高精度MEMS硅陀螺仪接口ASIC设计
CSTR:
作者:
作者单位:

1.哈尔滨工业大学MEMS中心 哈尔滨 150001;2.微系统与微结构教育部重点实验室(哈尔滨工业大学) 哈尔滨 150001

作者简介:

张 欢 1994年生,博士研究生。
陈伟平 1966年生,教授,博士生导师。
张文博 1990年生,博士后。
王一行 1994年生,博士,助理工程师。
付 强 1979年生,高级工程师,硕士生 导师。
尹 亮 1977年生,副教授,博士生导师。

通讯作者:

中图分类号:

TN432;TP212.1

基金项目:

国家重点研发计划(2022YFB3205403)


Design of High-Precision MEMS Silicon Gyroscope Interface ASIC
Author:
Affiliation:

1.MEMS Center, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing of Ministry of Education ( Harbin Institute of Technology), Harbin 150001, China

Fund Project:

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    摘要:

    为满足惯性导航、自动驾驶等领域的应用需求,实现微电子机械系统(MEMS)硅陀螺仪向高精度、数字化和微小型化的方向发展,本文基于0.35 μm BCD工艺(双极型-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体工艺),采用单芯片集成方式,设计并实现了一款具有数字化输出的MEMS硅陀螺仪接口电路。采用基于噪声自激的闭环驱动方案,使陀螺仪在驱动方向上实现简谐振动。检测电路使用低噪声电容-电压(C/V)转换电路,将检测模态位移信号转换为电压信号。信号处理通过开关相敏解调技术进行精确解调,并结合低通滤波处理,有效抑制系统噪声,从而获得低噪声的模拟角速度输出信号。为了实现硅陀螺角速度的数字化输出,设计了集成的四阶全前馈Sigma-Delta (ΣΔ)模数转换器(ADC),将模拟角速度信号转换为数字信号。芯片测试结果表明:ΣΔ调制器的动态范围达到110 dB,低频噪底约为-120 dB。陀螺整机的量程为±200(°)/s,标度因数为21 310 LSB/((°)/s)(最低有效位每度每秒),非线性误差为178×10-6,零偏不稳定性为0.259(°)/h,角度随机游走为0.028 7(°)/√h(度每平方根小时)。该芯片面积为4.3 mm×4.3 mm。通过采用单片集成的接口ASIC(专用集成电路)替代传统的PCB(印制电路板)板级系统,显著提高了系统集成度,成功满足了MEMS硅陀螺微小型化的需求,推动了其在高精度数字化应用中的发展。

    Abstract:

    To meet the application requirements of inertial navigation, autonomous driving, and other fields, and to advance the development of micro-electromechanical systems (MEMS) silicon gyroscopes towards high precision, digitalization, and miniaturization, this paper presents the design and implementation of a MEMS silicon gyroscope interface ASIC with digital output, based on a 0.35 μm BCD process and a monolithic integration approach. A closed-loop drive scheme based on noise self-excitation is adopted, enabling the gyroscope to achieve harmonic vibration in the drive direction. The detection circuit uses a low-noise capacitive-to-voltage (C/V) conversion circuit to efficiently convert the small displacement signal into a voltage signal. Signal processing is performed using switched-capacitor phase-sensitive demodulation technology, combined with low-pass filtering, effectively suppressing noise interference and yielding a low-noise analog angular velocity output signal. To achieve the digital output of the silicon gyroscope's angular velocity, an integrated fourth-order feed-forward Sigma-Delta (ΣΔ) analog-to-digital converter (ADC) is designed to convert the analog angular velocity signal into a digital signal. The chip test results show that the dynamic range of the ΣΔ modulator reaches 110 dB, with a low-frequency noise floor of approximately -120 dB. The overall range of the gyroscope is ±200(°)/s, with a scale factor of 21 310 LSB/((°)/s), a nonlinearity of 178×10-6, bias instability of 0.259(°)/h, and angle random walk of 0.028 7(°)/√h. The chip area is 4.3 mm×4.3 mm. By using the integrated interface ASIC to replace the traditional PCB-level system, the system's integration is significantly improved, successfully meeting the miniaturization requirements for MEMS silicon gyroscopes and promoting their development in high-precision digital applications.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

张欢,陈伟平,张文博,王一行,付强,尹亮.高精度MEMS硅陀螺仪接口ASIC设计[J].遥测遥控,2025,46(3):42-50.

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  • 收稿日期:2025-03-27
  • 最后修改日期:2025-04-09
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  • 在线发布日期: 2025-05-29
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