Publicação
Low-pressure closed-loop MEMS accelerometers for automotive applications
| Resumo: | As atuais tendências na indústria automóvel são a automação e a eletrificação. Atualmente, um veículo tem cerca de cem sensores, dos quais no mínimo trinta usam tecnologia MEMS, fazendo um valor anual de mercado de 11 mil milhões de dólares americanos. Um elevado número destes dispositivos são sensores inerciais, representando um valor anual de mercado de 1.6 mil milhões de dólares americanos. Aplicações inerciais típicas, tais como unidades de medição inerciais, necessitam de mais de um tipo destes sensores, como por exemplo acelerómetros e giroscópios. Contudo, giroscópios MEMS baseados na força de Coriolis necessitam de operar em vácuo, enquanto os acelerómetros são tipicamente operados à pressão atmosférica. Assim, o encapsulamento em vácuo de acelerómetros MEMS pode ser vantajoso, uma vez que possibilita a integração num substrato comum de silício com outros sensores MEMS inerciais, levando a reduções de tamanho e de custo de fabrico e encapsulamento. No entanto, o alto fator de qualidade resultante do encapsulamento em vácuo dificulta a operação do acelerómetro. Moduladores sigma-delta eletromecânicos fornecem o amortecimento elétrico necessário para operar acelerómetros em vácuo, enquanto providenciam alta resolução e linearidade, e baixa dependência térmica e suscetibilidade ao processo de fabrico, sendo um dos métodos mais atrativos para alcançar sensores MEMS inerciais de alta performance. Acelerómetros MEMS encapsulados em vácuo que usam modulação sigma-delta podem ser encontrados na literatura, mas todos têm um problema comum: uma massa sísmica grande. Isto tem diversas desvantagens, tais como gama dinâmica reduzida, aumento da complexidade do processo de fabrico e limitações na integração, levando ao aumento do custo. Nesta tese é apresentado um acelerómetro MEMS com tamanho reduzido, encapsulado em vácuo e operado com um modulador sigma-delta. O modulador sigma-delta foi implementado em FPGA, permitindo a sintonização rápida e eficaz dos seus parâmetros para os dispositivos finais. Isto visa alcançar a estabilidade do sistema (mais difícil em vácuo) e melhorar a performance do sensor. O acelerómetro realizado alcançou um ruido de 173 μg/√Hz, uma largura de banda de 400 Hz, um intervalo de medição de ±5 g e uma não linearidade inferior a 0.66 %. Valores mais baixos de ruído (123 μg/√Hz) foram obtidos à custa de um menor intervalo de medição (±1.5 g), atestando a flexibilidade do sistema. No conhecimento do autor, este trabalho apresenta a melhor relação entre ruido, tamanho e largura de banda, quando comparando com dispositivos idênticos apresentados na literatura até à data. |
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| Autores principais: | Lima, Vasco António Lourenço |
| Assunto: | acelerómetro encapsulamento a vácuo MEMS modulação sigma-delta accelerometer sigma-delta modulation vacuum encapsulation |
| Ano: | 2020 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | As atuais tendências na indústria automóvel são a automação e a eletrificação. Atualmente, um veículo tem cerca de cem sensores, dos quais no mínimo trinta usam tecnologia MEMS, fazendo um valor anual de mercado de 11 mil milhões de dólares americanos. Um elevado número destes dispositivos são sensores inerciais, representando um valor anual de mercado de 1.6 mil milhões de dólares americanos. Aplicações inerciais típicas, tais como unidades de medição inerciais, necessitam de mais de um tipo destes sensores, como por exemplo acelerómetros e giroscópios. Contudo, giroscópios MEMS baseados na força de Coriolis necessitam de operar em vácuo, enquanto os acelerómetros são tipicamente operados à pressão atmosférica. Assim, o encapsulamento em vácuo de acelerómetros MEMS pode ser vantajoso, uma vez que possibilita a integração num substrato comum de silício com outros sensores MEMS inerciais, levando a reduções de tamanho e de custo de fabrico e encapsulamento. No entanto, o alto fator de qualidade resultante do encapsulamento em vácuo dificulta a operação do acelerómetro. Moduladores sigma-delta eletromecânicos fornecem o amortecimento elétrico necessário para operar acelerómetros em vácuo, enquanto providenciam alta resolução e linearidade, e baixa dependência térmica e suscetibilidade ao processo de fabrico, sendo um dos métodos mais atrativos para alcançar sensores MEMS inerciais de alta performance. Acelerómetros MEMS encapsulados em vácuo que usam modulação sigma-delta podem ser encontrados na literatura, mas todos têm um problema comum: uma massa sísmica grande. Isto tem diversas desvantagens, tais como gama dinâmica reduzida, aumento da complexidade do processo de fabrico e limitações na integração, levando ao aumento do custo. Nesta tese é apresentado um acelerómetro MEMS com tamanho reduzido, encapsulado em vácuo e operado com um modulador sigma-delta. O modulador sigma-delta foi implementado em FPGA, permitindo a sintonização rápida e eficaz dos seus parâmetros para os dispositivos finais. Isto visa alcançar a estabilidade do sistema (mais difícil em vácuo) e melhorar a performance do sensor. O acelerómetro realizado alcançou um ruido de 173 μg/√Hz, uma largura de banda de 400 Hz, um intervalo de medição de ±5 g e uma não linearidade inferior a 0.66 %. Valores mais baixos de ruído (123 μg/√Hz) foram obtidos à custa de um menor intervalo de medição (±1.5 g), atestando a flexibilidade do sistema. No conhecimento do autor, este trabalho apresenta a melhor relação entre ruido, tamanho e largura de banda, quando comparando com dispositivos idênticos apresentados na literatura até à data. |
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