电容式加速度计自动校零技术的研究

　　0　引　言

　　20世纪80年代,随着微电子技术、半导体集成电路工艺的日益完善,人们开始把IC制造技术引用于精密机械制造,出现了微机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。微机械电容式加速度计是人们广为关注、竞相开发的一种微型加速度计。微机械加速度计的类型有压阻式、压电式和电容式等多种[1~4]。其中,电容式加速度计具有测量精度高、温度效应低等优点。微机械电容式加速度计的敏感部分通常为差分电容结构,利用差分电容的变化来反映被测加速度信号的方向及大小。受结构微型化的影响,加速度计的结构电容非常小,一般仅有几个皮法左右,敏感被测量的变化量就更小。由于受制造工艺技术的限制,差分电容结构不对称。这种加速度计结构决定了加速度计的输出不仅具有非常高的阻抗,而且,有较大的零输出,极易受外界电磁干扰和环境振动的影响。而传统的调零技术是通过调整机械电位器实现的,这种方式既引起环境的振动,又易受电磁干扰,影响加速度计调零的质量。因此,要采用数字电位器进行自动校零,提高校零速度和效果。

　　1　加速度计结构和静电力调零原理

　　电容式加速度计中的敏感部分是一个对加速度敏感的差分电容式结构,如图1所示。图中, 1和2为固定电极, 3为敏感质量块构成的动电极,电极1和3构成电容器C1,电极2和3构成电容器C2。电容器C1极间距离为d1,电容器C2极间距离为d2。在加速度的作用下,动电极在平衡位置附近上下振动,C1和C2发生变化,加速度的大小与(C1-C2) /(C1+C2)成正比。

　　本文采用电容式加速度计接口电路原理如图2所示[5]。载波发生器同时产生双相同频、同幅、反向的高频正弦信号分别加载到加速度计的2个固定电极上。假设该加速度计的固定电极1上施加直流电压V1和载波信号-VR,在固定电极2施加直流电压V2和VR,极板1和3之间的静电力为F1,2和3之间的静电力为F2。设VR为umsinωt正弦波,极板正对面积为s。不计电容器的边缘效应,由虚位移法得到极板间静电力分别为：

　　式中　ε0为介电常数; um为正弦载波的峰值电压; V1, V2为固定极板直流电压。

　　由于施加在电极的载波信号的频率远高于敏感质量块的固有频率,静电力表现为对时间取平均值。则静电力分别为：

　　由式(3)、式(4)可以看出:在没有加速度的情况下,若改变固定极板上的直流偏置电压,使差分电容中间极板所受静电力发生变化,中间移动电极将偏向受力大的一侧,调整差分电容的极间距离,使两侧的极间距离相等,使输出为零,实现静电力调零。

　　2　自动调零电路的设计