Elettronica di caratterizzazione e controllo di giroscopi MEMS a disco per misura diretta dell'angolo

MEMS inertial sensors, due to their small size and low cost, are widely used in automotive and consumer electronics applications. Over the past few years, there has been a growing interest in high-performance sensors for high-end applications, such as navigation. In particular, MEMS rate integrating gyroscopes (RIGs) have attracted increasing attention due to their ability to measure the rotation angle directly, rather than the angular rate. This approach offers a significant advantage: by directly measuring the angle, it is possible to avoid the numerical integration of offset and noise, which would otherwise result in angular drift over time. In practice, these sensors suffer from poor performance when measuring low angular rates, which currently prevents their use in commercial applications. Research efforts are therefore focused on finding solutions to overcome this limitation. In this thesis, a PCB was developed for the characterization of a rateintegrating gyroscope (RIG) based on a disk resonator gyroscope (DRG) structure. The devices were fabricated using a commercial MEMS process and subsequently characterized experimentally, analyzing the feedthrough, resonance frequency matching, quality factor tuning, scale factor γ characterization, and noise performance. Experimental measurements yielded a scale factor of 0.788 with a linearity error below 0.34% over an angular rate range from 300 to 1500 dps, and a sensor noise floor of 0.8 m◦/√Hz were obtained.

I sensori inerziali MEMS, grazie alle loro dimensioni ridotte e al basso costo, sono ampiamente diffusi nei settori della guida autonoma e dell’elettronica di consumo. Negli ultimi anni si e registrato un crescente interesse verso applicazioni high-end, come la navigazione inerziale, che richiedono sensori ad alte prestazioni. Nello specifico l’impiego di giroscopi MEMS a misura diretta dell’angolo sta suscitando un crescente interesse grazie alla capacità di misurare direttamente l’angolo, anziché la velocita angolare. Questo tipo di giroscopio presenta un notevole vantaggio: la misura diretta dell’angolo consente di evitare l’integrazione numerica di offset e rumore, che altrimenti porterebbero a una deriva dell’angolo nel tempo. Nella pratica, questi sensori non sono in grado di misurare basse velocita angolari, una limitazione che attualmente ne ostacola l’impiego in applicazioni commerciali. La ricerca e pertanto rivolta all’individuazione di soluzioni in grado di superare tale limite. In questa tesi e stata sviluppata una scheda per la caratterizzazione di un giroscopio a misura diretta dell’angolo, basato su una struttura DRG (Disk Resonator Gyroscope). I dispositivi sono stati realizzati mediante un processo MEMS commerciale e successivamente caratterizzati sperimentalmente, analizzando il feedthrough, il matching delle frequenze di risonanza, la regolazione del fattore di merito, la caratterizzazione del fattore di scala γ e il rumore. Dalle misure sperimentali e risultato un fattore di scala pari a 0.788 con un errore di linearità inferiore al 0.34% nell’intervallo di velocita angolari comprese tra 300 e 1500 dps, e un fondo di rumore del sensore pari a 0.8 m◦/√Hz.