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(jī)械電子系統(tǒng))工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型傳感器，具有體積小、重量輕、功耗低、測量精度高、以頻率為輸出信號(hào)、易于計(jì)算機(jī)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(yīng)用。但是在各種硅微諧振式傳感器中均存在同頻信號(hào)干擾的問題，給測量帶來誤差，如果干擾信號(hào)過大，器件的Q值會(huì)顯著下降，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(lì)／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(lì)／電容拾振硅微諧振傳感器的諧振梁敏感結(jié)構(gòu)尺寸非常小，存在強(qiáng)烈的同頻干擾信號(hào)。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(hào)可以通過耦合電容Coh1。作用在拾振極板上形成耦合干擾。

② 引線間耦合電容。激振極板的引線與拾振極板的引線之間存在耦合電容(Coh2)。主要是由于極板的引線較長，一般可以達(dá)到幾毫米，所以激振信號(hào)通過Coh2耦合到拾振極板的引線上，形成同頻干擾。

③ 感應(yīng)電動(dòng)勢。由于拾振電路構(gòu)成一個(gè)閉合回路，所以激振的交變信號(hào)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(shù)值均非常小(只有幾個(gè)pF)，式(1)可以簡化為

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(lì)／雙端差分檢測的接口電路。

圖3 雙端差分激勵(lì)／雙端差分檢測原理圖

這是一種兩端激勵(lì)／雙端檢測對(duì)稱結(jié)構(gòu)，諧振梁有4塊對(duì)稱的激振極板和2塊拾振極板，通過激振極板所加激勵(lì)信號(hào)的相位區(qū)別實(shí)現(xiàn)第一次差分運(yùn)算，通過雙端拾差分檢測振進(jìn)行第二次差分運(yùn)算，通過這種對(duì)稱性設(shè)計(jì)來有效消除同頻干擾。

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(lì)

在這里只對(duì)一側(cè)的差分激勵(lì)進(jìn)行分析。諧振梁的一側(cè)有2個(gè)激振極板，這2個(gè)極板上的激振信號(hào)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(hào)為

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，所以Coh1≈C’oh1；Coh2≈C’oh2，Uo（t）≈0，可見雙端差分激勵(lì)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(lì)／雙端差分檢測耦合干擾等效電路圖

(2) 雙端差分檢測

本結(jié)構(gòu)采用了雙端拾振的方式，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行雙端差分檢測，從而在放大有用信號(hào)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(gòu)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(jié)構(gòu)對(duì)稱性)，使用差動(dòng)運(yùn)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(duì)于測量過程中的各中噪聲均可以有效的消除，進(jìn)而顯著提高信噪比。

圖5 雙端差分檢測等效電路圖

綜上，使用雙端差分激勵(lì)的方式可以有效消除由于極板和引線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(hào)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(shè)計(jì)不僅僅能夠有效地消除同頻干擾，與常規(guī)的設(shè)計(jì)相比還有以下的優(yōu)點(diǎn)：

① 與單端激勵(lì)、單端檢測的硅微諧振式傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)能夠有效消除靜電作用力中直流分量和二倍頻分量帶來的干擾。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(duì)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(shù)。當(dāng)使用雙端激勵(lì)時(shí)，諧振梁的受力為

可見，使用雙端激勵(lì)的結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性，而二倍頻的分量的存在會(huì)帶來二倍頻的干擾信號(hào)。

② 與單梁結(jié)構(gòu)雙端激勵(lì)雙端檢測的硅微諧振式傳感器相比，這種結(jié)構(gòu)在諧振梁上支出齒子來，可以顯著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(jié)束語

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(yán)重的會(huì)導(dǎo)致無法閉環(huán)，從而使傳感器無法工作，筆者在分析同頻干擾的各種耦合途徑的基礎(chǔ)上，提出同頻干擾的等效模型和雙端差分激勵(lì)／雙端差分檢測的方法，通過兩次差分來消除同頻干擾，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(chǔ)。