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。

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。

硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作, 其加工的相对精度较低, 从而易产生正交耦合误差, 影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构, 提高其性能, 本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先, 利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面内刚度; 然后, 建立陀螺仪的刚度矩阵; 最后, 推导了正交耦合系数的理论计算公式。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺仪, 理论计算出其直接耦合系数为4.74×10-5, 二次耦合系数为8.44×10-7。得到的陀螺仪的正交耦合系数为4.75×10-5, 与仿真值相差8.7%。分析得到陀螺仪正交耦合系数的最大值为2.18×10-4, 与仿真值相差7.9%。最后, 实验验证了计算结果的正确性。得到的结果表明, 建立的正交耦合系数理论分析模型可为硅微陀螺仪的结构优化设计提供理论依据和实际指导。

研究了硅微陀螺仪机械耦合误差的产生机理.以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生误差的信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号.结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生.最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号为342.59°/s,且与理论结果相吻合.因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一.