Navigation-grade NEMS gyroscopes

The work reported in this thesis is focused on the performance increase of single axis mode-split gyroscopes with piezoresistive readout, aiming to cope with the requirements of inertial navigation applications. After an analysis of the literature on silicon MEMS gyroscopes over the last two decades, several innovative structures of both pitch and yaw sensors are presented. A careful study on the electromechanical structure of the sensors, combined with improved characterization electronic circuit, helped to reach, for yaw gyroscopes, noise levels in the 0.1 mdps/rt(Hz) range and stability of 0.02 °/hr up to 1000 s. Although not experimentally proven, similar performances are also expected from pitch gyroscopes with a newly developed sensing lever system. Finally, the design of a low-noise integrated circuit is presented, with a focus on the front-end architecture, aiming to reach the same performances of the discrete electronic with less than 6 mA of current consumption per axis.

Il lavoro riportato in questa tesi di dottorato è focalizzato sull'aumento delle prestazioni dei giroscopi mode-split a singolo asse con lettura piezoresistiva, con l'obiettivo di far fronte ai requisiti delle applicazioni di navigazione inerziale. Dopo un'analisi delle architetture di giroscopi MEMS in silicio presentate in letteratura negli ultimi due decenni, vengono descritte diverse strutture innovative di sensori per la lettura di velocità angolari sia fuori piano (yaw) che in piano (pitch/roll). Un attento studio sulla struttura elettromeccanica dei sensori, combinato un migliore circuito per la caratterizzazione, ha permesso di raggiungere, per i giroscopi yaw, livelli di rumore attorno ai 100 udps/rt(Hz) e stabilità di 0.02 °/hr fino a 1000 s. Sebbene non siano state provate sperimentalmente, prestazioni simili sono attese anche dai giroscopi pitch e roll progettati grazie ad un sistema di leve di sensing di nuova concezione. Infine, viene presentato il progetto di un circuito integrato a basso rumore, con un focus sull'architettura di front-end, che mira a raggiungere le stesse prestazioni dell'elettronica discreta con meno di 6 mA di consumo di corrente per asse.