Development of an electronic system for the characterization of MEMS automotive gyroscopes under vibrations

MEMS stands for Micro Electro Mechanical Systems, a definition dedicated to the family of devices with electro-mechanical components, whose charac- teristic dimensions are typically less than one millimeter. The main function performed by these devices is the transduction of the nature of the signal, usually from mechanical to electrical: considering the current technological state, it is much easier to treat an electrical quantity rather than a me- chanical one, in regard to both its measurement and its digitalization and processing. Among the most famous examples of MEMS devices we can men- tion accelerometers and gyroscopes: both categories transform a mechanical quantity, respectively acceleration and angular velocity, into current signals. From a commercial point of view, usually the devices are made in the inte- grated form, together with the electronics necessary for their operation. The thesis work was carried out at the “Sensors and Detectors” laboratory (SanDLab) within the Electronics Department. The thesis work will focus on the characterization of an automotive gyroscope, designed to have excellent vibration rejection performance (Figure 1). The main part of the work will be the design of an electronic board, which will contain the elements necessary to create the resonant ring and to read the output signal. Once the gyroscope is put into operation, it will be subjected to different types of tests. In particular, we want to verify the vibration rejection properties, with a measure on shaker ; and try two different quadrature compensation techniques: one electro-mechanical, following the Tatar scheme, and the other purely electronic, of our design.

MEMS `e acronimo di Micro Electro Mechanical Systems, definizione che viene dedicata alla famiglia di dispositivi con componenti elettro-meccaniche, le cui dimensioni caratteristiche sono tipicamente inferiori al millimetro. La principale funzione svolta da questi dispositivi `e la trasduzione della natura del segnale, solitamente da meccanica ad elettrica: considerato l’attuale stato tecnologico, risulta molto pi ́u semplice trattare una grandezza elettrica pi- uttosto che una meccanica, sia per quanto riguarda la sua misura, che per la sua digitalizzazione ed elaborazione. Fra gli esempi pi`u celebri di dispos- itivi MEMS si possono citare accelerometri e giroscopi: entrambe le cate- gorie trasformano una grandezza meccanica, rispettivamente accelerazione e velocit`a angolare, in segnali di corrente. Dal punto di vista commer- ciale, di solito i dispositivi vengono realizzati sotto forma di integrati insieme all’elettronica necessaria al loro funzionamento. La tesi `e stato svolta presso il laboratorio “Sensors and Detectors” (SanD- Lab) interno al Dipartimento di Elettronica. Il lavoro verter`a sulla carat- terizzazione di un giroscopio per automotive, progettato per avere ottima reiezione delle vibrazioni (Figura 1). La parte principale del lavoro sar`a il design di una scheda elettronica, che dovr`a contenere gli elementi necessari per la creazione dell’anello riso- nante e per la lettura del segnale di uscita. Una volta messo in operazione il giroscopio, verr`a sottoposto a diversi tipi di test. In particolare, vogliamo verificare le propriet`a di reiezione delle vibrazioni esterne, tramite misure su shaker ; e sperimentare due diverse metodologie di compensazione della quadratura: una elettro-meccanica, secondo lo schema proposto da Tatar, ed una puramente elettronica, di nostra ideazione.