微機械慣性傳感器檢測平臺的設(shè)計與應(yīng)用

摘 要: 一種用于微機械慣性傳感器研制與開發(fā)的檢測平臺,介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。

　　關(guān)鍵詞: 微機電系統(tǒng)(MEMS) 微機械陀螺(MMG) 檢測

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn),其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項前沿技術(shù)。20世紀90年代以來,繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后,以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)(MEMS)脫穎而出,平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前,世界各個先進工業(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開發(fā),投入了大量人力物力,低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世,正在向高精度發(fā)展。

1 微機械振動陀螺儀的簡要工作原理

　　陀螺系統(tǒng)組成見圖1,它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電容上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓,由于交變的靜電驅(qū)動力矩的作用,質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸Z軸的簡諧角振動。當(dāng)在振動平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向(X方向)有空間角速度Ω輸入時,在哥氏力的作用下,檢測質(zhì)量片便繞檢測軸(Y軸)上下振動。這種振動幅度非常小,可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測,并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進行處理,得到與空間角速度成正比的電壓信號。

　　在科研及加工過程中,一個重要的內(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性,如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等,于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理,整個儀器包括兩大部分:驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號,使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化,經(jīng)過放大、解調(diào)處理后,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機中,分析輸出信號,以確定慣性儀表的特性。

2 微電容檢測技術(shù)

　　在MMG檢測技術(shù)中,利用電容傳感器敏感試驗質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動角位移,獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小,為了得到10°/h的中等精度,要求電容測量分辨率達到(0.01×10-15)～(1×10-18)法拉。因此,對于微機械加速度計和微機械陀螺儀來說,檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種:開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1 開關(guān)電容電路

　　其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關(guān)的時序,如圖2所示。

　　在測量過程中,先將未知電容(C1、C2)充電至已知電壓Vref,然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制,不斷重復(fù),使未知電容總處于動態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電,電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器,得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0?x/d0代入,可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為: