一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器ElectricFi.pdf

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1、第 31 卷第 11 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.31No.11 2009 年 11 月 Journal of Electronics&Information Technology Nov.2009 一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器 熊幼芽 彭春荣 夏善红(中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室 北京 100190)(中国科学院研究生院 北京 100039)摘 要：该文提出了一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。利用自动增益控制的原理实现闭环自激驱动，使得微传感器能够始终工作在谐振状态，且振动幅度保持稳定。用 matlab-simulink 工具对系统进行了仿真，结果

2、表明，当传感器的谐振频率发生 0.5%的漂移时，系统可以重新捕捉并锁定到新的谐振频率，和开环驱动方案相比，传感器振幅的衰减度从 30%降低到 0.1%之内，灵敏度从缩减 50%改进到缩减 0.1%之内。关键词：微型电场传感器；闭环；自激驱动电路 中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2009)11-2776-05 Electric Field Micro-sensor with a Closed-loop Autonomous Driving Circuit Xiong You-ya Peng Chun-rong Xia Shan-hong(State Ke

3、y Lab of Transducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)Abstract:A new micromechanical electric field sensor system with a closed-loop autonomous driving circuit is designed

4、and simulated.The closed-loop autonomous driving circuit,which uses the principle of auto-gain-control,keeps the micro sensor working in the resonance state,and keeps the stable resonance amplitude.The simulation result shows,compared with the open-loop driving mode,the sensor can catch the new reso

5、nance frequency,the attenuation of libration amplitude is reduced from 30%to 0.1%,and the attenuation of the sensitivity of the sensor is reduced from 50%to 0.1%,when the resonance frequency changes 0.5%.Key words:Micromechanical electric field sensor;Closed-loop;Autonomous driving circuit 1 引言 电场传感

6、器在大气电场探测、电力、气象和地震等领域具有重要的应用，空中大气电场的探测，可用于保障火箭、卫星等飞行器的升空安全等。采用硅微机械加工技术制备的微型电场传感器由于在成本、体积、功耗和集成化等方面具有明显优势，逐渐成为研究热点。然而由于该器件尺寸小，空间耦合干扰大，有效信号微弱，极易受到噪声、外部干扰的影响。其正常工作需要提供稳定、可靠的驱动电压以激励振动梁振动，并且驱动电压还要为信号检测的解调提供参考信号1。因此，驱动控制是微型电场传感器功能实现的基础。设计稳定、可靠的驱动控制方案是微电场传感器的关键技术之一。目前，国内外研究的微型电场传感器主要采用的驱动方式为开环驱动1 3，信号源产生的正弦

7、交流信号经过放大后直接驱动传感器振动。这种方式尽管在一定程度上能获得比较好的特性，但驱动信 2008-11-17 收到，2009-04-27 改回 国家 863 计划项目(2006AA04Z347)资助课题 号的频率和传感器的谐振频率很难严格一致。并且由于传感器工作中会受到环境变化而使其谐振频率发生改变，因此开环驱动方式不能保证传感器始终工作在谐振状态，从而获得最大电场感应灵敏度。这样工作的传感器抗干扰能力较差，稳定性不高。此外，驱动电压波形易受波形发生器的影响而发生失真，从而影响传感器振动结构的振动模态。为解决以上存在的问题，提高器件的环境抗干扰能力，实时保证器件的最大灵敏度，本文结合微型电

8、场传感器的结构特点，提出了一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。2 微型电场传感器的工作原理 微型电场传感器主要由屏蔽电极、感应电极、激励梳齿和支撑梁等部分组成，其结构示意图如图1 所示4。工作时，在激励梳齿上加载一定的激励电压，从而驱动屏蔽电极在水平方向来回周期振动，从而在感应电极上产生与外电场成正比的交变电流，通过测量该电流即可得出被测电场。第 11 期 熊幼芽等：一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器 2777 图 1 微型电场传感器结构示意图 该传感器采用电荷感应原理，敏感原理的示意图如图 2 所示，由于激励电压的作用，屏蔽电极周期性地暴露和遮挡其正下方的感应电极，使得感应电极表面的

9、感应电荷量发生周期性变化，因而在与之相连的测量电路中产生与外界电场成比例的交变电流5。关系式如下：0ddddeAQiEtt=(1)图 2 微电场传感器工作原理示意图 式中0为介电常数，eA为电场感应的有效面积，Q为感应电极感应的电荷量，E为待测量外电场。设屏蔽电极的纵向长度为L，振动幅度为X，且屏蔽电极做正弦振动，则 00d(sin()d cos()XtiLEtXtLE+=+(2)电流信号经过 I/V 转换、放大和滤波等之后，用激励信号作为电场解调的参考信号，经过解调、低通滤波之后，解调出外电场强度值为 outvXKE=(3)式(3)中，K 为由电路参数决定的常量。由式(3)可知屏蔽电极振动的

10、幅度 X 越大，频率越高，微传感器的灵敏度越高。由 2 阶振动系统的幅频特性可知，在谐振频率处传感器的振动幅度将达到最大，从而获得最大的电场感应灵敏度6,7。因此施加的激励信号频率应为微型传感器的固有谐振频率。但在实际的空中大气电场探测中，微型电场传感器极易受到工作环境中的温度、外部干扰的影响，使其谐振频率发生偏移。此时激励信号的频率仍为原有的固有频率，这样传感器就不再工作在谐振状态，振动幅度将发生衰减，灵敏度也将随之降低。因此为了补偿温度引起的谐振频率漂移，实时获得传感器最大的电场感应灵敏度，提高器件的稳定性，下面提出一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。3 闭环自激式驱动的微型电场传感器

11、方案 本文提出了闭环自激式驱动的微型电场传感器，系统结构框图如图 3 所示。传感器敏感结构中激励部分采用差分激励(推挽式激励)、差分电容敏感。添加闭环自激反馈网络后，通过调节闭环自激回路的相位和幅值条件，就能够使传感器恒定地工作在固有谐振频率处，并使振动幅度满足电场测量要求。当环境变化导致传感器的固有谐振频率发生漂移时，闭环自激反馈网络可以自动捕捉并锁定新的谐振频率，稳定振动幅度。根据式(3)，就可以保证微传感器的灵敏度保持在最大状态，从而使得系统稳定可靠的工作。图 3 闭环自激式微电场传感器的系统结构框图 目前实现闭环自激反馈网络的方式有多种，为了最大程度地稳定传感器的振动幅度，本文采用自动

12、增益控制原理实现闭环自激驱动。该闭环自激网络由电流电压转换电路、自动增益控制(AGC)电压产生电路和可变增益放大电路等部分组成，如图 3中虚线框部分所示。其中XV为敏感电极上的差分电流经过差分变换、电流电压转换和放大后的输出。XV经可变增益放大电路之后的输出为 agcIVOxVGAt=(4)式中agcG为可变增益放大器的增益。IVDC112AVG=2778 电 子 与 信 息 学 报 第 31 卷/dCx，DC1V为激励梳齿上的直流偏置电压；/dCx为激励梳齿运动时的电容变化。OV作为反馈驱动交流电压信号与直流电压DC2V一起形成谐振式静电场传感器敏感结构的驱动电压1V和2V，由1V和2V产生

13、的静电驱动力为 drivDC2drivagcIV4xFVAGAt=(5)式中drivA为电压与静电力转换的比例系数。静电场传感器敏感结构振动的动力学方程可以写成7,8 2eff2dd0ddxxxmcK xtt+=(6)其中effDC2drivagcIV4CcVAGA=为有效阻尼系数。当eff0C=时，驱动模态处于“零阻尼”系数状态，驱动将在驱动模态的固有频率上作恒幅振动，并假设此时的可变增益放大电路的增益为0G，则 0DC2drivIV4cGVAA=(7)在电路中，增益agcG的大小由 AGC 电压产生电路的输出电压GV控制，使agc0G接近0G，并最终维持在0G。设GV与XV成线性关系，则由

14、电路稳定工作的充分必要条件可推出：0ref(2/)GXVGVV=(8)即增益产生电路符合式(8)时，闭环自激电路将发生自激振荡并使振幅稳定。此时利用XV对电场测量的信号进行相关解调，即可得出与电场成正比的稳定的输出电压信号。4 系统仿真 用 matlab-simulink 工具对系统进行仿真，搭建的系统框图如图 4 所示。其中 EFS 模块代表微电场传感器的系统传递函数：2200111()den()2H ssm ss=+(9)式中m为振动模块的有效质量，0为传感器的固有频率，为传感器的阻尼比。0/xKm=,=2xcmK，其中xK为振动结构水平运动方向的弹 性系数，c为水平振动的阻尼系数。根据传

15、感器的传递函数，传感器可等效为屏蔽电极与感应电极形成的可变电容。图 4 中的 x-C，PSD，Q-i3 个模块实现电容到电压的转换。虚线框所示的模块 1 代表增益产生电路，即式(8)表示的数学运算。虚线框所示的模块 2 则表示电场感应测量输出部分。随机扰动模块 r 代表在传感器的输入端的随机扰动，以使传感器系统达到自激振荡。根据传感器的结构特性，经计算和近似9，取如下参数作为仿真参数：0.005=，50210=rad/s，9110 kgm=，谐振频率为 31.83 kHz，对振动输出信号的幅度要求为 2 V。仿真得到的结果如图 5 所示。可见微传感器发生了自激振荡且输出最终稳定在 2 V 处，

16、振荡频率为传感器的固有频率 31.83 kHz。电场测量输出电压信号经过起振，最终输出一个稳定的电压值，由式(3)即可得出被测电场。为模拟微传感器固有频率发生漂移的情况，可以更改传递函数的参数，再次进行仿真。引起微型电场传感器谐振频率漂移的主要因素为环境温度的变化，且有10 02ETE T=+(10)图 4 传感器仿真的系统框图 第 11 期 熊幼芽等：一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器 2779 式中为材料的热膨胀系数，E为材料的杨氏模 量。对于硅材料而言，(1/)(/)EET的值介于55 1336o10/C之间，的值约为62.610 o/C，而取温度范围为o40 80 C，经估算传感器

17、的谐振频率的漂移在0.5%以内。取谐振频率漂移0.5%进行仿真，结果如图 6 所示。可以得出传感器的振动幅度仅改变 0.1%，且振动频率锁定到了新的谐振频率，谐振频率的漂移对电场测量造成的误差在 0.1%之内。为了说明闭环自激式驱动的优势，下面对开环驱动的情况也进行了仿真。首先提供传感器谐振频率处的驱动电压，使传感器的振动输出信号的幅度稳定在 2 V，电场测量输出信号稳定在 0.6 V。此时假如传感器谐振频率发生+0.5%的漂移，其振动输出信号的幅度将缩减 30%，电场测量输出信号的幅度则缩减 50%，如图 7 和图 8 所示。这将导致无法稳定、准确的测量电场。在谐振频率处和发生0.5%漂移时

18、分别测试开环驱动和闭环自激驱动模式下传感器的灵敏度，得到的曲线如图 9 和图 10。通过改变外界待测电场，观测电场测量输出电压的变化，得到的曲线的斜率即为传感器工作的灵敏度。开环驱动模式下，当谐振频率发生漂移时，灵敏度明显降低；而闭环自激驱动模式下 3 条灵敏度曲线几乎重合。图 5 闭环驱动谐振频率处的仿真结果 图 6 闭环驱动谐振频率 图 7 开环激励谐振频率漂移 漂移+0.5%时仿真结果 +0.5%时的振动输出信号 图 8 开环激励下的电场测量输出信号 图 9 开环驱动模式下传感器的灵敏度曲线 图 10 闭环自激驱动模式 下传感器的灵敏度曲线 5 结论 本文针对开环驱动的传感器存在的灵敏度

19、无法保持在最大状态、系统稳定性不高的问题，利用自动增益控制的原理添加了闭环自激网络，并对整个传感器系统进行了仿真。结果表明，闭环自激驱动的传感器可以实时捕捉并锁定谐振频率点，并使传感器的振动幅度保持不变。对比开环驱动方法，闭环自激驱动方法可以使微电场传感器的灵敏度始终保持在最大状态，从而保证微型电场传感器系统稳定、可靠的工作。参 考 文 献 1 Peng Chun-rong,Chen Xian-xiang,Ye Chao,Tao Hu,Cui Guo-ping,Bai Qiang,Chen Shao-feng,and Xia Shan-hong.Design and testing of a

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