MEMS碟形陀螺数字接口电路ASIC集成关键技术研究

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陀螺仪是惯性导航系统中不可缺少的核心测量器件。传统结构的MEMS振动陀螺的性能已经达到战术级,受限于原理,其性能很难进一步提高,因此新结构的MEMS振动陀螺备受关注。MEMS碟形陀螺是目前精度最高的微陀螺之一,由于MEMS陀螺包括机械结构和接口电路两部分,为了提高MEMS碟形陀螺的性能,对陀螺的接口电路提出了更高的要求,因此开展MEMS碟形陀螺接口ASIC关键技术研究,对我国MEMS碟形陀螺发展具有重要意义。目前MEMS碟形陀螺接口电路的研究主要存在以下几个问题:对MEMS碟形陀螺而言,要达到高精度的谐振,现有的控制方法启动时间过长;MEMS碟形的接口电路设计,需要对MEMS碟形陀螺的检测电路建立噪声模型以研究其噪声特性,而目前未见相关报道;由于工艺误差的存在,陀螺存在驱动和检测模态的不匹配,现有的模态匹配电路还无法完全实现模态自动匹配;目前国内外关于MEMS碟形陀螺接口电路基本上由分立器件PCB集成,迫切需要接口电路的ASIC芯片集成。针对高品质因数MEMS碟形陀螺引起的启动时间过长的问题,分别对频率锁定时间和幅值稳定时间进行了分析,提出了一种分步式的快速启动方法,通过两步频率锁定和快速幅值稳定可以实现陀螺的快速启动。在此基础上开展了快速启动电路的设计,通过电路测试验证了方法的有效性,测试结果表明,与现有一步启动的方法相比,启动时间减小超过88%。通过对MEMS碟形陀螺检测电路中的噪声分析,建立了包含电荷放大器噪声和模数转换模块噪声的MEMS碟形陀螺检测电路的噪声模型,得到了检测电路噪声对输出零偏稳定性的影响,确定了MEMS碟形陀螺低噪声检测电路设计原则,并进行了模型的实验验证。针对自动模态匹配的问题,研究了MEMS碟形陀螺静电调谐的特性,得到了静电刚度与电极方位角、电压大小之间的关系,在此基础上提出了一种分步式的自动模态匹配的方法,首先通过自动的线性调节静电力可以实现模态的近似匹配,之后通过PI控制可以更为精确的实现模态的匹配和动态保持,在此基础上开展了分步式模态匹配电路的设计,实现了MEMS碟形陀螺的自动模态匹配。模态匹配后频率分裂小于0.006Hz。在上述研究基础上,开展MEMS碟形陀螺接口ASIC芯片设计。采用0.35μm BCD工艺正向设计了具有快速启动、自动模态匹配功能的高精度MEMS碟形陀螺接口ASIC芯片并进行了工程批流片。与合作单位提供的品质因数为42万的MEMS碟形陀螺敏感结构进行整机测试。测试结果表明,驱动电路启动时间为9s(达到并保持在稳态值±1%)。Allan方差零偏稳定性为0.4°/h。测试结果验证了ASIC设计的正确性。
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