About MEMS IMUs Stability and Reliability

MEMS inertial sensors, after decades of evolution, are now eyeing at navigation applications in many different fields. This would enable a novel breakthrough for the technology, traditionally boasting low costs, small footprints and low power consumption. Main goal of this research project is to investigate instability sources in MEMS inertial sensors and, possibly, solutions for their mitigation. The work methodology is based on finite elements, analytical and behavioral models development, and their experimental crosscheck via innovative test structures, inertial sensors and systems design. Specifically, the first part focuses on the analysis of gyroscopes medium-term instability due to drive-sense relative phase drifts caused by temperature variations. Both a low-noise characterization setup and an accurate model are developed. Moreover, a novel compensation technique to improve zero-rate-output drifts in temperature is devised. The second part pivots on structural damage modeling and prediction, and how a newly developed system approach prevents this from happening in a novel time-switched frequency-modulated accelerometer device. The presented system demonstrates excellent recovery time and vibrations rejection performances, with a factor 20 improvement with respect to the previous embodiment.

Il mercato dei sensori inerziali MEMS, dopo decadi di evoluzione, si sta ora rivolgendo ad applicazioni di navigazione nei vari ambiti in cui è presente. Questo porterebbe ad un nuovo traguardo per questa tecnologia, tradizionalmente vantaggiosa in termini di costi, dimensioni e fabbisogno energetico. Lo scopo principale di questo progetto di ricerca è investigare quelle che sono alcune fonti di insabilità in questa famiglia di sensori e, possiblimente, inviduare soluzioni per la loro mitigazione. Il lavoro si basa sullo sviluppo di modelli a elementi finiti, analitici e comportamentali, e il loro raffronto con risultati sperimentali, grazie alla progettazione di strutture di test, sensori inerziali e sistemi innovativi. In particolare, la prima sezione si concentra sull'analisi di instabilità di medio termine nei giroscopi, dovuta a variazioni della fase relativa tra drive e sense dovute ai cambi di temperatura. Sono presentati il progetto di un sistema di misura a basso rumore e lo sviluppo di un accurato modello. Inoltre, è descritta l'ideazione di una nuova tecnica di compensazione per migliorare la stabilità dell'offset in temperatura. La seconda parte è dedicata alla modellizzazione e predizione di danneggiamenti strutturali, e come un nuovo approccio a livello di sistema possa prevenire il verificarsi di questi fenomeni in un nuovo accelerometro time-switched a modulazione di frequenza. Il sistema presentato dimostra un eccellente tempo di recupero da shock e capacità di reiezione delle vibrazioni, con un miglioramento di un fattore circa 20 rispetto alla struttura già presente in letteratura.