一種靜電驅動微機械諧振傳感器的接口電路及應用

孟瑞麗，劉 恒，張宏群

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京 210044;2.南京信息工程大學教務處，江蘇南京 210044)

0 引言

基于硅微機械加工技術制造的，具有力學諧振頻率的微諧振式傳感器是一類非常重要的傳感器。它通過檢測其機械諧振器諧振頻率的變化來實現(xiàn)外部物理量的測量，特點是尺寸小，制作成本低廉，功耗小，易與數字電路接口，具有廣闊的應用前景。同時，微諧振式傳感器的重復性、分辨率和穩(wěn)定性非常優(yōu)良。它適于測量多種物理量，如壓力、真空度、角速度、加速度、流量、溫度、濕度和氣體成分等。微機械諧振式傳感器有利用靜電驅動電容檢測的實現(xiàn)方案，這類傳感器的電容變化量往往很小，許多情況下，輸出電容僅有幾十個或幾百個fF大小，因而對電容式傳感器輸出電容特別是輸出微小電容的測量始終是一個重要的研究課題［1］。

傳統(tǒng)上采用的放電電容測量電路、AC電橋電容測量電路、交流鎖相放大電容測量電路、基于V/T變換的電容測量電路、基于混沌理論的恒流式混沌測量電路、基于數字專用集成電路測量電路［2－3］等分立式解決方案均是測量靜態(tài)電容，而微機械諧振式傳感器測量是頻率變化，與電容大小幅度無關［4］。上述靜態(tài)電容測量方法不適合測量諧振傳感器的變化檢測電容。本文提出了一種方波頻率調制、開關解調的接口電路設計方案，將振動幅度的變化轉換為正弦波輸出電壓，并通過后續(xù)頻率計獲得諧振頻率。微機械諧振傳感器的特性參數，比如諧振頻率、品質因數直接影響著傳感器的靈敏度、分辨率等性能［5－6］。本文將該接口電路應用到某微機械雙框架振動陀螺的驅動模態(tài)品質因數和諧振頻率測試上，并成功獲得了微機械陀螺的品質因數和諧振頻率，為后續(xù)閉環(huán)驅動電路的設計提供了基礎。

1 靜電驅動微機械諧振傳感器讀出電路

典型靜電驅動的微機械諧振器一般包括振梁、驅動極板、檢測極板，其中振梁主要有懸臂梁、端固支梁等幾種，目前應用比較多的為雙端固支梁。加載靜電力的驅動極板和電容檢測極板有梳齒結構和平行板兩種，一般為了減小靜電驅動力的非線性，驅動極板多采用梳齒結構，而檢測極板一般采用平板，與振梁一起構成平板電容器。由于存在驅動電壓直接到檢測極板的耦合，為了檢測出有效微結構振動信號，設計方案采用了高頻方波調制及開關解調原理。整個接口電路見圖1，包括激勵信號、調制方波、電荷放大器、隔直放大模塊、高通濾波器模塊、模擬開關、低通濾波器模塊。

激勵信號為帶直流偏置的交流信號Vd+Vaccos(ωt)，通過電容和電阻進行隔離，信號加載見圖2。直流信號DC可以由直流穩(wěn)壓電源提供，交流信號AC可以由信號發(fā)生器提供，A3為連接驅動電容極板。

圖1 接口電路原理圖

圖2 激勵信號加載原理圖

調制方波產生電路由LTC1799芯片和1個電阻、2個電容構成，原理圖見圖3，通過調節(jié)電阻的值就可以改變輸出方波的頻率。輸出的方波一路A3直接連接諧振子微結構，另一路通過電容移相與后續(xù)的模擬開關相連，提供解調信號。

圖3 方波產生電路原理圖

高頻方波源Vs展開為正弦波的形式，可以表示為:

式中:ωd為方波的頻率;n為方波中的諧波次數;V0為展開電壓的幅值。

在驅動電壓的激勵下，微結構會發(fā)生振動，當驅動電壓中直流幅度Vd遠大于交流幅度Vac時，檢測電容Cx可以表示為:

式中:C0為檢測電容中的靜態(tài)部分大小;C1為檢測電容中的動態(tài)部分幅值。

接口采用電荷放大器時，對應的電路原理圖見圖4，運算放大器選用OP37，反饋電阻R3為調節(jié)響應性能，A4為檢測極板連接，A5為信號傳輸給下一級模塊。

圖4 電荷放大器原理圖

電荷量表示為:

后續(xù)的隔直放大電路由AD823和電容、電阻構成，電容先隔直流，再對交流信號進行反相放大。原理圖見圖5。

圖5 隔直放大電路原理圖

放大后的為交流信號，包含噪聲、未調制的驅動信號及調制的有效振動信號，在解調前需要對放大信號進行高通濾波器，將低頻噪聲及未調制的耦合激勵信號濾除。濾波電路見圖6，由運算放大器和電容、電阻構成，調節(jié)電阻和電容值得到不同的特征頻率值和過渡帶特性。

圖6 二階高通濾波電路原理圖

信號經過線性放大A倍后再經過隔直電路和特征頻率為ωd，通帶增益為B的高通濾波器后得到輸出電壓為:

式中Cf為接口電荷放大器的反饋電容值。

濾波后的信號需要通過開關解調，模擬開關采用了MAX4647開關，除開電源連接以外，一路A7為濾波后的輸入信號，一路A2為輸入解調的方波，解調后的輸出為A8，開關解調電路見圖7。

圖7 開關解調電路原理圖

式中:Vout為讀出電路的輸出信號;Φ為整個檢測電路的相移。

根據式(5)，輸出電壓中僅含反映振動頻率的分量，消除了同頻干擾，低通濾波電路見圖8。

圖8 二階低通濾波電路原理圖

2 讀出電路測試及應用

選擇的測試對象為一只真空封裝的微機械雙框架式諧振陀螺［7］，該陀螺采用梳齒靜電驅動，檢測端采用平板電容差分結構，為了提高能量的轉換效率和陀螺的性能，陀螺的驅動模態(tài)對應的框架總是希望處在諧振狀態(tài)，其驅動方向就等同于一個諧振器［8］。圖9為測試用的PCB及測試設備，直流穩(wěn)壓電源提供5V直流電壓代替圖2中DC電源，圖2中交流電壓AC由信號發(fā)生器提供。由于設計的微機械陀螺的驅動模態(tài)頻約為13 kHz左右，通過改變LTC1799外圍的電阻來獲得不同的方波頻率，圖9為測試得到的方波，頻率為334.183 kHz，遠大于驅動模態(tài)頻率。

圖9 測試得到的方波

圖10為模擬開關解調前的信號，很明顯，正弦波中含有方波，信號被調制了，與預期的設計一致。

圖10 開關解調前的信號

圖11為模擬開關解后的信號，從時域上看含有高頻分量也含有待測分量，圖12為解調后再經過低通濾波的輸出信號，由于陀螺結構采用了差分形式，直流分量比較小，圖中高頻分量幅度也很小。

圖11 開關解調后的信號

圖12 測試輸出信號

設計的讀出電路還應用來作為幅度頻率特征測試的接口電路，動態(tài)信號分析儀Agilent35670A提供的一路掃頻源代替圖2中的AC，幅度為2 V，接入分析儀的通道1。低通濾波器輸出的信號經過隔直后接入分析儀的通道2。當掃頻范圍為12～14 kHz時，諧振頻率為13.564 kHz，折算的品質因數為1863，實驗結果見圖13，同時諧振點左右兩邊相同頻差對應的幅頻響應并不一致，這可能與濾波器的影響有關，也可能與噪聲對雙邊驅動的影響不對稱有關。上述結果隨頻率掃描范圍的變化略有變化，當掃頻范圍為13～14 kHz時，諧振頻率為13.552 kHz，與信號發(fā)生器激勵得到的諧振點相一致。

圖13 微機械振動陀螺幅頻特性測試結果

在測試電路中共采用了3個模擬濾波器，其中一個低通濾波器為一階，主要起到隔直作用。另外一個二階低通濾波器采用了無限增益負反饋形式，高通濾波器采用了無限增益多路反饋形式，無論是高通濾波器還是低通濾波器，在設計時盡量不要出現(xiàn)“尖峰”的幅頻曲線，否則很難在開環(huán)幅頻特性測試判斷到底是結構模態(tài)引起的峰值還是電路本身帶來的峰值。

3 結束語

本文提出了一種微機械諧振傳感器的接口讀取電路，接口電路通過高頻方波調制振動信號，通過模擬開關解調方式得到振動信號。接口電路還包含高通和低通濾波模塊，整個電路通過分立器件構成，成本低，能消除同頻干擾的耦合影響。利用實驗室研制的靜電驅動微機械振動陀螺對接口讀取電路進行了實驗測試，中間測試波形信號與設計期望一致。并將該接口電路應用到陀螺的品質因數測量上，成功獲得微機械陀螺驅動模態(tài)的品質因數和諧振頻率。上述信號讀取電路和品質因數、諧振頻率測試方法也適于其他靜電驅動的微機械諧振傳感器的應用。

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