中文摘要：

微惯性传感器是最重要的硅基传感器之一。高端导航等应用需求使得微惯性器件向高灵敏度、高Q值方向发展，模拟闭环检测成为高性能微惯性传感器件的必要检测方法。由于受到MEMS工艺的精度限制，微传感器件不可避免的存在各种形式的失配，限制了模拟闭环检测方法的线性度，目前常用的电容阵列补偿方法及直流反馈电压调节方法复杂，且受到补偿和调节精度的限制，不能满足高性能应用需求。本项目力图从电-力反馈方式着手，改变传统"电压反馈"方式为"加力时间反馈"方式，避免电-力转换环节的二次非线性，以降低闭环检测系统对MEMS匹配性能的要求，提高模拟闭环检测方法的线性度等性能。研究内容包括1）MEMS器件失配和寄生电容失配对不同形式的力反馈系统的线性度影响分析；2）时间控制模拟力反馈非理想因素及机理分析；3）基于时控模拟力反馈的闭环检测电路系统设计方法；4）基于时间控制模拟力反馈的微传感器一致性补偿及温度补偿方法。

结论摘要：

微惯性传感器是最重要的硅基传感器之一。高端导航等应用需求使得微惯性器件向高灵敏度、高Q值方向发展，模拟闭环检测成为高性能微惯性传感器件的必要检测方法。由于受到MEMS工艺的精度限制，微传感器件不可避免的存在各种形式的失配，限制了模拟闭环检测方法的线性度，目前常用的电容阵列补偿方法及直流反馈电压调节方法复杂，且受到补偿和调节精度的限制，不能满足高性能应用需求。项目从电-力反馈方式着手，开展模拟力反馈闭环检测与补偿方法研究，完成的研究内容和取得的主要成果如下 1. 基于PWM技术的微加速度计时控模拟力反馈闭环检测方法与芯片针对传统模拟力反馈方法线性度受MEMS失配影响显著的问题，提出基于时间控制的微加速度计模拟力反馈闭环检测方法，从理论上证明时控模拟力反馈闭环检测方法在存在MEMS器件失配情况下的线性度性能优势。提出微加速度计模拟力反馈闭环系统通用动态特性分析方法，用于分析和优化系统稳定性、噪声、线性度、信号带宽、功耗等关键性能指标，为高性能系统设计奠定基础。基于时间控制模拟力反馈思想，采用0.35um CMOS工艺设计实现基于PWM力反馈的加速度计闭环接口电路芯片，验证了理论方法的正确性，芯片在存在较大MEMS失配的情况下，取得了优异的噪声与线性度性能。 2. 微陀螺传感器闭环驱动环路分析方法、接口电路补偿方法与芯片针对传统“时间平均”方法在分析微陀螺闭环驱动环路稳定性时，过程繁琐复杂，在环路阶数达到3阶后，难以量化分析环路性能的问题，提出一种闭环驱动环路线性化分析方法，简化环路稳定性分析过程，给出3阶环路性能量化分析方法，并通过实验验证，为闭环驱动电路设计提供了理论分析工具。针对微陀螺低噪声读出电路温漂问题，提出一种基于模拟域的温度补偿方法，显著提高电容读出电路C/V灵敏度温漂稳定性。提出一种解调信号相位矫正电路，有利于消除机械正交信号干扰。基于0.35um CMOS工艺设计微陀螺驱动和检测电路芯片，与微陀螺进行联合测试应用。 3. 新型快速延时锁定环（DLL）结构与芯片提出基于时间数字转换器（TDC）的快速延时锁定环电路结构，通过引入高精度TDC，有效减小DLL锁定时间，芯片整体性能达到国际先进水平。项目研究成果在IEEE Sensors Journal等国际/国内期刊发表学术论文20篇，其中SCI检索4篇，EI检索12篇。培养5名博士，2名硕士。