Giroscopi Mems a misura diretta dell’angolo: analisi comportamentale, definizione dei controllori e progettazione elettromeccanica

Over the past few years, gyroscopes have become essential in a wide variety of electronic applications: from the automotive industry to smartphones. This has allowed MEMS (Micro Electro-Mechanical System) gyroscopes to become widely used, due to the possibility of batch manufacturability at low fabrication costs. However, in order to establish themselves even in high-end applications, such as the biomedical and aerospace industries, the specifications to be met are increasingly stringent. In particular, amplitude-modulated (AM) MEMS gyroscopes have shown some critical issues in inertial navigation applications due to the numerical integration of the errors (noise and offset) superimposed to the actual angular velocity to be measured, therefore resulting in the divergence of the estimated rotation angle. To improve the performance, the application of MEMS technology in RIG mode gyroscopes has begun to be investigated. This kind of gyroscopes operate in whole-angle mode, which allows the problem of error integration to be avoided thanks to the direct measurement of the rotation angle. In this Thesis, the mechanical behavior of RIGs is analyzed, both in the ideal and non-ideal cases, and a control system that allows whole-angle operation is then investigated. Finally, a possible implementation of a RIG gyroscope in MEMS technology is examined. Simulation results shows an accuracy in angle measurement of 0.45 degrms for the proposed implementation, which is promising for future project and design of whole-angle MEMS gyroscopes for high-end applications.

Nel corso degli ultimi anni i giroscopi sono diventati sensori indispensabili nelle più varie applicazioni dell’elettronica: dall’industria dell’automobile agli smartphone. Questo ha permesso un’ampia diffusione dei giroscopi MEMS (Micro Electro-Mechanical System), grazie alla possibilità di produzione su larga scala e ai bassi costi di fabbricazione. Tuttavia, per potersi affermare anche in settori high-end come quelli biomedicale e aerospaziale, le specifiche da soddisfare risultano sempre più stringenti. In particolare, i giroscopi MEMS allo stato dell’arte, basati su modulazione di ampiezza (AM), mostrano alcune criticità in applicazioni di navigazione inerziale, a causa dell’integrazione numerica degli errori (rumore e offset) sovrapposti alla velocità angolare misurata, che portano l’angolo di rotazione stimato a divergere. Per migliorare le prestazioni si è iniziato a studiare l’applicazione della tecnologia MEMS all’implementazione di giroscopi che operano come RIG (Rate-Integrating Gyroscopes). L’operazione whole-angle di questa tipologia ha mostrato risultati promettenti grazie alla misurazione diretta dell’angolo di rotazione, che permette di evitare l’integrazione degli errori. Per questa ragione, in questo progetto di Tesi viene studiato analiticamente il comportamento meccanico dei giroscopi RIG, sia nel caso ideale, sia con introduzione di non idealità di fabbricazione. Viene poi studiato un sistema di controllo per consentirne il funzionamento in modalità wholeangle. Infine, viene esaminata una possibile struttura di giroscopi RIG implementata in tecnologia MEMS. Risultati di simulazione mostrano come l’implementazione proposta consenta di raggiungere un’accuratezza teorica nell’ordine di 0.45 degrms, che risulta promettente per la futura progettazione e il design di giroscopi MEMS whole-angle per applicazioni high-end di navigazione inerziale.