電容式硅微陀螺接口ASIC芯片集成技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的陀螺儀相比，基于MEMS工藝和CMOS技術(shù)的微機械陀螺具有低成本、輕體積、低功耗、高可靠性等特點，不僅在汽車電子、醫(yī)療器械、運動機械等民用領(lǐng)域需求廣泛，而且在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、微型飛行器等等軍事領(lǐng)域也得到大量的應(yīng)用。隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，對電容式硅微陀螺系統(tǒng)提出了更高的要求。
　　電容式硅微陀螺系統(tǒng)中接口ASIC芯片的集成技術(shù)需要解決如下關(guān)鍵問題：接口電路中驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)都存在非線性，會對系統(tǒng)的靈敏度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能產(chǎn)生影

2、響；對于微機械陀螺驅(qū)動電路而言，影響驅(qū)動穩(wěn)定性的重要因素是相位噪聲，目前研究缺乏多噪聲源相位噪聲的分析以及優(yōu)化手段；正交誤差和失調(diào)誤差等非理想因素是影響微機械陀螺性能提升的重要因素，而且正交誤差的反饋信號的耦合也影響電路檢測精度。本文針對上述問題進行了微陀螺接口電路非線性、閉環(huán)驅(qū)動多噪聲源相位噪聲模型、正交誤差和失調(diào)誤差補償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的深入研究。
　　首先，本文通過理論分析對微陀螺接口電路各部分的非線性進行研究，微陀螺系統(tǒng)中驅(qū)動模

3、態(tài)的非線性主要是由驅(qū)動電壓到驅(qū)動位移的轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生，檢測模態(tài)中的非線性主要是由檢測位移到前級輸出電壓以及接口電路中電壓信號的二次解調(diào)過程產(chǎn)生的，文中定性分析了包括驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)引起非線性的原因，定量分析了二次解調(diào)電路中解調(diào)參考信號對系統(tǒng)非線性的影響。針對相敏解調(diào)電路的正負傳遞特性不一致的問題進行了研究，提出了改進方案，并設(shè)計了高線性度的相敏解調(diào)電路。
　　其次，針對多噪聲源對驅(qū)動模態(tài)相位噪聲的影響，建立了多噪聲源自激驅(qū)動電路

4、相位噪聲耦合模型，該模型得出微陀螺閉環(huán)驅(qū)動電路中的相位噪聲主要影響源包括：接近直流的低頻干擾、驅(qū)動諧振頻率附近的噪聲、驅(qū)動信號多次諧波處的噪聲。針對前級電荷放大器進行了噪聲測試，并對驅(qū)動環(huán)路進行了噪聲注入實驗，實驗得出接近直流部分為低頻噪聲和驅(qū)動諧振頻率附近的噪聲是主要影響因素，通過減小低頻噪聲可降低相位噪聲。對電荷放大器噪聲模型進行了分析，得出了電路前級電荷放大器噪聲參數(shù)的折中關(guān)系，設(shè)計了基于電容匹配技術(shù)的低噪聲電荷放大器，降低了驅(qū)動

5、環(huán)路的相位噪聲，提高了驅(qū)動環(huán)路的頻率穩(wěn)定性。
　　再次，為了解決微陀螺系統(tǒng)正交耦合誤差的問題，在理論分析的基礎(chǔ)上建立了消除正交誤差的行為級模型，在該模型的指導(dǎo)下，提出了一種新穎的兼容無反饋電極的正交誤差消除電路，該電路在有效消除正交誤差的同時避免了信號耦合干擾增加等問題。
　　最后，設(shè)計了基于頻率調(diào)制原理的驅(qū)動電路，該電路可消除驅(qū)動信號對位移信號的同頻耦合，同時兼容低 Q值的陀螺結(jié)構(gòu)。設(shè)計了基于二次解調(diào)原理的檢測電路。設(shè)計了