MEMS gyroscopes based on piezoresistive sense: a theoretical and experimental analysis

This work demonstrates for the first time the operation of miniaturized 3-axis MEMS gyroscopes based on nano-gauge (NEMS) readout. After describing the innovative device design, the focus is set on the development of board-level and integrated-circuit electronics for the system optimization and operation. This includes a flexible interface, formed by an amplitude-controlled drive oscillator and a low-noise piezoresistive sensing interface. Accurate and automated measurement setups have been developed for the operative characterization of the devices. Theoretical and experimental analyses of the performances of these new gyroscopes, compared to traditional capacitive ones, reveal high linearity response, immunity to environmental vibrations and lower achievable noise levels, down to Earth rotation rate measurement capabilities (gyrocompassing).

Questo lavoro mostra per la prima volta il funzionamento di giroscopi MEMS a 3 assi basati su una lettura a nano-gauge (NEMS). Dopo aver descritto il design innovativo del dispositivo, si porrà l’attenzione sullo sviluppo di un’elettronica PCB e integrata per il corretto funzionamento del sensore e lo studio dell’ottimizzazione del sistema così ottenuto. La suddetta elettronica include, in particolare, una flessibile interfaccia con il sensore, costituita da un oscillatore con controllo di ampiezza e uno stadio di lettura del segnale generato dai nano-gauges, a basso rumore. Sono stati inoltre sviluppati accurati setup sperimentali che consentano la caratterizzazione automatizzata dei dispositivi in pieno funzionamento. Le analisi teoriche e sperimentali sulle prestazioni di tali nuovi giroscopi, confrontati con quelli capacitivi tradizionali, mostrano una risposta altamente lineare, immunità alle vibrazioni presenti nell’ambiente circostante e migliori livelli di rumore ottenibili, fino a consentire la misura della rotazione terrestre (“gyrocompassing”).