一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用

孟瑞丽，刘 恒，张宏群

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京 210044;2.南京信息工程大学教务处，江苏南京 210044)

0 引言

基于硅微机械加工技术制造的，具有力学谐振频率的微谐振式传感器是一类非常重要的传感器。它通过检测其机械谐振器谐振频率的变化来实现外部物理量的测量，特点是尺寸小，制作成本低廉，功耗小，易与数字电路接口，具有广阔的应用前景。同时，微谐振式传感器的重复性、分辨率和稳定性非常优良。它适于测量多种物理量，如压力、真空度、角速度、加速度、流量、温度、湿度和气体成分等。微机械谐振式传感器有利用静电驱动电容检测的实现方案，这类传感器的电容变化量往往很小，许多情况下，输出电容仅有几十个或几百个fF大小，因而对电容式传感器输出电容特别是输出微小电容的测量始终是一个重要的研究课题［1］。

传统上采用的放电电容测量电路、AC电桥电容测量电路、交流锁相放大电容测量电路、基于V/T变换的电容测量电路、基于混沌理论的恒流式混沌测量电路、基于数字专用集成电路测量电路［2－3］等分立式解决方案均是测量静态电容，而微机械谐振式传感器测量是频率变化，与电容大小幅度无关［4］。上述静态电容测量方法不适合测量谐振传感器的变化检测电容。本文提出了一种方波频率调制、开关解调的接口电路设计方案，将振动幅度的变化转换为正弦波输出电压，并通过后续频率计获得谐振频率。微机械谐振传感器的特性参数，比如谐振频率、品质因数直接影响着传感器的灵敏度、分辨率等性能［5－6］。本文将该接口电路应用到某微机械双框架振动陀螺的驱动模态品质因数和谐振频率测试上，并成功获得了微机械陀螺的品质因数和谐振频率，为后续闭环驱动电路的设计提供了基础。

1 静电驱动微机械谐振传感器读出电路

典型静电驱动的微机械谐振器一般包括振梁、驱动极板、检测极板，其中振梁主要有悬臂梁、端固支梁等几种，目前应用比较多的为双端固支梁。加载静电力的驱动极板和电容检测极板有梳齿结构和平行板两种，一般为了减小静电驱动力的非线性，驱动极板多采用梳齿结构，而检测极板一般采用平板，与振梁一起构成平板电容器。由于存在驱动电压直接到检测极板的耦合，为了检测出有效微结构振动信号，设计方案采用了高频方波调制及开关解调原理。整个接口电路见图1，包括激励信号、调制方波、电荷放大器、隔直放大模块、高通滤波器模块、模拟开关、低通滤波器模块。

激励信号为带直流偏置的交流信号Vd+Vaccos(ωt)，通过电容和电阻进行隔离，信号加载见图2。直流信号DC可以由直流稳压电源提供，交流信号AC可以由信号发生器提供，A3为连接驱动电容极板。

图1 接口电路原理图

图2 激励信号加载原理图

调制方波产生电路由LTC1799芯片和1个电阻、2个电容构成，原理图见图3，通过调节电阻的值就可以改变输出方波的频率。输出的方波一路A3直接连接谐振子微结构，另一路通过电容移相与后续的模拟开关相连，提供解调信号。

图3 方波产生电路原理图

高频方波源Vs展开为正弦波的形式，可以表示为:

式中:ωd为方波的频率;n为方波中的谐波次数;V0为展开电压的幅值。

在驱动电压的激励下，微结构会发生振动，当驱动电压中直流幅度Vd远大于交流幅度Vac时，检测电容Cx可以表示为:

式中:C0为检测电容中的静态部分大小;C1为检测电容中的动态部分幅值。

接口采用电荷放大器时，对应的电路原理图见图4，运算放大器选用OP37，反馈电阻R3为调节响应性能，A4为检测极板连接，A5为信号传输给下一级模块。

图4 电荷放大器原理图

电荷量表示为:

后续的隔直放大电路由AD823和电容、电阻构成，电容先隔直流，再对交流信号进行反相放大。原理图见图5。

图5 隔直放大电路原理图

放大后的为交流信号，包含噪声、未调制的驱动信号及调制的有效振动信号，在解调前需要对放大信号进行高通滤波器，将低频噪声及未调制的耦合激励信号滤除。滤波电路见图6，由运算放大器和电容、电阻构成，调节电阻和电容值得到不同的特征频率值和过渡带特性。

图6 二阶高通滤波电路原理图

信号经过线性放大A倍后再经过隔直电路和特征频率为ωd，通带增益为B的高通滤波器后得到输出电压为:

式中Cf为接口电荷放大器的反馈电容值。

滤波后的信号需要通过开关解调，模拟开关采用了MAX4647开关，除开电源连接以外，一路A7为滤波后的输入信号，一路A2为输入解调的方波，解调后的输出为A8，开关解调电路见图7。

图7 开关解调电路原理图

式中:Vout为读出电路的输出信号;Φ为整个检测电路的相移。

根据式(5)，输出电压中仅含反映振动频率的分量，消除了同频干扰，低通滤波电路见图8。

图8 二阶低通滤波电路原理图

2 读出电路测试及应用

选择的测试对象为一只真空封装的微机械双框架式谐振陀螺［7］，该陀螺采用梳齿静电驱动，检测端采用平板电容差分结构，为了提高能量的转换效率和陀螺的性能，陀螺的驱动模态对应的框架总是希望处在谐振状态，其驱动方向就等同于一个谐振器［8］。图9为测试用的PCB及测试设备，直流稳压电源提供5V直流电压代替图2中DC电源，图2中交流电压AC由信号发生器提供。由于设计的微机械陀螺的驱动模态频约为13 kHz左右，通过改变LTC1799外围的电阻来获得不同的方波频率，图9为测试得到的方波，频率为334.183 kHz，远大于驱动模态频率。

图9 测试得到的方波

图10为模拟开关解调前的信号，很明显，正弦波中含有方波，信号被调制了，与预期的设计一致。

图10 开关解调前的信号

图11为模拟开关解后的信号，从时域上看含有高频分量也含有待测分量，图12为解调后再经过低通滤波的输出信号，由于陀螺结构采用了差分形式，直流分量比较小，图中高频分量幅度也很小。

图11 开关解调后的信号

图12 测试输出信号

设计的读出电路还应用来作为幅度频率特征测试的接口电路，动态信号分析仪Agilent35670A提供的一路扫频源代替图2中的AC，幅度为2 V，接入分析仪的通道1。低通滤波器输出的信号经过隔直后接入分析仪的通道2。当扫频范围为12～14 kHz时，谐振频率为13.564 kHz，折算的品质因数为1863，实验结果见图13，同时谐振点左右两边相同频差对应的幅频响应并不一致，这可能与滤波器的影响有关，也可能与噪声对双边驱动的影响不对称有关。上述结果随频率扫描范围的变化略有变化，当扫频范围为13～14 kHz时，谐振频率为13.552 kHz，与信号发生器激励得到的谐振点相一致。

图13 微机械振动陀螺幅频特性测试结果

在测试电路中共采用了3个模拟滤波器，其中一个低通滤波器为一阶，主要起到隔直作用。另外一个二阶低通滤波器采用了无限增益负反馈形式，高通滤波器采用了无限增益多路反馈形式，无论是高通滤波器还是低通滤波器，在设计时尽量不要出现“尖峰”的幅频曲线，否则很难在开环幅频特性测试判断到底是结构模态引起的峰值还是电路本身带来的峰值。

3 结束语

本文提出了一种微机械谐振传感器的接口读取电路，接口电路通过高频方波调制振动信号，通过模拟开关解调方式得到振动信号。接口电路还包含高通和低通滤波模块，整个电路通过分立器件构成，成本低，能消除同频干扰的耦合影响。利用实验室研制的静电驱动微机械振动陀螺对接口读取电路进行了实验测试，中间测试波形信号与设计期望一致。并将该接口电路应用到陀螺的品质因数测量上，成功获得微机械陀螺驱动模态的品质因数和谐振频率。上述信号读取电路和品质因数、谐振频率测试方法也适于其他静电驱动的微机械谐振传感器的应用。

［1S］陈建元.电容式微机械陀螺调理电路.仪器仪表学报，2007，28(12):2210－2213.

［2］樊骁，桑胜波，张文栋 等.基于电容数字转换技术的微小电容测量电路的设计研究.科学技术与工程，2014，14(8):210－213.

［3］王宇，张晓明，白锗铨 等.适于电容式MEMS传感器的微小电容检测系统.电子技术应用，2014，40(5):90 －92.

［4］王安成，罗兵，吴美平.硅微机械陀螺谐振频率在线快速测定方法.中国惯性技术学报，2011，19(5):607 －610.

［5］徐淑静，高振宁.一种新的微机械陀螺品质因数测试方法.微纳电子技术，2011，48(6):391 －393.

［6］ZHANG M，LLASTER N，MATHIAS H，et al.High precision measurement of quality factor for MEMS resonators.//Proceedings of the Eurosensors XXIII conference，Procedia Chemistry 1(2009)827 －830.

［7］刘恒，刘显学，张凤田，等.微机械振动陀螺闭环自激驱动理论分析及验证.重庆大学学报:自然科学版，2011，34(10):136－141.

［8］EMINOGLUA B，EMRE S A，AKIN T.An Optimized Analog Drive－Mode Controller for Vibratory MEMS Gyroscopes.Procedia Engineering.2011，25:1309 －1312.