This thesis presents the CMOS readout electronics for both mismatched and mode-matched MEMS gyroscopes. A systematic design of MEMS gyroscope's control loop parameters, which is insensitive to sensor parameters and environmental conditions, is necessary for robust and high performance operation. Extra to the systematic design for high performance operation, some special techniques should be used to further increase the performance of the sensor. In this thesis, as a performance increasing technique, mode-matching method is applied to increase the signal to electronic noise ratio. This is achieved by injecting a perturbation signal to the quadrature cancellation loop, while keeping it decoupled from the angular rate control loop. This injected perturbation signal is used to detect the amount of frequency mismatch that is fed to the mode-match controller in order to tune the sense mode resonance frequency by using spring softening effect. This new controller is implemented in a CMOS ASIC together with the other sensor control loops, and it is verified to maintain matched-mode state under changing environmental conditions. The system reduces the overall output noise of the tested MEMS gyroscope by a factor of 6; truly reaching down to the thermo-mechanical noise floor of 0.23 hr)/√Hz. This performance is obtained with 22mm x 22m packaging and 125mW power consumption.

Bu tez, ayrık mod ve bitişik mod MEMS dönüölçerler için CMOS okuma devrelerini sunmaktadır. MEMS dönüölçerlerin kontrol döngü parametrelerinin, sensör parametrelerinden ve çevre koşullarından etkilenmeden, sistematik şekilde tasarlanması, robast ve yüksek performans için gereklidir. Sistematik tasarıma ek olarak, sensörün performansını daha da artırmak için bazı ekstra teknikler kullanılmalıdır. Bu tezde, performans artırma tekniği olarak, sinyalin elektronik gürültüye olan oranını artıran mod birleştirme tekniği uygulanmıştır. Bu teknik açısal hız kontrol döngüsünden ayrık bir şekilde, ofset giderme devresine pertürbasyon sinyali eklenerek elde edilmiştir. Eklenen pertürbasyon sinyali frekans uyumsuzluk miktarını ölçmek için kullanılır. Bu bilgi mod birleştirme kontrolcüsüne verilerek algılama mod rezonans frekansı yay yumuşama etkisi kullanılarak ayarlanır. Bu yeni kontrolcü diğer sensör kontrol döngüleriyle beraber CMOS ASIC olarak gerçekleştirilmiştir, ve birleşik mod durumu değişen çevre koşullarında doğrulanmıştır. Bu sistem test edilmiş MEMS dönüölçerin çıkış gürültüsünü 6 kat düşürmüştür; termo-mekanik gürültü tabanı olan 0.23 hr)/√Hz ye ulaşılmıştır. Bu performans, 22mm x 22mm lik paketleme ve 125mW güç tüketimi ile elde edilmiştir.