MEMS陀螺仪ΣΔ闭环系统优化设计

为解决传统ΣΔ闭环控制系统存在的量化增益不可控问题,设计了基于3-level量化技术的改进系统;针对此系统应用于微电子机械系统(MEMS)陀螺仪时引入的非线性反馈误差,提出了一种调整反馈脉冲宽度的矫正技术;并基于课题组研制的新型类蛛网环式谐振陀螺仪验证了改进系统的实用性。首先采用Simulink建立了四阶机电耦合ΣΔ系统等效模型,理论分析与仿真结果表明,3-level量化技术在降低量化噪声的同时解决了量化增益不可控问题,进而有效提高了陀螺仪量程和噪声水平性能。然后基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计制作了相应的数字测控电路,实验结果显示,陀螺仪的角度随机游走由0.094°/√h降低为0.062°/√h,量程由100°/s提高到130°/s,系统性能得到了有效提升。     

带通ΣΔ调制器在MEMS陀螺驱动环路的应用

研究了MEMS陀螺驱动环路的数字ΣΔ闭环控制.基于MEMS陀螺机械结构的二阶谐振特性,采用自激振荡的方式实现驱动闭环,通过数字延迟链实现相位控制,通过PI控制器保证驱动模态恒幅振动.设计4阶机电结合带通ΣΔ调制器代替数模转换器(DAC)实现静电力反馈,来抑制闭环控制系统的带内噪声,同时降低驱动级模拟电路的复杂度.通过FPGA进行实验验证,测试结果表明应用该驱动环路,其驱动模态振动幅值稳定性为3.67×10-4,MEMS陀螺输出零偏不稳定性为1.219°/h.     

带通ΣΔ调制器的研究

本文研究了带通ΣΔ调制器的稳定性及设计，提出了一种集解调和Ａ／Ｄ转换为一体的新方法     

全解耦硅MEMS陀螺仪正交耦合分析北大核心

为了减小正交误差对硅MEMS陀螺仪性能的影响,进一步提高陀螺精度和工程化成品率,对MEMS陀螺正交耦合的影响因素进行了研究。通过MEMS陀螺的运动学简化模型,分析了正交耦合的起因;计算了MEMS陀螺的静电驱动力和阻尼系数,建立了MEMS陀螺有限元参数化模型,利用谐波分析模拟了陀螺在驱动模态下的运动状态;在谐波分析的基础上,研究了不同误差来源对正交耦合的影响。结果表明：侧壁垂直度误差不是正交耦合的起因;科氏质量重心偏移对正交耦合的影响很小,即使在误差敏感方向上,正交耦合系数的敏感度也只有0.003 2%/μm;振动结构支撑梁的加工误差是引起结构刚度不对称并产生正交耦合的主要因素,其中正交耦合系数对梁宽误差的敏感度可达2.15%/μm（梁宽误差为±0.1μm）,对梁倾斜误差的敏感度高达16%/（°）（梁角度误差为±0.05°）。     

MEMS陀螺仪振动特性分析及性能优化北大核心

谐振式MEMS陀螺仪在随机振动中会发生性能退化,主要表现形式为噪声增大、零偏变化及标度因数降低。研究了陀螺仪的振动模态,发现当正交耦合和电容不对称时,检测模态及检测同相模态极易被激发。被激发的两种信号会占用有限的C/V检测信道,引起信道饱和,造成标度因数变小,同时还会引起振中噪声变大和零位变化。从加工工艺和MEMS设计两方面提出提高陀螺仪振动性能的方法。优化后陀螺仪振中噪声降为优化前的1/10,振中零位差降为原来的1/5,标度因数降低的现象完全消失。     

24位高精度音频ΣΔDAC

文章介绍了一种应用于高品质音频领域的24位∑Δ数-模转换器（∑ΔDAC）。用两个半带滤波器和一个梳状滤波器来实现64倍的过采样。优化设计选择了多位∑Δ调制器用CT输出级用来实现高信噪比，并降低系统对时钟抖动的敏感度。DWA算法被用来实现数字-模拟接口的线性特性。整个DAC的信噪比达到96dB，动态范围90dB。采用中芯国际0．131μm工艺，整个电路面积为1．5mm^2。     

核磁共振陀螺仪研究进展北大核心

核磁共振陀螺(NMRG)是基于量子原理的陀螺仪,具有高精度、体积小、抗干扰能力强等特点,是陀螺仪发展的重点方向之一。简要回顾了核磁共振陀螺的发展历史,介绍了20世纪有代表性的研究成果。叙述了核磁共振陀螺的基本工作原理和硬件系统构成。按照4种不同的技术路径:微型核磁共振陀螺、无自旋弛豫交换(SERF)核自旋陀螺、芯片级组合原子导航仪和基于金刚石氮空位的核磁共振陀螺,重点阐述近年来国外研究机构在核磁共振陀螺研究领域取得的最新成果,之后再介绍了近年来国内研究机构取得的主要研究成果。最后总结了核磁共振陀螺技术的最新发展趋势。     

MEMS微陀螺仪研究进展

回顾了MEMS微陀螺仪的研究进展,简单介绍了MEMS微陀螺仪的市场应用。微陀螺仪是MEMS器件中非常重要的一类器件。它的运用已经从单纯的航空领域逐渐转向汽车、消费电子行业等低端市场,这意味着微陀螺仪除了传统意义上的高精度高稳定性的要求,也可以向低精度商品化发展。传统的振动式陀螺,由于原理的局限性和加工技术的限制,很难达到战术级和惯性级的要求。导航级集成微陀螺(NGIMG)项目建议使用其他途径,以减少器件的可移动部件和降低工艺难度,从而提高其精度和抗干扰能力。各种设计方法近年来层出不穷,其中悬浮转子式微陀螺是目前精度最高的陀螺仪,微集成光学式陀螺也将在未来一段时间拥有巨大的研究潜力和发展空间。     

高精度MEMS硅微陀螺仪正交误差设计

正交误差是影响振动式硅微陀螺仪测量精度的主要因素之一,设计并制备了一种具有正交误差校正功能的高精度振动式微电子机械系统(MEMS)硅微陀螺仪。阐述了振动式硅微陀螺仪的工作原理,分析了正交误差产生的机理,并介绍了正交误差对陀螺仪测量精度的影响。为了进一步提升陀螺仪的测量精度,利用直流负刚度校正法对陀螺仪正交误差进行了校正,并通过有限元仿真确定了高精度陀螺仪敏感结构的最优参数。利用圆片级真空封装技术和绝缘体上硅(SOI)工艺实现了高精度陀螺仪敏感结构芯片的制备,采用高密度LCC20陶瓷管壳实现了高精度陀螺仪的集成封装。陀螺仪封装后,整体尺寸为9.0 mm×9.0 mm×2.8 mm。测试了陀螺仪的性能参数。测试结果表明,陀螺仪量程为±500°/s,零偏不稳定性为1.052°/h,零偏为0.004°/s,能够满足陀螺仪大部分中低精度应用需求。     

MEMS陀螺仪零偏温度特性分析及性能优化北大核心

零偏温度漂移是MEMS陀螺仪主要误差源之一,对MEMS陀螺仪零偏温度漂移误差源进行了分析。检测电路中延时相位的漂移是引起MEMS陀螺仪零偏温度漂移的主要原因。自时钟技术基于锁相环原理,将MEMS陀螺仪的驱动频率作为锁相环参考频率。陀螺仪检测电路的系统时钟频率跟随MEMS陀螺仪驱动频率而变化,两者始终保持固定的比例关系,最大限度地消除了延时相位变化。使用自时钟技术,将MEMS陀螺仪零偏温度漂移减小为原来的2%。     

Si MEMS陀螺仪的正交耦合补偿技术

为了减小正交耦合误差对硅微电子机械系统(MEMS)陀螺仪性能的影响,提高陀螺仪零偏精度,对MEMS陀螺仪正交耦合补偿技术进行研究.建立MEMS陀螺仪动力学模型,分析正交耦合产生的原因,介绍了各类正交耦合补偿机理.设计了一款可实现静电刚度补偿的MEMS陀螺仪,并利用绝缘体上硅(SOI)工艺进行制备.利用现场可编程门阵列(...     

MEMS环形振动陀螺结构设计与仿真分析北大核心

针对轴对称壳形振动陀螺的工作机理与振动特性,提出了一种新颖的全对称U型梁MEMS环形波动陀螺,并分析了其工作原理、振动特性与敏感工作方式。在此基础上应用ANSYS有限元分析软件建立了该环形振动陀螺谐振结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析、瞬态冲击响应分析与静力分析。仿真分析结果显示该环形陀螺驱动与敏感模态固有频率的频差为33 Hz,工作模态的频率匹配性较好;工作模态与其他振动模态的最小频差为1 032 Hz,能够有效抵抗环境振动的干扰;谐振结构在10 000g的瞬态冲击作用下最大应力为39.5 MPa,可以正常稳定工作。     

MEMS陀螺驱动数字闭环ASIC设计

针对MEMS陀螺,基于四阶机电结合∑△调制器技术设计了一款驱动数字闭环电路.其中电容/电压转换电路(C/V转换电路)采用了开关电容电路.为了降低C/V转换电路的噪声,采用了相关双采样(CDS)技术和斩波开关技术.仿真结果表明,采用这两项技术后,C/V转换电路的噪声在1 ～ 10 kHz附近达到了约20 zF/√Hz.数字信号处理部分的时钟由锁相环路(PLL)提供,并且片上PLL对陀螺驱动模态谐振频率进行了倍频.采用0.18 μm CMOS工艺制作设计的专用集成电路(ASIC).实验结果表明,驱动闭环电路能够成功起振,电路输出信号的信噪比达到112 dB,1h的稳定性达到2.08×10-4.     

MEMS加速度计的误差补偿方法北大核心

温度误差和非线性误差是影响MEMS加速度计精度、限制其应用领域的两个重要因素。研究了国内外MEMS加速度计误差补偿方法,分析了MEMS加速度计的温度误差和非线性误差来源。为了消除一款50g量程的数字式MEMS加速度计的误差,采用分段线性拟合插值法进行了零偏温度补偿;同时采用基于预测模型的分段插值法对加速度计的非线性误差进行了校正。测试结果表明,经过补偿后,加速度计全温区(-40℃~60℃)零偏变化量从33.95mg提升到了1.02mg,标度因数温度系数从4.205×10^(-5)/℃提升到了0.74×10^(-6)/℃,满量程非线性度从1.010 022×10^(-2)提升到了1.479 9×10^(-4)。该方法算法简单,效果显著,适合于工程应用。     

应用于MEMS陀螺中的Σ-△高通级联型调制器设计

研究并设计了一种应用干MEMS陀螺的Σ-△高通级联型调制器.该调制器基干0.35 μm 3.3 V的现代CMOS工艺,选取了无条件稳定的1-1-1 MASH(Multi-stage noise Shaping,多级噪声整形)结构,采用了斩波稳零技术,消除运放1/f噪声和直流偏移.高通积分器的运用,优化了低频信号的传输抗干扰性.本设计中的调制器能够转换MEMS陀螺中带宽40 kHz,范围几十至几百毫伏的目标信号,电路采样时钟频率10.24 MHz,调制器动态范围超过100 dB,有效位数达到17位.     

MEMS陀螺中带孔结构空气阻尼建模分析

针对MEMS陀螺中带孔结构的空气阻尼问题,根据制作的微陀螺,利用MATLAB软件对模态匹配、Q值匹配与灵敏度之间的关系进行了仿真分析。仿真结果表明在驱动和检测模态匹配时灵敏度幅值最大,但工作带宽却随Qx与Qz乘积的增大而减小。建立了空气阻尼计算模型,并利用实验测试数据对空气阻尼计算模型进行了分析和检验。研究发现,微陀螺在驱动方向上,带孔平板结构的滑膜空气阻尼计算模型存在一定误差,经过系数修正后Q值的理论值与测试值具有较好的一致性,但仍需要进一步地修正和完善;在检测方向上,压膜空气阻尼模型比较准确,精度较高能控制在5%以内,可直接用于微陀螺的空气阻尼设计中。     

基于偏振复用的单边带光生毫米波传输系统的研究北大核心CSCD

光子辅助的毫米波通信因其超带宽优势在下一代宽带无线接入网中有着广泛的应用前景,本文基于单个激光源和一个双极化马赫-曾德尔调制器(dual-polarization Mach-Zehnder modulator,DP-MZM)的光路结构产生了频率稳定的偏振复用毫米波信号,联合VPI与MATLAB仿真环境对单边带(single sideband,SSB)偏振复用四相相移键控(polarization-division-multiplexing,PDM)quadrature phase shift keying,QPSK、16阶正交幅度调制(16-ary quadrature amplitude modulation,16QAM)和32阶正交幅度调制(32-ary quadrature amplitude modulation,32QAM)信号分别实现了70 km、65 km与50 km的有效传输,并结合概率整形(probability shaping,PS)技术在28 GHz波段上,以相同净比特传输速率对比分析了均匀16QAM与PS-16QAM,均匀32QAM与PS-32QAM的SSB矢量毫米波(millimeter wave,MMW)信号在光纤传输条件下的误码率(bit error rate,BER)性能。仿真结果表明:在相同净比特速率,以硬判决阈值3.8×10^(-3)为判断条件,在普通单模光纤(single-mode fiber,SMF)传输系统中,PS-16QAM/32QAM信号光功率约有0.3 dBm的提升,非线性光纤(nonlinear fiber NLF)传输系统中,PS-16QAM信号光功率约有0.8 dBm的提升,PS-32QAM信号光功率约有0.5 dBm的提升,结果表明:经过PS后的MMW信号光纤传输性能有明显改善。     

基于四螺旋梁-质量块的MEMS压电能量采集器北大核心

设计了一种四螺旋悬臂梁-质量块结构的压电能量采集器,将环境振动能转换为电能。采用有限元分析软件（COMSOL Multiphysics）建立结构模型,仿真结构固有频率,计算不同振动频率下器件的位移、应力、应变和电势以及不同加速度下的电压输出,仿真得到结构的一阶谐振频率为102 Hz,为后期测试提供指导。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅（PZT）压电薄膜的制备,通过微电子机械系统（MEMS）工艺和引线键合工艺完成器件结构制造,将四个螺旋梁上的压电单元串联以实现输出最大化。性能测试结果表明：器件固有频率为110 Hz,输出电压随加速度的增大而线性增大,3g加速度下输出电压峰峰值为140 m V。     

带前置光放大的星间微波光子链路性能优化

考虑发射机和接收机对准误差引起的信号衰落,推 导出带前置光放大的星间微波 光子链路输出信噪比(SNR)的解析表达式,并建立了基于平均SNR原则的 链路优化模型。在给定 SNR要求及对准误差条件下,对Mach-Zehnder调制器(MZM) 直流偏置相移进行了优化,使所需激 光器(LD)输出功率最小,并进一步分析了前置放大器参数对最小LD输出功率和最优直 流偏置 相移的影响。数值仿真结果表明,与增益相比,前置放大器噪声系数决定了指定SNR所需 的最小LD输出功率。当对准误差角标准差为0. 4μrad时,噪声系数加倍会使SNR达到 15.56dB时所需的最小LD输出功率增加6.73dB。然而,前置放大 器噪声系数对最优的直流偏置相移几乎无影响,噪声系数加倍后最优直流偏置相移的变化不 会超过0.003π。