Temperature stability in MEMS gyroscopes based on NEMS detection

In the last two decades, Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) have emerged as a pervasive technology in different fields of application, such as consumer, automotive and healthcare. This Thesis work, carried out at the Sensors and Detectors Laboratory of the Department of Electronics, Information ad Bioengineering of Politecnico di Milano focuses on the stability performance of amplitude-modulated gyroscopes based on resistive NEMS sensing for drive and sense motion. In fact, among the sensor features, stability of its parameters is fundamental in applications involving long measurement periods, such as motion reconstruction in inertial measurement units (IMU). After careful considerations on the device and the electronic design, in particular oriented to terms that affect scale-factor stability and offset stability, an electronic board is developed using best-in class electronic components, in order to mitigate temperature drifts. Angle random walk values down to sub-mdps over square root of Hz and 2°/hr bias stability up to 1000 s observation interval are observed in an experimental campaign conducted on several devices. This outperforms previous results by a factor 100. Additionally an innovative demodulation technique is investigated, developed and tested. Preliminary experimental measurements are compared to standard demodulation technique.

Negli ultimi decenni l'utilizzo di sensori basati su tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) si è diffuso in diversi campi di applicazione, come il campo medicale, automotive e consumer. Tutto ciò è stato permesso dai basi costi e dalla compattezza di questa tipologia di device, accompagnate da prestazioni paragonabili, se non superiori, a quelle raggiunte da altre tecnologie. Questo lavoro di Tesi, svolto presso il Laboratorio di Sensori e Rivelatori del dipartimento di Elettronica, informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano riguarda la stabilità di giroscopi a modulazione di ampiezza basati sul rilevamento resistivo NEMS di drive e sense. Tra le caratteristiche del sensore, la stabilità dei suoi parametri è fondamentale nelle applicazioni che implicano lunghi periodi di misurazione, come la ricostruzione del movimento di un corpo. Dopo aver analizzato e modellizzato il funzionamento del dispositivo e l'elettronica annessa, ponendo particolare attenzione ai termini che influenzano la stabilità dello scale factor e dela stabilità dell'offset, un circuito elettronico è stato sviluppato utilizzando componenti con minima dipendenza dalla temperatura. Valori di angle random walk inferiori a 1 mdps su radice di Hz e una stabilità di bias di 2°/hr per un intervallo di osservazione di 1000 s sono stati misurati durante una campagna sperimentale condotta su più dispositivi. Questa misura stabilisce un miglioramento pari a due ordini di grandezza rispetto ai risultati precedentemente ottenuti. Inoltre un'innovativa tecnica di demodulazione è studiata, sviluppata e testata. Misure sperimentali preliminari sono confrontate con le tecniche di demodulazione convenzionali.