微諧振傳感器同頻干擾的建模與消除

硅微諧振式傳感器是基于MEMS(微機械電子系統)工藝的基礎上發(fā)展起來(lái)的新型傳感器，具有體積小、重量輕、功耗低、測量精度高、以頻率為輸出信號、易于計算機連接等優(yōu)點(diǎn)，成為微傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向。微諧振式傳感器多采取閉環(huán)自激振蕩的方式，可以自動(dòng)跟蹤被測值的實(shí)時(shí)變化，因此得到廣泛應用。但是在各種硅微諧振式傳感器中均存在同頻信號干擾的問(wèn)題，給測量帶來(lái)誤差，如果干擾信號過(guò)大，器件的Q值會(huì )顯著(zhù)下降，增大了閉環(huán)檢測的難度。因此同頻干擾的消除成為諧振式硅微傳感器的一個(gè)重要難題。

筆者以靜電激勵／電容拾振諧振式硅微加速度傳感器為例，分析了同頻干擾產(chǎn)生的原因并提出一種新的解決方法。

1、同頻干擾的分析與建模

靜電激勵／電容拾振硅微諧振傳感器的諧振梁敏感結構尺寸非常小，存在強烈的同頻干擾信號。同頻干擾主要有以下3個(gè)耦合途徑(如圖1所示)：

① 極板間耦合電容。由于激振極板與拾振極板距離較近，激振極板的交流電壓信號可以通過(guò)耦合電容Coh1。作用在拾振極板上形成耦合干擾。

② 引線(xiàn)間耦合電容。激振極板的引線(xiàn)與拾振極板的引線(xiàn)之間存在耦合電容(Coh2)。主要是由于極板的引線(xiàn)較長(cháng)，一般可以達到幾毫米，所以激振信號通過(guò)Coh2耦合到拾振極板的引線(xiàn)上，形成同頻干擾。

③ 感應電動(dòng)勢。由于拾振電路構成一個(gè)閉合回路，所以激振的交變信號會(huì )在拾振回路中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢Vn，此電勢也是一個(gè)同頻干擾源。

圖1 硅微諧振式傳感器同頻干擾模型

在此可得同頻干擾電路等效模型，如圖2所示，其中C為拾振電容，電阻R(取樣電阻)兩端的輸出干擾電壓Uo(I)為

考慮到諧振式傳感器的拾振電容Coh1與耦合電容Coh1。和Coh2的數值均非常小(只有幾個(gè)pF)，式(1)可以簡(jiǎn)化為

圖2 同頻干擾耦合的電路等效模型

2、同頻干擾的消除

由上述分析可知，同頻干擾主要是由耦合電容和感生電動(dòng)勢組成，由此提出兩次差分的方法消除同頻干擾，建立了圖3所示的雙端差分激勵／雙端差分檢測的接口電路。

圖3 雙端差分激勵／雙端差分檢測原理圖

這是一種兩端激勵／雙端檢測對稱(chēng)結構，諧振梁有4塊對稱(chēng)的激振極板和2塊拾振極板，通過(guò)激振極板所加激勵信號的相位區別實(shí)現第一次差分運算，通過(guò)雙端拾差分檢測振進(jìn)行第二次差分運算，通過(guò)這種對稱(chēng)性設計來(lái)有效消除同頻干擾。

其電路等效模型如圖4所示，具體分析如下。

(1) 雙端差分激勵

在這里只對一側的差分激勵進(jìn)行分析。諧振梁的一側有2個(gè)激振極板，這2個(gè)極板上的激振信號相位相差180。，在忽略Vn的前提條件下[Vn將在第二次差分時(shí)消除]，取樣電阻R上的輸出干擾信號為

由于結構的對稱(chēng)性，所以Coh1≈C’oh1；Coh2≈C’oh2，Uo（t）≈0，可見(jiàn)雙端差分激勵的方式可以有效消除微傳感器中由于耦合電容引起的同頻干擾。

圖4 雙端差分激勵／雙端差分檢測耦合干擾等效電路圖

(2) 雙端差分檢測

本結構采用了雙端拾振的方式，對輸出信號進(jìn)行雙端差分檢測，從而在放大有用信號的同時(shí)消除同頻干擾。如圖5所示，在上下2個(gè)拾振極板構成的2個(gè)檢測回路中的感生電動(dòng)勢Vn1和Vn2近似相等(結構對稱(chēng)性)，使用差動(dòng)運算可以將其消除。然而差動(dòng)檢測不僅可以消除同頻干擾，對于測量過(guò)程中的各中噪聲均可以有效的消除，進(jìn)而顯著(zhù)提高信噪比。

圖5 雙端差分檢測等效電路圖

綜上，使用雙端差分激勵的方式可以有效消除由于極板和引線(xiàn)的靜電耦合引起的干擾，使用雙端差分檢測可以消除激振信號在拾振電路中形成的感生電動(dòng)勢，從而有效消除同頻干擾。

這種設計不僅僅能夠有效地消除同頻干擾，與常規的設計相比還有以下的優(yōu)點(diǎn)：

① 與單端激勵、單端檢測的硅微諧振式傳感器相比，這種結構能夠有效消除靜電作用力中直流分量和二倍頻分量帶來(lái)的干擾。在靜電力作用下諧振梁的受力為

其中，s為電容極板的正對面積；x為電容極板的間距；u為極板兩端的壓差；ε占為真空中的介電常數。當使用雙端激勵時(shí)，諧振梁的受力為

可見(jiàn)，使用雙端激勵的結構，可以消除直流分量和二倍頻分量的影響。其中直流分量的存在會(huì )減少諧振梁的穩定性，而二倍頻的分量的存在會(huì )帶來(lái)二倍頻的干擾信號。

② 與單梁結構雙端激勵雙端檢測的硅微諧振式傳感器相比，這種結構在諧振梁上支出齒子來(lái)，可以顯著(zhù)提高拾振電容的面積，從而為微弱電容的檢測提供了方便。

3、結束語(yǔ)

硅微諧振式傳感器的干擾主要是同頻干擾，這種干擾的存在不僅影響測量的精度，嚴重的會(huì )導致無(wú)法閉環(huán)，從而使傳感器無(wú)法工作，筆者在分析同頻干擾的各種耦合途徑的基礎上，提出同頻干擾的等效模型和雙端差分激勵／雙端差分檢測的方法，通過(guò)兩次差分來(lái)消除同頻干擾，為硅微諧振式傳感器成功閉環(huán)和高Q值的獲取打下基礎。