球碟转子式微陀螺接口ASIC研究

发布时间：2019-09-29 03:35

【摘要】：球碟转子式微陀螺在悬浮稳定性和转速方面具有优势,在微陀螺研究领域倍受关注,已成为当前研究的热点。若要进一步提高球碟转子式微陀螺的性能与集成度,则需要开展接口电路集成化研究。专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技术对于提高传感器接口电路性能和集成度具有重要作用。对球碟转子式微陀螺接口ASIC的研究是提高该器件性能和集成度的一个重要手段。球碟转子式微陀螺接口ASIC的研究需要解决敏感结构电学特性、检测系统噪声特性和新型检测技术等关键问题。针对上述问题,本文开展的研究内容如下:球碟转子式微陀螺接口ASIC总体方案设计。接口ASIC设计需要集成电路仿真工具辅助设计,目前尚无球碟转子式陀螺的结构等效电学模型。分析球碟转子式微陀螺的非理想因素,结合能量守恒与参数等效的建模方法,建立了相应的等效电学模型。该模型适用于接口ASIC的系统联合仿真,接口ASIC系统的仿真结果和实测结果具有一致的响应趋势。建立球碟转子式微陀螺接口ASIC系统噪声模型。接口ASIC拓扑结构设计及器件参数设定需要陀螺系统噪声模型,模型应包含微陀螺机械噪声、驱动干扰以及电路噪声。然而,现有的系统噪声模型并未考虑上述非理想因素的影响。分析了机械噪声与检测电路结构参数的关系,并定量研究了驱动干扰和接口ASIC电路噪声,优化了接口ASIC的拓扑结构。实测结果表明,根据系统噪声模型的理论分析结果,优化后的检测电路可以有效降低系统噪声水平。由于信号交叉耦合和多频率混叠的问题,使得球碟转子式微陀螺的检测精度受到限制。提出了一种接口ASIC中的时分频分复用的微弱电容高精度检测方法。该方法采用时分复用和调制解调技术,降低了球碟转子式微陀螺角速度敏感结构检测轴间信号的交叉耦合,解决了多频率相敏解调信号的混叠问题。仿真结果表明时分频分复用检测方法使信号交叉耦合减小一个数量级。基于以上研究,运用时分频分复用技术设计低噪声接口ASIC,采用0.5μm高压互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺流片。流片测试结果表明:电容相对分辨率为1×10-8,非线性误差为0.02%。该芯片配合球碟转子式微陀螺表头进行了系统测试。系统测试结果表明:噪声为0.003 o/s/Hz1/2,非线性误差为0.05%。
【图文】：

静电悬浮,转子式,微陀螺,圆环

图 1-2 静电悬浮圆环转子式微陀螺[9]ctrostatic levitated micro gyroscope with决方案方面，2000 年，英国南安普敦大微陀螺的处理电路进行改进，实现圆盘年，研制出静电悬浮圆盘转子式微陀螺

静电悬浮,微陀螺,上海交通大学

图 1-4 上海交通大学研制的静电悬浮微陀螺rostatic suspended micro gyroscope developed bUniversity[14]解决方案方面，2002 年，清华大学设计一在 20 kHz 以内，且测量范围在 20 μm 以位移，可用于三轴静电悬浮系统的转子微由度静电悬浮微机械陀螺表头，如图 1-现[22-27]。2011 年，，研制出五自由度静电悬速可达 73.3 rpm[28]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96

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