Design of MEMS magnetic field sensors and readout electronics

In this work, Z-axis Lorentz force based magnetometers with driving and readout electronics are presented for consumer applications. Design and optimization of device are reviewed mastering constraints of an industrial MEMS technology (process and packaging) already used for accelerometers and gyroscopes and taking into account the final application in consumer electronics (bandwidth, noise, full scale and linearity). The feasibility of a MEMS based magnetic field sensing system based on a double-chip solution (MEMS + ASIC) is experimentally demonstrated. This work is part of a collaboration between the Department of Electronics and Information of Politecnico di Milano, Milano, Italy and the industrial partner STMicroelectronics. The thesis is divided mainly into three parts. After a brief introduction of the theoretical background necessary for next sections, the first part deals with the design of mechanical elements supported by behavioural and multiphysics simulations. Capacitive readout MEMS and the Lorentz force transduction principle are introduced with the goal of designing a suspended microstructure to detect Z-axis magnetic field. A novel design approach, constrained by project specifications given by the industrial partner, is introduced leading to the design of a very compact mechanical sensing element suitable to be integrated in inertial measurement units (IMUs). The sensitivity of these devices turns out to be independent on the number of sensing cells and the optimized device has an in-plane area occupation of 870um x 90um. The combination of multi-axis and multi-parameter MEMS in the same technology would result in a very cheap and smart solution for many applications. A behavioural model of the system taking into account also thermomechanical noise, damping effects and electrostatic non-ideal effects is developed using Simulink. Mechanical design of devices is supported by finite element simulations too. A first generation of devices is implemented using STM ThELMA industrial micromachining process. The second part of this work deals with electromechanical characterization of fabricated devices in order to have an experimental proof of desired mechanical properties. A laboratory prototype of an instrument for precise electromechanical characterization of micromachined sensors is designed and implemented achieving a resolution of about 1 aF/sqrt(Hz) and a bandwidth up to 100kHz. In general, a complete mechanical characterization is obtained by measuring the stationary and dynamic response of the suspended part of a MEMS device subject to suitable stimuli. From these tests, main parameters of MEMS devices can be measured or inferred: elastic stiffness, pull-in voltage, mechanical residual offset, resonance frequency and quality factor. According to obtained results, the proposed theory about sensitivity is proved. Measured damping coefficient of b_area = 7.54 kg/(s m^2) is about 1.3 higher than expected. This is justified by a degassing of package pressure. In order to validate the Lorentz force transduction principle applied to a micromechanical structure in presence of an external magnetic field, a mechanical setup with permanent magnets is built together with the design of driving and readout electronics using discrete components. Driving electronic is based on an improved Howland current pump with an additional circuit to minimize unwanted electrostatic forces. Readout is based on a transimpedance architecture. A final and more accurate set of magnetic field measurements is performed using Palm Gauss PG-5G magnetic field canceller by Aichi available in STMicroelectronics laboratories. A measured sensitivity of 150 uV/uT, in line with the theoretical predictions of 195 uV/uT for a gap g =2.1 um is measured with designed readout electronics. Differences might result from a process under-etch with respect to the expected one. A resolution of 520 nT*mA/ sqrt(Hz) is measured. The third part of this doctoral dissertation focuses on system analysis, including considerations about overall noise, power consumption, MEMS modelling in Cadence environment and the design of a VLSI position sense interface. The noise budget set by system specifications about resolution is partitioned between the device intrinsic thermomechanical contribution and electronics noise. As the system is intended for consumer applications and so integrated in portable battery-hungry devices, power consumption plays an important role as well. Available power budget is partitioned among driving circuitry, intrinsic device dissipation due to Joule effect on resistive springs and sensing electronics. In order to better analyse the overall performance and power dissipation from a fully-coupled-system point of view, a detailed magnetometer model has been integrated directly in the VLSI simulation environment using Verilog-A description language. Indeed, with the hectic miniaturization of technologies and the integration of more and more sensors together with their electronics, fully coupled electro-mechanical simulations become of great interest. Finally, a fully differential transresistance amplifier is implemented using a standard CMOS 150nm process and tested. Magnetic field measurements are performed with the complete system prototype, based on a double chips solution, achieving a sensitivity of 100 nV/uT at the output of first amplifier with a feedback resistor of 5 MOhm. ASIC resolution is set by resistor noise and measured results are in good agreement with simulations.

In questo lavoro di tesi si presentano magnetometri (asse Z) a forza di Lorentz con relativa elettronica di pilotaggio e lettura per applicazioni consumer. La progettazione e l'ottimizzazione dei dispositivi è affrontata tenendo conto sia dei limiti tecnologici (processo e package) tipici di un processo MEMS industriale sia dell'applicazione finale (banda, rumore, linearità, massimo segnale). Si dimostra la fattibilità di un sistema di rivelazione (asse Z) del campo magnetico terrestre basato su una soluzione a doppio chip (MEMS + ASIC). Questo lavoro è parte di una collaborazione tra il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano, Milano, Italia e il partner industriale STMicroelectronics. La tesi si divide principalmente in tre parti. Nella prima parte della tesi si affronta la progettazione dei sensori meccanici tenendo conto sia dei limiti tecnologici e delle specifiche di progetto fornite dal partner industriale. Questo approccio porta a scoprire che la sensitività (intesa come variazione di capacità a fronte di una variazione di campo magnetico) è indipendente dal numero di celle di condensatori per la lettura dando luogo a un dispositivo compatto (870um x 90um) che può facilmente essere integrato nelle inertial measurement units (IMUs). La progettazione è supportata con lo sviluppo di modelli comportamentali a livello di sistema in Simulink e con simulatori ad elementi finiti per l'ottimizzazione meccanica. La prima generazione di dispositivi è implementata con il processo ThELMA di STMicroelectronics. La seconda parte della tesi si focalizza sulla caratterizzazione elettromeccanica dei dispositivi fabbricati. A tal fine, è stato progettato uno strumento di caratterizzazione che vanta una risoluzione di 1 aF/sqrt(Hz) e una banda fino a 100 kHz. Successivamente si descrive la progettazione del setup sperimentale per le misure di campo magnetico: elettronica di pilotaggio e di lettura a basso rumore. Si riportano infine i risultati ottenuti da tali misure, in linea con le previsioni teoriche. Nella terza parte della presente tesi si affronta uno studio a livello di sistema tenendo conto le prestazioni di rumore complessive e consumo di potenza. Si presenta quindi lo sviluppo di un modello del sensore meccanico con il linguaggio Verilog-A al fine di effettuare simulazioni elettromeccaniche accoppiate nell'ambiente Cadence, necessario per lo sviluppo di un ASIC. La tesi termina con la caratterizzazione sperimentale del prototipo basato su una soluzione a due chip e con la progettazione della seconda generazione di dispositivi. In appendice viene riportata parte dell'attività svolta presso il gruppo di ricerca del professor David A. Horsley al Berkeley Sensor & Actuator Center, University of California, Davis, CA (USA) dove l'autore ha trascorso un periodo di circa 7 mesi (gennaio - luglio 2012) come ricercatore in visita. Principale argomento di questa attività sono sensori di campo magnetico basati su tecnologia GMR-MEMS per applicazioni biologiche e mediche, come, ad esempio, lo studio dell'attività elettrica del cuore umano.