振动环型MEMS陀螺仪的研究与相关设计

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果．尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料．与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意．签名：日期：关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可

2、以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致．’保密的学位论文在解密后也遵守此规定．．签名：导师签名：撼小救日期：一．：．．塑垩．．；JIIl[1lJIrflllPl[IIIIllrllIlY1953547摘要陀螺仪是一种用来测量旋转物体角速率的惯性传感器。微机电系统(MEMS)技术的日益成熟给惯性传感器领域带来了革命性的发展。MEMS陀螺仪具有体积小、质量轻、功耗低、抗过载能力强、价格低廉等优点，已广泛应用于汽车电子、消费电子和国防科技等领域。MEMS陀螺仪在不同领域得到广泛应用的同时，对其性能也

3、提出了不同的要求。机械结构、接口系统和驱动系统是MEMS陀螺仪的三个主要部分，其中接口系统和驱动系统中引入的电路噪声已成为限制MEMS陀螺仪性能提高的主要因素之一。Sigma-Delta调制技术基于过采样和噪声整形两项技术，为MEMS陀螺仪电路噪声的优化以及实现数字化环路提供了有效的途径。本论文首先从MEMS陀螺仪的机械特性着手进行研究，重点分析了振动环型MEMS陀螺仪的基本结构及机械特性，建立了其固有振动频率的计算模型和电路模型，并对提高其灵敏度提出了有效可行的途径。在此基础上，对MEMS陀螺仪的Sigma-Delta闭环力反馈接口系统中的C／V转

4、换模块、机械结构复域模型、系统稳定性、噪声整形函数，以及系统的整体实现进行了分析研究。最后，对MEMS陀螺仪驱动系统进行了研究，设计了用于MEMS陀螺仪驱动系统的Sigma-Delta调制器。针对普通Sigma．Delta调制器中积分器饱和对性能的限制以及信号失真等问题，本文尝试在传统三阶级联结构中引入CIFB结构Sigma-Delta调制器，并针对MEMS陀螺仪的具体要求设计了一款低失真三阶l-1．1级联Sigma．Delta调制器。采用MatlabSimulink对其性能进行了行为级仿真，在输入信号带宽为50kHz，过采样率为128时，调制器信噪

5、比达到102．9dB，精度为16．80位，表明所设计的调制器能够满足MEMS陀螺仪驱动电路的数据处理要求。关键词：MEMS陀螺仪；振动环；Sigma-Delta调制器；Sigma-Delta闭环力反馈；驱动系统；CIFB结构．1I一．▲ll，。first．BasedonthefoCUSedanalysisofthemechanicalstructureandcharacteristicsofMEMSvibratingringgyroscope，thecalculationmodeloftheresonantfrequencyandtheelectro

6、nicmodelhavebeenestablished．andsomeeffectiveapproachesforsensitivityimprovementhavealSObeenpresented．Then．aclosed．100pSigma-Deltaforce．feedbackinterfacesystemhasbeenpresented，whichcontmnstheC／Vreadoutcircuit，thediscrete．timetransforfunctionofthemechanicalstructure，thestabilityo

7、fthesystemandthenoise．shapingmodule．ThedrivingsystemofMEMSgyroscopeshasbeenstudiedfinally．Athird—ordercascadeSigma-DeltamodulatorbasedontheCIFBstructurehasbeensuccessfullydesignedtosolvetheproblemsoftheintegratorssaturationandthesignaldistortion，andCanbeusedinthedrivingsystem．T

8、hebehavioralsimulationofthedesignedSigma—Deltamodulato