Giroscopio mode-split in tecnologia MEMS con tecnica di force-to-rebalance

This thesis work, carried out at the MEMS and microsensors laboratory of Politecnico di Milano, concerns the study of one of the first force to rebalance closed-loop systems composed by a mode-split gyroscope. After analysing the possible benefits, a linear model that better represents the loop is built. The focus research is the most suitable regulator for the required performance; in particular, the comparison is between an integral control and two variants of a micro-mirrors double branch control. Validation of the system benefits is supported by a Simulink model, accompanied by first optimization noise studies. A mode-split gyro re-design has been studied to adapt to the force-to-rebalance technique. Its realization was possible through the resources made available by STMicroelectronics, owning thus a device for future experimental measures. Finally, the theoretical Matlab and Simulink model is updated by the mechanical parameters recovered by the re-design. Filters and regulators are programmed on FPGA and validated by simulations carried out by the FPGA in the loop technique; furthermore, allows for to simulation of a system combined with a virtual part and a digital physical one. This project shows that a new possible implementation of the force-to-rebalance system using a mode-split gyroscope is available, which allows to building architectures without automatic mode matching systems.

Questo progetto di tesi, svolto presso il laboratorio di MEMS e microsensori del Politecnico di Milano, è mirato allo studio di uno dei primi sistemi costituito da un giroscopio che opera in mode-split in anello chiuso, sfruttando la tecnica force-to-rebalance. Dopo aver analizzato i possibili benefici ottenibili, si è costruito un modello lineare che meglio rappresenti l'anello conducendo una attenta ricerca sul regolatore più adatto alle prestazioni richieste. In particolare si è confrontato un controllo di tipo integrale e due varianti di un regolatore a doppio ramo. La validazione dei vari vantaggi offerti da questo sistema è stata effettuata tramite la realizzazione di un modello Simulink, accompagnata dai primi studi di ottimizzazione di rumore. Si è studiato un re-design di un giroscopio mode-split adattandolo alla tecnica del force-to-rebalance, in seguito realizzato grazie alle risorse messe a disposizione dell'azienda STMicroelectronics, disponendo così di un dispositivo per le future misurazioni sperimentali. Infine, basandosi sui parametri meccanici ricavati dalla progettazione del nuovo sensore, si è aggiornato il modello Matlab e Simulink e si sono implementati su FPGA i filtri e il regolatore da utilizzare nel sistema completo. Tramite la tecnica FPGA-in-the-loop è stato possibile simulare e validare un modello che combina la componente fisica, ovvero la scheda digitale programmata, e quella virtuale, il sistema restante. Questo progetto apre le porte a un nuovo impiego al giroscopio mode-split, il quale permette di ottenere sistemi a force-to-rebalance con architetture che non richiedono sistemi automatici di mode-matching.