單電容式及差分電容式MEMS傳感器檢測系統(tǒng)

差分電容傳感器調(diào)理電路

　　目前流行的MEMS器件加速度計(jì)，其傳感器原理一般基于差動(dòng)電容。加速度計(jì)主要由質(zhì)量彈性元件、位移測量系統(tǒng)及信號調(diào)理電路構(gòu)成，可以根據(jù)測量DC 得到物體的運(yùn)動(dòng)速度和加速度。

　
圖5  MEMS電容式振動(dòng)加速度傳感器

　　如圖5所示，中間極板(即橫梁的伸出部分)與二個(gè)固定的外極板組成差動(dòng)電容 CS1和CS2。沒有加速度時(shí)，CS1=CS2；產(chǎn)生加速度時(shí)，橫梁的移動(dòng)改變了中間極板和固定的外極板之間的相對位置，引起電容變化，CS1≠CS2。通過測量電路，將電容的變化在外加交流電壓的激勵(lì)下轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，能夠測得該物體相應(yīng)的瞬時(shí)速度或瞬時(shí)加速度值。

　
圖6  交直流激勵(lì)差分電容振動(dòng)加速度傳感器調(diào)理電路方框圖

　
圖7  交直流激勵(lì)的差分電容振動(dòng)加速度傳感器的調(diào)理電路

　　具體電路如圖7所示：U0(MAX038)信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生1MHz的正弦交流信號；U1(AD797)運(yùn)算放大器組成反相比例放大器，U2(AD797)運(yùn)算放大器組成同相比例放大器。1MHz的交流信號經(jīng)U1、U2后，變?yōu)榇笮∠嗟?、方向相反、相位相?80o的二個(gè)交流激勵(lì)信號，用來激勵(lì)差分電容傳感器；U4(AD745JR)是高輸入阻抗電荷轉(zhuǎn)移放大器。U4是調(diào)理電路的中心，在外加激勵(lì)信號的作用下，傳感器振動(dòng)引起的電荷轉(zhuǎn)移成電壓信號的變化。R12、R13、R14采用T型連結(jié)，目的是提升電路阻抗和電路系統(tǒng)放大倍數(shù)。U6(AD797)運(yùn)算放大器是 將C11、R16組成的高通濾波器去除低頻干擾后的電壓信號經(jīng)適當(dāng)放大，為下一步同步解調(diào)作好準(zhǔn)備；U3(AD797)運(yùn)算放大器組成的移相電路，其作用是使調(diào)制信號和解調(diào)信號同步；U5同步解調(diào)器，采用ADI公司生產(chǎn)的平衡解調(diào)器AD630，經(jīng)U5同步解調(diào)出的電壓信號就是反應(yīng)振動(dòng)加速度大小的信號；U9(OP137)運(yùn)算放大器組成二階有源低通濾波器，濾除信號中高頻噪音成份；U10(OP177)運(yùn)算放大器組成 跟隨器，信號經(jīng)調(diào)整后跟隨輸出。
　　U7(OP137)運(yùn)算放大器組成反饋AGC回路，將振動(dòng)加速度信號的輸出信號反饋回源極，使動(dòng)極板產(chǎn)生和加速度方向相反的靜電力，目的是增加加速度計(jì)的靈敏度和帶寬。該套加速度計(jì)的分辨率為2-18。

　　激勵(lì)信號采用正弦交流信號而不用方波信號，是因?yàn)榉讲ㄐ盘枮殡x散信號沒有連續(xù)性，解調(diào)時(shí)易產(chǎn)生尖峰脈沖雜波，雜波不易濾除，并且貫穿整個(gè)電路，影響測量分辨率。

參考文獻(xiàn)：

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2.  陳蜀勇，基于PLL的信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)，微計(jì)算機(jī)信息，2004，11
3.  吳道悌,‘非電量電檢測技術(shù)’，西安交通大學(xué)出版社