Exploring the future of navigation: high TRL piezoresistive MEMS gyroscopes

In the last two decades navigation applications, currently based on fiber optic and hemispherical resonator gyroscopes, have been leading the MEMS gyroscopes market and research as they could greatly benefit from the inherent low area occupation, power consumption and cost. This thesis discusses the efforts to enhance the performance of amplitude modulated mode-split piezoresistive gyroscopes to cope with the requirements of inertial navigation applications. The work starts from a temperature characterization of the sensors, as in the considered scenario environmental conditions usually play a large role. Then, near navigation-grade performance are demonstrated by coupling the gyroscope with a custom designed low-noise integrated circuit, implementing the drive loop, automatic gain control loop and an open-loop sense chain, while digitization, demodulation and data transfer are performed by an off-the-shelf lock-in amplifier. Afterwards, in order to allow a full market compliant validation of the sensors, a pre-industrial compact and stand-alone FPGA-based demonstrator has been developed to extend the technology readiness level, providing consistent results with higher fidelity. Further miniaturization is sought through a second generation of the integrated circuit that adds the demodulation and automatic quadrature compensation stages. Also, a preliminary analysis and design for the integration of a high-resolution analog-to-digital converter is presented. Finally, the design of electromechanical structures for both yaw and pitch/roll gyroscopes is discussed, with a focus on the latter topology, for which an innovative architecture is presented as well as the possibility of improving performance exploiting a higher MEMS layer thickness.

Negli ultimi due decenni le applicazioni di navigazione, attualmente basate su giroscopi a fibra ottica e a risonatore emisferico, hanno indirizzato il mercato e la ricerca sui giroscopi MEMS, poiché potrebbero trarre grande vantaggio dalla bassa occupazione di area, dal basso consumo energetico e dai costi ridotti garantiti da questa tecnologia. Questa tesi discute le attività condotte per migliorare le prestazioni dei giroscopi piezoresistivi a modulazione di ampiezza, operati in modalità mode-split, e soddisfare i requisiti delle applicazioni di navigazione inerziale. Inizialmente, viene presentata la caratterizzazione termica dei sensori, poiché nello scenario considerato le condizioni ambientali ricoprono solitamente un ruolo importante. Successivamente, vengono dimostrate prestazioni prossime al grado di navigazione inerziale accoppiando il giroscopio ad un circuito integrato a basso rumore progettato ad hoc, il quale implementa il loop di drive, il loop di controllo automatico del guadagno e una catena di sense ad anello aperto, mentre la digitalizzazione, la demodulazione e il trasferimento dei dati sono eseguiti da un amplificatore lock-in da banco. In seguito, per consentire una validazione dei sensori completa e conforme al mercato, è stato sviluppato un dimostratore preindustriale compatto e autonomo, basato su FPGA, per estendere il livello di maturità tecnologica, fornendo risultati coerenti e con maggiore fedeltà. La miniaturizzazione del sistema è poi proseguita attraverso una seconda generazione del circuito integrato che aggiunge i blocchi di demodulazione e di compensazione automatica della quadratura. Inoltre, viene presentata un'analisi preliminare e la progettazione per l'integrazione di un convertitore analogico-digitale ad alta risoluzione. Infine, viene discussa la progettazione elettromeccanica di giroscopi piezoresistivi sia di tipo yaw che pitch/roll, con un focus su quest'ultima topologia, per la quale viene presentata un'architettura innovativa nonché la possibilità di migliorare le prestazioni sfruttando un incremento dell’altezza di processo del layer MEMS.