Caratterizzazione di giroscopi MEMS mode-split e sviluppo di un controllore per la stabilizzazione del mismatch

This Master's thesis addresses the analysis and optimization of capacitive MEMS gyroscopes operating in mode-split configuration, aiming to achieve navigation-grade performance starting from an automotive architecture. The research progresses through multiple methodological stages: initially, mechanical characterization of MEMS gyroscopes was performed at wafer-level to evaluate the variability of resonant frequencies and quality factors for both drive and sense modes. Subsequently, a dedicated multilayer PCB was designed to manage signal acquisition and processing, specifically focusing on minimizing crosstalk and parasitic capacitances. This PCB enabled automated measurement routines, developed in MATLAB, to quantify sensitivity, linearity, and frequency mismatch, uncovering issues such as residual offset and undesired vibrational modes. Finally, an innovative closed-loop control algorithm for automatic mismatch stabilization was designed and simulated, demonstrating the feasibility of device stabilization and improved scale factor robustness. These achievements mark a substantial advancement toward achieving navigation-grade performance for mode-split MEMS gyroscopes.

La presente tesi magistrale affronta l’analisi e l’ottimizzazione di giroscopi MEMS capacitivi in configurazione mode-split, mirata a raggiungere prestazioni di livello nav-grade a partire da un’architettura di tipo automotive. Il lavoro si sviluppa attraverso diverse fasi metodologiche: inizialmente si è condotta una caratterizzazione meccanica dei dispositivi MEMS direttamente sul wafer, per valutare la variabilità delle frequenze di risonanza e dei fattori di qualità dei modi di drive e sense. Successivamente, è stata progettata una scheda elettronica multilayer dedicata all’acquisizione ed elaborazione dei segnali, minimizzando fenomeni di cross-talk e capacità parassite. Tale scheda ha permesso la realizzazione di misurazioni automatizzate della sensitività, della linearità e del mismatch di frequenza tramite algoritmo MATLAB, identificando problematiche quali offset residuo e fenomeni vibrazionali indesiderati. Infine, è stato sviluppato e simulato un algoritmo innovativo per il controllo automatico del mismatch di frequenza tramite tecniche in anello chiuso, dimostrando la possibilità di stabilizzare il dispositivo e migliorare la robustezza dello scale factor. I risultati ottenuti costituiscono un significativo passo avanti verso il raggiungimento di prestazioni nav-grade per i giroscopi MEMS mode-split.