微機械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用

    摘  要: 一種用于微機械慣性傳感器研制與開發(fā)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(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。

　　關(guān)鍵詞: 微機電系統(tǒng)(MEMS)  微機械陀螺(MMG)  檢測

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn),其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來,繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)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(chǔ)的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)(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(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開發(fā),投入了大量人力物力,低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世,正在向高精度發(fā)展。

1 微機械振動陀螺儀的簡要工作原理

　　陀螺系統(tǒng)組成見圖1,它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電容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(qū)動力矩的作用,質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸Z軸的簡諧角振動。當(dāng)在振動平面內(nèi)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性,如工作狀態(tài)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(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理,整個儀器包括兩大部分:驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號,使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化,經(jīng)過放大、解調(diào)處理后,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機中,分析輸出信號,以確定慣性儀表的特性。

2 微電容檢測技術(shù)

　　在MMG檢測技術(shù)中,利用電容傳感器敏感試驗質(zhì)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微機械陀螺儀來說,檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種:開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1 開關(guān)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(zhuǎn)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(guān)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(fù),使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電,電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)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(shù)為:

2.2 單位增益放大器電路

　　AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)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(dāng)載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時,前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可得,前置級有用信號輸出為:

    (Vs-Vout)jω(C0+ΔC)+(-Vs-Vout)jω(C0-ΔC)

　　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(biāo)稱電容C0(1pF左右)?？梢钥闯?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,通常采用的措施是等電位屏蔽。

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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)選取Rf,使時間常數(shù)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?？梢允褂眯∽柚档碾娮杞M成T型網(wǎng)絡(luò),替代大阻值電阻。

　　若運算放大器具有足夠的開環(huán)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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減。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當(dāng)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(yīng)該表示為:

3 檢測平臺的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當(dāng)?shù)募钚盘柡?傳感器的動片即處于振動狀態(tài),上下極板間的電容發(fā)生周期變化,采用電荷放大器電路將該信號提取出來,經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機中,觀察傳感器的輸出響應(yīng),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(chǔ)。

3.1 激勵信號發(fā)生器

　　根據(jù)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(shè)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(nèi)進行調(diào)節(jié)。另外,陀螺儀的驅(qū)動力矩等于驅(qū)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(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。

　　一般的RC振蕩電路生成的正弦波頻率靠改變R、C值來調(diào)節(jié),不能連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)。所以,設(shè)計中采用數(shù)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(shù)器。其包含3個獨立的16位計數(shù)器,計數(shù)最高頻率可達8MHz,設(shè)計中輸入3MHz的時鐘,將2個計數(shù)器串連使用,這樣可以增加頻率控制范圍。8254產(chǎn)生的方波信號作為后面并行計數(shù)器的計數(shù)脈沖輸入。并行計數(shù)器由2片74LS161組成8位二進制循環(huán)計數(shù)器。74LS161計數(shù)到最大值時會自動清零,重新開始計數(shù),其輸出可作為E2PROM 2817A的地址信號(即每個正弦周期內(nèi)采樣點數(shù)為256個)。2817A的數(shù)據(jù)讀取時間為150ns。設(shè)計電路時將它的片選和讀信號均設(shè)為有效,以提高數(shù)據(jù)讀取速度。D/A轉(zhuǎn)換采用DAC-08電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。電流輸出時間85ns,放大器采用高速高精度運放OP-37。同理,D/A轉(zhuǎn)換器的片選和轉(zhuǎn)換開始信號總為有效,其輸出跟隨輸入變化,提高轉(zhuǎn)換速度。實驗結(jié)果表明,此信號發(fā)生器完全可以生成10kHz以內(nèi)可調(diào)頻的正弦波。而且使用可編程計數(shù)器8254,輸出正弦波的頻率可以用軟件方法調(diào)節(jié)。如果想輸出非正弦波形,只要修改E2PROM的數(shù)據(jù),就可以輸出任意形狀的周期波型。

3.2 低通跟蹤濾波器

　　數(shù)字信號發(fā)生器具有控制靈活的優(yōu)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(shè)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(zhì)量,采用AD633模擬乘法器構(gòu)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:

    OUTPUTB處是乘法器的直接輸出端,截止頻率與RC濾波器相同: 

　　這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單,沒有開關(guān)電容,噪聲小,一般采用數(shù)模轉(zhuǎn)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(tài)。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,此電壓信號仍然很弱,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(shù)為-1、-2、-5、-10的運算放大器級聯(lián)組成,進一步放大被測信號,同時調(diào)整幅值以便適應(yīng)解調(diào)器的輸入。圖8中的開關(guān)選用ADG211模擬開關(guān),通過控制模擬開關(guān)的開合,可以任意選擇某級或某幾級放大器參加工作,實現(xiàn)對放大倍數(shù)正負1、2、5、10、20、50、100的整倍數(shù)調(diào)整。例如,將模擬開關(guān)S0、S2、S8、S13閉合,其他開關(guān)全部打開,交流放大器的總放大倍數(shù)即為:(-1)×(-2)×(-10)=-20。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　使用計算機總線,與外設(shè)之間必須有接口。本系統(tǒng)采用雙端口RAM作為數(shù)據(jù)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(fā)揮了主、從資源的效率,且設(shè)計也相對簡單。

3.4.1 系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)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(zhuǎn)換器組、計算機接口。主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(fā)控制信號啟動A/D轉(zhuǎn)換器并進行采樣,并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入雙端口RAM。當(dāng)RAM中的數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量時,邏輯控制模塊向計算機發(fā)出中斷請求。主機接到請求后進入中斷服務(wù)程序,向邏輯控制模塊發(fā)出命令,決定是否繼續(xù)采樣,并將RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。

3.4.2 硬件設(shè)計

　　本設(shè)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(dāng)兩個端口訪問同一個單元時,有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀出的結(jié)果不正確。解決這個問題的方法有兩個:一種是監(jiān)測busy信號輸出,當(dāng)檢測到busy信號有效時,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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)為了方便對采樣速率等參數(shù)進行設(shè)置,在該模塊中采用了MCS-51單片機。這樣可以通過編程設(shè)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(qū)滿后,向主機發(fā)中斷請求。

　　本系統(tǒng)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(jié)果存入相應(yīng)的單元。

3.4.3 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件包括主機程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關(guān)鍵是單片機控制A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器部分,軟件流程見圖10。

　　至于系統(tǒng)的采樣速率,一般通過調(diào)用定時中斷來實現(xiàn)。

　　微機械慣性通用檢測系統(tǒng)針對性強(專用于微機械陀螺儀和加速度計),可實現(xiàn)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(xiàn)硬件功能再調(diào)整,在實際檢測中取得了較好的效果。