微機械慣性傳感器檢測平臺的設計與應用

微機械慣性傳感器檢測平臺的設計與應用

　　摘要：一種用于微機械慣性傳感器研制與開發的檢測平臺，介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統的總體結構、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。
　　關鍵詞：微機電系統（MEMS）微機械陀螺（MMG）檢測
　　
　　隨著科學技術的發展，許多新的科學領域相繼涌現，其中微米/納米技術就是諸多領域中引人注目的一項前沿技術。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術成功應用于大規模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎的各種微傳感器和微機電系統（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，世界各個先進工業國家都十分重視對MMG的研究及開發，投入了大量人力物力，低精度的產品已經問世，正在向高精度發展。
　　
　　1微機械振動陀螺儀的簡要工作原理
　　
　　陀螺系統組成見圖1，它由敏感元件、驅動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅動力矩的作用，質量片在平行于襯底的平面內產生繞驅動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質量片下方、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電路進行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。
　　
　　在科研及加工過程中，一個重要的內容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務。根據陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅動信號發生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅動信號發生部分對待測的慣性傳感器給予適當的驅勸信號，使傳感器處于工作狀態。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經過放大、解調處理后，將模擬量轉換成數字量采集到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
　　
　　在MMG檢測技術中，利用電容傳感器敏感試驗質量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質量和基片之間的電容變化是一個關鍵技術。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
　　
　　2.1開關電容電路
　　
　　其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關的時序，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控制，不斷重復，使未知電容總處于動態的充放電過程。C1、C2連續地放電，電流脈沖經過電荷放大器轉換為電壓。再經過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數為：
　　
　　Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
　　
　　2.2單位增益放大器電路
　　
　　AD公司與U.C.Berkeley聯合開發的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用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）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
　　
　　=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs
　　
　　∵Rgs→∞
　　
　　∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs
　　
　　分布電容Cp約為10pF，輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。可以看出，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的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。
　　
　　2.3電荷放大器電路
　　
　　電荷放大器電路如圖4所示。它采用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。應選取Rf，使時間常數RfCf遠大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便。可以使用小阻值的電阻組成T型網絡，替代大阻值電阻。
　　
　　若運算放大器具有足夠的開環增益，反相輸入端為很好的虛地，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對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結構要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉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，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。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/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應該表示為：
　　
　　Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
　　
　　3檢測平臺的系統構成及工作原理
　　
　　該系統的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當的激勵信號后，傳感器的動片即處于振動狀態，上下極板間的電容發生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經交流放大、解調后通過A/D轉換變成數字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應，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。
　　
　　3.1激勵信號發生器
　　
　　根據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性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內進行調節。另外，陀螺儀的驅動力矩等于驅動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態。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值來調節，不能連續大范圍調節。所以，設計中采用數字方法合成模擬波形，其原理見圖6。圖6中8254為軟件可編程計數器。其包含3個獨立的16位計數器，計數最高頻率可達8MHz，設計中輸入3MHz的時鐘，將2個計數器串連使用，這樣可以增加頻率控制范圍。8254產生的方波信號作為后面并行計數器的計數脈沖輸入。并行計數器由2片74LS161組成8位二進制循環計數器。74LS161計數到最大值時會自動清零，重新開始計數，其輸出可作為E2PROM2817A的地址信號（即每個正弦周期內采樣點數為256個）。2817A的數據讀取時間為150ns。設計電路時將它的片選和讀信號均設為有效，以提高數據讀取速度。D/A轉換采用DAC-08電流輸出型D/A轉換器。電路輸出時間85ns，放大器采用高速高精度運放OP-37，同理，D/A轉換器的片選和轉換開始信號總為有效，其輸出跟隨輸入變化，提高轉換速度。實驗結果表明，此信號發生器完全可以生成10kHz以內可調頻的正弦波。而且使用可編程計數器8254，輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調節。如果想輸出非正弦波形，只要修改E2PROM的數據，就可以輸出任意形狀的周期波形。
　　
　　3.2低通跟蹤濾波器
　　
　　數字信號發生器具有控制靈活的優點，但是輸出信號不夠平滑，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。本設計中信號的頻率變化范圍很大：幾百赫茲到10千赫茲。為了進一步提高信號質量，采用AD633模擬乘法器構成低通跟蹤濾波器，其原理如圖7。
　　
　　通帶的截止頻率是由電壓Ec控制的，輸出是OUTPUTA，截止頻率：
　　
　　fc=Ec/[(20V)πRC]
　　
　　OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端，截止頻率與RC濾波器相同：
　　
　　f1=1/(2πRC)
　　
　　這種濾波器結構簡單，沒有開關電容，噪聲小，一般采用數模轉換器控制Ec，控制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。傳感器有差動微電容量變化C0+ΔC和C0-ΔC。采用電荷放大器電路提取出ΔC，此電壓信號仍然很彈，需要進一步放大處理，于是采用圖8所示的交流放大器。
　　
　　交流放大器由4個放大倍數為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯組成，進一步放大被測信號，同時調整幅值以便適應解調器的輸入。圖8中的開關選用ADG211模擬開關，通過控制模擬開關的開合，可以任意選擇某級或某幾級放大器參加工作，實現對放大倍數正負1、2、5、10、20、50、100的整倍數調整。例如，將模擬開關S0、S2、S8、S13閉合，其他開關全部打開，交流放大器的總放大器數即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
　　
　　3.4數據采集系統
　　
　　使用計算機總線，與外設之間必須有接口。本系統采用雙端口RAM作為數據緩存。先將信號采樣并存儲其中，然后成組地向主機傳送，從而有效地發揮了主、從、資源的效率，且設計也相對簡單。
　　
　　3.4.1系統工作原理
　　
　　系統基本組成原理如圖9。主要有雙端口RAM、邏輯控制模塊、A/D轉換器組、計算機接口。機通過接口啟動邏輯控制模塊后，CPU資源向其他請求開放，邏輯控制模塊發控制信號啟動A/D轉換器并進行采樣，并將轉換結果存入雙端口RAM。當RAM中的數據達到一定數量時，邏輯控制模塊向計算機發出中斷請求。主機接到請求后進入中斷服務程序，向邏輯控制模塊發出命令，決定是否繼續采樣，并將RAM內的數據讀入內存。
　　
　　3.4.2硬件設計
　　
　　本設計使用Cypress公司的CY7C136（2k×8bit）雙端口RAM。其兩個端口都有獨立的控制信號、片選CE、輸出允許OE和讀寫控制R/W。這組控制信號使得兩個端口可以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，有可能導致數據讀出結果不正確。解決這個問題的方法有兩個：一種是監測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，即將雙端口RAM進行分塊。本系統采用后者，將busy信號輸出通過上拉電阻接到電源正極。
　　
　　在系統中，邏輯控制模塊的作用非同小可，是控制采樣、存儲、與計算機接口的核心。本系統為方便對采樣速率等參數進行設置，在該模塊中采用了MCS-51單片機。這樣可以通過編程設定采樣速率。
　　
　　與主機的信息交換包括：
　　
　　（1）接收主機控制信號，以決定是否開始采樣；
　　
　　（2）在存儲區滿后，向主機發中斷請求。
　　
　　本系統使用AT89C51的地址總線來選通RAM的存儲單元，對其進行寫操作，將采樣結果存入相應的單元。
　　
　　3.4.3軟件設計
　　
　　系統軟件包括主機程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關鍵是單片機控制A/D轉換器和存儲器部分，軟件流程見圖10。
　　
　　至于系統的采樣速率，一般通過調用定時中斷來實現。
　　
　　微機械慣性通用檢測系統針對性強（專用于微機械陀螺儀和加速度計），可實現敏感元件的自動測試，自動掃頻測出傳感器的諧振頻率、Q值等，并且還可以在一定程度上實現硬件功能再調整，在實際檢測中取得了較好的效果。
　　
　　
　　
　　

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