Identification and control of diffusive systems applied to charge trapping and thermal space sensors

Abstract

The work underlying this Thesis, has contributed to the main study and characterization of diffusive systems. The research work has been focused on the analysis of two kind of systems. On the one hand, the dynamics of thermal anemometers has been deeply studied. These sensors detect the wind velocity by measuring the power dissipated of a heated element due to forced convection. The thermal dynamics of different sensor structures have been analyzed and modeled during the Thesis work. On the other hand, we have dealed with microelectromechanical systems (MEMS). The dynamics of charge trapped in the dielectric layer of these systems has also been studied. It is know, that this undesired effect has been associated to diffusion phenomena.

In this Thesis a characterization method based on the technique of Diffusive Representation (DR), for linear and nonlinear time-varying diffusive systems, is presented. This technique allows to describe a system with an arbitrary order state-space model in the frequency domain. The changes in the dynamics of a system over time may come as a result of the own actuation over the device or as a result of an external disturbance. In the wind sensor case, the time variation of the model comes from the wind, which is an external disturbance, whereas in the MEMS case, changes in the actuation voltage generate time-variation in the model.

The state-space models obtained from DR characterization have proven to be able to reproduce and predict the behaviour of the devices under arbitrary excitations. Specifically, in the case of wind sensors, the thermal dynamics of these sensors, under constant temperature operation, has been predicted for different wind velocities using Sliding Mode Controllers. As it has been observed, these controllers also help to understand how the time response of a system, under closed loop, can be accelerated beyond the natural limit imposed by its own thermal circuit if the thermal filter associated to the sensor structure has only one significative time constant.

The experimental corroboration of the thermal analysis is presented with various prototypes of wind sensors for Mars atmosphere. On one side, the time-varying thermal dynamics models of two different prototypes of a spherical 3-dimensional wind sensor, developed by the Micro and Nano Technologies group of the UPC, have been obtained. On the other side, the engineering model prototype of the wind sensor of the REMS (Rover Environmental Monitoring Station) instrument that it is currently on board the Curiosity rover in Mars has been characterized.

For the characterization of the dynamics of the parasitic charge trapped in the dielectric layer of a MEMS device, the experimental validation is obtained through quasi-differential capacitance measurements of a two-parallel plate structure contactless capacitive MEMS.

El trabajo que subyace a esta Tesis, ha contribuido principalmente al estudio y la caracterización de los sistemas difusivos. El trabajo de investigación se ha centrado en el análisis de dos tipos de sistemas. Por un lado, la dinámica de los anemómetros térmicos ha sido estudiada en profundidad. Estos sensores detectan la velocidad del viento a través de la medida de la potencia disipada en un elemento caliente debido a la convección forzada. Durante el trabajo de esta Tesis, se ha analizado y modelado la dinámica térmica de diferentes sensores . Por otro lado, se han tratado también los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Se ha estudiado la dinámica de la carga atrapada en la capa dieléctrica de estos sistemas. Este fenómeno lento e indeseado está asociado a fenómenos de difusión. En esta Tesis se presenta un método de caracterización basado en la técnica de Representación Difusa (DR), para sistemas difusivos lineales y no lineales que varían en el tiempo. Esta técnica permite describir un sistema con un modelo de variables de estado de orden arbitrario en el dominio frecuencial. Los cambios en la dinámica de un sistema a lo largo del tiempo pueden ser debidos a la propia actuación sobre el dispositivo o como resultado de una perturbación externa. En el caso del sensor de viento, la variación de tiempo del modelo proviene de la propia variación del viento, la cual es una perturbación externa, mientras que en el caso de los dispositivos MEMS, los cambios en la tensión de actuación generan variaciones en el tiempo en el modelo. Los modelos de variables de estado obtenidos a partir de la caracterización con Representación Difusiva tienen la capacidad de reproducir y predecir el comportamiento de dichos dispositivos ante excitaciones arbitrarias. En concreto, en el caso de los sensores de viento, la dinámica térmica de estos sensores, operando a temperatura constante, se ha predicho para diferentes velocidades de viento, usando la teoría de los Sliding Mode Controllers (Controladores de Modo Deslizante). Tal y como se ha observado, estos controladores ayudan también a comprender cómo la respuesta temporal de un sistema, en lazo cerrado, puede acelerarse más allá del límite natural impuesto por su propio circuito térmico si el filtro térmico asociado a la estructura del sensor tiene solo una constante de tiempo significativa. La corroboración experimental del análisis térmico se presenta con varios prototipos de sensores de viento para la atmósfera de Marte. Por un lado, se han obtenido los modelos de la dinámica térmica variable en el tiempo de dos prototipos diferentes de un sensor de viento 3D esférico, desarrollado por el grupo de Micro y Nano Tecnologías de la UPC. Por otro lado, se ha caracterizado el prototipo de modelo de ingeniería del sensor de viento del instrumento REMS (Rover Environmental Monitoring Station) que está actualmente abordo del rover Curiosity en Marte. Para la caracterización de la dinámica de la carga atrapada en la capa dieléctrica de un dispositivo MEMS, la validación experimental se ha obtenido a través de medidas cuasi-diferenciales de la capacidad de un dispositivo MEMS con estructura de dos placas paralelas.