element, while controlling a high-resolution external actuation system. Dedicated MEMS microstructures with extra proof mass show high sensitivity, 269mV/◦ with a non-linearity better than 0.5%FS (Full Scale of ±23◦). The measured noise is limited by the actuation system, rather than the mechanicalthermal white noise of the MEMS device, setting the sensor’s resolution at 75μ◦, high above state-of-the-art MEMS devices. The characteristics of this dedicated MEMS inclinometer system enables an thermal compensation mechanism, which increases the sensor stability to values better than 0.004%FS.

O controlo eletrónico de estruturas mecânicas de micro dimensões, oferece oportunidades únicas para a exploração do acoplamento integrado entre microestruturas mecânicas e circuitos integrados (=Micro Electro Mechanical Systems MEMS). Este tipo de acoplamento permite a implementação de sistemas de aquisição de dados integrados, com funcionalidades ou especificações que não poderiam ser atingidas por estruturas ou circuitos desenhados individualmente. Este trabalho foca-se no desenvolvimento de um novo tipo de inclinómetros MEMS que inclui mecanismos de compensação térmica diretamente no domínio mecânico. A tensão de pull-in de uma microestrutura mecânica, possibilita a criação de inclinómetros de elevada resolução e baixa largura de banda. O fenómeno de pullin é caracterizado pela súbita perda de estabilidade em estruturas de elétrodosparalelos, quando electrostaticamente atuadas. Uma vez que a tensão de pull-in é estável e fácil de medir, é possível criar um método de transdução eficiente, sem ser necessário um front-end capacitivo de elevada complexidade. Um circuito integrado, baseado num amplificador de condensadores comutados, é desenvolvido, fabricado e usado para detetar a variação de capacidade no elemento sensorial, ao mesmo tempo que controla o sistema de atuação externo de elevada resolução. As microestruturas fabricadas com uma massa-inercial adicional, demonstraram elevada sensibilidade, 269mV/◦ (não linearidade < 0.5%, escala completa de ±23◦). O ruído medido não foi limitado pelo ruído termomecânico da estrutura, mas sim pelo sistema de atuação, colocando a resolução do sensor em 75μ◦, claramente acima do estado da arte em dispositivos MEMS. As características únicas deste inclinómetro, permitem a implementação de mecanismos de compensação térmica, podendo melhorar a estabilidade do sensor para valores superiores a 0.004%FS.