基于高精度运算放大器的隧道式硅微加速度计信号处理电路

0　引言

利用硅梁支持检验质量块、静电力作为恢复力、隧道效应位移检测技术研制高灵敏度的加速度计,在国际上已达成共识。对于相同的微小间距变化,隧道效应检测的输出电流远大于差动电容检测的输出电流;且隧道电流的大小只取决于隧道电极之间的距离,与加速度计的结构尺寸无关。因此,隧道式硅微加速度计更有利于实现加速度计的微型化和高灵敏度。根据微机械隧道加速度计工作特点,测得隧道电流的大小,则可计算出所对应的输入加速度值.由于隧道的敏感电流很微弱(nA级),容易被干扰和噪声淹没。为此,微弱电流信号的放大处理,尤其是放大装置的精度、灵敏度、动态响应特性以及抗干扰能力等性能的提高,对于改善微机械隧道加速度计灵敏度与精确度有着非常重要的意义。

1　隧道式硅微加速度计结构及工作原理

隧道式硅微加速度计敏感头的基本原理是电子隧道效应,当2个电极相当接近时,在外电场的作用下形成隧道,产生电流:

图1为隧道式加速度计敏感头部分的原理示意图。其中敏感质量块可以感应垂直于其支撑方向的外界加速度,并在其作用下做受迫振动。振动的检测采用微隧道结构, 2个隧道电极分别装在质量块(振动梁)和探针上,外界施加的振动使隧道电极间隙发生变化,即使隧道电流发生变化。

为了得到高灵敏度、稳定性好的隧道加速度计,通常将加速度计工作在闭环工作状态下,利用不同的反馈机制,使静电驱动力与弹性回复力达到平衡,通过反馈控制电压的大小即可测量外界加速度。目前,普遍采用的方法就是由反馈电路控制隧尖与对应电极之间的距离保持在能产生隧道电流的范围内,并使反馈电压能够实时反映加速度的变化[1]。整体方案的系统框图如图2所示。

　　图2中,电压偏置电路为隧道加速度计提供隧道结电压;I-V转换电路实现隧道电流到电压的转换;控制电路将I-V转换并放大后的电压反馈到隧道加速度计,作为隧道加速度计的驱动电压。起始状态下,隧尖与对应电极之间距离远大于1nm,没有隧道电流产生,对系统加电后,在偏置电路提供的驱动电压作用下,隧尖与对应电极逐渐接近,此时驱动静电力和弹性回复力都相应增大。当距离达到1 nm左右时,有可检测的隧道电流产生。随着距离的缩小,隧道电流呈指数增长,在反馈控制电路作用下,驱动电压下降,静电驱动力相应下降,最终与弹性回复力达到平衡,此时系统处在闭环工作状态下。当有正向外界加速度使隧道间距缩小时,静电力迅速减小而弹性力基本不变,产生向上的回复力,将质量块拉回平衡位置,从而使质量块位置基本保持不动;当有负向外界加速度使隧道间距增大时,静电力朝相反方向变化,同样使质量块位置基本保持不动,通过反馈控制电压的大小即可读出外界加速度的大小。