Modelling, design and integration of new differential architectures for M/NEMS resonant sensors

Abstract

Los sensores M/NEMS resonantes, gracias a su pequeño tamaño, a su bajo consumo y a su carácter quasi-digital (siendo generalmente la señal de salida un tono frecuencial), se han convertido en herramientas muy usadas en sistemas embebidos portátiles y de a bordo tales como en telefonía móvil (es decir, en smartphones) o en la industria aeroespacial. Sin embargo, dichos sensores sufren desajustes provenientes de perturbaciones del entono que les rodea y, a pesar de la posibilidad de disminuir tales efectos mediante el uso de diferentes técnicas, en según qué escenarios, es imperativo el uso de arquitecturas diferenciales para remover tales desajustes y así asegurar un correcto y fiable funcionamiento incluso en los entornos más severos en cuanto a perturbaciones. En esta tesis se estudia una novedosa técnica de medida diferencial, que consiste en sincronizar dos resonadores, uno siendo una referencia y el otro actuando como sensor. Ambos resonadores oscilan a la misma frecuencia estando en un mismo lazo realimentado. Cuando se produce un desajuste entre ambos, procedente de la magnitud física a medir, se genera un desfase. Tal desfase permite teóricamente capturar la magnitud física a medir totalmente libre de desajustes procedentes de perturbaciones externas. Además, esta técnica es fácilmente integrable, lo cual la hace un candidato prometedor para su futura integración a gran escala. Después del estudio del marco teórico de la sincronización de resonadores, varias directrices se plantean para el diseño de tal arquitectura, las cuales se usan para realizar la fabricación de un prototipo para probar el concepto. Dicho prototipo se caracteriza experimentalmente y se comprara con los resultados teóricos calculados inicialmente, mostrando muy buen ajuste, con una mejora de la sensibilidad del orden del factor de calidad Q de los resonadores MEMS, y un thermal drift rejection ratio del orden de 200.

M/NEMS resonant sensors, due to their small size, consumption and quasi-digital output (a frequency most of the time) are useful tools for on-board systems, from smartphones to aeronautic technology. However, they suffer from environmental drifts, and even though the effect of these drifts can be limited by the design, it is sometimes necessary to use differential architectures to properly remove the drifts from the measurements and ensure the output reliability even in harsh environments. In this work, a special technique for differential measurement is studied and implemented, consisting in the synchronization of two resonators, one reference and one sensor. Placed in a single feedback loop, they oscillate at the same frequency and eventual phase shift when the physical quantity to be sensed is applied. This phase shift is a theoretically drift-free way to measure this physical quantity. This technique also benefits from its ease of integration, making it a good candidate for large scale integration. After studying the theoretical framework of the synchronization of two resonators, several design guidelines are found for the architecture, which are used in the fabrication of a proof of concept. The theoretical performances are found as well, and compared to the experimental ones. A very good agreement is found between experiment and theory, with a sensitivity enhancement of the order of the MEMS resonators quality factor, and a thermal drift rejection ratio of the order of 200.