谐振式MEMS磁传感器接口电路设计*

高华磊，徐德辉，刘 松，马颖蕾，熊 斌

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)



谐振式MEMS磁传感器接口电路设计*

高华磊，徐德辉，刘 松，马颖蕾，熊 斌

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

介绍了一种谐振式微系统(MEMS)磁传感器的接口电路，电路由驱动电路和信号检测处理电路组成。驱动电路采用直接数字频率合成器(DDS)产生磁传感器驱动信号，同时为检测电路提供同步信号；信号检测处理电路对磁传感器输出信号和DDS产生的同步信号进行同步解调，最终得到所需的磁场信号。最后对电路的性能和测试结果进行分析和总结。

微系统磁传感器； 直接数字频率合成器驱动； 同步解调； 接口电路

0 引 言

如今，微系统(MEMS)传感器凭借体积小、重量轻、成本低、可靠性高及可批量生产等优点，已经应用到了各个领域。其中，谐振式MEMS磁传感器根据其结构特点和工作原理具有宽测量范围、高灵敏度等优点[1]，可广泛应用于目标磁场的测量、航空航天、导航系统、安全监测、车辆监测、地质勘探等领域[2]。磁传感器的输出特性不仅与器件的结构有关，还与具体的驱动电路和信号处理电路有直接关系。谐振式MEMS磁传感器的工作方式需要外部驱动信号给予激励，而输出信号又是非常微弱的，在噪声中将微弱的信号提取出来，这需要设计专门的电路结构[3，4]。

本文针对自行设计的谐振式MEMS磁传感器，结合它的结构特点和工作方式，设计出可有效对其进行驱动和信号检测处理的系统电路，并对电路进行了整体测试和结果分析。

1 MEMS磁传感器系统结构及工作原理

MEMS磁传感器一般都是基于洛伦兹力的微机械磁场传感器，但是此类传感器存在功耗大、线性度差等问题，本文中的MEMS磁场传感器是一种静电驱动—电磁感应检测谐振式微机械磁场传感器[5，6]。该传感器的主体是由硅结构的谐振振子和位于振子上的感应线圈构成，图1是磁传感器SEM照片。当施加激励使得谐振子发生振动时，感应线圈会随着谐振振子做切割磁感线运动，从而在感应线圈两端产生感应电动势。通过测量感应电动势就可以得出磁场的大小。利用电磁感应工作原理来检测磁场，不存在磁滞和磁饱和现象；且感应电动势与磁场强度成正比，使得输出信号具有很好的线性度。

2 电路系统整体结构

针对谐振式MEMS磁传感器静电驱动电磁感应检测的工作特点，设计其特有的接口电路。其电路结构见图2，主要分为驱动电路、信号检测处理电路模拟部分、信号检测处理电路数字部分三个电路模块组成。首先是MCU控制直接数字频率合成器(direct digital frequency synthesizer,DDS)产生传感器所需频率的驱动信号，经过驱动放大电路后分成两路信号，一路用来驱动MEMS磁传感器，使其工作在谐振状态；另外一路通过移相电路和跟随电路后，进入信号检测处理电路作为参考信号。感应线圈两端产生的感应电动势，经过一级放大、滤波、二级放大、滤波、三级放大、滤波等电路处理后作为目标信号进入解调电路。解调后的信号通过低通滤波电路后进入模数转换(ADC)电路，最后由MCU读取ADC转换结果，从而完成对信号的处理工作。另外MCU还和按键、液晶、PC等连接完成控制、显示和通信等功能。

图1 磁传感器SEM照片Fig 1 SEM picture of magnetic sensor

图2 MEMS磁传感器驱动检测电路功能框图Fig 2 Functional block diagram of MEMS magnetic sensor driving detection circuit

3 接口电路硬件实现

3.1 驱动电路

谐振式MEMS传感器常见的有开环驱动和闭环驱动两种方式。开环驱动采用外加交流电压或电流实现[7]，强迫传感器工作在谐振状态，而闭环驱动最常见的就是自激振荡驱动。相比自激振荡驱动，强迫驱动可靠性高，不易受外界环境影响，故本文采用DDS开环驱动方式，电路见图3。DDS芯片采用AD9833(低功耗、可编程波形发生器)，所需频率编程可调，外加4.096 MHz晶振，可使驱动信号精度达到0.02 Hz以内，考虑到文中采用的传感器本征频率在223 kHz，驱动信号的频率稳定在1 Hz以内即可使传感器可靠工作，故此电路满足设计要求。

图3 DDS驱动电路Fig 3 DDS driving circuit

另外，由于DDS输出信号幅值达不到驱动要求，所以，后级增加了驱动放大电路以提高驱动能力。放大电路采用正向比例放大电路，反馈电阻采用精密可调电位器，方便灵活的调节放大倍数。

3.2 信号检测处理电路

一级放大电路作为前置放大电路，要求电路具有高共模抑制比，低噪声，高输入阻抗等特点来尽可能获取有用信号，所以采用了仪表运放来实现。移相电路实现0°～180°超前移相，从而获得解调时所需相位的载波信号，移相电路见图4(a)。带通滤波和低通滤波都采用无限增益多路反馈带通滤波器，从而使得信号失真较小，带通滤波电路见图4(b)。二级放大电路和三级放大电路设计和DDS驱动放大电路相同。

图4 移相电路和带通滤波电路Fig 4 Phase shifter circuit and band-pass filtering circuit

信号解调通过AD630芯片实现，采用集成芯片而非分立电路能够更好地保证解调的可靠性，解调电路见图5。由图1可知，方形金属线框做切割磁感线运动时产生感应电动势，设金属线框边长为L，振动幅值为ΔX，则任一条边在振动方式上任意时刻t的振动位移为

s(t)=Δx·sinω0t

(1)

则，从而可得任意时刻t的振动速度为

v(t)=ω·Δx·cosω0t

(2)

式中ω0为驱动信号角速度，若磁感应强度为B(t)，传感器输出信号为

U(t)=4B(t)Lω0·Δx·cosω0t

(3)

图5 同步解调电路Fig 5 Synchronous demodulation circuit

此信号经过放大、滤波处理后作为目标信号x(t)进入AD630进行解调，设系统放大倍数为A，此时目标信号为

x(t)=4A·B(t)Lω0·Δx·cos ω0t

(4)

电路产生的参考信号为正弦信号，AD630内部电压比较器会将正弦信号转换成同频同相的方波信号

(5)

式中 Vr为方波幅值大小，AD630内部实现了相敏检波，输出两路输入信号的乘法结果。设x(t)和y(t)的相位差为θ，则AD630输出为

U0(t)=x(t)·y(t)

(6)

从上式可以看出:相敏检波的输出分成两部分，前一部分为输入信号与参考信号的差频分量，后一部分为和频分量，相敏检波器的输出经低通滤波后，n>1的差频分量与和频分量均被去除，只剩下n=1的差频项

(7)

通过调节移相电路使得目标信号与参考信号的相位差为θ=0时，且ω0=2πf0，则最后的输出结果只和B(t)线性相关

U0(t)=K·B(t)

(8)

式中 K=16ΔxALf0Vr。

ADC电路采用AD7192，其内部集成一个低噪声、24位Σ-Δ型ADC，基准电源使用ADR421。MCU采用意法半导体的STM32F103C8T6嵌入式—微控制器对ADC的数据进行读取，并控制DDS输出所需的频率信号，芯片内部进行计算处理后将最终结果通过液晶显示出来，也可以通过串口将数据发送到PC上位机。

4 接口电路软件设计

系统采用STM32F103C8T6作为主控制器，软件设计主要包括主程序、波形产生模块子程序、输入模块子程序、显示模块子程序、串口中断程序。所有程序均采用C语言在KeiluVision4软件平台进行开发，软件流程图如图6所示。

图6 MEMS磁传感器接口电路软件流程图Fig 6 Software flow chart of MEMS magnetic sensor interface circuit

5 测试结果分析

首先通过按键设定传感器需要的谐振频率，使DDS产生驱动频率223 kHz的正弦波(器件已通过网络分析仪找到谐振频率点)。之后通过驱动放大电路调节信号振幅，获得峰峰值为1.5 V，偏置电压20 V的驱动信号。然后将传感器放入恒定磁场中，磁场由PEM—40电磁铁(输出磁场范围0.1～200 mT)产生，利用PF—035—1数字特斯拉计(分辨率0.1 mT)进行标定。此时解调电路就可解调出一个恒定的直流电压信号，调节移相电路改变参考信号的相位，使得参考信号与调制信号相位同步，最后调整系统电路增益，使之达到合适的大小值。

将系统进行上述调试后，实验测定了传感器的灵敏度，因电磁铁设备产生的磁场强度较大，故将系统放大倍数调节到10×102倍后进行测试，磁感应器强度从0开始以大约10 mT步进递增，然后分别记录解调后电路输出的电压信号，测试结果见图7。

图7 电路输出电压随磁感应强度变化曲线Fig 7 Curve of circuit output voltage change with magnetic flux density

图7中可以看出，系统解调后的电压信号和磁感应强度成线性关系，线性度为0.24 %，灵敏度为0.63 V/T。

地磁场角测试方法：传感器谐振振子所在平面的法线指向正北方向，然后在水平面以30°为旋转角顺时针测试12个方向。其他设置不变，系统放大倍数改为10×108倍，测试结果见图8。

图8中拟合公式V=0.23cosθ+0.305，采集的电压值符合地磁场分量余弦变化趋势。

图8 地磁场测试数据Fig 8 Geomagnetic field test data

6 结束语

本文设计了一种谐振式MEMS磁传感器接口电路，实验结果表明系统灵敏度为0.63 V/T。整体电路工作稳定可靠，传感器测量无需其他测试设备。实验实现了传感器检测磁场信号的功能，并取得了较好的测试结果，这些测试结果为今后电路的改进提供了基础。

[1] 陈 洁，黄庆安，秦 明.MEMS磁场传感器的研究进展[J].电子器件，2006，29(4):1384-1388.

[2] Wickenden D K，Givens R B，Osiander R，et al.MEMS-based resonating xylophone bar magnetometerss[J].Micromachined Devices and Components，1998(4):350-358.

[3] 陈 懿，金仲和，王慧泉，等.微机械振动式陀螺接口电路设计与实现[J].仪器仪表学报，2005，26(7):726-732.

[4] Domínguez-Nicolás S M，Juárez-Aguirre R，García-Ramírez P J，et al. Signal conditioning system with a 4～2 mA output for a resonant magnetic field sensor based on MEMS technology[J].IEEE Sensors J，2012(5):935-942.

[5] Wu Guoqiang，Xu Dehui，Xiong Bin，et al.Resonant magnetic field sensor with capacitive driving and electromagnetic induction sensing[J].IEEE Electron Device Lett，2013(3):459-461.

[6] 徐华英，徐德辉，熊 斌.一种推挽驱动的微型磁传感器设计[J].传感器与微系统，2015，34(9):94-96.

[7] 任大海，阎 梅，芝 尤.谐振式MEMS磁强计原理与研究进展[J].传感器与微系统，2007，26(11):10-16.

Design of resonant MEMS magnetic sensor interface circuit*

GAO Hua-lei，XU De-hui，LIU Song，MA Ying-lei，XIONG Bin

(Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050，China)

An interface circuit for resonant MEMS magnetic sensor is introduced,the circuit is composed of driving circuit and signal detection and processing circuit. Driving circuit uses direct digital frequency synthesizer (DDS) to generate magnetic sensor driving signal. At the same time,it provides synchronizing signal for detection circuit. Signal detection and processing circuit demodulates output signal of magnetic sensor and synchronizing signal generated by DDS.Finally,magnetic field signal needed is obtained.Characteristics of circuit and results of test are analyzed.

MEMS magnetic sensor;direct digital frequency synthesizer(DDS) drive;synchronous demodulation;interface circuit

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0087—03

2016—02—25

国家自然科学基金资助项目(51577186，51306200)

TN 709

A

1000—9787(2016)11—0087—03

高华磊(1990-)，男，山东日照人，硕士研究生，主要研究方向为微电子学与固体电子学。