【摘要】：球碟轉子式微陀螺在懸浮穩(wěn)定性和轉速方面具有優(yōu)勢,在微陀螺研究領域倍受關注,已成為當前研究的熱點。若要進一步提高球碟轉子式微陀螺的性能與集成度,則需要開展接口電路集成化研究。專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技術對于提高傳感器接口電路性能和集成度具有重要作用。對球碟轉子式微陀螺接口ASIC的研究是提高該器件性能和集成度的一個重要手段。球碟轉子式微陀螺接口ASIC的研究需要解決敏感結構電學特性、檢測系統(tǒng)噪聲特性和新型檢測技術等關鍵問題。針對上述問題,本文開展的研究內容如下:球碟轉子式微陀螺接口ASIC總體方案設計。接口ASIC設計需要集成電路仿真工具輔助設計,目前尚無球碟轉子式陀螺的結構等效電學模型。分析球碟轉子式微陀螺的非理想因素,結合能量守恒與參數(shù)等效的建模方法,建立了相應的等效電學模型。該模型適用于接口ASIC的系統(tǒng)聯(lián)合仿真,接口ASIC系統(tǒng)的仿真結果和實測結果具有一致的響應趨勢。建立球碟轉子式微陀螺接口ASIC系統(tǒng)噪聲模型。接口ASIC拓撲結構設計及器件參數(shù)設定需要陀螺系統(tǒng)噪聲模型,模型應包含微陀螺機械噪聲、驅動干擾以及電路噪聲。然而,現(xiàn)有的系統(tǒng)噪聲模型并未考慮上述非理想因素的影響。分析了機械噪聲與檢測電路結構參數(shù)的關系,并定量研究了驅動干擾和接口ASIC電路噪聲,優(yōu)化了接口ASIC的拓撲結構。實測結果表明,根據系統(tǒng)噪聲模型的理論分析結果,優(yōu)化后的檢測電路可以有效降低系統(tǒng)噪聲水平。由于信號交叉耦合和多頻率混疊的問題,使得球碟轉子式微陀螺的檢測精度受到限制。提出了一種接口ASIC中的時分頻分復用的微弱電容高精度檢測方法。該方法采用時分復用和調制解調技術,降低了球碟轉子式微陀螺角速度敏感結構檢測軸間信號的交叉耦合,解決了多頻率相敏解調信號的混疊問題。仿真結果表明時分頻分復用檢測方法使信號交叉耦合減小一個數(shù)量級�；谝陨涎芯�,運用時分頻分復用技術設計低噪聲接口ASIC,采用0.5μm高壓互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝流片。流片測試結果表明:電容相對分辨率為1×10-8,非線性誤差為0.02%。該芯片配合球碟轉子式微陀螺表頭進行了系統(tǒng)測試。系統(tǒng)測試結果表明:噪聲為0.003 o/s/Hz1/2,非線性誤差為0.05%。
【圖文】：

圖 1-2 靜電懸浮圓環(huán)轉子式微陀螺[9]ctrostatic levitated micro gyroscope with決方案方面，2000 年，英國南安普敦大微陀螺的處理電路進行改進，實現(xiàn)圓盤年，研制出靜電懸浮圓盤轉子式微陀螺

圖 1-4 上海交通大學研制的靜電懸浮微陀螺rostatic suspended micro gyroscope developed bUniversity[14]解決方案方面，2002 年，清華大學設計一在 20 kHz 以內，且測量范圍在 20 μm 以位移，可用于三軸靜電懸浮系統(tǒng)的轉子微由度靜電懸浮微機械陀螺表頭，如圖 1-現(xiàn)[22-27]。2011 年，，研制出五自由度靜電懸速可達 73.3 rpm[28]。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN96

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本文編號：2543659