硅微隧道式加速度计的输出反馈控制电路设计

　　微机械隧道式加速度计是基于电子隧道效应设计的一种加速度传感器，与其他类型的加速度计相比,隧道式加速度计具有灵敏度高，测试范围宽等优点,这是由隧道式原理对位移的超敏感性决定的[1]。因此隧道式加速度计主要用于高精度的测试场合，如卫星微重力测试、惯性制导、水下测试、声学测试、地震检测等场合[2]。

　　MEMS 技术的发展使得利用隧道原理制作的硅微隧道式加速度计具有潜在高性能和广阔的应用需求，一直是研究的热点。我国清华大学、东南大学、信息产业部十三所、北京大学等单位也曾作过硅微隧道式加速度计的研究[3,4]。硅微隧道式加速度计一般由两部分组成：敏感加速度的测试结构和输出反馈控制电路。敏感加速度的测试结构以硅为材料，通过MEMS工艺实现;但其电路设计因要在降低噪声，提高输出灵敏度的基础上，实现微弱电流的输出检测和反馈控制，一直是电路设计的难点[5]。

　　1 输出和反馈控制电路的总体设计

　　根据隧道式加速度计敏感结构的检测原理，设计了如图 1 所示的检测电路。隧道式加速度计的敏感结构有三个引出端：电流输出端、偏置电压端和反馈端。分别对应于图 1 中所标的①、②、③点[6]。电流输出端的隧道电流一般为 nA级;偏置电压端要为隧道加速度计提供 100 mV 左右的偏置电压，以保证隧尖与对电极之间不发生如场发射等非检测隧道效应[7];反馈端是要把输出电压的一部分反馈到敏感结构上，以保证敏感结构处于动态的响应过程。

　　I-V 转换电路将隧道电流转换成电压，然后通过低通滤波器来滤除高频干扰，再经放大电路将电压放大;放大后的电压经电压反馈网络，反馈至隧道加速度计。整个电路设计的关键是 I-V 转换电路和电压反馈控制电路.

　　2 I-V 转换电路

　　因隧道式加速度计的敏感结构的参考地均为隧道电流端的电压。隧道电流本身所具有的 1/f 噪声和其它噪声[8]，使隧道电流输出端的电压值存在 mV 级的噪声电压，以此作为反馈端和偏置端的参考地，势必影响整个隧道式加速度计的检测精度，故在本设计中，要尽量降低参考地的噪声和外界干扰。可利用运算放大器的“虚短”原理来实现，故前级放大电路设计成图 2 形式。通 过 反 馈 电 阻R7 将隧道电流转换为隧道电压。C9 起缓冲输出的作用，C9 的值应较小，因其决定信号的灵敏度。若选择较大容值的 C9 会影响信号的响应时间，使输出波形失真。同时，也对运放提出了较高的要求，要求偏置电流小，对低频噪声如 1/f 噪声有抑制作用的低噪声运放。隧道式加速度计的缺点之一是存在较高的 1/f 噪声。在半导体器件中，1/f 噪声主要是由半导体材料表面性质所引起的。表面能态中载流子的激励和复合，以及表面状态密度等是影响 1/f 噪声的主要因素。一般的放大器在低频工作时会带来很大的低频噪声，经了解，选用 AD855x 系列放大器，因为 AD855x 系列放大器有自动偏置调整的功能，半导体管带来的低频噪声会像对待固有偏置一样加以抑制。这使得 AD855x 系列放大器可以用于低频甚至直流信号而不会带来大的低频噪声。