Navigation grade frequency-modulated MEMS accelerometer using internal thermal-piezoresistive amplification

Abstract

A investigação sobre acelerómetros MEMS está constantemente à procura de melhor desempenho para atender aos requisitos exigentes das aplicações de grau de nevegação. Os acelerómetros MEMS modulados em frequência são uma abordagem adequada para atender a este objetivo, baseando-se num ressoador cuja frequência de ressonância varia com a aceleração externa. Fatores de qualidade elevados são fundamentais no desempenho destes ressoadores, melhorando a imunidado ao ruído, a estabilidade a longo termo, a resolução e a gama dinâmica. Na literatura recente, ressoadores baseados numa viga piezoresistiva que apresentam um mecanismo inovador – a amplificação termo piezoresistiva interna (TPA) – demonstraram fatores de qualidade acima de um milhão. Assim, nesta tese, é proposto o desenvolvimento de um acelerómetro MEMS FM baseado neste mecanismo, pretendendo-se alcançar um elevado desempenho utilizando os benefícios de um fator de qualidade elevado. O mecanismo interno de TPA foi caracterizado usando ressoadores atuados electrostaticamente com massa única (SMR) ou dupla (DMR). Modelos analíticos e discretos foram desenvolvidos e os dois tipos de ressoadores foram fabricados e caracterizados para validação experimental dos modelos. O ressoador com melhor desempenho em termos de frequência de ressonância, fator de qualidade e mecanismo interno de TPA foi usado para projetar duas versões de um acelerómetro FM diferencial, que incluem um sistema de alavancas. Estes acelerómetros diferem na forma como a força amplificada é transmitida aos ressoadores e o seu desempenho foi simulado usando a análise de elementos finitos. Foram fabricados e caracterizados em termos de sensibilidade e linearidade, na faixa de aceleração compreendida entre -1 g a 1 g, usando um teste estático de inclinação controlado por circuito fechado. Apesar das várias fontes de erro identificadas, os modelos para o SMR ajustam-se bem aos resultados experimentais. Contudo, estes erros não permitiram confirmar se o DMR se comporta de acordo com o modelo desenvolvido. O mecanismo de TPA foi somente verificado em ressoadores com uma viga piezoresistiva de dimensões específicas, indicando que este mecanismo é bastante sensível a variações da estrutura e das suas condições ambientais. O DMR apresentou melhor desempenho em vácuo do que o SMR, alcançando frequências de ressonância, fatores de qualidade e amplificações superiores. Assim, o projeto das duas versões do acelerómetro basearam-se no DMR. Na primeira versão, cada DMR demonstrou uma sensibilidade inferior a 1 Hz/g, enquanto que os DMRs da segunda versão são mais sensíveis (~30 Hz/g) e têm melhor linearidade. No entanto, nenhum destes DMRs apresentou mecanismo de TPA, quando colocados em conjunto com os restantes elementos do acelerómetro, mostrando a sensibilidade do mecanismo a variações estruturais e ambientais. A presença do mecanismo aumentaria o fator de qualidade dos DMRs, melhorando o desempenho global do acelerómetro. Portanto, esta é uma tecnologia promissora, que deve continuar a ser estudada para alcançar acelerómetros com desempenho elevado, atendendo aos requisitos de grau de navegação.

Research on MEMS accelerometers is constantly seeking for better performance to fit the demanding requirements of navigation grade applications. Frequency-modulated MEMS accelerometers are a suitable approach to meet this objective. They are based on a resonator that changes the resonance frequency with external acceleration. High quality-factors are key to the performance of these resonant sensors improving the immunity to noise, long-term stability, resolution and dynamic range. Recently, in the literature, resonators based on a piezoresistive beam that present a novel mechanism – the internal thermal-piezoresistive amplification (TPA) – demonstrated Q-factors above one million. Therefore, in this thesis, the development of a FM MEMS accelerometer based on this novel mechanism is proposed, aiming to achieve enhanced performance using the benefits of a high Q-factor. The internal TPA mechanism was characterised using electrostatic actuated resonators with single (SMR) or double-mass (DMR). Analytical and lumped-models were developed and the two type of resonators were fabricated and characterised for experimental validation of the models. The resonator with the best performance, in terms of resonance frequency, Q-factor and internal TPA mechanism, was used to design two versions of a differential FM accelerometer, which includes a leverage system. They differ in the way the amplified force is transmitted to the resonator and their performance was simulated using finite element analysis. These accelerometers were fabricated and characterised in terms of sensitivity and linearity in a -1 g to 1 g acceleration range using a closed-loop controlled-tilt static test. Despite the several sources of errors identified, the models for the SMR fit quite well the experimental results. However, these errors did not allow to confirm whether the DMR behaves according to the model developed. The TPA mechanism was only present in resonators with a specific piezoresistive beam, indicating that this mechanism is very sensitive to variations of the structure or its environmental conditions. The DMR performed better than the SMR, achieving higher resonance frequency, higher Q-factor, and higher amplification in vacuum. Thus, the accelerometer designs were based on the DMR. Each DMR in the first accelerometer design had an experimental sensitivity inferior to 1 Hz/g, while the DMRs in the second design are more sensitive (~30 Hz/g) and have a better linearity. However, none of these DMRs presented the internal TPA mechanism, when placed together with the other elements of the accelerometer, confirming the mechanism sensitivity to structural and environmental variations. The presence of the TPA mechanism would enhance the Q-factor of the DMRs, improving the accelerometer’s overall performance. Therefore, this is a promising technology, and it is important to continue to study it to achieve even higher performance accelerometers to fulfil the requirements of navigation grade.