Analisi e progettazione integrata di un oscillatore per giroscopi MEMS ad elevata stabilità di tipo FM-Lissajous

Amplitude modulate (AM) gyroscopes are the first MEMS gyros to be commercially available and they are still the most popular on the market. However, these devices have some intrinsic limits regarding scale factor and offset stability, which preclude their use in applications requiring high accuracy, such as inertial navigation. In the last few years, a new MEMS gyroscope architecture, called Lissajous Frequency Fodulated (LFM), has been proposed in literature in order to overcome the AM gyroscopes limits and ensure high stability performances. The following chapters will describe the working principle of LFM gyroscopes and subsequently the system keeping them in oscillation will be developed. Starting from an old implementation, the primary loop of the oscillator and the auxiliary control loop (AGC, Automatic Gain Control) will be designed, with the aim of minimizing phase noise and guarantee system stability in presence of thermal drifts. The performances obtained theoretically will be supported by software simulations in order to provide more reliable results.

I primi giroscopi MEMS ad essere commercializzati sono i giroscopi a modulazione di ampiezza (AM) e risultano tuttora i più diffusi sul mercato. Tuttavia, questi dispositivi presentano dei limiti intrinseci riguardanti la stabilità di fattore di scala e offset, che ne precludono l’utilizzo in applicazioni che richiedono un’alta accuratezza, come la navigazione inerziale. Negli ultimi anni è stata proposta in letteratura una nuova architettura di giroscopio MEMS, a modulazione di frequenza di tipo Lissajous (LFM) per superare i limiti dei giroscopi AM e garantire elevate prestazioni in termini di stabilità. Nei capitoli che seguono verrà quindi descritto il funzionamento dei giroscopi LFM, per poi procedere con lo sviluppo di un sistema che permetta di mantenerli in oscillazione. Partendo da una precedente implementazione, si progetterà quindi l’anello primario dell’oscillatore e, successivamente, il loop di controllo ausiliario (AGC) con lo scopo di minimizzare il rumore di fase e garantire la stabilità di fattore di scala e offset in presenza di derive termiche. Le performance ottenute in linea teorica verranno supportate da simulazioni per rendere i risultati maggiormente attendibili.