微機械慣性傳感器檢測平臺的設計與應用

摘 要: 一種用于微機械慣性傳感器研制與開(kāi)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、該系統的總體結構、各個(gè)組成部分的工作原理及自動(dòng)檢測方法。

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

　　隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現,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(lái),繼微米/納米技術(shù)成功應用于大規模集成電路制作后,以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎的各種微傳感器和微機電系統(MEMS)脫穎而出,平均年增長(cháng)率達到30%。微機械陀螺是其中的一個(gè)重要組成部分。目前,世界各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國家都十分重視對MMG的研究及開(kāi)發(fā),投入了大量人力物力,低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世,正在向高精度發(fā)展。

1 微機械振動(dòng)陀螺儀的簡(jiǎn)要工作原理

　　陀螺系統組成見(jiàn)圖1,它由敏感元件、驅動(dòng)電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅動(dòng)器的差動(dòng)電容上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓,由于交變的靜電驅動(dòng)力矩的作用,質(zhì)量片在平行于襯底的平面內產(chǎn)生繞驅動(dòng)軸Z軸的簡(jiǎn)諧角振動(dòng)。當在振動(dòng)平面內沿垂直于檢測軸的方向(X方向)有空間角速度Ω輸入時(shí),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(dòng)。這種振動(dòng)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(guò)電荷放大器、相敏檢波電路和解調電路進(jìn)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(guò)程中,一個(gè)重要的內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)。根據陀螺儀的工作原理,整個(gè)儀器包括兩大部分:驅動(dòng)信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅動(dòng)信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當的驅動(dòng)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(guò)放大、解調處理后,將模擬量轉換成數字量采集到PC機中,分析輸出信號,以確定慣性?xún)x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(dòng)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(lái)說(shuō),檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個(gè)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(kāi)關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1 開(kāi)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換為電壓輸出。該測量電路包括一個(gè)電荷放大器、一個(gè)采樣保持電路以及控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序,如圖2所示。

　　在測量過(guò)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(guò)程由一定時(shí)序控制,不斷重復,使未知電容總處于動(dòng)態(tài)的充放電過(guò)程。C1、C2連續地放電,電流脈沖經(jīng)過(guò)電荷放大器轉換為電壓。再經(jīng)過(guò)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為: