Stability Analysis of a MEMS Acceleration Sensor

Abstract — The electrostatic actuation with its several advantages is the main principle for MEMS. One major drawback is the nonlinear behavior, which results into instability, known as the electrostatic pull-in effect. This effect might also push a closed-loop configuration into instability and thus makes a linear time-invariant control inapplicable to the system. The paper investigates the stability of an acceleration sensor in closed-loop operation with this setting. A simplified controller adjustment gives a first insight into this topic. Practical implementations saturate on the quantizer’s full-scale value, which is also considered in the stability analysis. Numerical phase-plane analysis verifies the stability and shows further surprising results. I

Implementation Issues on MEMS - A Study on System Identification

A nonlinear identification scheme is provided for a LTI-system with a feedback-nonlinearity, which depends on the input and LTI-system output. This is especially the case for MEMS, where the electrostatic field depends on the displacement and input voltage. The fact, that the algorithm only requires a matrix inversion and singular value decomposition, makes it possible to use the identification scheme for on-line estimation. There is also no other a-priori knowledge about the system, except the order, needed

Profillinie 3: Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik:

Der Siegeszug der Mikroelektronik ist faszinierend. In den vergangenen Jahrzehnten bestimmte die Mikroelektronik das Geschehen in der Informationstechnik: Immer leistungsstärkere Computer, vernetzte Systeme und das Internet sind ohne Mikroelektronik nicht denkbar. Weltweit haben Mikroelektronik-Firmen ihre strategischen Ziele im Rahmen einer in regelmäßigen Abständen aktualisierten “Roadmap” niedergelegt. Alle gehen davon aus, dass die bisher zu beobachtende Steigerung der Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Produkte auch in den nächsten Jahrzehnten fortgesetzt werden wird. Das bedeutet konkret, dass an vielen Stellen – auch in der heutigen Massenfertigung der Mikroelektronik – die charakteristischen Abmessungen der Einzelelemente im Nanometerbereich liegen, also eigentlich schon als Nanoelektronik bezeichnet werden können. Hinzu kommt ein weiteres, ebenso spannendes Feld: die Mikrosystemtechnik