Studio di architetture innovative per l'anello di drive di giroscopi MEMS

The MEMS gyroscope,like the accelerometer,is an inertial sensor. In particular MEMS gyroscope can measure the angular rate measuring the sinusoidal motion of the sense mass, inducted by the Coriolis effect. Being the Coriolis force proportional to the drive amplitude displacement, it is possible to keep the sensitivity constant against temperature variations and process spreads using a control loop including an AGC (Amplitude-Gain-Control), in order to fix drive amplitude. Over the years new low-power control strategies the years have been developed, in order to improve the performances of the sensor. In this thesis, carried out at STMicroelectronics, new drive amplitude control methods are studied. After a brief introduction about the working principles of MEMS gyroscope and classical AGC implementations, a more detailed study concerning a phase-based amplitude regulation for gyroscope drive loops is made using MATLAB. Then the work focuses on the study of a new AGC based on time-domain measure of the drive amplitude, which has never been seen in literature before. This digital nature of this new AGC is beneficial, since its performances are less sensitive to temperature drifts and aging effects. Starting from the general working principle, a theoretical and analytical analysis is made. Then a Simulink model is created in order to verify the theoretical study. Finally the most important circuits are implemented using Cadence Virtuoso.

Il giroscopio MEMS rientra, assieme all'accelerometro, nella categoria dei sensori inerziali. In particolare il giroscopio MEMS misura la velocità angolare del dispositivo sul quale è montato misurando il moto sinusoidale della massa di sense indotto dalla forza di Coriolis. Essendo la forza di Coriolis proporzionale all'ampiezza di oscillazione di drive, per rendere la sensitivity del sensore quanto più immune a variazioni di temperatura e a spread di processo si utilizza un anello di controllo composto da un blocco AGC (Amplitude-Gain-Control), con lo scopo di mantenere fissa l'ampiezza di drive. Nel corso degli anni sono stati ideati e sviluppati nuovi tipi di controllo con l'obiettivo di ottenere prestazioni più elevate a basso consumo di potenza. Scopo di questa tesi, svolta presso l'azienda STMicroelectronics, nella sede di Castelletto, è quello di studiare approcci di controllo diversi da quello attualmente in uso dall'azienda. Dopo una breve introduzione sul giroscopio MEMS e sull'implementazione più comune dell'AGC, viene svolta una review sull'AGC basato sullo shift di fase della tensione di pilotaggio. In seguito è proposto un nuovo tipo di AGC mai visto in letteratura, che si basa sul controllo dell'ampiezza di drive nel dominio del tempo. La natura ibrida analogica-digitale di tale controllo rende i suoi componenti, e di conseguenza le sue prestazioni, meno sensibili ai drift in temperatura e agli effetti di invecchiamento rispetto alla versione classica completamente analogica. Partendo dall'idea generale di funzionamento, è stata effettuata un'analisi teorica analitica del controllo. In seguito è stato implementato un modello in Simulink per confermare quanto ipotizzato dallo studio teorico. Infine sono stati progettati e simulati in Cadence Virtuoso i principali blocchi dell'AGC, analizzando anche gli effetti di non idealità sul controllo.