1、國內圖書分類號：TP212.13學校代碼：10213國際圖書分類號：621.3密級：公開工學博士學位論文工學博士學位論文球碟轉子式微陀螺接口ASIC研究博士研究生：任明遠導師：毛志剛教授申請學位：工學博士學科：微電子學與固體電子學所在單位：航天學院答辯日期：2016年1月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學摘要I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

2、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（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，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

3、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

4、。然而，現有的系統(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

5、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量級?；谝陨涎芯浚\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（ComplementaryMetalOxideSemiconduct，CMOS）工藝流片。流片測試結果表明：電容相對分辨率為1108，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