时分复用数字闭环电容式微加速度计接口电路

为实现电容式微加速度计的数字输出闭环,设计了一种数字输出闭环ASIC(Application Specific Integrated Circuit)接口电路,以降低电路输出噪声并提高测量量程。对已有的电容式微加速度计ASIC电路进行了改进,分时段在中间极板上加载差分电容读出信号和由脉宽调变(PWM)波控制的反馈信号,然后由控制器实现闭环,利用Sigma Delta调制器实现模数转换。通过分析差分电容读出电路和Sigma Delta调制器的原理和特性,建立了该数字输出闭环电容式微加速度计的模型,进行了系统的设计与仿真。实验结果表明,该数字输出闭环电容式微加速度计的噪声水平为9.6μg/√Hz,量程为±3g。这些结果验证了时分复用方案的可行性和本文所提出模型的正确性。     

常温下硅微谐振加速度计零偏稳定性的提高

考虑环境温度会影响硅微谐振加速度计(MSRA)的测量精度,本文研究了谐振梁的频率漂移及抑制方法以便提高其在常温下的零偏稳定性。针对结构热膨胀导致的应力进行了建模仿真,并根据仿真结果优化设计了一种低热应力的双端固支梁的结构来降低热膨胀系数不匹配带来的频率漂移。实验测得新结构的单梁谐振频率的温度系数从典型结构的约30Hz/℃降为-1.5Hz/℃,与仿真结果-1.14Hz/℃基本一致。为了进一步提高该加速度计的零偏稳定性,设计了一种高精度测温电路用来补偿温漂,该电路测温灵敏度为96.25mV/℃,测量噪声约为0.000 2℃。实验结果表明,采用优化后的结构结合线性温度补偿的方法,可使该硅微谐振加速度计的1h零偏稳定性在常温下达到10μg以下,比改进前实验室获得的52μg水平提升了80%,满足了高精度加速度测量的要求。     

硅微振动陀螺仪设计与性能测试

介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测.利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构.为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响.陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路.为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积.对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值＞100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453 mV·(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6.常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100 Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288 mW.该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景.     

基于功率谱密度的静电悬浮加速度计分辨率估计方法

高精度静电悬浮加速度计常采用功率谱密度估计(PSD)来评估分辨率水平,商用PSD分析仪需实时在线分析,且分析时间长、频域分辨率低、成本高。为此提出了一种线下PSD估计方法,利用简易采集系统采集噪声信号,再进行PSD估计。给出了正确的PSD估计表达式,推导了加速度计分辨率与PSD的关系,通过实验对比了该方法与HP35670A动态分析仪分析结果,实验结果验证了该方法的有效性。最后用该方法分析了研制的静电悬浮加速度计原理样机X1、Y和Z2三个通道加速度噪声的PSD,得到0.1 Hz处PSD分别为:8.07×10-5g/Hz1/2、3.29×10-8g/Hz1/2和2.39×10-7g/Hz1/2;在带宽0.001~0.1 Hz内分辨率分别为4.64×10-5g、4.21×10-8g和1.51×10-7g。     

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。     

硅微谐振式加速度计的实现及性能测试

为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。     

基于Σ-Δ调制技术的微加速度计系统研究

论述了Σ-Δ调制器的基本原理,将Σ-Δ调制技术应用于微加速度计系统,设计了一种新型的微加速度计,建立了系统模型。并对系统的频率特性进行了分析,表明基于该技术的微加速度计系统在工作频段内噪声能够得到有效的消除,且具有近似的线性相位。     

基于∑-△调制技术的微加速度计系统研究

论述了∑-△调制器的基本原理,将∑-△调制技术应用于微加速度计系统,设计了一种新型的微加速度计,建立了系统模型.并对系统的频率特性进行了分析,表明基于该技术的微加速度计系统在工作频段内噪声能够得到有效的消除,且具有近似的线性相位.     

基亏∑-△调制技术的微加速度计系统研究

论述了∑-△调制器的基本原理，将∑-△调制技术应用于微加速度计系统，设计了一种新型的微加速度计，建立了系统模型。并对系统的频率特性进行了分析，表明基于该技术的微加速度计系统在工作频段内噪声能够得到有效的消除，且具有近似的线性相位。     

一种MEMS加速度计的噪声处理与参数训练方法

为进一步提高微机电系统(MEMS)加速度计的测量精度,建立以测量值为输入、真实值为输出的MEMS加速度计误差补偿模型,利用Allan方差和最小均方(LMS)自适应滤波算法对加速度计在6个位置下的多组实际测量数据进行噪声分析和预处理,处理后的全部测量数据作为样本训练模型参数,利用最小二乘和批量梯度下降相结合的方法获得样本数据对真实模型参数的最优拟合,并利用该模型对加速度计进行误差补偿,实现MEMS加速度计的高精度标定。实验验证表明,利用该模型对MEMS加速度计进行误差补偿后,输出值的均值误差为(0.72～1.19)×10-4g,标准差为(0.75～1.61)×10-4g,相对于补偿前,均值误差降低了2个数量级,标准差降低了1个数量级,有效提高了MEMS加速度计的测量精度和稳定性。     

新型运载火箭中电容式液位传感器接口专用集成电路

为了提高新型航天运载火箭中电容式液位传感器系统的电容检测性能,设计了一款适用于航天运载火箭中电容式液位传感器的接口专用集成电路(Application Specitic Integrated Circuit,ASIC)芯片。首先,完成了整体电路的系统级设计,实现了对电容式液位传感器输出电容的线性检测,将传感器输出电容量转化为与之呈线性关系的电压量输出。然后,对接口ASIC芯片的线性度、噪声特性和温度环境适应性进行了理论分析与研究。最后,采用0.5μm CMOS工艺完成接口ASIC的流片,并进行了芯片的性能测试。实际测试结果显示,芯片电容检测非线性为0.005%,输出噪声密度3.7aF/Hz~(1/2)(待测电容40pF),电容测量稳定性7.4×10-5 pF(参考电容40pF,待测电容40pF,1σ,1h),输出零位温度系数4.5μV/℃。测试结果证明,该接口ASIC的电容检测性能已经达到国外最高性能的电容式液位传感器液位测量芯片的水准,可以广泛应用到多种电容式检测传感器中。     

多MEMS陀螺数据融合系统的设计和实现

微机电系统陀螺仪以其成本低廉和小巧方便已经广泛应用于军民领域,但是其仍然面临着零偏稳定性不够高的问题。针对这种现象,设计了一套空间大小仅为45 mm×55 mm×30 mm的可扩展可移植的硬件平台,在此平台上利用小波域多尺度融合算法,对4个微机电陀螺仪所采集的原始数据进行实时小波融合处理。分别对该集成系统在静态和动态环境下进行测试,实验结果表明,该系统运行稳定可靠,融合处理后的数据标准差都比融合前降低了一个量级。     

基于压缩感知理论的MEMS陀螺仪信号降噪研究

通过分析传统小波阈值滤波的局限性,将基于压缩感知的小波滤波方法应用于低精度MEMS(micro electro mechanicalsystem)陀螺仪信号降噪中,并与小波阈值滤波方法进行了实验对比,实验结果表明:基于压缩感知的小波滤波方法可以有效地去除MEMS陀螺仪输出信号中的噪声,并且在压缩比较大时基于压缩感知的滤波方法去噪效果优于小波阈值滤波方法,改善了低精度MEMS陀螺仪零偏稳定性,为工程中解决低精度MEMS陀螺仪降噪问题提供了新思路。     

双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性

为了降低双通道MEMS微波功率传感器的回波损耗,提高传感器的测量精度,对MEMS悬臂梁的匹配特性进行了研究。首先,通过双通道MEMS微波功率传感器结构构建S参数的理论解析模型,分析了双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,得到了MEMS悬臂梁的间距和回波损耗系数S11的关系;接着利用有限元软件HFSS进行仿真,并和理论结果比较;然后,设计并制作了双通道微波功率传感器;最后,对该传感器的匹配特性进行了测试和分析。实验结果表明:当MEMS悬臂梁的间距为1.6μm时,该传感器在测量8~12GHz频率内的微波信号时,回波损耗小于-19dB。理论和仿真结果较为相符,因此S参数的理论解析模型可以较好地反映双通道MEMS微波功率传感器的匹配特性,对双通道MEMS微波功率传感器的设计具有一定的指导意义。     

一种单稳态微电磁继电器的研究

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力。采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成。微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作。吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms。     

磁通门传感器接口ASIC设计(英文)

基于磁通门传感器的二次谐波选择法原理,采用0.6 μm,N-well标准模拟CMOS工艺,设计并实现了磁通门传感器专用集成电路接口(ASIC).这种集成磁通门接口电路能够减小传统分立元件接口电路的体积,降低系统能耗,满足航天、军事等领域的微型化、低功耗需求.在分析磁通门传感器结构和特点的基础上,完成了激励电路及检测电路的设计,芯片面积为2.0 mm×2.0 mm,并采用HSPICE对电路各部分功能及其指标进行验证.对与微型磁通门探头集成的电路系统进行了测试,结果表明,当测量范围为±90 μT时,灵敏度可达16.5 mV/μT;在5V电源电压下,其功耗为35 mW.     

基于经验模态分解/高阶统计法实现微机械陀螺降噪

针对微机电系统(MEMS)陀螺存在的非线性、非平稳噪声,提出了应用经验模态分解/高阶统计(EMD-HOS)的降噪方法对MEMS陀螺进行降噪。首先,采集MEMS陀螺输出信号,根据EMD算法将信号分解成本征模态函数(IMF)。采用Bootstrap技术分别估计各IMF的峰度值,进行高斯特性检验,滤除高斯IMF。接着,使用方差聚合法分别计算IMF的Hurst指数,根据Hurst指数计算阈值,对各IMF进行软阈值处理。将阈值处理后的剩余IMF进行重构,达到降噪的目的。最后,通过交叠式Allan方差分析对滤波前后数据进行处理,绘制Allan方差与相关时间关系曲线,利用非线性最小二乘拟合方法,计算陀螺噪声各项指标。实验表明,EMD-HOS和软阈值处理能够有效地对MEMS陀螺降噪,其信噪比提高了5.6 d B,各项陀螺随机噪声关键指标提高近一个量级。     

基于磁敏元件的寄生式时栅传感器仿真分析

传统寄生式时栅位移传感器采用线圈传输电信号,不能保证线圈本身及绕线质量,导致寄生式时栅位移传感器体积大、灵敏度低、功耗大。根据寄生式时栅位移传感器的工作原理,选择一种基于磁敏元件代替绕制线圈的方法。用ANSOFT/Maxwell对磁钢和磁敏元件的气隙磁场、磁敏元件与被测齿轮之间的距离、磁钢大小和形状进行仿真,比较分析可知3mm×3mm×2mm的长方体磁钢在气隙为3mm的情况下能够满足磁敏元件的工作要求。