MEMS振動(dòng)傳感器信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳偉琪, 肖定邦, 蒲金飛,2, 李 凱, 毛善國

(1.國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410073； 2.唐智科技湖南發(fā)展有限公司,湖南 長沙 410007；3.湖南天羿領(lǐng)航科技有限公司,湖南 長沙 410100)

0 引 言

工業(yè)過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)常通過振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),其振動(dòng)信號(hào)的獲取多采用振動(dòng)傳感器。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)的發(fā)展,具有靈敏度高、體積小、易集成、可批量加工等優(yōu)勢(shì)的MEMS電容式振動(dòng)傳感器,已經(jīng)成為MEMS振動(dòng)傳感器領(lǐng)域的主流應(yīng)用。

應(yīng)用于工業(yè)過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)的MEMS振動(dòng)傳感器要求具有高量程、寬振動(dòng)帶寬、小尺寸、良好的環(huán)境溫度適應(yīng)性以及抗干擾和接口防護(hù)能力。而現(xiàn)有的MEMS振動(dòng)傳感器產(chǎn)品[1]很難滿足以上所有的應(yīng)用需求。國內(nèi)外已有諸多MEMS電容式振動(dòng)傳感器研究成果[2～4]提到,通過優(yōu)化傳感器差分電容結(jié)構(gòu)和電容檢測(cè)電路可以減小寄生電容影響、提高機(jī)械靈敏度和零偏穩(wěn)定性能。一種雙差動(dòng)扭擺式MEMS加速度計(jì)[5,6]利用反相對(duì)稱激勵(lì)電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng),再采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)將差分電容敏感的振動(dòng)信號(hào)調(diào)制到髙頻段,然后經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為與之成線性的加速度電壓信號(hào),有效避免低頻噪聲的干擾,減小了 MEMS 器件與電路結(jié)合處寄生電容的影響,同時(shí)可以使溫度造成加速度計(jì)輸出的緩慢漂移得到抑制,提高溫度穩(wěn)定性。

本文依據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求,基于蝶翼式MEMS差分電容敏感結(jié)構(gòu),對(duì)MEMS振動(dòng)傳感器信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電容檢測(cè)電路原理

MEMS電容檢測(cè)電路原理按對(duì)電容變化檢測(cè)方式主要有檢測(cè)電容的電流、電容兩端的電壓、電容存儲(chǔ)的電荷以及電容構(gòu)成的振蕩諧振頻率等4種,其中,電荷檢測(cè)基于電荷的轉(zhuǎn)移原理(電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)換),其對(duì)寄生電容不敏感,且有多種電荷檢測(cè)電路形式,研究應(yīng)用較多。

蝶翼式MEMS振動(dòng)傳感器信號(hào)檢測(cè)電路主要由反相對(duì)稱激勵(lì)、蝶翼式MEMS振動(dòng)敏感結(jié)構(gòu)、C/V模塊和接口電路模塊組成,其原理框圖見圖1。

圖1 信號(hào)檢測(cè)電路原理框圖

檢測(cè)電路原理是：通過微控單元(micro-controller unit,MCU)產(chǎn)生頻率和幅度相同、相位相反的兩路對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)vm。將反相對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)vm施加于蝶翼式MEMS振動(dòng)敏感結(jié)構(gòu)的固定極板,當(dāng)物理環(huán)境的振動(dòng)激起MEMS振動(dòng)敏感結(jié)構(gòu)(差分電容對(duì))的可動(dòng)極板與固定極板之間產(chǎn)生微弱的電容變化輸出,其輸出攜帶有隨振動(dòng)加速度變化的載波調(diào)制信號(hào)iAM,其等效電荷量正比于振動(dòng)加速度大小,頻率等于反相對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)vm頻率。已調(diào)制信號(hào)VAM再經(jīng)過C/V模塊中的電荷放大、濾波電路處理,將等效電荷轉(zhuǎn)換、放大成電壓信號(hào)vq,并通過開關(guān)同步相敏解調(diào)技術(shù)去除載波信息和濾除噪聲,提取出與振動(dòng)加速度成正比的直流電壓va。最后,通過接口電路轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)采集系統(tǒng)接口要求的電壓vo或電流信號(hào)io輸出。其中,為減小環(huán)境溫度對(duì)MEMS振動(dòng)傳感器輸出的影響,將獲取的片內(nèi)溫度傳感器信號(hào)及解調(diào)輸出后的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)反饋至MCU,MCU通過全溫區(qū)補(bǔ)償算法進(jìn)行零偏補(bǔ)償和標(biāo)度因數(shù)修正,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)加速度信號(hào)準(zhǔn)確的敏感和輸出。

2 電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 C/V模塊

C/V模塊在雙載波調(diào)制解調(diào)電容檢測(cè)技術(shù)[7～10]基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì),其輸入的調(diào)制信號(hào)iAM經(jīng)過電荷放大器、開關(guān)同步相敏解調(diào)電路輸出與加速度呈線性的電壓va,其電路設(shè)計(jì)框圖見圖2。

圖2 C/V模塊電路設(shè)計(jì)框圖

基于電荷轉(zhuǎn)移的原理,已調(diào)制信號(hào)iAM可以等效為一個(gè)與差分電容變化量ΔC相并聯(lián)的電流信號(hào)。其經(jīng)過電荷放大器電容深度負(fù)反饋形成高增益放大,轉(zhuǎn)換為正比于輸入電流的電壓輸出vq,其輸出電壓主要決定于輸入電荷以及反饋電路參數(shù)Cf,Rf

(1)

當(dāng)作為電荷放大器的運(yùn)算放大器增益Av足夠大,信號(hào)頻率ω很高時(shí),1/Rf?ωCf,1/Rf可忽略,輸出電為壓vq

(2)

C/V模塊電路的調(diào)制信號(hào)采用反相對(duì)稱激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)差分電容對(duì),其輸出電荷只與差分電容變化量ΔC有關(guān),而與初始電容無關(guān),則電荷放大器輸出信號(hào)變化量

(3)

開關(guān)同步相敏解調(diào)電路利用與已調(diào)制信號(hào)同頻的載波信號(hào)控制開關(guān)通斷進(jìn)行信號(hào)解調(diào),數(shù)學(xué)上等同于調(diào)制信號(hào)與頻率相同且幅值為±1的方波信號(hào)相乘。從電荷放大器輸出的電壓信號(hào)vq中解調(diào)出蝶翼式MEMS振動(dòng)敏感結(jié)構(gòu)的“低頻”振動(dòng)信號(hào)va,其包含高通濾波、開關(guān)解調(diào)和低通濾波差分放大電路。

通過TINA-TI仿真軟件搭建C/V模塊仿真電路見圖3,模擬ΔC為差分電容總變化量為0.19 pF,其仿真結(jié)果見圖4。仿真結(jié)果顯示：已調(diào)制信號(hào)微弱10-15A,而經(jīng)過電荷放大后輸出為約100 mV,符合電荷放大器轉(zhuǎn)換系統(tǒng)數(shù)-1/Cf,改變Cf即可方便調(diào)節(jié)電荷放大器的輸出。再經(jīng)過低通濾波差分放大后,得到解調(diào)信號(hào)va。圖5模擬了ΔC為差分電容變化頻率為1 kHz時(shí)的調(diào)制及解調(diào)輸出。

圖3 C/V轉(zhuǎn)換電路仿真

圖4 C/V轉(zhuǎn)換電路仿真結(jié)果

圖5 模擬輸入為1 kHz的調(diào)制解調(diào)

2.2 接口電路

接口電路是為滿足后級(jí)系統(tǒng)采集的匹配要求、環(huán)境適應(yīng)性應(yīng)用要求,設(shè)計(jì)了用于直流參考電平調(diào)整和靈敏度放大的零偏及放大電路、電流/電壓選擇電路和接口防護(hù)電路。接口電路原理圖見圖6。

圖6 接口電路

其中，零偏及放大電路用于匹配后級(jí)采集系統(tǒng)不同的接口要求,通過兩級(jí)差分放大電路可靈活的調(diào)整零偏和靈敏度(標(biāo)度因數(shù)),其電路模型見圖7。

圖7 零偏及放大電路

圖7中,MEMS振動(dòng)傳感器輸出為Ui(包括直流電平Ei和標(biāo)度因數(shù)Si),通過零偏及放大信電路輸入到后級(jí)檢測(cè)系統(tǒng),須接口匹配信號(hào)為Uo(包括直流電平Eo和標(biāo)度因數(shù)So),設(shè)直流電平零偏系數(shù)K和交流放大系數(shù)As,則：

交流放大系數(shù)As

(4)

零偏系數(shù)K

(5)

式(4)、式(5)中,r為MEMS輸出阻抗,G為參考電平。通過此系數(shù)法可靈活地對(duì)直流參考電平進(jìn)行上、下平移,同時(shí)對(duì)標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如圖8為電平零偏系數(shù)為4,交流放大系數(shù)為5,即直流參考電平從2.5 V平移至10 V,靈敏度為100 mV/gn的仿真結(jié)果。

圖8 零偏及放大電路

接口保護(hù)電路形式見圖9。其通過瞬態(tài)抑制二極管、空氣放電管、ESD管、防反接二極管等組合形式,能有效防止現(xiàn)場(chǎng)接線錯(cuò)誤、開關(guān)浪涌脈沖、靜電等引起傳感器故障。

圖9 接口保護(hù)電路

2.3 零偏及標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償電路

MEMS振動(dòng)傳感器的差分電容敏感結(jié)構(gòu)易受環(huán)境溫度的影響而導(dǎo)致零偏和標(biāo)度因數(shù)輸出發(fā)生漂移。本電路在蝶翼式差分電容結(jié)構(gòu)自身良好的機(jī)械特性基礎(chǔ)上,采用硬件電路和軟件算法綜合構(gòu)建補(bǔ)償模型。其補(bǔ)償模型見圖10。

圖10 零偏及標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償模型

零偏補(bǔ)償包括硬件電路補(bǔ)償和軟件算法補(bǔ)償,通過蝶翼式差分電容結(jié)構(gòu)的片上補(bǔ)償電容Cb+,Cb-進(jìn)行零偏初補(bǔ),再通過MCU讀取溫度傳感器Sensor_Temp實(shí)時(shí)采集的溫度反饋信號(hào)和差分放大器AMP輸出的零偏電壓,通過軟件多項(xiàng)式插值算法逐次迭代計(jì)算出各溫度點(diǎn)應(yīng)輸出的補(bǔ)償電壓或控制信號(hào),再通過圖10零偏補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。

蝶翼式差分電容微機(jī)械結(jié)構(gòu)標(biāo)度因數(shù)在各溫度點(diǎn)呈線性,在不同溫度區(qū)間,MCU對(duì)應(yīng)的線性調(diào)整反相對(duì)稱激勵(lì)電壓的幅度即可修正標(biāo)度因數(shù)。

3 電路測(cè)試與分析

3.1 電路測(cè)試

為了驗(yàn)證電路的可行性,加工了印刷電路板(printed circuit board,PCB)，并依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)搭建檢測(cè)電路,采用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器分別模擬載波和調(diào)制信號(hào),利用微分電路搭建了電荷發(fā)生器,并將信號(hào)輸入電荷放大器,其輸入輸出測(cè)試如圖11,可見被調(diào)制信號(hào)能被較好解調(diào)出來,同頻同相且信號(hào)被放大。

圖11 電荷放大器輸入輸出

在正、負(fù)電源之間施加浪涌2.5 kVac,其輸入接口保護(hù)電路的系統(tǒng)接口端電壓被鉗位在17.2～19.6 V之間,圖9中的V/I接口端電壓被鉗位在7.52～8.40 V,測(cè)試結(jié)果見圖12,結(jié)果表明接口保護(hù)電路能有效保護(hù)電路受開關(guān)浪涌等現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。

圖12 接口浪涌測(cè)試

3.2 結(jié)合敏感結(jié)構(gòu)的電路集成測(cè)試

用直流穩(wěn)壓電源和三用表、示波器等構(gòu)建檢測(cè)常規(guī)檢測(cè)系統(tǒng)。并在不同恒定溫度下的檢測(cè)MEMS振動(dòng)傳感器零偏輸出,經(jīng)測(cè)試零偏輸出為10V且穩(wěn)定,見表1。

表1 各溫度下零偏輸出 V

采用B&K 3629校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)安裝有檢測(cè)電路的蝶翼式振動(dòng)傳感器樣機(jī)進(jìn)行靈敏度和幅頻響應(yīng)的測(cè)試,其校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖13。

圖13 B&K 3629振動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)

設(shè)置B&K 3629校準(zhǔn)系統(tǒng)輸出激勵(lì)信號(hào)為160 Hz,1 Grms定頻正弦測(cè)試,檢測(cè)電路標(biāo)度因數(shù)輸出:1#～5#標(biāo)度因數(shù)分別為100.36,99.92,100.08,99.83 mV/gn。

設(shè)置B&K 3629校準(zhǔn)系統(tǒng)輸出5～5 000 Hz頻率,加速度均方值5 Grms的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì),MEMS振動(dòng)傳感器的幅頻響應(yīng)曲線見圖14。

圖14 幅頻響應(yīng)曲線

4 結(jié) 論

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證,本文MEMS振動(dòng)傳感器信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)微弱電容具有較好的檢測(cè)放大作用,結(jié)合硬件和軟件補(bǔ)償方法具有良好的溫度補(bǔ)償效果,接口保護(hù)電路適應(yīng)性和防護(hù)能力強(qiáng)?；诒倦娐吩O(shè)計(jì)的MEMS振動(dòng)傳感器滿足工業(yè)過程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域大量程、寬帶寬和嚴(yán)苛溫度環(huán)境等條件下的應(yīng)用。