Elettronica per giroscopi MEMS a modulazione di frequenza di tipo Lissajous con lettura NEMS piezoresistiva

In this thesis work, carried out at the MEMS and Micro-sensors laboratory, it is introduced and developed the electronics for a new innovative type of MEMS sensors, i.e. Lissajous frequency modulated gyroscopes with piezoresistive readout. This low noise MEMS topology proves to overcome the AM gyroscopes electro-mechanical limits, guaranteeing a high performance in terms of temporal and thermal stability. The project flow starts from a previous implementation and goes forward in the design and development of the main oscillating loop and of its secondary control loop. Furthermore, after a deep analysis through Matlab and Simulink, all circuit components are chosen to further minimize the noise. Afterwards, once noise requirements are satisfied, the electronic circuit is experimentally simulated in Multisim, in order to test the correctness of the generated oscillation. Finally, PCB design is carried out in Altium. The printed board is eventually measure at the laboratory. The theoretical validation through the experimental process makes evident the potential and innovation that this new type of gyroscope is able to offer.

In questo lavoro di Tesi, svolto presso il laboratorio di MEMS e Microsensori, si presenta e sviluppa l'elettronica di supporto per una nuova innovativa tipologia di sensori MEMS, quelli cioè a modulazione di frequenza di tipo Lissajous con lettura piezoresistiva a nano-gauge. Essi dimostrano di riuscire a superare i limiti elettro-meccanici dei più diffusi giroscopi AM, garantendo cioè elevate prestazioni sia in termini di stabilità temporale e termica che in termini di rumore. A partire da una precedente implementazione, si procede con la progettazione di un anello primario di oscillazione e di un secondario di controllo di ampiezza e di spostamento. Inoltre, dopo un'analisi approfondita in Matlab e Simulink, vengono dimensionati i vari componenti al fine di minimizzare il più possibile il rumore di ogni stadio e quindi del sistema stesso. Inoltre, una volta ottenuto uno schema elettronico soddisfacente dal punto di vista dei requisiti, si procede con la simulazione circuitale in Multisim per il testing del corretto funzionamento dell'oscillazione e si implementa infine il layout Altium. La scheda PCB così ottenuta è stampata e misurata in laboratorio. I risultati sperimentali sono a supporto dei valori attesi teorici e rendono chiaramente il potenziale e l'innovazione che questa nuova tipologia di giroscopi è in grado di offrire.