电容式微加速度计闭环检测电路

　　随着MEMS(Micro Electro Mechanical Sys-tem)技术的发展,采用静电力驱动、电容变化检测位移的电容式MEMS传感器因具有结构简单、动态响应快、分辨率高、温漂低等优点[1-2],应用越来越广泛.采用闭环差动结构的电容式传感器可进一步提高灵敏度,减小非线性误差,是目前实现高性能加速度计的一个有效途径[3-4].电容式微机械加速度计依靠对变化电容的检测来实现加速度敏感.接口电路性能是目前限制微加速度计性能的瓶颈,其难点主要表现如下:一方面体现在输出电容信号非常微弱,寄生电容对检测电路的分辨率和噪声影响很大[5-6].通过计算表明,被测电容的电容变化量通常只有10-15F,而寄生电容可达到10-12F左右.另一方面,输出电容信号与待测加速度之间具有很强的非线性[5].当前主要有两种微弱电容检测方式:开关型和正弦调制解调型检测技术,但实际测试和理论计算分析结果表明这两种方案测量硅微加速度计效果均不理想[7].针对微加速度计的检测面临的问题,本文设计了一种微弱差分电容闭环检测方案,通过提高激励信号对称性,等电势屏蔽法和相干解调等技术屏蔽杂散电容等技术,提高了检测电路的微弱信号辨识能力,从而实现了高分辨率的电容检测;此外在不增加额外力矩电极的前提下实现静电力平衡闭环检测,很好地解决了输出信号的非线性问题.利用本电路对三明治结构微加速度计表头进行了测试,并给出了测试数据.

　　1　三明治结构微加速度计检测原理

　　三明治结构微加速度计的惯性敏感单元由3层结构组成:上电极(定电极)、敏感质量(动电极,亦称检测质量)和下电极(定电极),如图1a所示.

　　该结构为悬臂梁式设计,上下电极为玻璃,且镀有一定厚度的金膜作为导电极板并用特制引线导出,中间的敏感质量块为单晶硅材料.由于悬臂梁的弹簧特性,中间质量块可动,上下固定电极和中间动电极用静电键合工艺封装在一起构成上下两个差动电容.其等效电路图如图1b所示.在外界加速度的作用下,敏感质量块与检测电极间的空隙发生改变从而引起等效电容的变化,通过测量差分电容的变化来测量加速度大小和方向[8].

　　由于极板间的静电引力作用,敏感质量块同时受到两固定极板的拉力,适当调整电极间的电压,使得静电力的合力与敏感质量块所受惯性力平衡,敏感质量块回复到初始平衡位置.工作时,敏感质量块被静电力限制在初始平衡位置附近很小的范围内运动,因此差分电容可以进行小范围线性化,同时静电力的合力与反馈电压成正比从而很好地解决了输出信号的非线性问题.

　　2　双端反馈闭环检测电路设计