硅微加速度计测控线路设计及参数调整方法研究

　　1　引言

　　叉指式硅微加速度计是一类重要的新型MEMS传感器[1],该加速度计是通过检测由惯性加速度引起的微小电容变化量来测算出载体的惯性加速度的大小。由于传感器机械电容感知的电信号非常微弱,仅几mV,而且伴有严重干扰信号。所以要求加速度计的闭环测控线路具有特定的系统带宽,同时又要保证该系统的闭环稳定性。机械参数和电路参数对整个系统稳定性能和动态性能的影响都不容忽视。因此,合理设计测控线路,正确调整系统参数,对提高该加速度性能有着十分重要的作用。

　　2　叉指式硅微加速度计工作原理

　　加速度计的等效电容结构如图1所示,它由中央叉指状活动极板和若干相对基座固定的极板组成,活动极板通过一对支撑梁与基座相连。活动极板有若干叉指对,每对叉指对应一对固定电极板。理想情况下,当加速度计水平静止时,活动极板(即检测质量块)处于一对固定极板的中央,并保持初始受力平衡。当载体产生加速度a时,检测质量发生位移,方向与运动加速度方向相反。由于动极板产生位移,动极板与固定极板之间的间距改变导致等效电容的变化。由于考虑到上下极板各机械参数相同,所以该电容对位移求偏导的值为常数,即

式中:A为极板之间的重叠面积;Z0为上下极板与活动极板间隙;n为叉指对数目。

　　如果在开环状态下,当传感器接收到较大的加速度输入时,检测质量块会发生相当大的位移,在极板之间静电力作用下极易发生吸合效应。为了防止吸合,提高量程和线性度。需要采用闭环反馈。即通过检测电容转换并经过一系列信号调理后,对动极板施加解调得到的直流静电力,将偏移的质量块重新拉回到平衡位置附近。

　　3　闭环系统的线路设计和计算

　　图2为所设计线路的功能模块图。图示敏感方向为水平方向,垂直方向不能敏感加速度。如果存在机械表头加工误差的原因,敏感方向轴线可能失准,这样会导致测试结果存在方向余旋偏差,这种误差处理方法同安装误差处理相同。当无敏感加速度时,信号发生器产生的150 kHz正弦信号同信号源精密直流源产生的可调直流信号在加法器3处相加,经过射极跟随和反相器后产生对称反相的两路信号分别送入加法器1和加法器2。

　　当存在加速度输入时,由于活动极板和两固定极板之间电容发生变化,该差值变化通过电荷放大器变换并放大,此时交流输出幅度随输入加速度信号变化,经过解调和低通滤波之后,可以得到与加速度瞬时变化的等时直流输出,将该信号通过校正环节再反馈回至加法器1和加法器2中,所有直交流信号同时施加到固定极板的两端。