非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计*

张运奎，崔 峰，万 镇，刘 武，张卫平

（上海交通大学微纳科学技术研究院，微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240）

0 引言

随着微机电系统（MEMS）的发展，微加速度计在航空航天、武器装备、汽车、消费电子等方面有着广泛的应用与需求，尤其在冲击载荷测量、弹药引信等领域，对高过载高gn（gn为重力加速度）值加速度计提出了较高要求:上万至数十万gn量程，且频率范围较宽，工作环境恶劣。其中，电容式微加速度计灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂移小、功耗极低，而且过载保护能力较强;能够利用静电力进行自检，通过实现闭环控制，可显著提高传感器的性能，是高过载MEMS微加速度计的一个重要发展方向［1，2］。

电容式微加速度计的敏感机械结构主要有2种形式:梳齿结构和三明治结构。其中，三明治结构只包含一组差分电容，结构简单，却可输出较大信号，灵敏度高，且机械强度高于前者，可达到很高的量程。针对硅材料脆性大、加工工艺复杂、支撑梁易于发生高冲击断裂失效（尤其是梳齿结构）等问题，本文给出了一种基于UV-LIGA技术的非硅MEMS金属多梁支撑圆盘敏感质量的“三明治”结构电容式高gn微加速度计，对其结构、微位移微弱电容信号检测及其测控电路进行了设计，对高频载波发生、电荷积分放大前置级、相敏解调等各级电路进行详细设计，并通过电容标定实验对微位移检测通道进行了性能评估和验证。

1 微加速度计的结构与特点

金属多梁支撑圆盘敏感质量电容式微加速度计，其质量块、支撑梁和上下电极均采用金属材料，金属的断裂韧度远高于硅系材料，如采用准LIGA微加工工艺得到的镍制件的静态断裂韧度为 52.73 MPa·m1/2［3］，多晶硅的静态断裂韧度却仅为2 MPa·m1/2［4］，而对于各种材料，其动态断裂韧度最小值可认为是静态断裂韧度的70%，可见镍的静态断裂韧度和动态断裂韧度都比多晶硅高得多，可在很大程度上防止发生断裂，提高抗冲击能力。微加速度计的结构如图1所示，上下电极采用金属薄膜材料，中间梁—质量块结构采用镍材料，为了减小阻尼，在质量块上均匀分布了一些减阻通孔。此外，这些通孔可增加牺牲层湿法刻蚀的通透性，释放在制作工艺中引起的残余应力。为了提高抗过载能力，中间质量块采用多梁支撑的圆盘形状，以降低边缘应力分布，且相比方形质量块结构变形分布均匀。增加支撑梁的数目，在一定程度上使应力分布更加均匀，同时也增加了质量块的抗冲击能力，提高了量程。轴向止档可以防止中间质量块运动时触和上下电极引起短路。上下定子电极分成三部分，分别为中间的施力电极与2个对称的检测电极。正常工作测量输入加速度时，施力电极和检测电极合用，提高检测灵敏度。分开使用时，通过在施力电极施加静电力模拟输入加速度，可用于实现微加速度计的自检、自标定功能［5］。

图1 电容式微加速度计结构图Fig 1 Structure of capacitive microaccelerometer

采用UV-LIGA微加工工艺制作的微加速度计，上定子，下定子（含动极板）分别加工并通过装配、回流焊接工艺键合。梁—质量块厚度 15 μm，间隙 4 μm，止档柱高 1.5 μm，键合芯片尺寸约为7 mm×7 mm×4 mm。

2 微加速度计的工作原理与测控方案

微加速度计正常工作时，当受到一个Z轴方向的加速度作用时，会产生方向相反的惯性力作用在中间敏感质量块上，使其发生Z向位移，导致上下电容值发生微弱差动变化。在高频载波的驱动下，该差分电容变化信号通过电荷积分放大电路转变为电压信号，经带通滤波后，与参考信号进行相敏解调，低通滤波后得到直流电压信号，该信号反映输入加速度的大小，从而完成加速度信号的检测［6］。

微加速度计的加速度测量原理中存在非线性，只有在动极板质量块的位移很小时，才能近似地认为电容的变化与加速度呈正比，所以，为了提高微加速度计的量程与线性度，必须采用闭环检测的方法，确保微加速度动极板的位移很小。解调后的直流电压信号经ADC后进入DSP处理器进行PID控制，产生反馈控制信号，再经DAC，低通滤波和高压放大产生反馈电压，并分别与正负两路偏置电压叠加后通过RC隔离加载到微加速度计的上下电极上，产生静电力使运动质量块回到平衡位置，整个测控系统如图2所示。

图2 微加速度计测控系统Fig 2 Detection and control system of microaccelerometer

2.1 高频载波发生

微加速度计外围电路中存在很大的噪声，为了减小噪声的影响，必须采用较高的调制频率，一般为100 kHz～1 MHz之间，为了减小对放大电路元件带宽的要求，并且减小放大后信号的失真，调制信号采用易于放大的正弦波。本文通过DSP芯片TMS320F28335直接控制DDS（direct digital synthesize）芯片AD9832的方法产生。AD9832芯片在25 MHz时钟频率下，可以产生频率范围为0～10 MHz的正弦波，同时保持很高的频率分辨率（0.005 821 Hz）。输出1 MHz信号频率时，信噪比S/N≥50 dB。产生的正弦波频率为200 kHz，幅值为0.62 V，并分别通过同相和反向单位增益运放电路和相移电路产生两路相位相差180°以及一路同频的相位可调信号作为相敏解调的参考信号。

2.2 微位移电容检测通道的设计

前置级放大电路将差分电容信号转换成电压信号。基本方法主要有:开关电容电路、AC交流电桥检测和电荷积分放大器电路等。在前置级中，应尽量减小外界噪声的干扰，将信噪比提升到可以分辨的水平，这样后续电路才能进行放大和解调。电荷积分放大器的优点在于，运算放大器的正相输入与负相输入端为虚地，这样加在电容器引线上的电压电位相等，消除电容器引线所引入的寄生电容Cp，有利于提高检测电路的信噪比，如图3所示。积分电容为10 pF，反馈电阻采用T型结构，等效电阻为 10.2 MΩ，输入端噪声主要由R1产生的噪声电压决定，进一步减小电路的噪声。这里采用具有超低噪声、宽带宽、高输入阻抗和驱动能力强的运算放大器AD8610构成。

图3 前置级电荷积分放大电路Fig 3 Circuit of charge integrated preamplifier

带通滤波和交流放大电路中，带通滤波电路由四阶压控电压源带通滤波器构成［7］，中心频率为 200.447 kHz，带宽为34.232 kHz。放大电路由高精度、高带宽集成运放AD811构成，放大倍数可调。

相敏解调一般分为开关解调和乘法解调，由于开关解调一般会产生较大的噪声，这里采用乘法解调方案。电路主要包含模拟乘法器和有源低通滤波器两部分。综合考虑，模拟乘法器选用四象限乘法/除法器芯片AD734，其工作频率可达10 MHz，在10 Hz～10 MHz带宽内，信噪比达到70 dB。通过外接电阻配置后，输出直接为调制信号与参考信号相乘结果，通过调节参考信号的相位，即可解调出所需的信号［8］。低通滤波电路采用由集成连续时间滤波器芯片MAX274搭建的八阶巴特沃斯低通滤波器构成。单片结构外接元件少，参数调整十分方便，高频工作时基本不受运放频响、杂散电容的影响。截止频率为10 kHz，满足加速度计对带宽的要求。

电平转换电路将低通滤波得到的直流信号的输出范围设定在0～3 V，以满足后续ADC电路的输入要求，检测电路无加速度作用时的输出偏置电压为1.5 V。

2.3 闭环反馈通道的设计

反馈通道的低通滤波电路采用由AD811搭建的2个低灵敏度二阶滤波器节串联，构成四阶切比雪夫有源低通滤波器，截止频率为20kHz，用来滤除D/A转换后输出阶梯状信号中高频噪声，再经高压放大后与正负偏置电压叠加后产生反馈电压加载到加速度计的上下电极上，实现闭环控制。

3 微位移电容标定实验

微加速度计的测控PCB包括电源—信号发生电路、检测和反馈电路以及加速度表头部分。为了评估微位移检测通道的静态性能，实验采用高频瓷片电容器来静态模拟微加速度计质量块运动时的差分电容。高频载波幅值设为0.62 V，频率为200 kHz，其波形图如图4（a）所示。经带通滤波器输出的调制信号的波形如图4（b）所示。经乘法器AD734解调后的输出波形如图4（c）所示。可以看出:乘法解调后的输出主要包含直流和二倍频分量。

检测通道输出的实验数据经最小二乘拟合，得到微位移检测通道的输出电压与差分电容的关系为:Vout=0.0893ΔC+1.485，电容单位 pF，输出电压单位 V，如图 5所示。检测通道的量程约为±6 pF，灵敏度为89.3 mV/pF，线性度为2.59%，满足微加速度计检测系统的性能要求。

4 结束语

图5 检测通道实验结果Fig 5 Experimental results of detection channel

本文对基于UV-LIGA技术的非硅MEMS多梁支撑圆盘敏感质量电容式微加速度计结构进行了详细阐述，其上下电极采用金属薄膜材料，梁—质量块结构采用镍材料，能承受更大的冲击，具有更高的量程。针对该加速度计设计了差分电容测控电路，并完成电路PCB的设计与调试。通过DSP控制DDS芯片产生200 kHz高频载波，对微加速度计的微位移检测通道进行了电容标定实验。检测通道的量程约为 ±6 pF，灵敏度为 89.3 mV/pF，线性度为2.59%，为进一步微加速度计微位移电容测控电路的实现奠定了基础。

［1］Zhang Zhenhai，Li Kejie.Design，simulation and multi-dimension coupling research of monolithic MEMS three-axis high gnaccelerometer［C］// Proceedings of IEEE ICIA，Seogwipo-si，2007:280－284.

［2］Lin Liwei，Pan Feng，Xu Jiashan，et al.Design of a three-axis high gnpiezoresistive accelerometer［C］//Proceedings of IEEE ICNEMS，Xiamen，2010:773 －776.

［3］Dai W，Oropeza C，Lian K，et al.Experiment design and UV-LIGA microfabrication technology to study the fracture toughness of Ni microstructures［J］.Microsystem Technologies，2006，12（4）:306－314.

［4］Yi Taechung，Kim Changjin.Measurement of mechanical properties for MEMS materials［J］.Measurement Science and Technology，1999，10（8）:706 －716.

［5］Xiong Xingguo，Wu Yuliang，Jone Wenben.A dual mode built-in self-test technique for capacitive MEMS device［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，54（5）:1739－1750.

［6］刘 俊，张斌珍.微弱信号检测技术［M］.北京:电子工业出版社，2005:75－90，123－132.

［7］邵珰珰，陈文元，肖奇军，等.静电悬浮转子微陀螺信号发生电路有源带通滤波器设计［J］.传感技术学报，2008，21（11）:1867－1871.

［8］张忠榕，刘 武，张卫平，等.双定子静电微电机控制系统的信号检测研究［J］.传感器与微系统，2008，27（5）:18 －20.