適用于電容式MEMS傳感器的微小電容檢測系統(tǒng)*

王 宇，張曉明，白渚銓，趙鑫爐

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于該工藝的微型器件得到了廣泛的應(yīng)用,其中最為代表性的是微機(jī)械加速度計(jì)及微機(jī)械陀螺的快速發(fā)展。由于微機(jī)械陀螺具有體積小、成本低、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此許多科研院所公司對其進(jìn)行了研究開發(fā)，本實(shí)驗(yàn)室針對當(dāng)前高速旋轉(zhuǎn)彈的特點(diǎn)提出了一種利用彈體旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動的陀螺。該MEMS陀螺通過檢測運(yùn)動過程中電容的變化來實(shí)現(xiàn)對載體角速率的測量。然而由于MEMS器件電容都比較小，工作工程中其變化范圍就更小，所以對微小電容的精確檢測是實(shí)現(xiàn)三軸角速率提取正確的基礎(chǔ)。

本文針對這一情況提出一種可用于檢測微小電容變化的檢測電路。該檢測電路具有精度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)有MEMS陀螺微小電容的檢測，在MEMS器件及其他電容式傳感器測試中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 陀螺工作原理

針對旋轉(zhuǎn)彈的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了利用其自身旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動的三軸MEMS陀螺，該陀螺與傳統(tǒng)MEMS陀螺相比，在結(jié)構(gòu)上省去了驅(qū)動部分，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陀螺結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為：將陀螺捷聯(lián)安裝在彈體內(nèi)部，當(dāng)彈體旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動內(nèi)部質(zhì)量塊產(chǎn)生切線方向的速度vr，進(jìn)而當(dāng)彈體姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)，亦即當(dāng)其偏航角速率和俯仰角速率發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致其投影在x軸上的速度發(fā)生變化，在這兩個(gè)速度的作用下，進(jìn)而產(chǎn)生哥氏加速度。隨著彈體姿態(tài)的變化，質(zhì)量塊受到的哥氏力也不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致質(zhì)量塊上下振動，此時(shí)質(zhì)量塊與極板間的電容也發(fā)生變化。通過檢測質(zhì)量塊與極板間電容的變化來實(shí)現(xiàn)對彈體三軸角速率的測量。根據(jù)陀螺結(jié)構(gòu)及相關(guān)理論可得，其電容變化范圍為-1.066 pF～1.066 pF，且最小變化量僅為1.95 fF。

1.2 電容檢測系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)首先利用AD7747對所測電容進(jìn)行檢測，然后通過I2C總線與單片機(jī)進(jìn)行通信，經(jīng)過單片機(jī)對所轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示或者將數(shù)據(jù)存儲在單片機(jī)的內(nèi)部Flash中，其總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件電路比較簡單，主要包括STM32F405外圍電路的設(shè)計(jì)、與AD7747的通信接口電路設(shè)計(jì)以及其與上位機(jī)通信的接口電路設(shè)計(jì)。

2.1.1 AD7747相關(guān)簡述

AD7747是一款低成本、高分辨率的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其電容轉(zhuǎn)換位數(shù)可達(dá)24位。其既可測量差分電容，也可實(shí)現(xiàn)單端電容的測量。差分測量范圍為±8 pF，單端測量時(shí)最大可以測量25 pF的電容。

本文所設(shè)計(jì)陀螺采用差分電容結(jié)構(gòu)，所以利用AD7747的差分測量來對其進(jìn)行檢測。在檢測過程中，陀螺其中一個(gè)極板共地，另外兩個(gè)極板分別與芯片的CIN(+)、CIN(-)連接，同時(shí)為減小干擾，在連接線外面套上屏蔽線，將其與AD7747的SHLD端連接，以減少導(dǎo)線的干擾。然后AD7747通過內(nèi)部的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的配置來進(jìn)行容值的測量，并通過I2C總線將所測容值傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。

2.1.2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電容檢測系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F405單片機(jī)。該單片機(jī)是一款32位基于CortexTMM4內(nèi)核的ARM芯片，內(nèi)部Flash高達(dá)1 MB，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間測試數(shù)據(jù)的存儲，且其開發(fā)簡便，能夠大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間。所以本文選取該單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制中樞，其主要包括I2C數(shù)據(jù)傳輸、單片機(jī)與上位機(jī)的傳輸以及對AD7747及串口通信的基本配置。

此外，當(dāng)單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于電平的不同，需要利用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本文采用MAX232EUE及相應(yīng)的外圍電路來實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。其原理圖如圖3所示。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、AD7747與單片機(jī)STM32F405的I2C通信設(shè)計(jì)和單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信設(shè)計(jì)。

2.2.1 總體程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用以完成器件的初始化、AD7747與單片機(jī)的通信控制、數(shù)據(jù)的上傳等，其具體流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體工作流程圖

2.2.2 I2C通信模塊設(shè)計(jì)

AD7747數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊是基于I2C通信協(xié)議的。I2C總線是由PHILIPS公司提出的一種兩線串行總線協(xié)議，其具有接線少、協(xié)議簡單、誤碼率低和通信速率較高等特點(diǎn)。I2C協(xié)議是通過一根時(shí)鐘總線進(jìn)行發(fā)送機(jī)與接收機(jī)時(shí)間同步，使用一根數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖5是I2C協(xié)議起始信號和終止信號的定義，這使得發(fā)送機(jī)和接收機(jī)很容易識別有用信號的開始和結(jié)束。圖6是AD7747給出的I2C總線傳輸序列。

圖5 I2C協(xié)議起始與終止信號定義

圖6 AD7747數(shù)據(jù)傳輸定義

實(shí)現(xiàn)AD7747與STM32單片機(jī)的通信比較簡單，只需選取合適的I/O口，然后對其正確配置即可實(shí)現(xiàn)正常通信。其具體配置為：

2.2.3串口通信模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要是將處理完的數(shù)據(jù)通過串口傳到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該模塊需要上位機(jī)和下位機(jī)協(xié)調(diào)工作，所以該模塊包含兩部分。下位機(jī)部分主要是通過對STM32單片機(jī)進(jìn)行合理的配置來實(shí)現(xiàn)串口的正確傳輸；上位機(jī)部分采用VC++進(jìn)行編寫，通過發(fā)送相應(yīng)的指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及存儲。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 陀螺容值精度測試

對于陀螺電容值的測量,首先利用4284阻抗分析儀分別對3個(gè)陀螺兩端的電容值進(jìn)行測量，獲得各陀螺相應(yīng)的容值,然后利用該電容檢測系統(tǒng)測量其差分值，并與4284測量結(jié)果進(jìn)行對比，其對比結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)電容檢測系統(tǒng)測試結(jié)果(pF)

通過所測數(shù)據(jù)分析可得：該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對差分電容的準(zhǔn)確測量，因此該系統(tǒng)能夠滿足電容式MEMS器件的信號檢測。

3.2 重復(fù)性及分辨率的測試

該部分主要是利用三軸角速率轉(zhuǎn)臺來控制陀螺，使得質(zhì)量塊在不同位置時(shí)與極板間的間距發(fā)生變化，進(jìn)而電容產(chǎn)生變化，具體測試方法是轉(zhuǎn)臺按位置方式工作，其變化范圍為 0°～90°～0°，變化幅度為 10°。通過陀螺變化電容的測試對該系統(tǒng)的重復(fù)性及分辨率進(jìn)行測試。以2號陀螺為例，其測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行取點(diǎn)分析可得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同位置時(shí)所測電容值

通過表2可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對陀螺變化電容的準(zhǔn)確測量，且能夠敏感1.6 fF容值的變化。對陀螺同一位置的兩次測量可以看出，兩次測量結(jié)果基本一致，說明該系統(tǒng)的測量重復(fù)性良好。因此可得該檢測系統(tǒng)具有較高的測量精度，同時(shí)能夠敏感fF級電容的變化，在MEMS領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文設(shè)計(jì)了基于AD7747和STM32F405的微小電容檢測系統(tǒng)，分別對其硬件電路及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并對其性能進(jìn)行測試。通過實(shí)驗(yàn)可得，該系統(tǒng)測量的最小分辨率為1.6 fF，且測量精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)計(jì)陀螺信號的正確測量。因此其也可應(yīng)用于其他電容式MEMS器件的信號測量，具有廣闊的應(yīng)用范圍。

[1]盛陽,趙美蓉,劉明,等.超微力發(fā)生系統(tǒng)及其電容采集模塊的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(10):1505-1509.

[2]TAKEUCHI M,LI Q,YANG B,et al.Use of a capacitance measurement device for surrogate noncontact conduc-tance measurement[J].Talanta,2008,76(3):617-620.

[3]HE M,LIU R,LI Y,et al.Tactile probing system based on micro-fabricated capacitive sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical,2013.

[4]ZHAO Z,SHIN M,GALLMAN J M,et al.A microfabricated shear sensor array on a chip with pressure gradient calibration[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014(205):133-142.

[5]王海濤,林玉池,付魯華,等.微小力測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(11):8-11.

[6]王海濤.超微力測量方案的探索實(shí)驗(yàn)研究[D].天津:天津大學(xué),2009.