高Q值闭环电容式MEMS加速度计高精度数字化读出技术研究

High precision accelerometer is one of the key components of inertial navigation system (INS) which is widely used in aerospace and navigation field. However, bias stability and noise problems currently become the main bottleneck of the inertial navigation application of the capacitive MEMS accelerometer. The capacitive MEMS accelerometer embedded in high-Q twice-quantization sigma-delta loop is one of the most feasible schemes in solving these problems. With regard to this architecture, high precision digitalized readout techniques for high-Q closed-loop capacitive MEMS accelerometer will be researched and three critical scientific problems as following will be explored. 1) A lumped-parameter model of the high-Q twice-quantization sigma-delta closed-loop MEMS accelerometer system will be built, the mechanism of the mass residual motion will be explored, and the relationship between the noise resulting from the residual motion and parameters of the system will be analyzed. 2) The influence of the multibit ADC's characteristics on the system performance will be analyzed and the optimal quantization interval design will be researched in order to reject the in-band quantization noise. 3) The self-compensation principle of the bias drift caused by parasitic capacitances in a high-Q twice-quantization sigma-delta loop will be researched and the method of implementing both low noise and low bias drift will be explored. Aimed at the requirements of the inertial navigation application, MEMS accelerometer prototypes with high-precision digitalized readout are implemented and the validity of the theoretical analyses and related techniques will be verified. Our work is of great importance to the development of the inertial measurement unit (IMU) in our country.

惯性导航系统广泛应用于航天、航空、航海等领域，高精度加速度计是其核心部件。目前零偏稳定性和噪声问题是制约电容式MEMS加速度计在惯性导航系统中应用的主要瓶颈，采用高Q值二次量化型ΣΔ闭环结构实现该加速度计是解决该问题的最可行方案之一。本项目围绕该结构，研究高Q值闭环电容式MEMS加速度计高精度数字化读出技术，重点探索如下亟待解决的科学问题：1）建立高Q值二次量化型ΣΔ闭环加速度计微系统的集总参数模型，探索质量块冗余运动的作用机理，分析冗余运动噪声与系统各参数之间的关系；2）分析多位ADC特性对系统整体性能的影响，研究最佳的量化区间分布以降低量化噪声；3）研究针对该微系统的零漂自补偿的实现原理，探索同时实现低噪声和低零漂的方法。瞄准惯性导航应用要求，基于上述研究成果实现高精度数字化读出的微加速度计样品，验证理论分析的正确性和相关技术的有效性。本研究对我国高精度惯性测量单元研制有重要意义。

高精度惯性导航系统在航天、航空、航海等尖端领域有重大应用需求，高精度加速度计是其必不可少的核心部件。电容式MEMS加速度计具有健壮性好、成本低等突出优势，但零偏漂移和噪声问题制约了其在上述尖端领域的应用。本项目突破了上述制约问题，获得了高精度数字化读出电容式MEMS加速度计系列关键技术。.主要研究内容和重要成果包括：.（1）针对高精度、高量程、高线性度闭环MEMS加速度计需求，提出一种基于sigma-delta机电混合结构的数字反馈方案，利用 MATLAB/ Simulink完成机电混合系统级建模、仿真、设计。通过电路模块创新，提升系统噪声性能和线性度。绝大多数电路工作在低压域，极大地降低了功耗。片内集成温度传感器、数字滤波器、零偏温漂补偿和SPI接口，实现了高度集成和高度数字化。经流片、测试，加速度计能达到110.5dB的动态范围、34.3μg的零偏不稳定性、12.6 ppm 的非线性。.（2）针对高精度、高量程开环MEMS加速度计需求，提出了一种全差分CSA输入共模反馈的方案，有效降低了共模反馈电容引起的噪声本底增加。提出了一种能抑制失调和1/f噪声的低噪声全差分开关电容采样保持电路作为输出级，降低了噪声。片内集成高精度模数转换器、CIC+FIR数字滤波器、3阶零偏温漂补偿、2阶线性度温漂补偿、256bit的EEPROM和SPI接口，实现了更高集成度和高度数字化。经流片、测试，±50g开环MEMS加速度计噪声本底低至6ug/√Hz，动态范围高达121.43dB，半小时零偏不稳定性低至20ug，零偏温漂可补偿到1mg以内，非线性度可补偿到0.1‰~0.01‰左右。.本研究突破了高性能电容式MEMS加速度计的关键和难点技术，使其可用于高精度惯导系统中，有重要科学意义。特别是通过线性度补偿来提升开环加速度计线性度的方法具有重大科学意义，这使得高线性度、高量程的加速度计不必再采用高压、复杂的闭环结构，采用低压、低功耗的开环结构即可，且可获得更低噪声和零偏漂移。该补偿技术可拓展用于陀螺等其他高精度开环传感器中。基于本项目成果申请国家发明专利3项，发表论文10篇，其中8篇发表在IEEE TCAS-I、ISCAS等国际顶级期刊和会议上。培养博士后1名，博士研究生3名，硕士研究生3名。基于本项目成果又申请下来国家项目1项和博士后基金项目1项，正将本技术成果用于智能弹药等领域。