This thesis, for the first time in literature, introduces a comprehensive study about analog controller designs for MEMS vibratory gyroscopes. A controller of a MEMS gyroscope is mandatory for robust operation, which is insensitive to sensor parameters and ambient conditions. Errors in the controller design not only deteriorate transient performance, such as settling time and overshoot, but also cause performance degradation due to stability problems. Accordingly, true controller design for a gyroscope is critical work in terms of functionality and system performance. This thesis gives details for modeling, analysis of closed-loop systems, and design procedure for drive and sense modes. Controller loops are implemented both with discrete components and in a CMOS technology as an integrated circuit. Simulation and test results verify the modeling, analysis, and design procedure discussed in this thesis.Drive mode system developed previously at METU is optimized by taking circuit imperfections into account, which results in an improved transient performance of 50 msec settling time with no overshoot for a 4um drive mode oscillation amplitude. This system has a 60 degree phase margin with the help of the pole-zero cancellation technique. In addition, a new generation and simple drive mode controller for tactical grade applications is designed and verified with a moderate transient performance.Two dierent sense mode controller design procedures are also developed according to a new base-band equivalent model derived for mismatch operation, as a new contribution to the literature. Firstly, a PID controller is designed for low frequency separation between the drive and sense modes of the gyroscope. Secondly, an integral controller is used for moderate and high mismatch amount. The controller system designed with the new base-band equivalent model improves the linearity, angle random walk, and bias instability by factors of 4, 9, and 3, respectively.Proposed drive and sense mode controllers are also designed and implemented using a 0.6um standard CMOS process. These chips are the first functional chips developed at METU designed for MEMS gyroscopes. Functionality of the proposed three systems, i.e., conventional drive mode controller, new generation drive mode controller, and sense mode controller, are verified with tests. The first prototypes result in 0.033 degree/sqrt(hr) angle random walk and 3 degree/hr bias instability for open-loop operation, which is very promising and can be improved even further in future designs.

Bu tez literatürde ilk defa MEMS dönüölçerler ile ilgili kapsamlı bir calışmayı sunmaktadır. MEMS dönü ölçerlerde kontrol, sensör parametrelerinden ve ortam koşullarında bağımsız çalışma için zorunludur. Kontrolcü tasarımlarındaki hatalar sistemin geçiş zamanındaki performansını etkilemek ile beraber kararsızlık gibi fonksiyonel sorunlara da yol açabilir. Buna bağlı olarak, doğru kontrolcü tasarımı işlev ve sistem performansı acısından kritik rol almaktadır. Bu tez, sürüş ve algılama modu kapalı döngü sistemleri için modelleme, sistem analizi ve kontrolcü tasarımı konularında detaylı bilgiler vermektedir. Kapalı döngüler hem ayrık elemanları kullanarak, hem de CMOS teknolojisinde tümleşik devreler biçiminde oluşturulmuştur. Simülasyon ve test sonuçları da tezde sunulan modelleme, analiz ve tasarım çalışmalarını desteklemektedir.ODTÜ'de daha önce gerçekleştirilmiş sürüş modu devrelerden gelen kusurlar da hesaba katılarak optimize edilmiştir. Bu optimizasyonla 4u sürüş modu hareketi için 50 ms yatışma zamanı ve 0 hedefi aşma sonuçlarına ulaşılmıştır. 60 derece faz marjı kutup-sıfır çıkarma metodu ile elde edilmiştir. Buna ek olarak, orta seviye geçiş performansı için yeni nesil ve basit sürüş modu kontrolcü sistemi taktik seviye uygulamaları için tasarlanmıştır.Literatürde ilk defa sunulan algılama modunun ana-banttaki eşdeğer modeli kullanılarak, iki çeşit kontrolcü tasarımı geliştirilmiştir. İlk olarak, orantılı-entegral-türetme kontrolcüsüdüşük eşlememe miktarı için tasarlanmıştır. İkinci olarak, entegral kontrolcüsü kullanılarak orta ve yüksek miktardaki eşleşmeme miktarı için bir tasarım yapılmıştır. Ana-banttaki eşdeğer model kullanılarak gerçekleştirilmiş olan tasarım ile, sabit kayma kararsızlığında, açı rastgele yürüyüşünde ve doğrusalsızlıkta sırasıyla 3, 5 ve 9 katlık iyileşmeler görülmüştür.Öne sürülen kontrol sistemleri 0.6u standart CMOS prosesi için tasarlanmış ve bu tasarımlar ürettirilmiştir. Bu üretilen yongalar ODTÜ'de geliştirilen MEMS dönüölçerler için yapılmış ilk fonksiyonel devrelerdir. Geleneksel sürüş modu kontrolcüsü, yeni nesil sürüş modu kontrolcüsü ve algılama modu kontrolcüsü devrelerinin işlevselliği doğrulanmıştır. 0.033 derece/kök(saat) açı rastgele yürüyüşü ve 3derece/saat sabit kayma kararsızlığı değerleri, açık döngü sistemi için elde edilmiştir. Bu sonuçlar ilk prototipler için çok umut vericidir ve gelecekteki çalışmalarda daha da iyileştirilecektir.