A new mode-matched self-demodulating MEMS gyroscope

This thesis, carried out in the Laboratory of MEMS and Microsensors of Politecnico di Milano, investigated the feasibility of a novel read-out architecture for MEMS gyroscopes in mode-matched operating conditions, capable of generating an auto-demodulated output signal. The proposed technique eliminates thus the issues associated with the phase error between the sense and reference demodulation signals that primarily contributes to bias instability. The operating principle was validated through the development of a complete behavioral model in the Simulink environment; the drive, AGC, AQC loops and sense chain were implemented in the operating conditions with a high frequency modulated rotor, and their performances evaluated. An electro-mechanical re-design of the gyroscope under investigation, based on pre-existing structures and carried out in collaboration with STMicroelectronics, was performed in order to realize a device suitable for experimental testing. The Simulink model was finalized employing the recovered device parameters. Based on this model, a discrete-component Printed Circuit Board (PCB) was designed to enable the future experimental validation of the operating principle and the performance characterization of the gyroscope.

Questa tesi, svolta presso il Laboratorio di MEMS e Microsensori del Politecnico di Milano, è preposta ad investigare la fattibilità di una nuova architettura di read-out per giroscopi MEMS operanti in mode-match che sia in grado di generare un segnale di uscita auto-demodulato. La tecnica proposta elimina quindi le problematiche associate all’inevitabile presenza di un errore di fase tra il segnale di sense e la relativa demodulante, principalmente traducibili in instabilità dell’offset. Il principio di funzionamento è stato validato mediante lo sviluppo di un modello comportamentale completo in ambiente Simulink: gli anelli di drive, AGC, AQC e la catena di sense sono stati implementati nella condizione operativa rappresentata dalla presenza di un rotore modulato mediante un segnale ad alta frequenza, e le loro prestazioni valutate. È stato inoltre effettuato re-design elettro-meccanico del giroscopio oggetto di studio, basato su strutture preesistenti e realizzata in collabora zione con STMicroelectronics, al fine di disporre di un dispositivo per la validazione sperimentale. Il modello Simulink è stato finalizzato adoperando i parametri del dispositivo effettivamente realizzato. Sulla base di tale modello, è stata infine progettata una Printed Circuit Board (PCB) a componenti discreti per consentire la futura verifica sperimentale del principio di funzionamento e la caratterizzazione delle performance del giroscopio.