【摘要】：球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺在懸浮穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速方面具有優(yōu)勢(shì),在微陀螺研究領(lǐng)域倍受關(guān)注,已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。若要進(jìn)一步提高球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的性能與集成度,則需要開(kāi)展接口電路集成化研究。專(zhuān)用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)技術(shù)對(duì)于提高傳感器接口電路性能和集成度具有重要作用。對(duì)球碟轉(zhuǎn)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(gè)重要手段。球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC的研究需要解決敏感結(jié)構(gòu)電學(xué)特性、檢測(cè)系統(tǒng)噪聲特性和新型檢測(cè)技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容如下:球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC總體方案設(shè)計(jì)。接口ASIC設(shè)計(jì)需要集成電路仿真工具輔助設(shè)計(jì),目前尚無(wú)球碟轉(zhuǎn)子式陀螺的結(jié)構(gòu)等效電學(xué)模型。分析球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的非理想因素,結(jié)合能量守恒與參數(shù)等效的建模方法,建立了相應(yīng)的等效電學(xué)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(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果具有一致的響應(yīng)趨勢(shì)。建立球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺接口ASIC系統(tǒng)噪聲模型。接口ASIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件參數(shù)設(shè)定需要陀螺系統(tǒng)噪聲模型,模型應(yīng)包含微陀螺機(jī)械噪聲、驅(qū)動(dòng)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(jī)械噪聲與檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,并定量研究了驅(qū)動(dòng)干擾和接口ASIC電路噪聲,優(yōu)化了接口ASIC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,根據(jù)系統(tǒng)噪聲模型的理論分析結(jié)果,優(yōu)化后的檢測(cè)電路可以有效降低系統(tǒng)噪聲水平。由于信號(hào)交叉耦合和多頻率混疊的問(wèn)題,使得球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的檢測(cè)精度受到限制。提出了一種接口ASIC中的時(shí)分頻分復(fù)用的微弱電容高精度檢測(cè)方法。該方法采用時(shí)分復(fù)用和調(diào)制解調(diào)技術(shù),降低了球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺角速度敏感結(jié)構(gòu)檢測(cè)軸間信號(hào)的交叉耦合,解決了多頻率相敏解調(diào)信號(hào)的混疊問(wèn)題。仿真結(jié)果表明時(shí)分頻分復(fù)用檢測(cè)方法使信號(hào)交叉耦合減小一個(gè)數(shù)量級(jí)�；谝陨涎芯�,運(yùn)用時(shí)分頻分復(fù)用技術(shù)設(shè)計(jì)低噪聲接口ASIC,采用0.5μm高壓互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工藝流片。流片測(cè)試結(jié)果表明:電容相對(duì)分辨率為1×10-8,非線(xiàn)性誤差為0.02%。該芯片配合球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺表頭進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明:噪聲為0.003 o/s/Hz1/2,非線(xiàn)性誤差為0.05%。
【圖文】：

圖 1-2 靜電懸浮圓環(huán)轉(zhuǎn)子式微陀螺[9]ctrostatic levitated micro gyroscope with決方案方面，2000 年，英國(guó)南安普敦大微陀螺的處理電路進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)圓盤(pán)年，研制出靜電懸浮圓盤(pán)轉(zhuǎn)子式微陀螺

圖 1-4 上海交通大學(xué)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(xué)設(shè)計(jì)一在 20 kHz 以?xún)?nèi)，且測(cè)量范圍在 20 μm 以位移，可用于三軸靜電懸浮系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子微由度靜電懸浮微機(jī)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(dá) 73.3 rpm[28]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN96

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本文編號(hào)：2543659