Embedded real-time processor for MEMS applications

Abstract

devices over the last decades created a new field of study and leveraged the creation of whole new applications and businesses at a worldwide level. The improvements on the manufacturing precision and reliability, allowed some of these devices to be used in mission-critical equipment, such as in airbag systems. The relative low price made it available to home consumer markets, resulting in a paradigm-shift in many application areas. The test and characterization of each individual manufactured MEMS structure is of major importance, both from the economic and quality standpoints. The dissimilarity of MEMS devices applications and physical principles creates an obstacle, since no single system can fit all the devices singularities, as opposite to what occurred in the Integrated Circuits (IC) industry. Also, new studies have sprung over the recent years that improve our understanding of the underlying fundamental physical phenomena and characteristics of the microsystems. The Design for Test (DFT) paradigm is becoming an increasing trend and is placing more pressure on the designers to overcome the test costs and reduce the time-tomarket by applying embedded mechanisms fully dedicated for testing purposes. This thesis attempts to contribute to the maturity of MEMS testing and control systems development by proposing a flexible digital architecture for real-time control and analysis of structure movements. By the development of an hardware assisted processing platform with basic actuation and sensing mechanisms, realtime and determinism are guaranteed by design to ensure a flexible and adaptable system. The proposed architecture is evaluated on two applications: First, a fast characterization platform is developed over the base system to enable a time-wise full-wafer characterization, where the speed and accuracy are optimized and conclusions about manufacturing issues are evaluated. The second application is based on a multi-order sigma-delta closed loop operation, where configurability and feedback delay are critical to allow a high-level algorithm to operate and perform an automated parameter optimization. In both applications, the major issues are identified and a change in the base platform is performed to fit to each applications goals. In each case, several structures were tested, the results were evaluated and some improvements over the current state of-the-art methodologies and timings were achieved.

A evolução e disseminação de dispositivos MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ao longo das últimas décadas criou um novo campo de estudo e proporcionaram a criação de novas aplicações a nível mundial. As melhorias na precisão e fiabilidade do processo de fabrico permitiram que alguns destes dispositivos pudessem ser utilizados em equipamento crítico, tal como sistemas de airbag. O preço relativamente baixo habilitou o seu uso em mercados de consumo, provocando uma alteração de paradigma em múltiplas áreas específicas. O teste e caracterização de cada estrutura individual são ambos problemas de grande importância, tanto do ponto de vista económico, como de qualidade. A diversidade de aplicações e princípios físicos inerentes a este tipo de dispositivos cria um importante desafio, porque não é possível criar um sistema que responda à unicidade de cada um tipo de dispositivo, ao contrário do que sucede na indústria de Circuitos Integrados (ICs). Para além disso, os estudos das últimas décadas acrescentaram um valioso conhecimento sobre os princípios físicos e características fundamentais dos microdispositivos. Verifica-se recentemente uma tendência de alteração do paradigma de desenvolvimento orientado ao teste (DFT) por forma a optimizar os custos com testes e reduzir o tempo global de desenvolvimento, através da inclusão de mecanismos embebidos no próprio desenho da estrutura. Este trabalho pretende contribuir para o desenvolvimento de testes e controlo de dispositivos MEMS, propondo uma arquitectura digital flexível dedicada ao controlo e análise dos movimentos das estruturas em tempo real. Através do desenvolvimento de uma plataforma de processamento assistida por hardware com mecanismos básicos de actuação e leitura, o determinismo e as características de tempo-real são intrinsecamente asseguradas, resultando num sistema flexível e adaptável. A arquitectura proposta é avaliada em duas aplicações: A primeira baseia-se no desenvolvimento de uma plataforma de caracterização desenvolvida sobre a plataforma base para permitir a caracterização de uma wafer completa, no qual o tempo de análise e a precisão são optimizados e onde um caso real é avaliado, identificando os possíveis problemas de fabrico. A segunda aplicação consiste no desenvolvimento de um controlador em malha fechada baseado num modulador sigma-delta de ordem múltipla, no qual a configurabilidade e o atraso de malha de realimentação são factores críticos para permitir a optimização automatizada dos parâmetros através de um algoritmo de alto nível. Em ambas as aplicações, os maiores desafios são identificados e são acrescentadas as funcionalidades da aplicação necessárias à plataforma de base. Em ambos os casos, foram utilizadas várias estruturas, avaliados os resultados e identificadas melhorias no estado-da-arte, quer ao nível das metodologias, quer ao nível da velocidade de análise.