提出了一种高均匀性低噪声的读出电路, 该电路通过抑制非制冷红外焦平面阵列固定模式噪声, 从而可实现高质量的红外图像.该电路前端采用了行共享的增益可控NMOS管抑制像元固定模式噪声, 同时采用了新型的相关双采样电路抑制列固定模式噪声.在仿真基础上, 采用了AMS 0.35 μm CMOS工艺完成了16 × 16像元芯片的制备.对芯片的大量测试结果表明提出的读出电路可以有效地降低非制冷红外焦平面阵列的固定模式噪声, 同时具有高均匀性的特点, 适用于高性能非制冷红外探测器.

开发了一套基于激光拉曼散射的多通道气体光学检测系统, 应用于空气中主要组分的摩尔分数定量测量。 针对性的设计了532 nm激光脉冲展宽器, 能有效地避免脉冲激光在高能量状态下造成气体裂解、 石英玻璃损伤等现象的发生, 提高了气体拉曼散射的信噪比。 在实验室环境压力和温度下, 对气体样池内空气进行了长66 mm×直径1 mm激发区域同步10通道（每通道长约6.6 mm）的拉曼散射实验。 得到了各通道下氧气（O2）和氮气（N2）的拉曼光谱和摩尔分数, 及O2相对于N2的相对响应因子RO2。 完成了26次重复性实验, 每次为200个激光脉冲激发自发拉曼光谱的累加。 结果表明, 各通道间计算的平均的氧摩尔分数O2和相对于氮气的相对响应因子O2的标准偏差分别为0.015和0.024, 但它们的平均值与10通道合并方式下的实验结果完全相同, 准确率达98%, 完全满足实时地并具有时空分辨力的定量测量混合气体摩尔分数的要求。 该系统可满足于各种动态燃烧过程的光谱检测与分析。

设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80 μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构, 采取真空封装技术降低结构噪声。首先, 采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号, 降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次, 使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元, 通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后, 采用复位计数器进行频率数字转换, 在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示: 该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下, 实现了2.5 μg/√Hz的分辨率和1 μg的零偏不稳定度。此外, 为了减小电路自身发热引起的温度漂移, 该样机的功耗被控制在3.5 mW以内, 系统集成后的尺寸约为45 mm×30 mm×20 mm。基于所述技术, 系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2 dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。 得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理.阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证.理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃.利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃.对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%.实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导.

考虑硅微陀螺的设计和结构优化, 研究了陀螺固有频率及模态对其性能的影响。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺, 利用能量法建立了固有频率的理论公式, 对硅微陀螺的低阶模态进行了理论分析, 并利用有限元仿真和实验对理论分析结果进行了验证。结果显示: 理论分析结果与仿真结果的最大误差为8.6%, 与实验结果的最大误差为10.6%。利用Allan方差分析法对陀螺进行了静态性能实验, 结果显示其角度随机游走为0.0578(°)/hr12, 零偏不稳定性为0.459(°)/hr。与传统的单纯依靠有限元仿真的模态定阶相比, 本文建立的理论模型可以省略繁琐的结构参数调整过程, 更高效地完成陀螺模态定阶, 而且可用于陀螺的结构优化过程。

将遗传算法与低频模型相结合, 提出了一种快捷的驱动电路设计方法, 用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能, 并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦, 提取闭环驱动电路的低频模型; 将提取的低频模型与遗传算法相结合, 给出完整的优化方法, 得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计, 建立了SIMULINK低频仿真模型, 根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数, 并对其进行了实验验证。起振实验结果表明, 采用优化参数可使超调量小于50%, 相位误差小于5°, 1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s, 实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效, 具有可实施性。

提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法，以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理，对其运动方程的分析显示: 为了提高标度因数的稳定性，需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性; 而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此，设计了增益补偿算法，配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明，在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时，振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明，增加增益补偿环节后，标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。

建立了以微机械陀螺驱动模态固有频率为虚拟温度传感器的温度补偿系统, 以实现对微机械陀螺标度因数和零偏的高精度温度补偿。研究了自主设计的微机械陀螺的驱动模态固有频率的温度特性, 通过实验手段获得了频率的温度系数为(-26.9±2.03)×10-6 ℃, 且温度测量精度1 s平均时为0.075 ℃, 20 s平均时为0.004 ℃。在分析微机械陀螺标度因数和零偏温度特性的基础上, 提出了一种二阶温度补偿方案, 并给出了补偿原理和算法示意图。最后, 利用驱动模态固有频率对标度因数和零偏进行了温度自补偿。实验结果表明, 在-40 ℃到60 ℃, 标度因数的最大相对变化量从补偿前的2.1%下降到了0.05%; 零偏的最大相对变化量从补偿前的8.9%下降到了0.1%; 室温下2 h的零偏实验表明, 温度补偿后微机械陀螺的零偏不稳定性由4.1(°)/h降到了0.42(°)/h, 满足了微机械陀螺温度补偿的高精度要求。

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑Δ调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路。首先, 根据微机械陀螺敏感模态的等效形式, 分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分, 且负刚度效应与输入角速度无关。然后, 根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系。最后, 利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数, 理论计算了所需的反馈脉冲高电平, 并在Simulink中进行了仿真。仿真结果表明, 所选参数满足了设计指标, 且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下, 仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07%和5.12%。对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验, 结果表明, 脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化; 得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9%和4.8%, 实验与仿真结果符合得到较好。