Development of rate-integrating gyroscopes in a commercial MEMS fabrication process

Over the past few decades, microelectromechanical (MEMS) inertial sensors have become widespread in the automotive and consumer electronics markets thanks to their compact size and low manufacturing cost. In recent years, the growing interest in high-end applications such as inertial navigation prompted an ever-increasing demand for high-performance inertial sensors, and especially for gyroscopes. Guided by stringent long-term stability specifications, research effort is currently being put into exploring unconventional modes of operation: the focus of this work is the development of rate-integrating gyroscopes (RIGs), whose ability to directly measure angular displacement represents a theoretical advantage over conventional rate gyroscopes, as it inherently mitigates the error accumulation associated with numerical integration. High-quality-factor devices are fabricated in a commercial MEMS manufacturing process and an FPGA-based control system is implemented. The developed gyroscopes exhibit outstanding scale-factor characteristics, achieving a stability of 45.5 ppb over a precession angle exceeding 11 million degrees, a temperature variability of 36.9 ppm in the 20 °C to 80 °C range, and a linearity error of 0.07% for applied angular rates larger than 200 dps. Concurrently, a noise floor of 100 µdeg/√Hz is demonstrated, limited by the mechanical nonlinearity of the device.

Negli ultimi decenni, i sensori inerziali microelettromeccanici (MEMS) si sono ampiamente diffusi nei mercati dell'automotive e dell'elettronica di consumo grazie alle loro dimensioni compatte e ai bassi costi di produzione. Negli ultimi anni, il crescente interesse per applicazioni high-end come la navigazione inerziale ha generato una domanda sempre maggiore di sensori inerziali ad alte prestazioni, in particolare di giroscopi. Sostenuta da specifiche stringenti in termini di stabilità a lungo termine, la ricerca si concentra attualmente sull'esplorare modalità di funzionamento non convenzionali: l'obiettivo di questo lavoro è lo sviluppo di giroscopi rate-integrating (RIG), la cui capacità di misurare direttamente lo spostamento angolare rappresenta un vantaggio teorico rispetto ai giroscopi convenzionali, poiché mitiga intrinsecamente l'accumulo di errori associati all'integrazione numerica della velocità angolare. Dispositivi con fattore di merito elevato sono realizzati in un processo di produzione MEMS commerciale, e viene implementato un sistema di controllo basato su FPGA. I giroscopi sviluppati dimostrano eccellenti prestazioni in termini di fattore di scala, raggiungendo una stabilità di 45.5 ppb a fronte di un angolo di precessione di oltre 11 milioni di gradi, una variabilità in temperatura di 36.9 ppm nell'intervallo da 20 °C a 80 °C, e un errore di linearità dello 0.07% per velocità angolari applicate superiori a 200 dps. Viene inoltre dimostrato un fondo di rumore di 100 µdeg/√Hz, limitato dalla nonlinearità meccanica del dispositivo.