Fully integrated Lissajous Frequency Modulated MEMS Gyroscope

Lissajous Frequency Modulated Gyroscopes have been recently introduced in literature and are part of a new class of gyroscopes based on frequency modulation which can revolutionize the world of MEMS rate sensors, filling the gap between consumer and high-end market segments. This Thesis presents the development of the first fully integrated LFMG system. Advantages and issues on this working principle will be addressed, thanks to the extensive characterization routine made on a former implementation of such system featuring partial digital-output signals. Experimental results confirmed the high stability performances of this type of gyroscope, showing a bias stability of 5 °/h after 20 minutes of observation time, obtained without any calibration routine. The exhaustive characterization made on the former system enabled to also identify a set of second-order non-idealities which are first theoretically analyzed and modeled either with analytical expressions or behavioral simulations. In order to solve these non-idealities, some architectural changes will be presented, in particular on the amplitude control loop and on the reference extraction circuit. Moreover, the implementation of an integrated digital processing unit is found to be mandatory for the new prototype. The manuscript then follows with the description of the redesigned system. Firstly, the new MEMS structures are introduced which will be operated with the new designed ASIC. The latter is composed by three main subsystems: (i) the analog front-end oscillators, which are used to keep the moving mass in oscillation, and the secondary amplitude-control loop, which is used to set the amplitude of the displacement of the proof mass on both axes. One main achievement of this thesis is the design of a novel adaptive control loop which automatically changes the bandwidth depending on the operating condition of the MEMS sensor. The front-end subsystem provides the frequency modulated signal to (ii) the frequency-to-digital converter, a mixed-signal circuit which converts the input signal to an output digital word proportional to the frequency of the input signal, and a reference extraction circuit. This circuit is crucial for the whole operation of the system, and can compromise its performances as pointed out from the measurement results. A novel approach on the implementation of this block will be also presented which solves the issues found on the former version. Finally, (iii) the design of the digital processing unit is addressed, which has the role of filtering the digital signal at the output of the frequency converter and demodulating it with the reference signal on both axes. The last operation is then the sum of the two channels which is achieved with a resampling operation. The ASIC features also an SPI interface in order to receive the configuration of the trimming registers inside the system and to output the 24-bit signals of both channels before the resampling stage and the 24-bit signal at its output. A PCB is then designed to characterize the integrated LFMG system. The ASIC is interfaced with a STM32 microcontroller which sends the output digital signals to the PC. Preliminary measurements on the developed integrated system are also presented.

I giroscopi a modulazione di frequenza di tipo Lissajous (LFMG) sono stati recentemente introdotti in letteratura e fanno parte di una nuova classe di giroscopi basati sulla modulazione di frequenza, che promettono di soddisfare i requisiti richiesti dal mercato “Consumer+” per gli anni a venire. Questa tesi presenta la prima completa integrazione di un sistema di questo tipo, formato dal giroscopio MEMS e dal circuito integrato dedicato. Saranno affrontati vantaggi e svantaggi relativi a questo principio di funzionamento, supportati dalla routine di caratterizzazione effettuata su una precedente implementazione di tale sistema con parziali uscite digitali. Tali risultati hanno confermato le elevate prestazioni di stabilità di questo giroscopio, dimostrando una bias stability di 5 °/h dopo 20 minuti di osservazione, ottenuta senza alcuna routine di calibrazione. La caratterizzazione sperimentale ha consentito inoltre di identificare le varie non-idealità di ordine superiore, che sono state pertanto studiate tramite modelli matematici e tramite simulazioni comportamentali del sistema. Nuove soluzioni architetturali vengono dunque presentate per risolvere tali problemi, soprattutto sull'anello di controllo di ampiezza e sul circuito di estrazione del riferimento di demodulazione. La tesi segue poi con la descrizione del sistema riprogettato. In primo luogo, vengono introdotte le nuove strutture MEMS, disegnate per soddisfare i nuovi requisiti del sistema, poi l’elaborato procede con la descrizione del circuito integrato, composto da tre macro-blocchi: (i) gli oscillatori analogici di front-end, utilizzati per mantenere in oscillazione la massa mobile del sensore in due direzioni perpendicolari, e l'anello secondario di controllo dell'ampiezza costituiscono il primo blocco; (ii) il convertitore mixed-signal, che traduce il segnale di ingresso in una parola digitale proporzionale alla frequenza del segnale stesso, e il circuito di estrazione del riferimento per la demodulazione; (iii) l’unità di elaborazione digitale dedicata, che ha il ruolo di filtrare il segnale digitale all'uscita del convertitore di frequenza e demodularlo con il segnale di riferimento su entrambi gli assi. L'ASIC dispone inoltre di un'interfaccia SPI, utilizzata per configurare i registri interni e per fornire i segnali di uscita a 24 bit. Infine, viene presentata la PCB progettata per caratterizzare tale sistema integrato, la quale monta un microcontrollore STM32 che si interfaccia con il PC tramite bus USB. L’elaborato termina con le prime caratterizzazioni sperimentali del sistema e le validazioni del suo corretto funzionamento.