为了抑制相敏解调引入的闪频(1/f)噪声, 实现硅微陀螺仪的高精度片上数字化输出, 设计了一种基于sigma-delta模数转换器的相敏解调ASIC。首先, 提出了一种量化硅微陀螺仪驱动及检测载波信号的低闪频噪声数字化方案, 建立了sigma-delta模数转换器的系统级分析模型, 并利用Simulink完成了基于谐振器级联前馈(CRFF)结构的三阶sigma-delta模数转换器系统级设计。其次, 研究了sigma-delta模数转换器的电路级实现方法, 在Cadence IC平台上完成了包括低噪声开关电容积分器、加法器及1 bit高速量化器等模块的晶体管级电路设计与验证, 并采用AMS 0.35 μm工艺进行了流片。实验表明: 该sigma-delta模数转换器具有三阶噪声整形功能, 在硅微陀螺仪的工作频率处(6.4 kHz)量化噪声小于200 nV/Hz1/2, 等效精度位数为12。硅微陀螺仪数字化输出角度随机游走0.012 (°)/h1/2, Allan方差零偏不稳定性为0.34 (°)/h, 零偏稳定性(1σ)为0.94 (°)/h, 满足高精度硅微陀螺仪的数字化精度需求, 并提高了整表集成度。

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。

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。

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性, 使其满足更高精度应用场合的需求, 研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例, 对影响其零偏稳定性的主要因素: 机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析, 并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则, 优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试, 以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明, 4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移, 且零偏稳定性在6 (°)/h左右, 达到了中等战术级水平。

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。

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率, 建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型, 并设计了与之相匹配的前置接口放大器。首先, 根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集**数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型, 分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施。然后, 在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器。实验结果表明：相比于跨阻式前置放大器, 采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18 pA/√Hz降低至0.27 pA/√Hz, 对应的电容极限分辨率可达到0.62 aF/√Hz。结果显示, 采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率。

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。