微陀螺片上后台自校准与自补偿关键技术研究

MEMS (Microelectromechanical Systems) gyroscope is one of the most important silicon sensor. The navigation applications demands of aerospace and weapons drive the development of the MEMS gyroscope with excellent long-term stability. The performance of MEMS gyroscope device is closely related with material, process, parasitic effect and device structure. When there is dramatic change in the environment, or in the case of aging and mechanical fatigue, the parameters of micro-gyroscope will experience a significant change which leads to poor long-term stability and cannot meet the navigation-grade applications. It is difficult to solve the long-term stability problem only from the perspective of MEMS device research. It is necessary to research on-chip calibration and compensation method for the navigation-grade MEMS gyroscope development. The current interface circuit mainly adopts the method of factory calibration to improve the performance and reliability. The interface circuits, whose parameters are solidified after the test and configuration with special instruments, can not automatically correct itself to adapt to the changes in device parameters. The project tries to alleviate the stability requirements to the MEMS devices from the perspective of interface circuits and improve the long-term stability of micro-gyroscope system by adopting the method of on-chip background parameters self-test and self-calibration.

微陀螺是最重要的微传感器之一。航空航天、武器装备等导航级应用需求驱动微陀螺向着高稳定性方向发展。微传感器件参数与工艺、材料、封装等密切相关，性能受环境、老化、机械疲劳等影响显著，仅从微传感器件角度难以满足导航级应用的长期稳定性需求，片上校准和补偿方法是研发导航级微陀螺的一种必要方法。本项目针对传统微陀螺"出厂校准"方法需要使用专用仪器，无法在应用现场使用，且效果仅对校准时刻有效的问题，以及现有微陀螺片上校准方法为"前台"工作方式，无法在微陀螺正常工作时进行，校准补偿效果受限的问题，力图从接口电路设计角度进行探索，提高微陀螺系统的长期稳定性，以满足导航级应用需求。核心思想是：借鉴模数转换器的后台校准思想，在微陀螺接口芯片上内置后台校准电路，在不借助片外仪器的情况下，以"后台"工作方式，实时准确检测系统的标度因子、零偏参数，并实时进行校准与补偿，提高微陀螺在各种应用条件下性能的长期稳定性。

项目针对传统微陀螺“出厂校准”方法需要使用专用仪器，无法在应用现场使用，且效果仅对校准时刻有效的问题，从接口电路设计角度进行探索，提高微陀螺系统的长期稳定性。主要研究内容包括微陀螺寄生跨接电容参数影响分析、预防寄生跨接电容导致电学自激振荡的自校正方法、基于相位自校正的MEMS陀螺仪偏置自消除与温度自补偿方法。项目研究电容式微陀螺中寄生跨接电容引入的负面效应，通过理论推导给出最大允许寄生跨接电容表达式；通过理论分析给出避免电学振荡发生的电路层解决方案，提出一种基于锁相环压控振荡器控制电压预置与“激励-衰减”原理的片上自校正方法，避免寄生跨接电容导致的电学振荡；针对开环检测电路结构，提出一种相位自校准技术，在信号检测通道中设计中心频率可调的带通滤波器，结合可调相移分频器的数字相位精调，实现滤波器中心频率对驱动模态谐振频率的跟踪，以及对检测信号相位的自校准，提升偏置稳定性；针对同步解调型谐振式微陀螺接口电路结构，提出一种抑制陀螺仪偏置温度漂移的相位自校正方法，实现在启动时或在环境急剧变化时，对温度和环境导致偏差的片上校准。同时，项目研究相关集成电路设计技术，包括低功耗低噪声放大器、高电源抑制比与双环结构低电压基准源、低功耗/高精度/高速ADC设计、自偏置PLL电源噪声敏感分析等关键集成电路设计技术，对关键技术进行了流片验证。项目发表科研论文21篇，其中SCI检索论文7篇，EI检索7篇；授权国家发明专利3项，授权实用新型2项，申请发明专利3项。