Misura e compensazione in anello chiuso dell'errore di fase in giroscopi MEMS capacitivi

This thesis’ work, carried out at the MEMS and microsensors laboratory of Politecnico di Milano, concerns the study of a system that realizes a closed-loop compensation of the phase error between the modulated output signal and the reference signal for demodulation in amplitude modulated (AM) capacitive MEMS gyroscopes. Initially, there is a deep explanation of the technique used, which is based on direct, ultra-low-noise measurement of the phase shift and subsequent adjustment of the demodulation phase. Subsequently, the two parts of the operation are investigated separately: for the phase measurement, after a noise analysis and a comparison between different types, a XOR gate was chosen and a PCB was designed for its characterization. Sensitivity, Allan variance and stability measures were performed: the noise performance of the system was excellent (17 µrad/√Hz). For phase regulation, a selectable delay line was used, with resolution of 10 µrad. A theoretical model of the complete circuit was then implemented using Matlab and Simulink, choosing the parameters based on an analysis of the stability of the circuit. Finally, several simulations were performed to test the operation of the compensation system. This work precedes an integrated system implementation aimed at improving the stability performance of current MEMS gyroscopes.

Questo lavoro di tesi, svolto presso il laboratorio di MEMS e microsensori del Politecnico di Milano, riguarda lo studio di un sistema che realizzi una compensazione in anello chiuso dell’errore di fase tra il segnale di uscita modulato e il segnale di riferimento per la demodulazione in giroscopi MEMS AM a lettura capacitiva. Inizialmente è presentata la tecnica utilizzata, che si basa sulla misura diretta e a basso rumore dello sfasamento e sulla conseguente regolazione della fase di demodulazione. Successivamente vengono approfondite le due parti dell’operazione separatamente: per quanto riguarda la misura di fase, a valle di un’analisi di rumore e di un confronto tra diverse tipologie, è stato scelto di utilizzare una porta XOR e per la sua caratterizzazione è stata progettata una PCB. Con quest’ultima sono state acquisite misure della sensitività della porta e sono state valutate le prestazioni di rumore del sistema, che sono risultate ottime (17 µrad/√Hz). Per quanto riguarda la regolazione della fase, è stata utilizzata una linea a ritardo selezionabile, con risoluzione di 10 µrad. É stato poi implementato un modello teorico del circuito completo tramite Matlab e Simulink, scegliendone i parametri in base ad un’analisi della stabilità del circuito. Infine sono state effettuate diverse simulazioni per testare il funzionamento del sistema di compensazione. Questo lavoro apre la strada ad un’implementazione integrata del sistema, volta a migliorare le prestazioni di stabilità degli attuali giroscopi MEMS.