Giroscopi mems a lettura nems piezoresistiva : progressi verso applicazioni navigation-grade

This thesis work, carried out at the MEMS laboratory and microsensors of Politecnico di Milano, had the objective of analyzing some of the main critical points regarding M&NEMS gyroscopes based on piezoresistive reading and to propose an effective solution for each of the considered aspects. In particular, this work takes place in a context in which YAW gyroscopes, sensitive to out of plane rotations, reach near navigation-grade performances and the solutions will help improving the performances of these devices towards the request of the navigation market. The first critical issue was the absence of a specific model for quadrature compensation in PITCH devices, which are gyroscopes sensitive to in plane rotations. Thanks to the developed model, it was possible to improve the performance of structures already designed and to propose a new design that will compensate quadrature more effectively with respect to previous designs, considering the same area occupation. At the same time this new design aims at aligning the performance of PITCH gyroscopes to those of YAW gyroscopes. The second topic deals with the origins of the variation of sensitivity against temperature. The starting point were the measurements previously carried out on the temperature coefficient of the sensitivity of M&NEMS gyroscopes. Two different methodologies have been used to analyze, in operation, the trend of the mismatch at different temperatures. This demonstrated that the mismatch temperature coefficient is the main parameter that influences the sensitivity trend presented in literature. Finally, the third criticality addressed lies in the use of an off the shelf lockin-amplifier currently exploited in the setup. A digital demodulation has been implemented in a FPGA board that will allow, once coupled to the integrated electronics, a miniaturization of the system necessary for the use of these gyroscopes in navigation-grade environments.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso il laboratorio MEMS e microsensori del Politecnico di Milano, ha avuto come obiettivo quello di analizzare alcune delle principali criticità riguardanti giroscopi M&NEMS a lettura piezoresistiva e di proporre una soluzione efficace per ciascuno degli aspetti considerati. In particolare, questo lavoro si pone in un contesto in cui i giroscopi M&NEMS di tipo YAW, ovvero sensibili a rotazioni fuori piano, raggiungono prestazioni “near navigation-grade” e le soluzioni proposte permetteranno di avvicinare questi dispositivi alle prestazioni richieste dal mercato navigation. La prima criticità affrontata è stata l’assenza di un modello per la compensazione della quadratura nei dispositivi PITCH, sensibili a rotazioni in piano. Grazie al modello sviluppato è stato possibile migliorare le strutture già ideate e di proporre un nuovo design che migliorasse la quadratura compensabile a parità di area. Allo stesso tempo quest’ultimo si pone l’obiettivo di allineare le prestazioni di giroscopi PITCH a quelle dei giroscopi YAW. Il secondo argomento trattato riguarda le origini della variazione della sensitività in relazione alla temperatura. Partendo da misure precedentemente effettuate sul coefficiente di temperatura della sensitività di giroscopi M&NEMS, sono state utilizzate due diverse metodologie per poter analizzare, in operazione, l’andamento del mismatch al variare della temperatura. Questa campagna di misure ha dimostrato che il coefficiente di temperatura del mismatch è il principale fattore d’influenza dell’andamento del coefficiente in temperatura della sensitività. Infine si è cercato di superare la terza criticità che risiede nell’uso di un Lockin-amplifier da banco attualmente presente nel setup. Si è implementata una demodulazione digitale con una scheda FPGA che permetterà la miniaturizzazione del sistema necessaria per l’utilizzo di questi giroscopi in ambienti navigation-grade.