电容式微加速度计的噪声分析

　　微机械加速度计( Micromechanical Accelerometers, 简称MMA) 是利用检测质量的惯性力来测量所受加速度的仪表, 是一种重要的力学量传感器, 是最早研究的微机械惯性传感器之一。应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度计, 具有体积小、重量轻、低功耗等诸多优点, 应用前景非常广阔。但是目前微加速度计普遍存在信噪比较低, 灵敏度不高, 量程范围小等缺点, 其主要原因是系统内部存在较大的噪声, 分立元件电路中的干扰与噪声使得有用的输出信号完全淹没在噪声之中, 而且有用输出信号的频谱与低频噪声的频谱是重叠的。因此本论文通过对电容式微加速度计的各种噪声建模分析, 为提高微加速度计的性能奠定基础。

　　1 电容式加速度计工作原理

　　1. 1 基本组成

　　电容式微加速度计的组成如图1 所示, 包括: 振动质量块、差分电容器Ca、Cb 和外围接口电路。

　　图1 中a 为作用在加速度计敏感轴上的待测加速度; Ca、Cb 为由上极板、下极板与振动质量块M 组成的差分电容器; VO 是加在上下极板的偏置电压;Esin Xt 是加在上下极板的载波信号[ 1] 。

　　1. 2 工作原理

　　加速度a 作用在电容式微加速度计上, 振动质量块在惯性力作用下上下运动, 导致与上下极板的距离不相等, 从而使C1 ≠ C2 ; 振动质量块与上下极板的△C 经过电容检测电路转换为相应的电压值Va。V a 的计算公式为

　　其中a为输入加速度;VO 为加在左右极板上的偏置电压, A 为极板面积, d0 为极间间隙, E为介电常数, m 为质量块M 的质量。由式1 可知, 加速度与反馈电压成正比, 由检测到的电压Vd 即可得加速度a 的大小。

　　2 电容式微加速度计噪声建模

　　电容式微加速度计的系统噪声主要包括机械热噪声和电路噪声。本文对电容式微加速度计系统的机械热噪声和电路噪声分别进行了建模和分析。

　　2. 1 机械热噪声

　　对于微加速度计表头而言, 在其质量块周围分布着大量的气体分子, 而气体分子的布朗运动会引起机械热噪声[ 2-5] 。根据热力学均分理论, 电容式微加速度计的力噪声谱密度和加速度谱密度分别为[ 6-7] :

　　质量块的质量为m, 机械阻尼为f z , 挠动力为Fn , K B 为波耳兹曼常数, T 为热力学温度, B 为带宽。

　　由此可知, 机械热噪声的大小主要取决于温度和机械阻尼的大小。因此减小阻尼, 降低环境温度和增大表头的敏感质量都可以有效减小机械热噪声。

　　2. 2 电路噪声

　　电容式微加速度计电路的噪声源包括热噪声、散粒噪声和1/ f 噪声[ 8] 。