球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：TP212.13學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621.3密級(jí)：公開工學(xué)博士學(xué)位論文工學(xué)博士學(xué)位論文球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC研究博士研究生：任明遠(yuǎn)導(dǎo)師：毛志剛教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：微電子學(xué)與固體電子學(xué)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2016年1月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要I摘要球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺在懸浮穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速方面具有優(yōu)勢，在微陀螺研究領(lǐng)域倍受關(guān)注，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。若要進(jìn)一步提高球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的性

2、能與集成度，則需要開展接口電路集成化研究。專用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC）技術(shù)對(duì)于提高傳感器接口電路性能和集成度具有重要作用。對(duì)球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC的研究是提高該器件性能和集成度的一個(gè)重要手段。球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC的研究需要解決敏感結(jié)構(gòu)電學(xué)特性、檢測系統(tǒng)噪聲特性和新型檢測技術(shù)等關(guān)鍵問題。針對(duì)上述問題，本文開展的研究內(nèi)容如下：球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC總體

3、方案設(shè)計(jì)。接口ASIC設(shè)計(jì)需要集成電路仿真工具輔助設(shè)計(jì)，目前尚無球碟轉(zhuǎn)子式陀螺的結(jié)構(gòu)等效電學(xué)模型。分析球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的非理想因素，結(jié)合能量守恒與參數(shù)等效的建模方法，建立了相應(yīng)的等效電學(xué)模型。該模型適用于接口ASIC的系統(tǒng)聯(lián)合仿真，接口ASIC系統(tǒng)的仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果具有一致的響應(yīng)趨勢。建立球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC系統(tǒng)噪聲模型。接口ASIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件參數(shù)設(shè)定需要陀螺系統(tǒng)噪聲模型，模型應(yīng)包含微陀螺機(jī)械噪聲、驅(qū)動(dòng)干擾以及電路噪聲

4、。然而，現(xiàn)有的系統(tǒng)噪聲模型并未考慮上述非理想因素的影響。分析了機(jī)械噪聲與檢測電路結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并定量研究了驅(qū)動(dòng)干擾和接口ASIC電路噪聲，優(yōu)化了接口ASIC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)測結(jié)果表明，根據(jù)系統(tǒng)噪聲模型的理論分析結(jié)果，優(yōu)化后的檢測電路可以有效降低系統(tǒng)噪聲水平。由于信號(hào)交叉耦合和多頻率混疊的問題，使得球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的檢測精度受到限制。提出了一種接口ASIC中的時(shí)分頻分復(fù)用的微弱電容高精度檢測方法。該方法采用時(shí)分復(fù)用和調(diào)制解調(diào)技術(shù)，降低了球

5、碟轉(zhuǎn)子式微陀螺角速度敏感結(jié)構(gòu)檢測軸間信號(hào)的交叉耦合，解決了多頻率相敏解調(diào)信號(hào)的混疊問題。仿真結(jié)果表明時(shí)分頻分復(fù)用檢測方法使信號(hào)交叉耦合減小一個(gè)數(shù)量級(jí)?；谝陨涎芯?，運(yùn)用時(shí)分頻分復(fù)用技術(shù)設(shè)計(jì)低噪聲接口ASIC，采用0.5μm高壓互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetalOxideSemiconduct，CMOS）工藝流片。流片測試結(jié)果表明：電容相對(duì)分辨率為1108，非線性誤差為0.02%。該芯片配合球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺表頭進(jìn)行