微機械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用

1、16/16微機械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用摘要：一種用于微機械慣性傳感器研制與開發(fā)的檢測平臺，介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。 關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)（MEMS） 微機械陀螺（MMG） 檢測隨著科學(xué)技術(shù)的進展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)確實是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項前沿技術(shù)。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進工業(yè)國家

2、都十分重視對MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品差不多問世，正在向高精度進展。1 微機械振動陀螺儀的簡要工作原理陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電路上分不施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質(zhì)量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度特不小，能夠由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進行處理，得到

3、與空間角速度成正比的電壓信號。 在科研及加工過程中，一個重要的內(nèi)容確實是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，因此就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務(wù)。依照陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當?shù)尿?qū)勸信號，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，通過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。2 微電容檢測技術(shù)在MMG檢測技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動角位移，獵取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小

4、，為了得到10/h的中等精度，要求電容測量分辨率達到（0.0110 -15）(110 -18)法拉。因此，關(guān)于微機械加速度計和向機械陀螺儀來講，檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采納的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采納的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。 2.1 開關(guān)電容電路其差不多原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及操縱開關(guān)的時序，如圖2所示。 在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序操縱，不斷

5、重復(fù)，使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖通過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再通過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式C=2C0 x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：Vc/x=-2VrefC0/Cfd02.2 單位增益放大器電路AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機械加速度計）采納了單位增益放大電路。圖3是單位增益放大器的等效電路。圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：（Vs-Vout）j（C0+C）+(-Vs-Vout

6、)j（C0-C）=Voutj(Cp+Cgs)+Vout/Rgs RgsVout=(2C/2C0+Cp+Cgs)Vs分布電容Cp約為10pF，輸入電容Cgs約為110pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。能夠看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的阻礙，通常采納的措施等電位屏蔽。2.3 電荷放大器電路電荷放大器電路如圖4所示。它采納具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標準反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時刻常數(shù)RfCf遠大于載波周期，以幸免輸出波形畸變。但Rf過大為今后

7、電路集成帶來不便。能夠使用小阻值的電阻組成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。若運算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為專門好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量可不能造成阻礙。電荷放大電路相關(guān)于單位增益放大電路來講，結(jié)構(gòu)要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的阻礙轉(zhuǎn)化為對地的分布電容，即進行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。盡管在電荷放大電路中，能夠忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，然而在檢測微小電容變化時，輸出依舊有專門大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/（2RfCf）

8、和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：Vout=-(C1-C2)/（Cio+Cf）Vs=-(2C)/Cio+CfVs3 檢測平臺的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當?shù)募钚盘柡?，傳感器的動片即處于振動狀態(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采納電荷放大器電路將該信號提取出來，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機中，觀看傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎(chǔ)。3.1 激勵信號發(fā)生器依照微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特

9、性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設(shè)計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在那個范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動力矩等于驅(qū)動信號的交流重量與直流重量的乘積，因此還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。表1 交流相位和直流偏置組合直流偏置：+-交流信號：+-+-一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調(diào)節(jié)，不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。因此，設(shè)計中采納數(shù)字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計數(shù)器。其包含3個獨立的16位計數(shù)器，計數(shù)最高頻率可達8MHz，設(shè)計中輸入3MHz的時鐘，將2個計數(shù)器串連使用，如

10、此能夠增加頻率操縱范圍。8254產(chǎn)生的方波信號作為后面并行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入。并行計數(shù)器由2片74LS161組成8位二進制循環(huán)計數(shù)器。74LS161計數(shù)到最大值時會自動清零，重新開始計數(shù)，其輸出可作為E2PROM 2817A的地址信號（即每個正弦周期內(nèi)采樣點數(shù)為256個）。2817A的數(shù)據(jù)讀取時刻為150ns。設(shè)計電路時將它的片選和讀信號均設(shè)為有效，以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采納DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電路輸出時刻85ns，放大器采納高速高精度運放OP-37，同理，D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開始信號總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉(zhuǎn)換速度。實驗結(jié)果表明，此信號發(fā)生器完全能夠生

11、成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計數(shù)器8254，輸出正弦波的頻率能夠用軟件方法調(diào)節(jié)。假如想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數(shù)據(jù)，就能夠輸出任意形狀的周期波形。 3.2 低通跟蹤濾波器數(shù)字信號發(fā)生器具有操縱靈活的優(yōu)點，然而輸出信號不夠平滑，其中會有臺階波。在對信號要求比較高的場合，還需要進行濾波。本設(shè)計中信號的頻率變化范圍專門大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進一步提高信號質(zhì)量，采納AD633模擬乘法器構(gòu)成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。通帶的截止頻率是由電壓Ec操縱的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：fc=Ec/(20V) RCOUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC

12、濾波器相同：f1=1/(2RC)這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，沒有開關(guān)電容，噪聲小，一般采納數(shù)模轉(zhuǎn)換器操縱Ec，操縱通帶頻率也比較容易。 3.3 交流放大器微機械慣性傳感器在施加激勵信號后，即處于振動狀態(tài)。傳感器有差動微電容量變化C0+C和C0-C。采納電荷放大器電路提取出C，此電壓信號仍然專門彈，需要進一步放大處理，因此采納圖8所示的交流放大器。交流放大器由4個放大倍數(shù)為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯(lián)組成，進一步放大被測信號，同時調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開關(guān)選用ADG211模擬開關(guān)，通過操縱模擬開關(guān)的開合，能夠任意選擇某級或某幾級放大器參加工作，實現(xiàn)對放大倍數(shù)正負1、2、5、1

13、0、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如，將模擬開關(guān)S0、S2、S8、S13閉合，其他開關(guān)全部打開，交流放大器的總放大器數(shù)即為：（-1）（-2）（-10）=-20。3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用計算機總線，與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采納雙端口RAM作為數(shù)據(jù)緩存。先將信號采樣并存儲其中，然后成組地向主機傳送，從而有效地發(fā)揮了主、從、資源的效率，且設(shè)計也相對簡單。3.4.1 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)差不多組成原理如圖9。要緊有雙端口RAM、邏輯操縱模塊、A/D轉(zhuǎn)換器組、計算機接口。機通過接口啟動邏輯操縱模塊后，CPU資源向其他請求開放，邏輯操縱模塊發(fā)操縱信號啟動A/D轉(zhuǎn)換器并進行采樣，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口R

14、AM。當RAM中的數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量時，邏輯操縱模塊向計算機發(fā)出中斷請求。主機接到請求后進入中斷服務(wù)程序，向邏輯操縱模塊發(fā)出命令，決定是否接著采樣，并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。3.4.2 硬件設(shè)計本設(shè)計使用Cypress公司的CY7C136（2k8bit）雙端口RAM。其兩個端口都有獨立的操縱信號、片選CE、輸出同意OE和讀寫操縱R/W。這組操縱信號使得兩個端口能夠像獨立的存儲器一樣使用。使用這種器件要注意當兩個端口訪問同一個單元時，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出結(jié)果不正確。解決那個問題的方法有兩個：一種是監(jiān)測busy信號輸出，當檢測到busy信號有效，就使訪問周期拉長，這是從硬件上解決；另一種方法是軟件上保證兩個端口不同時訪問一個單元，立即雙端口RAM進行分塊。本系統(tǒng)采納后者，將busy信號輸出通過上拉電阻接到電源正極。在系統(tǒng)中，邏輯操縱模塊的作用非同小可，是操縱采樣、存儲、與計算機接口的核心。本系統(tǒng)為方便對采樣速率等參數(shù)進行設(shè)置，在該模塊中采納了MCS-51單片機。如此能夠通過編程設(shè)定采樣速率。與主機的信息交換包括：（1）接收主機操縱信號，以決定是否開始采樣；（2）在存儲區(qū)滿后，向主機發(fā)中斷請求。本系統(tǒng)使用AT89C5