为适应移动产品低功耗的需要,2017年,M. Marx等人报道了1.71mW功耗、0.9°/h偏置不稳定度的CT-△Σ MEMS陀螺仪读出系统。其传感器是驱动和传感的双谐振MEMS陀螺仪,其读出系统芯片采用功耗较低的CT-△Σ机械-电子学架构。在驱动边为锁相(PLL)环基环路,包含电荷泵、驱动器、AGC、c/v变换、具有电流控制振荡器的PLL;在传感边为CT-△Σ特点的环路,包含c/v变换、2阶Gm-C BPF、噪声观察频率调谐电路(NOFT)、9位电流DAC和反馈环路。该电路的设计亮点是提出将机电CT-△Σ架构中的电4子带通滤波器(BPF)的输入端,嵌入基于噪声观测的频率调谐电路;在陀螺仪工作时,使角速度带宽和驱动频率之间的匹配精度优于0.25%,且其功耗和面积分别仅为27uW和0.06 mm²。测量结果表明,在-30~85℃内,该MEMS陀螺仪的平均点噪声为0. 002°/s/√Hz,偏置不稳定度为0. 9°/h。不需要昂贵和耗时的校准程序,就能获得廉价、稳定的振动MEMS陀螺仪,也是具有挑战性的技术攻关。

2018年,P. Minotti等人报道了高标度因子稳定性的调频MEMS陀螺仪的三轴传感器和集成电子学设计。采用低功耗、低相位噪声的频率调制工作的IC和具有偏航速率与俯仰速率的双传感器系统设计相结合,实现高标度因子稳定性的3轴频率调制MEMS陀螺仪。采用厚膜外延多晶硅表面微机械工艺实现24um厚的内平面结构的偏航速率传感陀螺以及24um厚的外平面结构的俯仰速率传感陀螺。采用0.35um CMOS工艺实现低功耗、低相位噪声的反馈振荡结构的IC,其包含电容到电压的放大器、90°移相器、硬限幅器、H桥电路和自动增益控制电路。测试结果表明,该调频MEMS陀螺仪在20~70℃内,可重复性的标度因子为0.5%,温度稳定性为35ppm/K,而其电流消耗仅为160uA,同时其噪声性能约为10mdps/√Hz。

目前将MEMS陀螺仪速率的测量变换为频率偏移的测量。在这种情况下,标度因子是传感器和读出电路的复杂函数;任何底层参数的变化都会导致测量误差。2018年,B. Eminoglu等人报道了具有40ppm标度因子精度和1.2°/h偏置稳定度的速率斩波到数字的频率调制陀螺仪。其总体的解决方案是直接测量与速率相关的频率,并将频率与一个精确的时钟参考进行比较后,将其转换为数字输出。传感器的质量块由两个正交谐振器组成,其谐振频率是由两个维持电路激励。对于在x-y通道的位移中每90°的相移,质量块的运动遵循一个循环的模式。在此模式中,速率的输入和质量块振荡频率的偏移相关。其读出电路包含:跨电容放大器、相移器、振幅检测器和可变增益放大器(VGA),由两路A/D和DSP实现频率到数字的变换。测试结果表明,在非控制环境温度下24h,该调频MEMS陀螺仪的偏置稳定度为1.2°/h,经一级补偿后的标度因子的误差小于40ppm。为了开发MEMS惯性导航系统的全部潜力,提高其精度,开发一个与温度相关的模型来补偿误差是很有必要的。传统的温度补偿方法依赖于多项式回归法,没有考虑到传感器误差中固有的非线性。

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