Micro-g MEMS accelerometer based on time measurement

Abstract

The MEMS sensor market has experienced an amazing growth on the last decades, with accelerometers being one of the pioneers pushing the technology into widespread use with its applications on automotive industry. Since then, accelerometers have been gradually replacing conventional sensors due mainly to its lower cost. As the performance of MEMS accelerometers improves, the applications range where they replace conventional accelerometers increases. Nowadays, there is still a large range of applications for which suitable MEMS accelerometers are yet to be developed. This work focuses on the development of a high performance accelerometer taking advantage of the high sensitivity of a non-linear phenomenon that occurs in electrostatically actuated movable capacitive microdevices: electrostatic pull-in. Although the pull-in effect has been known for more than 40 years, it is usually avoided when dealing with movable microstructures as it leads to a region of instability, where the position of movable parts cannot be fully controlled. In the last decade, the pull-in displacement profile of 1-DOF parallel-plates devices has been the subject of research that revealed the presence of a so-called meta-stability. This meta-stability occurs in specific damping and voltage actuation conditions and translates as a non-linear displacement profile, rather than simple time-of-flight. This feature makes the pull-in time duration significantly longer, and it happens to be extremely sensitive to intervenient forces, such as external acceleration. Basically, measuring the pull-in time of specifically designed microstructures (while maintaining the other parameters constant) allows the measurement of the external acceleration that acts on the system. Using a pull-in time measurement rather than direct capacitance/displacement/acceleration transduction presents several advantages. The most important is the fact that time can be measured very accurately with technology readily available. For instance, if one uses a 100MHz clock on the time counting mechanism, which corresponds to a time measurement resolution of 100 ns, given the 0.26 μs/μg sensitivity of the accelerometer developed in this work, an acceleration resolution of 0.38 μg could be achieved. One of the main challenges of the time based accelerometer development is the damper design, as damping is of outmost importance in defining the accelerometer performance parameters, namely sensitivity and noise. A new squeeze-film damper geometry design has been presented and studied. It consists of flow channels implemented on the parallel-plates that relieve the squeeze-film damping pressures generated when the device is moving. This geometry has proved to be very effective in increasing the capacitance/damping ratio in parallel-plates, which was up to now a great challenge of in-plane parallel-plates design. This work reports the development of an open-loop accelerometer with 0.26 μs/μg sensitivity and 2.7 μg /√Hz noise performance. The MEMS structures used for its experimental implementation were fabricated using a commercially available SOI micromachining process. The main drawbacks of this accelerometer were the low system bandwidth and non-linearity. Closed-loop approaches using electrostatic feedback were explored in this work in order to overcome these limitations, and the dynamic range was successfully extended to 109 dB along with improvements on the linearity. From the thorough damping study performed in this work, a new application for the pullin time using the same microstructures was developed. It consists of a gas viscosity sensing application. At the low frequencies operated, damping is directly proportional to the viscosity of the gas medium. The experimental results obtained with gases with viscosities ranging from 8 μP to 18 μP have shown a sensitivity of 2 ms/μP, making the pull-in time viscosity sensor a very promising approach.

Nas últimas décadas assistiu-se a um imenso crescimento no mercado de sensors MEMS, tendo os acelerómetros sido uma das maiores forças impulsionadoras desse crescimento devido às suas aplicações na indústria automóvel. Desde então, a gama de aplicações destes sensores expandiu-se multidirecionalmente, novas aplicações emergiram e acelerómetros convencionais em aplicações já existentes foram substituídos por acelerómetros MEMS. Isto deve-se essencialmente ao seu baixo custo e pequenas dimensões. Há no entanto, aplicações para as quais o desempenho dos acelerómetros MEMS ainda não é suficiente. O objectivo deste trabalho é desenvolver um acelerómetro de elevado desempenho tirando partido da elevada sensibilidade do efeito de pull-in a forças externas tais como a aceleração. O efeito de pull-in, descrito pela primeira vez há mais de 40 anos, ocorre em dispositivos capacitivos com partes móveis. Este é um efeito não-linear geralmente evitado/indesejado, uma vez que se traduz numa instabilidade que dificulta o controlo da posição das partes móveis. Na última década foi dedicada alguma investigaçao científica a este fenómeno, tendo sido descoberta a existência de um perfil de deslocamento particular, denominado meta-estabilidade, em determinadas condições de amortecimento e de actuação electrostática. Esta característica do pull-in torna a sua duração extremamente sensível a variações nas forças intervenientes, incluindo aceleração externa. Assim sendo, a medição do tempo de pull-in de micro-estruturas especificamente concebidas para o efeito pode ser utilizada para medir aceleração. Esta abordagem apresenta vantagens significativas em comparação com a transdução direta de capacidade para aceleração (caso da generalidade dos acelerómetros capacitivos). Nomeadamente, a variável tempo pode ser medida com elevada precisão com relativa facilidade e sem necessidade de desenvolvimentos tecnológicos (o que não é o caso da medição de capacidade). Por exemplo, o uso de uma frequência de relógio de 100 MHz no mecanismo de contagem de tempo permite uma resolução de 100 ns na medição de tempo, o que corresponde, considerando a sensibilidade de 0.26 μs/μg do acelerómetro desenvolvido neste trabalho, a uma resolução na medição de acceleração de 0.38μg. Um dos maiores desafios do desenvolvimento de um acelerómetro baseado no tempo de pull-in é o desenho do amortecedor, pois a sensibilidade e o ruído/resolução do sensor final dependem do nível de amortecimento. Uma nova geometria para o amortecedor (estabelecido por um mecanismo de squeeze-film) é apresentada e estudada neste trabalho. Esta consiste em abrir canais nas placas paralelas facilitando assim o fluxo de ar quando as placas se movem. Ficou provado que esta geometria é eficaz na redução da razão capacidade/amortecimento, o que constituía um problema recorrente no desenho de dispositivos de placas paralelas in-plane. Neste trabalho é descrito o desenvolvimento de um acelerómetro em malha aberta com uma sensibilidade de 0.26 μs/μg e 2.7 μg /√Hz de ruído. As estruturas MEMS utilizadas na sua implementação foram fabricadas num processo de microfabrico SOI comercial. As principais desvantagens desta abordagem são pequena gama dinâmica devido à não-linearidade da resposta. Neste trabalho foram exploradas abordagens em malha fechada, usando feedback electrostático, de modo a ultrapassar estas limitações, tendo sido alcançado um aumento da gama dinâmica para 109 dB, com grandes melhoria na linearidade. Uma nova aplicação para o tempo de pull-in foi também desenvolvida: medição de viscosidade de gases. Uma vez que as microstruturas utilizadas são operadas a baixas frequências, o amortecimento é proporcional à viscosidade. O estudo efectuado mostra que o tempo de pull-in é muito sensível ao amortecimento e portanto a variações de viscosidade. Os resultados experimentais obtidos com gases e misturas de gases com viscosidades entre 8 μP e 18 μP mostraram uma sensibilidade de 2 ms/μP, confirmando o potencial da utilização de tempo de pull-in na medição de viscosidade.