微电容式加速度计的闭环控制技术研究

    0　引言

     随着硅微加工技术的不断成熟,硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位,小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向,其应用也已逐步扩展到了机械加工领域[1]。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求,微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配;对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标[2]。

    电容式加速度计一般工作在开环和闭环两种状态。微加速度计工作在开环状态时量程相对较小,满刻度测量时支撑梁会发生大变形而导致结构出现非线性问题,工作带宽比较窄,这些弱点直接影响开环加速度计的性能和应用范围。为了显著提高传感器的性能,需对其进行闭环控制,而电容式微加速度计为实现闭环控制提供了良好的接口[3]

    1　电容式加速度计控制原理

    微加速度计的位移检测电容器能够在施加电压的情况下产生静电力,这个静电力就是良好的反馈要素,平衡引起惯性质量发生位移的惯性力。这样电容既作为检测单元,又是静电力反馈单元,根据位置检测的结果,分析比较后产生控制电压叠加到固定电极上或者中间极板上,利用电容的静电吸引力将惯性质量拉回到平衡位置。通过此静电力平衡闭环控制,能够降低系统的检测噪声,增加微加速度计的测量范围,提高传感单元的动态特性,同时避免支撑梁由于发生大变形而产生的非线性问题。

    静电反馈方式采用中间极板静电反馈方式,这样可以形成闭环控制。电路实现方法如图1所示。

    图中的偏置电压是通过可调电阻分压来得到的,C-V转换电路实现电容到电压的线性转换,经差分放大电路后,实现了差分电容的线性放大,经全波整流、低通滤波后能线性地反映加速度输入的量[5]。

    2　控制系统分析

    微小差分电容检测电路包括C-V转换电路、差分放大、全波整流电路和低通滤波电路。从分析可知,在工作范围内每个环节对于信号幅值而言基本上都是一个比例放大环节,从差分电容到低通滤波之间的传递函数即为:

式中:Km是差分放大环节增益;Aup-L是全波整流和低通滤波环节增益;VS是高频载波信号的幅值;Cf是C-V转换电路的反馈电容。

    当动极板偏移x时,差分电容的差值为:

式中:N为单侧动齿的数量;S为梳齿重叠面积。x0为差分电容初始间距。

    对于闭环控制,动极板的偏移相对于电容间距非常微小,即x x0。则上式中x的二次项可以忽略不计。

    联立式(1)和式(2)可以求得: