MEMS陀螺仪高阶带通ΣΔ闭环检测系统设计北大核心

为了解决MEMS陀螺仪开环检测带宽窄、量程低、线性度差等问题,设计了机电结合带通ΣΔ闭环检测系统。首先设计4阶带通纯电学ΣΔ调制器,结合MEMS陀螺的机械结构,提出机电结合闭环检测系统结构及参数获取方法。该环路采用脉冲密度反馈方式,考虑输入热噪声、正交误差等非理想因素,建立闭环检测系统的非理想模型。仿真结果表明：对比开环检测,该闭环反馈力平衡了哥氏力,抑制了哥氏振动,陀螺的响应位移降低了4个数量级,响应速度提升了0.6 s;当陀螺量程为300°/s、带宽200 Hz时,信噪比（SNR）达到了113.2 dB。基于现场可编程门阵列（FPGA）开发了MEMS陀螺测控系统电路并进行实际测试,结果表明闭环检测标度因数非线性、测量范围和带宽分别提高了4倍、1.5倍和1.5倍,系统性能得到了有效提升。     

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     

四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计

介绍一个适用于低中频架构的四阶连续时间正交带通ΣΔ调制器的设计,通过采用复数积分器代替传统的谐振器,优化了调制器的噪声整形性能。调制器采用开关电容反馈DAC来减少对时钟抖动的敏感度。电路设计采用smic0.13mixed-signalCMOS工艺,仿真结果表明,在12MHz采样频率下,调制器的信号噪声失真比可达到78dB,其信号带宽为200kHz,中心频率在200kHz。     

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。     

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陀螺器件与驱动电路的相位关系研究

为了指导高性能MEMS陀螺的驱动电路设计,针对MEMS陀螺器件与外围驱动电路之间存在的"激励电压、静电力、质量块位移、检测电容变化、检测电流、检测电压"五次信号转换进行了详细研究,获得了确切的相位关系,建立传输函数模型。最终根据推得的总体相位关系,设计并实现了一款基于锁相技术的闭环驱动电路。测试结果表明,MEMS陀螺系统能在3s内可靠起振且无振铃,稳定振荡频率为10.33 kHz,稳定振荡幅度为2.05 V。该测试结果验证了此相位关系研究的必要性与正确性,此研究同样适用于其他静电驱动、电容检测式MEMS传感器。     

应用于音频芯片的高精度ΣΔ调制器设计

低阶单比特量化ΣΔ调制器简单稳定且特别适用于音频领域的模数转换器。提出了一款应用于音频芯片的二阶单比特量化ΣΔ调制器,利用Simulink对调制器进行建模并确定调制器参数与电路子模块指标。该调制器电路采用CSMC0.35μmCMOS工艺实现,工作的电源电压为5V,采用全差分开关电容技术,功耗为12mW,核心面积为390μm×190μm。在采样频率为12MHz、输入信号频率为20kHz时,调制器精度达到16bit,测试结果验证了设计技术和建模方法。     

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.     

一种用于分数频率合成器的3阶单环ΣΔ调制器

分析了无线通信分数分频频率合成器的关键模块ΣΔ调制器(SDM)的设计方法,并提出了一种系数能用移位产生的简单高效的单环3阶3位量化SDM结构。该电路采用标准0.18μm CM O S工艺实现,电源电压1.8 V,内部使用24位总线,在工作频率为16MH z时,可到达的频率分辨率为8 H z,结果表明它的带外噪声平坦、输出位宽窄,优于同阶级联ΣΔ结构。     

微谐振陀螺仪从半球到平面的演变

微谐振陀螺仪是一种固体波动陀螺,常采用微纳制造工艺进行加工,具有小体积、高性能、低功耗、批量化等特点。自1975年世界上第一个半球谐振陀螺诞生以来,微谐振陀螺的谐振子拓扑结构经历了三维结构到二维结构的演变。文章以拓扑结构的发展脉络为主线,对微谐振陀螺的发展过程进行了梳理和总结,最后对目前存在的问题进行了分析,对未来的发展进行了展望。     

MEMS光栅陀螺制造与测试

根据MEMS光栅陀螺工作原理,对陀螺结构仿真,并进行了晶圆级陀螺制造.在ANSYS中建立陀螺结构模型,并进行仿真分析.仿真结果显示,其驱动模态为7 287 Hz,检测模态为7 288 Hz,频差为1 Hz,表明结构有高灵敏度.通过工艺设计,采用溅射、湿法腐蚀、深反应离子刻蚀、阳极键合等工艺成功制造了 MEMS光栅陀螺....     

微机械陀螺仪设计与研究

介绍了微机械陀螺仪的关键技术、种类、性能比较和不同应用领域对其性能参数的要求。总结了近几年国内外微机械陀螺仪结构的研究最新成果。对框架式、音叉式、振动轮式、振动环式、转子悬浮式、质量块式和双线振动式等微机械陀螺仪的结构、加工和性能等进行了分析比较。主要阐述了微机械陀螺仪的漂移误差、精度和封装技术3大研究难点和高精度、微加工维度、结构和电路优化、单片多自由度和单片集成化等研究发展趋势。     

一种单轴MEMS陀螺仪信号处理电路设计

以MEMS陀螺仪传感器为基础,设计了一种闭环驱动开环检测的单轴MEMS陀螺仪信号处理电路。采用时域分析方法,对MEMS陀螺仪闭环驱动环路进行了稳定性分析,并提出了一种对等效电容共模部分不敏感的CV转换结构。结果显示,线性度〈±0.5%、功耗〈150 mW、ADC分辨率〉11 bit。     

基于改进小波变换的MEMS陀螺信号去噪算法

为提高MEMS陀螺仪测量精度,抑制测量噪声对其造成的影响,该文分析了某型号MEMS陀螺仪误差特性,提出基于递归最小二乘法(RLS)多重小波分解重构的强追踪自反馈模型,建立新的软阈值函数。由于模型处理后的数据带有部分奇异值,该文提出了一种改进的中值滤波算法。对于陀螺仪零偏噪声问题,提出零偏不稳定性抑制算法,并对该算法模型进行了详细的描述。将某项目研究中列车姿态测量系统的实验数据应用到该算法模型中。测试实验分为静态、动态两组,其结果均表明：该算法减小了信号中的噪声,有效地抑制了MEMS陀螺仪随机漂移,提高了姿态解算的精度。肯定了该算法对陀螺仪输出信号噪声去除,以及使用精度提升的可行性和有效性。

     

MEMS流体陀螺的研究进展

随着微机电技术（MEMS）的快速发展,惯性器件微陀螺得到了广泛的发展和应用,其中微流体陀螺具有体积小、重量轻、成本低和抗高冲击等独特优点。根据陀螺原理的不同介绍了几种微流体陀螺,包括气体对流微陀螺、射流微陀螺、ECF流体微陀螺和超流体陀螺,气体对流陀螺和射流微陀螺属于常用的典型流体陀螺,而ECF流体陀螺和超流体陀螺属于新型的流体陀螺,分别分析了它们的原理和应用情况,并对它们的应用前景进行了展望,微流体陀螺将在惯性导航和自动控制等方面发挥越来越重要的作用。     

石英MEMS陀螺的结构特性分析

介绍了石英微机电系统(MEMS)陀螺的工作原理及敏感芯片的音叉结构特点,采用有限元法分析了敏感芯片的结构特性,并对结构进行优化。利用石英晶体的压电效应,设计了合理的电极布局,并结合敏感芯片结构特点介绍了其微机械加工工艺。通过结构优化和合理的电极布局,提高了石英MEMS陀螺的性能。     

石英微机电陀螺的机械耦合误差研究

石英微机电陀螺是一种利用科里奥利(Coriolis)效应的振动陀螺,工作时敏感芯片处于谐振状态,机械耦合误差是其主要误差源。分析了敏感芯片机械耦合误差因素,提出了驱动与检测模态解耦设计、振动隔离设计及轴对称质量平衡设计改进方案,实验结果表明,通过改进设计,有效抑制了敏感芯片机械耦合误差,提高了陀螺的精度及环境适应性。     

MEMS陀螺在红外成像系统中的研究应用

简要介绍了红外成像导引系统中的稳像技术原理,说明陀螺仪在辅助设备电子稳像系统中的重要地位。目前,国内辅助设备电子稳像系统中常采用的光纤陀螺,文中对光纤陀螺的优缺点进行分析,并与新兴的MEMS陀螺在技术指标层面作对比。再设计试验方案,从试验的角度论证MEMS在实际应用中可以代替光纤陀螺,并且在性能、体积、价格上比光纤陀螺更有优势。