电容式微加速度计的闭环检测技术研究

　　基于MEMS技术的微加速度计在航空航天、导航制导、汽车安全等领域有重要的应用[1~3],市场前景非常广阔,AD公司的ADXL系列微加速度计取得了巨大成功[4]。近年来,我国的很多科研单位也开始研制微加速度计,由于资金与科研力量有限,目前国内还很难作到将微加速度计的电容检测电路集成,采用分立元件搭建电容检测电路是经济可行的办法,也是检测电路集成前,测试微加速度计表头性能的途径。

　　微加速度计的电容变化非常微弱[5],通常1gn的加速度对应的电容变化只有几个皮法,信噪比非常低。而采用分立元件搭建的电容检测电路中的干扰与噪声大,将有用信号淹没在其中,这增大了检测电路的设计难度,将ADXL系列微加速度计的电容检测方法直接应用于基于分立元件的检测电路是难以实现的,必须根据分立元件电路的特点来设计相应的电容检测电路。

　　1　闭环电容检测原理

　　微加速度计的输出信号信噪比非常低,分立元件电路中的干扰与噪声使得有用的输出信号完全淹没在噪声之中,而且有用输出信号的频谱与低频噪声的频谱是重叠的,对于这种情况,调制放大解调处理是提高输出信号信噪比的有效方法。

　　微加速度计外围电路中存在很大的寄生电容,为了减小寄生电容的影响,必须采用较高的调制频率,一般为100 kHz到1 MHz之间,为了减小对放大电路元件带宽的要求并且减小放大后信号的失真,调制信号应采用易于放大的正弦波。微加速度计的加速度测量原理中存在非线性,只有在动极板的位移很小时,才能够近似的认为电容的变化与加速度成比例,所以,为了提高微加速度计的量程与线性度,必须使用闭环电容检测的方法,确保微加速度计动极板的位移很小[6]。目前广泛采用的是静电力反馈的方法[7],它的优点是结构简单且容易实现。闭环电容检测的原理框图如图1所示。整个电路可以分为电容检测电路和静电力反馈电路两部分。

　　1.1　电容检测电路

　　采用调制放大解调的方法来检测电容的变化,将两路相位差180°的正弦信号加在微加速度计的两个定极板上,R和C是一个滤波网络,它们对输入调制信号构成一个高通滤波器,而对偏置直流电压Vdc构成一个低通滤波器,从而使定极板上的电位等于调制信号中的交流量加上电压Vdc中的直流量,在选择R和C时,必须保证它们构成的高通滤波器的截止频率小于调制信号频率的十分之一,可以借助SPICE仿真工具来验证R和C是否合适。正弦调制信号可以采用集成信号发生芯片MAX038产生,也可以采用DDS技术产生,经过反相器后得到两路相位差180°的正弦信号。动极板上的电压Vnt经过电压跟随器后进入高通滤波器,滤除其中的低频噪声,然后进行放大滤波处理,由于电路噪声大多为低频信号,经过上述处理后,输出信号Vbd的信噪比将会有显著的提高。参考信号Vr也需要通过两个相同的滤波器,进行相位补偿,以消除滤波导致的相移对测量的影响,这部分是消除调制信号频率漂移对测量精度影响的关键措施。图1中放大器和滤波器的设计请参考文献[8],在此不再详细介绍。解调器是一个四象限乘法器,将调制信号与参考信号相乘,解调器的输出经低通滤波和直流放大后就得到了与电容变化成比例的电压信号Vd。