“叉指”結構微加速度計的系統設計

2013-11-29
發布時間2008-6-16
  何曉平 張 德 文貴印

利用MEMS技術研制靜電伺服微加速度計，在享受了MEMS加工特點帶來的體積小、功耗小、抗振能力強等優點的同時，也遇到了檢測電容極小（10- 12F）、靜電力反饋力小等難題，要使微加速度計滿足性能要求，必須進行合理的系統設計。

研究的“叉指”結構微加速度計屬靜電伺服微加速度計，
由敏感芯片和伺服控制電路組成。其敏感芯片用體硅干法工藝加工而成，其顯微照片如圖1所示，芯片面積3.2mm′ 3.2mm。當閉環系統為深反饋時，慣性力與反饋力就大小來說相等，即ma=Ffb，若視電容為理想平板電容，上、下電容間隙相等，則a=2e SUdc × Uout /(md0)2，由此可見反饋電壓（也是輸出電壓）Uout與加速度a成正比，m為質量塊質量，d0為上、下電容間隙，S為電容極板面積，e 為真空介電常數，Udc為直流偏壓幅值。


該加速度計的系統框圖如圖2所示，整個系統包括表頭、差分電容檢測、交流放大、乘法器解調、低通濾波、PID調整、靜電反饋環節等環節，各環節傳遞函數及參數見表1。


系統閉環傳遞函數，要滿足輸出不受前向環節G(s)的影響，需要G(s)× Kfb?1。由于Kfb僅為5.04′ 10- 6，故必須很大，本系統的前向環節放大倍數為5.4′ 107，開環放大倍數271?1。系統經過這樣調整后，開環放大倍數增大或減小50%，刻度因數的變化已經很小了。另外，由于差分電容檢測電路引入一個微分環節，需要在校正環節中加入一個積分環節，才能使系統穩定。根據表1參數，繪出系統的相位域度為45° ，幅值域度為8.7dB。同時，系統在受到1m/s2階躍加速度信號作用時系統輸出電壓與時間的關系表明，系統能迅速穩定。


表 1 系統各環節傳遞函數及參數
環節
傳遞函數表達式
傳遞函數中的參數
表頭f = (ms2+cs+k)- 1
m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10- 1g/s , k =15 N/m
差分電容檢測
Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]- 1Udr
t = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m
交流放大
Kac
Kac =8′ 103
乘法器解調
Kdm = Udr /20
正弦激勵電壓的幅值Udr=2V
低通濾波
c = (Ts+1)- 1
T=0.05s
PID校正
(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1
Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms，t 1 = 0.15ms
靜電反饋
Kfb = (2e SVdc)/d02
Kfb =5.04×10- 6
系統開環放大倍數
(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t )KpK1Kfb
271
利用表1參數調試電路，微加速度計的輸出電壓穩定，開環放大倍數增大或減小50%，刻度因數不變，刻度因數為100mV/g，與計算值相同。