Ph.D. Thesis title:

Análisis y aplicaciones de los Osciladores Digitales Pulsados

Author:

Jordi Ricart Campos

Director:

Manuel Domínguez / Joan Pons Nin

Reading Date:

11/03/2010

Abstract:

Los sistemas pulsados han aparecido recientemente como una forma de actuar y controlar estructuras MEMS
resonantes de forma sencilla y eficaz, sin la necesidad de una electrónica asociada sofisticada o complicada. El
primer sistema de actuación pulsada para resonadores MEMS fue el Oscilador Digital Pulsado (PDO), introducido en
2003 y objeto de esta tesis. Su funcionamiento se basa en aplicar secuencias de pulsos de fuerza a un resonador
MEMS, con la intención de favorecer siempre el movimiento de éste. Esta excitación pulsada no se realiza con
secuencias predefinidas ni modulaciones establecidas de pulsos, sino que se hace tomando decisiones en función de
la posición del resonador. Las decisiones se transmiten mediante un lazo de realimentación digital, formado en su
versión más sencilla por una cadena de retardos y un signo configurables. Se trata de un sistema muestreado, es
decir, siguiendo una frecuencia prefijada se decide en cada instante de muestreo la acción a realizar.
La diferencia esencial del PDO con la mayoría de sistemas existentes para el control de MEMS es que no precisa
saber con exactitud la posición del MEMS, ya para decidir si se aplica o no el pulso de excitación tan solo necesita
saber si éste se encuentra por encima o por debajo de su posición de equilibrio. Esto implica a su vez que la
electrónica de control asociada es muy simple y que los sistemas PDO pueden integrarse fácilmente en chip, sin que
ello comporte necesidades elevadas de área. Finalmente, hay que destacar que la salida de un PDO es una trama de
bits, de donde se extrae, mediante técnicas simples de procesado digital, informaciones como la frecuencia de
oscilación.
Este trabajo comienza proponiendo diferentes estructuras PDO y analizando su teoría de funcionamiento, primero
mediante un modelo lineal aproximado, y después teniendo en cuenta la dinámica no lineal propia de este tipo de
sistemas. Tras estos anàlisis, se hace hincapié en los parámetros de control del sistema PDO, así como en algunas
variaciones del lazo de realimentación que permiten acceder a nuevas propiedades. Hay que destacar que la
topología de un sistema PDO tiene cierto parecido con los moduladores Sigma-Delta (Σ−Δ). Así, un aspecto
estudiado es la relación entre las secuencias Σ−Δ y las obtenidas en sistemas PDO. Asimismo se demuestra la
propiedad que presentan los PDO de poder trabajar en condiciones de submuestreo.
En capítulos siguientes se describen las características de los resonadores MEMS y del hardware desarrollado para
la realización de diversos sistemas PDO reales. Se muestran y discuten resultados experimentales para cada tipo de
resonador en condiciones de sobremuestreo y submuestreo y se introducen nuevas soluciones desarrolladas
específicamente para problemas como por ejemplo el control de la amplitud de oscilación o el control de carga
parásita acumulada en dispositivos MEMS electrostáticos. Otro resultado muy importante es que los modos de
vibración mecánicos de las estructuras MEMS pueden ser excitados por separado mediante sistemas PDO. Esta
posibilidad se aborda en profundidad, tanto a nivel teórico como sustentándola mediante simulaciones y, finalmente,
mediante medidas experimentales.
Finalmente, estructuras PDO se han utilizado como sistemas sensores en dos aplicaciones concretas: medidas de
cambios de presión en cámaras de vacío y como detector químico de concentraciones de gases orgánicos volátiles.
Las particularidades de cada sistema de medida, así como las ventajas que ofrece el uso del PDO en este tipo de
aplicaciones se muestran y discuten en el último capítulo de la tesis.