Piezoresistive m and nems gyroscopes: analysis and improvements for navigation applications

The purpose of the research presented in this dissertation is to investigate and improve piezoresistive M&NEMS gyroscopes, a class of inertial sensors that combines nanoscale piezoresistive elements with micromechanical structures. These devices, despite their compact size, can reach levels of precision once reserved for much larger and more complex navigation-grade instruments. The research began with a practical question: how much can the performance of silicon-based M&NEMS gyroscopes be enhanced through a detailed understanding and compensation both from a system and a design point of view? Addressing this question required a multi-level approach, spanning from analytical modeling and numerical simulation to device characterization, packaging analysis, and electronic system design. The research first focuses on understanding the origin of non-linearities that limit the dynamic range of piezoresistive gyroscopes and proposes an intrinsic compensation method based on the tuning of quadrature electrodes. It then extends the analysis to long-term stability, demonstrating that slow variations in the zero-rate output can be directly related to mechanical stress in the sensing nano-gauges. By exploiting this correlation, a strategy for real-time bias compensation is introduced, showing the potential of using the sensing elements themselves as in-situ stress monitors. Finally, novel structural concepts are proposed to overcome fundamental tradeoffs between sensitivity, linearity, and robustness, paving the way for new generations of high-performance piezoresistive gyroscopes. Beyond its specific technical results, this work contributes to the broader effort of developing fully integrated MEMS gyroscopes that can maintain stable performance in real-world, uncontrolled conditions. Such progress brings these devices closer to practical use in advanced navigation, robotics, and precision sensing systems.

Lo scopo della ricerca presentata in questa tesi è investigare e migliorare i giroscopi M&NEMS piezoresistivi, una classe di sensori inerziali che combina elementi piezoresistivi su scala nanometrica con strutture micromeccaniche. Questi dispositivi, nonostante le dimensioni compatte, possono raggiungere livelli di precisione un tempo riservati a strumenti di navigazione di dimensioni molto maggiori e di maggiore complessità. La ricerca ha preso avvio da una domanda pratica: in che misura è possibile migliorare le prestazioni dei giroscopi M&NEMS in silicio attraverso una comprensione approfondita e una compensazione sia a livello di sistema sia di progetto? Affrontare tale quesito ha richiesto un approccio multilivello, che spazia dalla modellazione analitica e dalla simulazione numerica alla caratterizzazione dei dispositivi, all’analisi del packaging e alla progettazione dei sistemi elettronici. La ricerca si concentra innanzitutto sulla comprensione dell’origine delle non linearità che limitano la dinamica dei giroscopi piezoresistivi e propone un metodo di compensazione intrinseco basato sulla taratura degli elettrodi di quadratura. L’analisi viene poi estesa alla stabilità a lungo termine, dimostrando che le lente variazioni dell’uscita a tasso nullo possono essere direttamente correlate alle sollecitazioni meccaniche nei nano-gauge di sensing. Sfruttando tale correlazione, viene introdotta una strategia di compensazione in tempo reale del bias, che evidenzia il potenziale utilizzo degli stessi elementi di misura come sensori di stress in-situ. Infine, vengono proposti nuovi concetti strutturali per superare i compromessi fondamentali tra sensibilità, linearità e robustezza, aprendo la strada a nuove generazioni di giroscopi piezoresistivi ad alte prestazioni. Oltre ai risultati tecnici specifici, questo lavoro contribuisce allo sforzo più ampio volto allo sviluppo di giroscopi MEMS completamente integrati in grado di mantenere prestazioni stabili in condizioni reali e non controllate. Tali progressi avvicinano questi dispositivi all’impiego pratico in sistemi avanzati di navigazione, robotica e sensoristica di precisione.