球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號：TP212.13學校代碼：10213國際圖書分類號：621.3密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC研究博士研究生：任明遠導師：毛志剛教授申請學位：工學博士學科：微電子學與固體電子學所在單位：航天學院答辯日期：2016年1月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要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，已成為當前研究的熱點。若要進一步提高球碟轉(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)對于提高傳感器接口電路性能和集成度具有重要作用。對球碟轉(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、方案設計。接口ASIC設計需要集成電路仿真工具輔助設計，目前尚無球碟轉(zhuǎn)子式陀螺的結(jié)構(gòu)等效電學模型。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，建立了相應的等效電學模型。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)果和實測結(jié)果具有一致的響應趨勢。建立球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC系統(tǒng)噪聲模型。接口ASIC拓撲結(jié)構(gòu)設計及器件參數(shù)設定需要陀螺系統(tǒng)噪聲模型，模型應包含微陀螺機械噪聲、驅(qū)動干擾以及電路噪聲

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)動干擾和接口ASIC電路噪聲，優(yōu)化了接口ASIC的拓撲結(jié)構(gòu)。實測結(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中的時分頻分復用的微弱電容高精度檢測方法。該方法采用時分復用和調(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)檢測軸間信號的交叉耦合，解決了多頻率相敏解調(diào)信號的混疊問題。仿真結(jié)果表明時分頻分復用檢測方法使信號交叉耦合減小一個數(shù)量級?；谝陨涎芯?，運用時分頻分復用技術(shù)設計低噪聲接口ASIC，采用0.5μm高壓互補金屬氧化物半導體（ComplementaryMetalOxideSemiconduct，CMOS）工藝流片。流片測試結(jié)果表明：電容相對分辨率為1108，非線性誤差為0.02%。該芯片配合球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺表頭進行