电容式力平衡加速度计的设计

　　随着硅微加工技术的不断成熟,硅加速度计已经在传感器市场占据着越来越重要的地位,小型化、智能化、集成化已成为加速度传感器的发展方向,其应用领域也从早先的汽车报警逐步扩展到了工业和航天技术等领域。传感器技术的发展也对其外围检测电路提出了越来越高的要求,微小型化的传感器必然也要求微小型化的外围电路与之相匹配;对微弱信号的检测能力更是成为衡量外围电路性能的一项重要指标。电容式加速度计是一种典型的微机电系统,因其具有体积小,功耗低,精度高,速度快等特点,近年来得到了飞速的发展,已广泛应用于工业自动控制,车辆的振动测试等方面。本文将介绍一种电容式力平衡闭环加速度计的实现方案。

　　在电容式力平衡闭环加速度计中,系统输出信号通过反馈环节转换为反馈量,反作用到输入端,从而使输出信号产生偏移,而偏移量随着反馈环节又作用到输入端,如此循环,直至达到一个稳定的平衡状态,这时的输出即为测量值[1,2]。

　　1　加速度计原理及模型

　　实现闭环工作的力平衡加速度计框图如图1所示。传感器受外部加速度a作用时,其内部质量块受反向惯性力作用产生一定位移,检测该位移即可检测加速度;加速度通过传感器(系统函数Hx)转变为位移量x,x在平行板电容模型中,以差分电容的形式表现出来;检测电路HV将差分电容输出转换成电压;该电压通过反馈环路HF转换成静电力Ffb,反作用到质量块,完成整个闭环回路。

　　从上面的描述可以看到,加速度计的工作过程,也就是各物理量的转换过程。最终的目的就是要将加速度a转换到可以测量的电压值V。下面给出对各模块的分析、实现方案(电路),并推导出每个模块的传递函数。

　　1.1　传感器结构

　　电容式加速度传感器的基本结构可以用图2所示力学模型来表示[3]。x方向为待检测加速度的方向,Bx是阻尼系数,kx是弹簧的强度系数。根据牛顿力学原理,写出关于质量块m的力平衡方程:

　　从式(3)可以看到,当工作频率ω<<ωr时位移量与加速度呈近似的线性关系,此时测量的准确度比较高;而传感器的机械灵敏度(x/a)与谐振频率的平方成反比,降低系统的谐振频率,能提高加速度计的检测灵敏度,但系统的带宽也会因此而受到影响[4]。

　　1.2　C2V变换

　　质量块位移的直接结果,是导致传感器中的差分电容发生变化,传感器以差分电容的形式输出感应量。图1中x→V的转换,又称之为C2V变换。差分电容的检测,是电容式加速度计的核心,在这里采用开关电容C2V变换电路来实现,如图3所示。

　　C1、C2为传感器的差分电容,可以简单地表示为图4所示的平行板电容模型。A、C为上、下固定电极,可动质量块B其实是一个可动电极。当质量块受到外力作用而产生位移时,由固定电极和可动电极构成的差分电容就发生变化,将变化量用外围电路检测出来就可测量加速度的大小。