微機(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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

　　關(guān)鍵詞: 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 微機(jī)械陀螺(MMG) 檢測(cè)

　　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(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來(lái),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(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)脫穎而出,平均年增長(zhǎng)率達(dá)到30%。微機(jī)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(guó)家都十分重視對(duì)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(jī)械振動(dòng)陀螺儀的簡(jiǎn)要工作原理

　　陀螺系統(tǒng)組成見圖1,它由敏感元件、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)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(qū)動(dòng)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(dòng)軸Z軸的簡(jiǎn)諧角振動(dòng)。當(dāng)在振動(dòng)平面內(nèi)沿垂直于檢測(cè)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(cè)質(zhì)量片便繞檢測(cè)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(cè),并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理,得到與空間角速度成正比的電壓信號(hào)。

　　在科研及加工過程中,一個(gè)重要的內(nèi)容就是檢測(cè)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(jī)械慣性傳感器檢測(cè)平臺(tái)的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理,整個(gè)儀器包括兩大部分:驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分和表頭的輸出信號(hào)檢測(cè)部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分對(duì)待測(cè)的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào),使傳感器處于工作狀態(tài)。信號(hào)檢測(cè)部分要求檢測(cè)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(jī)中,分析輸出信號(hào),以確定慣性儀表的特性。

2 微電容檢測(cè)技術(shù)

　　在MMG檢測(cè)技術(shù)中,利用電容傳感器敏感試驗(yàn)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(hào)。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(cè)量分辨率達(dá)到(0.01×10-15)～(1×10-18)法拉。因此,對(duì)于微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺儀來(lái)說(shuō),檢測(cè)試驗(yàn)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(cè)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(cè)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關(guān)的時(shí)序,如圖2所示。

　　在測(cè)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(shí)序控制,不斷重復(fù),使未知電容總處于動(dòng)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(cè)電路的傳遞函數(shù)為: