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微機(jī)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(jī)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微機(jī)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(xiàng)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(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進(jìn)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(jī)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(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(jìn)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(jī)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)勸信號，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(jī)中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。
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(yàn)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(dá)到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機(jī)械加速度計和向機(jī)械陀螺儀來說，檢測試驗(yàn)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：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
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(jī)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可午，前置級有用信號輸出為：
�。╒s-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(biāo)稱電容C0(1pF左右)�？梢钥闯觯鼈兊拇嬖诙紭O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(yùn)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(yuǎn)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(yùn)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(diǎn)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(jìn)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(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：
Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs
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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(fù)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。
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(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(dú)立的16位計數(shù)器，計數(shù)最高頻率可達(dá)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(jìn)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E2PROM2817A的地址信號（即每個正弦周期內(nèi)采樣點(diǎn)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。電路輸出時間85ns，放大器采用高速高精度運(yùn)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(shí)驗(yàn)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形。
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(diǎn)，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(jìn)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(jìn)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：
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(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(jī)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，此電壓信號仍然很彈，需要進(jìn)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(yùn)算放大器級聯(lián)組成，進(jìn)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(shí)現(xiàn)對放大倍數(shù)正負(fù)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器數(shù)即為：（-1）×（-2）×（-10）=-20。
3.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
使用計算機(jī)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(jī)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(jī)接口。機(jī)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(jìn)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(dá)到一定數(shù)量時，邏輯控制模塊向計算機(jī)發(fā)出中斷請求。主機(jī)接到請求后進(jìn)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(dú)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(dú)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，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(jìn)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(jī)接口的核心。本系統(tǒng)為方便對采樣速率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在該模塊中采用了MCS-51單片機(jī)。這樣可以通過編程設(shè)定采樣速率。
與主機(jī)的信息交換包括：
�。�1）接收主機(jī)控制信號，以決定是否開始采樣；
�。�2）在存儲區(qū)滿后，向主機(jī)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(jìn)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(jī)程序和邏輯控制模塊中89C51程序。軟件的關(guān)鍵是單片機(jī)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(shí)現(xiàn)。
微機(jī)械慣性通用檢測系統(tǒng)針對性強(qiáng)（專用于微機(jī)械陀螺儀和加速度計），可實(shí)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(shí)現(xiàn)硬件功能再調(diào)整，在實(shí)際檢測中取得了較好的效果。
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