Progetto di un oscillatore versatile per giroscopi MEMS a modulazione di frequenza di tipo Lissajous

Conventional MEMS gyroscopes (Amplitude-Modulated, AM) for consumer devices, such as smartphones and tablets, require expensive and time-consuming calibration procedures, due to the dependence of the scale-factor on fabrication imperfections and environmental changes. Performances of these devices are therefor limited by residual scale-factor drifts due to an imperfect calibration; this precludes their employment in applications such as inertial grade navigation, where the need to integrate the signal over long time intervals requires very high offset and scale factor accuracy. In literature has been recently proposed a new architecture (Lissajous Frequency-Modulated, LFM) that, potentially, could overcome the scale-factor stability limitations of the AM gyroscope and therefore bring benefits in terms of performances for all those applications where stability plays a key role. The following chapters will examine the working principle of the LFM gyroscopes and describe the various structures of the one-mass and double-mass devices. It will be describe the high versatility electronic board designed for the characterization of the different LFM gyroscopes. The experimental phase confirms the possibility of using the board designed for various types of gyroscopes (Yaw, Pitch of different topologies and different operating frequencies). It is also demonstrated the stability an repeatability of the scale-factor even under different operating conditions compared to measurements in preavious works.

I convenzionali giroscopi MEMS (a modulazione di ampiezza, AM) impiegati nei dispositivi consumer, come per esempio smartphone e tablet, richiedono lunghe e costose procedure di calibrazione per via della dipendenza dello Scale Factor da spread di processo produttivo e da variazioni ambientali. Le prestazioni di questi dispositivi sono di conseguenza limitate da drift residui del fattore di scala dovuti ad un'imperfetta calibrazione; questo preclude il loro impiego in applicazioni quali la navigazione inerziale, laddove la necessità di integrare il segnale per lunghi intervalli di tempo richiede altissima accuratezza di offset e fattore di scala. In letteratura è stata recentemente proposta una nuova architettura (detta a modulazione di frequenza di tipo Lissajous, LFM) che, in linea teorica, può superare i limiti di stabilità dello Scale Factor imposti dai giroscopi AM, e portare quindi benefici in termini di prestazioni per tutte quelle applicazioni dove la stabilità gioca un ruolo decisivo. Nei capitoli che seguono verrà analizzato il principio di funzionamento dei giroscopi LFM e descritte le diverse strutture dei sensori, a singola e doppia massa. Sarà in seguito descritta la scheda a componenti discreti ad alta versatilità progettata per la caratterizzazione dei diversi giroscopi LFM. La fase sperimentale conferma la possibilità di impiegare la board progettata per svariate tipologie di giroscopi (Yaw, Pitch di diverse topologie e di diversa frequenza operativa). Viene inoltre dimostrata la stabilità e la riproducibilità del fattore di scala anche in condizioni operative differenti rispetto a misure eseguite in precedenti lavori.