Progettazione integrata degli stadi di compensazione automatica della quadratura e demodulazione per giroscopi NEMS piezoresistivi

This thesis work, carried out at the MEMS and microsensors laboratory of Politecnico di Milano, continues the design of one of the first low-noise integrated circuits for M&NEMS gyroscopes featuring piezoresistive readout. The first version of the circuit contains a low-noise analog front-end, a drive loop, the gain control circuit (AGC) and a bandgap generator for proper bias of the ASIC. The goal of this thesis is to study and integrate a demodulation stage and the compensation loop for quadrature (AQC), a non-ideality inherently present in a MEMS gyroscope, without deteriorating the noise performance already fixed by the first version. This allows a fully autonomous and integrated system on silicon with high performance and low area occupation. A study was initially conducted on the theoretical values of phase delays, a crucial parameter for a proper quadrature compensation, introduced by both the electronic front-end and the sensor mechanics; this consideration was also supported by measurements made on the first version of the chip. This step was followed by the design of the integrator, the heart of the quadrature force compensation branch, the buffers that drive the electrodes used to apply the compensation force, and by evaluations of the performance achieved by the quadrature loop, regarding particularly to noise and offset. To conclude, the most suitable demodulation stage for the requirements was researched and designed and the system was completed with an inverter chain, the purpose of which is to introduce a "programmable" delay in order to minimize phase errors between signal and demodulators.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso il laboratorio MEMS e microsensori del Politecnico di Milano, prosegue la progettazione di uno dei primi circuiti integrati a basso rumore per giroscopi M&NEMS a lettura piezoresistiva. Nella prima versione del circuito è presente un front-end analogico a basso rumore, l’anello di drive, il circuito di controllo del guadagno (AGC) e un generatore bandgap per la corretta polarizzazione dell’ASIC. L’obiettivo di questa tesi è lo studio e l’integrazione di uno stadio di demodulazione e di un anello di compensazione della quadratura (AQC), non-idealità intrinsecamente presente in un giroscopio MEMS, senza deteriorare le performance di rumore già fissate dalla prima versione. Questo permette di avere un sistema completamente autonomo e integrato su silicio ad elevate performance e con una minima occupazione di area. È stato inizialmente condotto uno studio sui valori teorici dei ritardi di fase, cruciali per una corretta compensazione della quadratura, introdotti sia dal front-end elettronico che dalla meccanica del sensore, tale trattazione è stata supportata anche da misure effettuate sulla prima versione del chip. Si è passati poi alla progettazione dell’integratore, cuore del ramo di compensazione della forza di quadratura, dei buffer che pilotano gli elettrodi adibiti all’applicazione della forza di compensazione e alle valutazioni delle prestazioni raggiunte dal loop di quadratura, in particolare per quanto riguarda rumore e offset. Per concludere si è ricercato e progettato lo stadio di demodulazione più adatto alle richieste e completato il sistema con una catena di inverter, il cui scopo è quello di introdurre un ritardo programmabile al fine di minimizzare gli errori di fase tra segnale e demodulanti.