微机械惯性传感器检测平台的设计与应用(doc 8)gqzd.docx

微机械惯惯性传感感器检测测平台的的设计与与应用摘要：一一种用于于微机械械惯性传传感器研研制与开开发的检检测平台台，介绍绍电容式式惯性传传感器微微电容信信号的检检测原理理、该系系统的总总体结构构、各个个组成部部分的工工作原理理及自动动检测方方法。    关关键词：微机电电系统（MMEMSS） 微微机械陀陀螺（MMMG） 检测随着科学学技术的的发展，许许多新的的科学领领域相继继涌现，其其中微米米/纳米米技术就就是诸多多领域中中引人注注目的一一项前沿沿技术。220世纪纪90年年代以来来，继微微米/纳纳米技术术成功应应用于大大规模集集成电路路制作后后，以集集成电路路工艺和和微机械械加工工工艺为基基础的各各种微传传感器和和微机电电系统（MMEMSS）脱颖颖而出，平平均年增增长率达达到300%。微微机械陀陀螺是其其中的一一个重要要组成部部分。目目前，世世界各个个先进工工业国家家都十分分重视对对MMGG的研究究及开发发，投入入了大量量人力物物力，低低精度的的产品已已经问世世，正在在向高精精度发展展。1 微机械械振动陀陀螺仪的的简要工工作原理理陀螺系统统组成见见图1，它它由敏感感元件、驱驱动电路路、检测测电路和和力反馈馈电路等等组成。在在梳状静静电驱动动器的差差动电路路上分别别施加带带有直流流偏置但但相位相相反的交交流电压压，由于于交变的的静电驱驱动力矩矩的作用用，质量量片在平平行于衬衬底的平平面内产产生绕驱驱动轴ZZ轴的简简谐角振振动。当当在振动动平面内内沿垂直直于检测测轴的方方向（XX方向）有有空间角角速度输入时时，在哥哥氏力的的作用下下，检测测质量片片便绕检检测轴（YY轴）上上下振动动。这种种振动幅幅度非常常小，可可以由位位于质量量片下方方、淀积积在衬底底上的电电容极板板检测，并并通过电电荷放大大器、相相敏检波波电路和和解调电电路进行行处理，得得到与空空间角速速度成正正比的电电压信号号。     在在科研及及加工过过程中，一一个重要要的内容容就是检检测陀螺螺仪的特特性，如如工作状状态谐振振频率、带带宽增益益、Q值值等，于于是就提提出了微微机械惯惯性传感感器检测测平台的的研制任任务。根根据陀螺螺仪的工工作原理理，整个个仪器包包括两大大部分：驱动信信号发生生部分和和表头的的输出信信号检测测部分。驱驱动信号号发生部部分对待待测的惯惯性传感感器给予予适当的的驱劝信信号，使使传感器器处于工工作状态态。信号号检测部部分要求求检测出出微小电电容变化化，经过过放大、解解调处理理后，将将模拟量量转换成成数字量量采集到到PC机机中，分分析输出出信号，以以确定惯惯性表的的特性。2 微电容检测技术在MMGG检测技技术中，利利用电容容传感器器敏感试试验质量量片在哥哥氏力作作用下的的振动角角位移，获获取输入入角速率率信号。由由于陀螺螺仪的尺尺寸微小小，为了了得到110°/h的中中等精度度，要求求电容测测量分辨辨率达到到（0.01××10 -155）(1×110 -18)法拉。因因此，对对于微机机械加速速度计和和向机械械陀螺仪仪来说，检检测试验验质量和和基片之之间的电电容变化化是一个个关键技技术。目目前在MMMG中中采用的的微电容容检测方方案有三三种：开开关电容容前在MMMG中中采用的的微电容容检测方方案有三三种：开开关电容容电路、单单位增益益放大电电路和电电荷放大大电路。    2.1 开关电容电路其基本原原理是利利用电容容的充放放电将未未知电容容变化转转换为电电压输出出。该测测量电路路包括一一个电荷荷放大器器、一个个采样保保持电路路以及控控制开关关的时序序，如图图2所示示。     在在测量过过程中，先先将未知知电容（CC1、CC2）充充电至已已知电压压Vreef，然然后让其其放电。充充、放电电过程由由一定时时序控制制，不断断重复，使使未知电电容总处处于动态态的充放放电过程程。C11、C22连续地地放电，电电流脉冲冲经过电电荷放大大器转换换为电压压。再经经过采样样保持器器，得到到输出VVc。将将公式C=22C0··x/dd0代入入，可得得电容检检测电路路的传递递函数为为：Vc/xx=-2VrrefCC0/CCfd002.2 单位增增益放大大器电路路AD公司司与U.C.BBerkkeleey联合合开发的的ADXXL500（5gg的微机机械加速速度计）采采用了单单位增益益放大电电路。图3是单单位增益益放大器器的等效效电路。图图3中，CCp为分分布电容容，Cggs为前前置级输输入电容容，Rggs为输输入电阻阻。当载载波频率率在放大大器的通通频带以以内时，前前置级输输入电阻阻可忽略略不计。由由图3可可午，前前置级有有用信号号输出为为：（Vs-Vouut）jj（C00+CC）+(-Vss-Voout)j（C00-CC）=Vouutj(Cpp+Cggs)+Vouut/RRgs RggsVouut=(2C/22C0+Cp+Cgss)Vss分布电容容Cp约约为100pF，输入电容Cgs约为110pF，一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出，它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度，就必须消除Cp、Cgs的影响，通常采用的措施等电位屏蔽。2.3 电荷放放大器电电路电荷放大大器电路路如图44所示。它它采用具具有低输输入阻抗抗的反相相输入运运算放大大器。其其中Cpp表示分分布电容容，Cff为标准准反馈电电容，RRf用来来为放大大器提供供直流通通道，保保持电路路正常工工作。应应选取RRf，使使时间常常数RffCf远远大于载载波周期期，以避避免输出出波形畸畸变。但但Rf过过大为今今后电路路集成带带来不便便。可以以使用小小阻值的的电阻组组成T型型网络，替替代大阻阻值电阻阻。若运算放放大器具具有足够够的开环环增益，反反相输入入端为很很好的虚虚地，那那么，两两输入端端点之间间的电位位差为零零。因此此，反相相输入端端对地的的分布电电容Cpp和放大大器的输输入电容容Cgss对电路路测量不不会造成成影响。电电荷放大大电路相相对于单单位增益益放大电电路来说说，结构构要简单单，不需需考虑等等电位屏屏蔽问题题；只需需将杂散散电容的的影响转转化为对对地的分分布电容容，即进进行合理理的对地地屏蔽，就就能获得得较好的的效果。尽管在电电荷放大大电路中中，可以以忽略掉掉输入电电容及反反相输入入端对地地的分布布电容，但但是在检检测微小小电容变变化时，输输出还是是有很大大的衰。这这是由放放大器输输入输出出端分布布电容CCio造造成的。当当载波电电压频率率大于11/（22RffCf）和和小于放放大器的的截止频频率时，输输出电压压Vouut应该该表示为为：Voutt=-(C11-C22)/（CCio+Cf）Vs=-(2CC)/CCio+CfVss3 检测测平台的的系统构构成及工工作原理理该系统的的工作原原理如图图5所示示。对惯惯性传感感器施以以适当的的激励信信号后，传传感器的的动片即即处于振振动状态态，上下下极板间间的电容容发生周周期变化化，采用用电荷放放大器电电路将该该信号提提取出来来，经交交流放大大、解调调后通过过A/DD转换变变成数字字量采集集到微机机中，观观察传感感器的输输出响应应，为下下一步利利用软件件方法分分析微机机械惯性性传感器器的时域域、频域域特性打打下基础础。3.1 激励信信号发生生器根据微机机械轮式式振动陀陀螺仪的的工作原原理，最最多需要要4路激激励信号号。激励励信号为为正弦波波，每两两路相位位相反。为为了测量量陀螺仪仪的频率率特性，需需要不断断改变激激励信号号的频率率。目前前不同设设计的陀陀螺仪谐谐振频率率在几百百赫兹到到10千千赫兹之之间，激激励信号号也需要要在这个个范围内内进行调调节。另另外，陀陀螺仪的的驱动力力矩等于于驱动信信号的交交流分量量与直流流分量的的乘积，所所以还要要施加正正或负的的直流偏偏置，使使陀螺能能处于正正常工作作状态。交交流相位位和直流流偏置组组合见表表1。表表1 交交流相位位和直流流偏置组组合直流偏置置：+-交流信号号：+-+-一般的RRC振荡荡电路生生成的正正弦波频频率靠改改变R、CC值来调调节，不不能连续续大范围围调节。所所以，设设计中采采用数字字方法合合成模拟拟波形，其其原理见见图6。图图6中882544为软件件可编程程计数器器。其包包含3个个独立的的16位位计数器器，计数数最高频频率可达达8MHHz，设设计中输输入3MMHz的的时钟，将将2个计计数器串串连使用用，这样样可以增增加频率率控制范范围。882544产生的的方波信信号作为为后面并并行计数数器的计计数脉冲冲输入。并并行计数数器由22片744LS1161组组成8位位二进制制循环计计数器。774LSS1611计数到到最大值值时会自自动清零零，重新新开始计计数，其其输出可可作为EE2PRROM 28117A的的地址信信号（即即每个正正弦周期期内采样样点数为为2566个）。228177A的数数据读取取时间为为1500ns。设设计电路路时将它它的片选选和读信信号均设设为有效效，以提提高数据据读取速速度。DD/A转转换采用用DACC-088电流输输出型DD/A转转换器。电电路输出出时间885nss，放大大器采用用高速高高精度运运放OPP-377，同理理，D/A转换换器的片片选和转转换开始始信号总总为有效效，其输输出跟随随输入变变化，提提高转换换速度。实实验结果果表明，此此信号发发生器完完全可以以生成110kHHz以内内可调频频的正弦弦波。而而且使用用可编程程计数器器82554，输输出正弦弦波的频频率可以以用软件件方法调调节。如如果想输输出非正正弦波形形，只要要修改EE2PRROM的的数据，就就可以输输出任意意形状的的周期波波形。     3.22 低通通跟踪滤滤波器数字信号号发生器器具有控控制灵活活的优点点，但是是输出信信号不够够平滑，其其中会有有台阶波波。在对对信号要要求比较较高的场场合，还还需要进进行滤波波。本设设计中信信号的频频率变化化范围很很大：几几百赫兹兹到100千赫兹兹。为了了进一步步提高信信号质量量，采用用AD6633模模拟乘法法器构成成低通跟跟踪滤波波器，其其原理如如图7。通带的截截止频率率是由电电压Ecc控制的的，输出出是OUUTPUUTA，截截止频率率：fc=EEc/(200V) RCCOUTPPUTBB处是乘乘法器的的直接输输出端，截截止频率率与RCC滤波器器相同：f1=11/(22RCC)这种滤波波器结构构简单，没没有开关关电容，噪噪声小，一一般采用用数模转转换器控控制Ecc，控制制通带频频率也比比较容易易。     33.3 交流放放大器微机械惯惯性传感感器在施施加激励励信号后后，即处处于振动动状态。传传感器有有差动微微电容量量变化CC0+C和CC0-C。采采用电荷荷放大器器电路提提取出C，此此电压信信号仍然然很弹，需需要进一一步放大大处理，于于是采用用图8所所示的交交流放大大器。交流放大大器由44个放大大倍数为为-1、-2、-5、-10的的运算放放大器级级联组成成，进一一步放大大被测信信号，同同时调整整幅值以以便适应应解调器器的输入入。图88中的开开关选用用ADGG2111模拟开开关，通通过控制制模拟开开关的开开合，可可以任意意选择某某级或某某几级放放大器参参加工作作，实现现对放大大倍数正正负1、22、5、110、220、550、1100的的整倍数数调整。例例如，将将模拟开开关S00、S22、S88、S113闭合合，其他他开关全全部打开开，交流流放大器器的总放放大器数数即为：（-11）×（-2）××（-110）=-200。3.4 数据采采集系统统使用计算算机总线线，与外外设之间间必须有有接口。本本系统采采用双端端口RAAM作为为数据缓缓存。先先将信号号采样并并存储其其中，然然后成组组地向主主机传送送，从而而有效地地发挥了了主、从从、资源源的效率率，且设设计也相相对简单单。3.4.1 系系统工作作原理系统基本本组成原原理如图图9。主主要有双双端口RRAM、逻逻辑控制制模块、AA/D转转换器组组、计算算机接口口。机通通过接口口启动逻逻辑控制制模块后后，CPPU资源源向其他他请求开开放，逻逻辑控制制模块发发控制信信号启动动A/DD转换器器并进行行采样，并并将转换换结果存存入双端端口RAAM。当当RAMM中的数数据达到到一定数数量时，逻逻辑控制制模块向向计算机机发出中中断请求求。主机机接到请请求后进进入中断断服务程程序，向向逻辑控控制模块块发出命命令，决决定是否否继续采采样，并并将RAAM内的的数据读读入内存存。3.4.2 硬硬件设计计本设计使使用Cyypreess公公司的CCY7CC1366（2kk×8bbit）双双端口RRAM。其其两个端端口都有有独立的的控制信信号、片片选CEE、输出出允许OOE和读读写控制制R/WW。这组组控制信信号使得得两个端端口可以以像独立立的存储储器一样样使用。使使用这种种器件要要注意当当两个端端口访问问同一个个单元时时，有可可能导致致数据读读出结果果不正确确。解决决这个问问题的方方法有两两个：一一种是监监测buusy信信号输出出，当检检测到bbusyy信号有有效，就就使访问问周期拉拉长，这这是从硬硬件上解解决；另另一种方方法是软软件上保保证两个个端口不不同时访访问一个个单元，即即将双端端口RAAM进行行分块。本本系统采采用后者者，将bbusyy信号输输出通过过上拉电电阻接到到电源正正极。在系统中中，逻辑辑控制模模块的作作用非同同小可，是是控制采采样、存存储、与与计算机机接口的的核心。本本系统为为方便对对采样速速率等参参数进行行设置，在在该模块块中采用用了MCCS-551单片片机。这这样可以以通过编编程设定定采样速速率。与主机的的信息交交换包括括：（1）接接收主机机控制信信号，以以决定是是否开始始采样；（2）在在存储区区满后，向向主机发发中断请请求。本系统使使用ATT89CC51的的地址总总线来选选通RAAM的存存储单元元，对其其进行写写操作，将将采样结结果存入入相应的的单元。3.4.3 软软件设计计系统软件件包括主主机程序序和逻辑辑控制模模块中889C551程序序。软件件的关键键是单片片机控制制A/DD转换器器和存储储器部分分，软件件流程见见图100。至于系统统的采样样速率，一一般通过过调用定定时中断断来实现现。微机械惯惯性通用用检测系系统针对对性强（专专用于微微机械陀陀螺仪和和加速度度计），可可实现敏敏感元件件的自动动测试，自自动扫频频测出传传感器的的谐振频频率、QQ值等，并并且还可可以在一一定程度度上实现现硬件功功能再调调整，在在实际检检测中取取得了较较好的效效果。