Towards fully-integrated frequency-modulated MEMS gyroscopes

This thesis reports the developments towards the integration of a tri-axial, consumer-grade, frequency-modulated MEMS gyroscope. A custom low-power, low-phase-noise integrated circuit is designed specifically for frequency-modulated operation. Both yaw- and pitch-rate, analog-output sensing systems based on Lissajous frequency-modulation are experimentally demonstrated for the first time, by coupling the developed circuit with two novel micromachined structures fabricated with a 24-um-thick industrial process. In operation, both gyroscopes show a repeatable and stable scale factor, with less than 0.55\% of part-to-part variability, obtained without any calibration, and 35 ppm/°C of variability over a 25°C to 70°C temperature range. The whole system achieves a 10-mdps/rt-Hz resolution with a 500-uA current consumption only. The design of a frequency-digitization circuit, required to provide a digital-output sensor, is reported, but not experimented. As a conclusive remark, a system-level performance comparison with conventional amplitude-modulated MEMS gyroscopes is carried out.

Questa tesi discute gli sviluppi verso l'integrazione di un giroscopio MEMS triassiale di tipo consumer basato su modulazione di frequenza. Un circuito integrato a basso rumore e basso consumo di potenza è progettato specificamente per il funzionamento a modulazione di frequenza. Per la prima volta, un sistema di misura di velocità angolare, sia fuori piano che in piano, basato sulla cosiddetta modulazione di frequenza con pattern di Lissajous è dimostrato, accoppiando il circuito con due innovative strutture micromeccaniche fabbricate con un processo industriale. Entrambi i giroscopi mostrano un fattore di scala ripetibile e stabile, con meno dello 0.55% di variabilità da parte a parte, ottenuta senza calibrazione, e 35 ppm /°C di variazione su un intervallo di temperature da 25°C a 70°C. Il sistema raggiunge una risoluzione di 10 mdps/rt-Hz, con un consumo di corrente di circa 500 uA. Il progetto di un circuito di digitalizzazione della frequenza, necessario per fornire un sensore con uscita digitale, viene descritto, ma non verificato sperimentalmente. Come osservazione conclusiva, viene riportato un confronto a livello di sistema fra le prestazioni del giroscopio presentato e quelle di giroscopi MEMS convenzionali a modulazione di ampiezza.