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微机械加速度计系统分析与测试

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  1 引言

  加速度计是一种重要的惯性元件,在航空、航天、航海等领域有着极其广泛的应用。80年代以来,随着对微米/纳米技术的研究和发展,硅微型惯性仪 表应运而生,除组成低廉的微型惯性系统外,在许多民用领域也有广泛的应用前景。因此微米/纳米技术被认为是21世纪的军民两用技术。据文献报导,欧、美、 日等发达国家都在积极研制硅微型加度计,有的已形成产品。本文中主要针对扭摆式加速度计的情况进行了研究。

  2 加速度计的结构及工作原理

  整个加速度计的机械结构(包括部分电气结构)是在硅片上通过各种面加工或体加工工艺技术制备出如图1所示的结构,由施力电极、敏感电极、挠性轴、检测质量等部分组成。

  如图2,当没有外界加速度输入时,摆元件处于平衡位置(θ=0),每个传感器电极的极板之间间隙相等,电容量也相等。当有外界加速度a输入时, 检测质量的惯性力将对挠性轴产生惯性力矩(即图2中的Ma),使摆元件绕扰性轴偏转θ,导致敏感电容器的一个极板的间隙增大,电容减小。另一个极板的间隙 减小,电容增大。将其电容值ΔC作为一个控制信号,经后续电子线路形成加在力矩器电极(即施力电极)上的控制电压ΔU.同时在力矩器的控制极板上施加偏置 电压U0,在控制电压作用下,间隙大的电极上的电压增大而使静电吸力增大,而间隙小的电极上的电压减小而使静电吸力减小,其吸力差对扰性轴产生的静电力矩 (即图2中的Me)作用以平衡由加速度产生的惯性力矩Ma,同样控制电压ΔU正比于输入加速度a,所以由控制电压的大小即可得到加速度值。

  3 测试电路分析

  此加速度传感器是利用电容检测方式的,其灵敏度主要由器件的几何形状确定,由于其尺寸微小,电容量及其电容变化量也很小,通常电容量的大小约为 10-12F~10-13F,电容变化量的大小为10-16F~10-17F.所以要测量如此小的电容变化量,前置放大器的设计成为关键电路部分,它必须 满足:能与加速度的机械结构工艺兼容;有极高的输入阻抗、增益和低噪声。由于受到分辨率、稳定度、精确度、灵敏度等诸多性能指标的限制,传统的电容测量方 法(如电桥电路、调频电路、脉冲调宽电路等)都已经很难满足对如此微小的电容检测。

  参考国外的先进研究成果,我们设计了一种利用闭环运算放大器对微小电容进行高频测量的基本原理与方法。微电子技术的高度发展,提供了许多高输入 阻抗的高精度测量放大器,能够以极低泄漏测量微弱电流,将对硅微型加速度计中的微电容测量转变为对微电流的测量,进而转变为对微电压的测量。

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