摘要：一種用于微機械慣性傳感器研制與開發(fā)的檢測平臺，介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。
關(guān)鍵詞：微機電系統(tǒng)（MEMS） 微機械陀螺（MMG） 檢測

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學領(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前沿技術(shù)。20世紀90年代以來，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械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進工業(yè)國家都十分重視對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 微機械振動陀螺儀的簡要工作原理

陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動器的差動電路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)動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質(zhì)量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。

在科研及加工過程中，一個重要的內(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅(qū)動信號發(fā)生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅(qū)動信號發(fā)生部分對待測的慣性傳感器給予適當?shù)尿?qū)勸信號，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，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機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。

2 微電容檢測技術(shù)

在MMG檢測技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：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。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關(guān)的時序，如圖2所示。

在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時序控制，不斷重復，使未知電容總處于動態(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，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2 單位增益放大器電路

AD公司與U.C.Berkeley聯(lián)合開發(fā)的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用了單位增益放大電路。

圖3是單位增益放大器的等效電路。

圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內(nèi)時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

∵ Rgs→∞
∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布電容Cp約為10pF，輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。可以看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。

2.3 電荷放大器電路

電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標準反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應(yīng)選取Rf，使時間常數(shù)RfCf遠大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便。可以使用小阻值的電阻組成T型網(wǎng)絡(luò)，替代大阻值電阻。

若運算放大器具有足夠的開環(huán)增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結(jié)構(gòu)要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉(zhuǎn)化為對地的分布電容，即進行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。

盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應(yīng)該表示為：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]Vs

3 檢測平臺的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當?shù)募钚盘柡螅瑐鞲衅鞯膭悠刺幱谡駝訝顟B(tài)，上下極板間的電容發(fā)生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經(jīng)交流放大、解調(diào)后通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應(yīng)，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎(chǔ)。

3.1 激勵信號發(fā)生器

根據(jù)微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設(shè)計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。另外，陀螺儀的驅(qū)動力矩等于驅(qū)動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態(tài)。交流相位和直流偏置組合見表1。