MEMS振动传感器信号检测电路设计与实现

陈伟琪, 肖定邦, 蒲金飞,2, 李 凯, 毛善国

(1.国防科技大学 智能科学学院,湖南 长沙 410073； 2.唐智科技湖南发展有限公司,湖南 长沙 410007；3.湖南天羿领航科技有限公司,湖南 长沙 410100)

0 引 言

工业过程状态监测常通过振动数据对机械的运行状态进行检测,其振动信号的获取多采用振动传感器。随着微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的发展,具有灵敏度高、体积小、易集成、可批量加工等优势的MEMS电容式振动传感器,已经成为MEMS振动传感器领域的主流应用。

应用于工业过程状态监测的MEMS振动传感器要求具有高量程、宽振动带宽、小尺寸、良好的环境温度适应性以及抗干扰和接口防护能力。而现有的MEMS振动传感器产品[1]很难满足以上所有的应用需求。国内外已有诸多MEMS电容式振动传感器研究成果[2～4]提到,通过优化传感器差分电容结构和电容检测电路可以减小寄生电容影响、提高机械灵敏度和零偏稳定性能。一种双差动扭摆式MEMS加速度计[5,6]利用反相对称激励电压进行驱动,再采用调制解调技术将差分电容敏感的振动信号调制到髙频段,然后经过电荷放大器转换为与之成线性的加速度电压信号,有效避免低频噪声的干扰,减小了 MEMS 器件与电路结合处寄生电容的影响,同时可以使温度造成加速度计输出的缓慢漂移得到抑制,提高温度稳定性。

本文依据实际的应用需求,基于蝶翼式MEMS差分电容敏感结构,对MEMS振动传感器信号检测电路进行优化设计。

1 电容检测电路原理

MEMS电容检测电路原理按对电容变化检测方式主要有检测电容的电流、电容两端的电压、电容存储的电荷以及电容构成的振荡谐振频率等4种,其中,电荷检测基于电荷的转移原理(电荷存储、电荷转换),其对寄生电容不敏感,且有多种电荷检测电路形式,研究应用较多。

蝶翼式MEMS振动传感器信号检测电路主要由反相对称激励、蝶翼式MEMS振动敏感结构、C/V模块和接口电路模块组成,其原理框图见图1。

图1 信号检测电路原理框图

检测电路原理是：通过微控单元(micro-controller unit,MCU)产生频率和幅度相同、相位相反的两路对称激励信号vm。将反相对称激励信号vm施加于蝶翼式MEMS振动敏感结构的固定极板,当物理环境的振动激起MEMS振动敏感结构(差分电容对)的可动极板与固定极板之间产生微弱的电容变化输出,其输出携带有随振动加速度变化的载波调制信号iAM,其等效电荷量正比于振动加速度大小,频率等于反相对称激励信号vm频率。已调制信号VAM再经过C/V模块中的电荷放大、滤波电路处理,将等效电荷转换、放大成电压信号vq,并通过开关同步相敏解调技术去除载波信息和滤除噪声,提取出与振动加速度成正比的直流电压va。最后,通过接口电路转换为对应采集系统接口要求的电压vo或电流信号io输出。其中,为减小环境温度对MEMS振动传感器输出的影响,将获取的片内温度传感器信号及解调输出后的电压信号实时反馈至MCU,MCU通过全温区补偿算法进行零偏补偿和标度因数修正,实现振动加速度信号准确的敏感和输出。

2 电路设计与仿真

2.1 C/V模块

C/V模块在双载波调制解调电容检测技术[7～10]基础上优化设计,其输入的调制信号iAM经过电荷放大器、开关同步相敏解调电路输出与加速度呈线性的电压va,其电路设计框图见图2。

图2 C/V模块电路设计框图

基于电荷转移的原理,已调制信号iAM可以等效为一个与差分电容变化量ΔC相并联的电流信号。其经过电荷放大器电容深度负反馈形成高增益放大,转换为正比于输入电流的电压输出vq,其输出电压主要决定于输入电荷以及反馈电路参数Cf,Rf

(1)

当作为电荷放大器的运算放大器增益Av足够大,信号频率ω很高时,1/Rf≪ωCf,1/Rf可忽略,输出电为压vq

(2)

C/V模块电路的调制信号采用反相对称激励信号激励差分电容对,其输出电荷只与差分电容变化量ΔC有关,而与初始电容无关,则电荷放大器输出信号变化量

(3)

开关同步相敏解调电路利用与已调制信号同频的载波信号控制开关通断进行信号解调,数学上等同于调制信号与频率相同且幅值为±1的方波信号相乘。从电荷放大器输出的电压信号vq中解调出蝶翼式MEMS振动敏感结构的“低频”振动信号va,其包含高通滤波、开关解调和低通滤波差分放大电路。

通过TINA-TI仿真软件搭建C/V模块仿真电路见图3,模拟ΔC为差分电容总变化量为0.19 pF,其仿真结果见图4。仿真结果显示：已调制信号微弱10-15A,而经过电荷放大后输出为约100 mV,符合电荷放大器转换系统数-1/Cf,改变Cf即可方便调节电荷放大器的输出。再经过低通滤波差分放大后,得到解调信号va。图5模拟了ΔC为差分电容变化频率为1 kHz时的调制及解调输出。

图3 C/V转换电路仿真

图4 C/V转换电路仿真结果

图5 模拟输入为1 kHz的调制解调

2.2 接口电路

接口电路是为满足后级系统采集的匹配要求、环境适应性应用要求,设计了用于直流参考电平调整和灵敏度放大的零偏及放大电路、电流/电压选择电路和接口防护电路。接口电路原理图见图6。

图6 接口电路

其中，零偏及放大电路用于匹配后级采集系统不同的接口要求,通过两级差分放大电路可灵活的调整零偏和灵敏度(标度因数),其电路模型见图7。

图7 零偏及放大电路

图7中,MEMS振动传感器输出为Ui(包括直流电平Ei和标度因数Si),通过零偏及放大信电路输入到后级检测系统,须接口匹配信号为Uo(包括直流电平Eo和标度因数So),设直流电平零偏系数K和交流放大系数As,则：

交流放大系数As

(4)

零偏系数K

(5)

式(4)、式(5)中,r为MEMS输出阻抗,G为参考电平。通过此系数法可灵活地对直流参考电平进行上、下平移,同时对标度因数进行调整。如图8为电平零偏系数为4,交流放大系数为5,即直流参考电平从2.5 V平移至10 V,灵敏度为100 mV/gn的仿真结果。

图8 零偏及放大电路

接口保护电路形式见图9。其通过瞬态抑制二极管、空气放电管、ESD管、防反接二极管等组合形式,能有效防止现场接线错误、开关浪涌脉冲、静电等引起传感器故障。

图9 接口保护电路

2.3 零偏及标度因数补偿电路

MEMS振动传感器的差分电容敏感结构易受环境温度的影响而导致零偏和标度因数输出发生漂移。本电路在蝶翼式差分电容结构自身良好的机械特性基础上,采用硬件电路和软件算法综合构建补偿模型。其补偿模型见图10。

图10 零偏及标度因数补偿模型

零偏补偿包括硬件电路补偿和软件算法补偿,通过蝶翼式差分电容结构的片上补偿电容Cb+,Cb-进行零偏初补,再通过MCU读取温度传感器Sensor_Temp实时采集的温度反馈信号和差分放大器AMP输出的零偏电压,通过软件多项式插值算法逐次迭代计算出各温度点应输出的补偿电压或控制信号,再通过图10零偏补偿电路进行补偿。

蝶翼式差分电容微机械结构标度因数在各温度点呈线性,在不同温度区间,MCU对应的线性调整反相对称激励电压的幅度即可修正标度因数。

3 电路测试与分析

3.1 电路测试

为了验证电路的可行性,加工了印刷电路板(printed circuit board,PCB)，并依据设计参数搭建检测电路,采用两个信号发生器分别模拟载波和调制信号,利用微分电路搭建了电荷发生器,并将信号输入电荷放大器,其输入输出测试如图11,可见被调制信号能被较好解调出来,同频同相且信号被放大。

图11 电荷放大器输入输出

在正、负电源之间施加浪涌2.5 kVac,其输入接口保护电路的系统接口端电压被钳位在17.2～19.6 V之间,图9中的V/I接口端电压被钳位在7.52～8.40 V,测试结果见图12,结果表明接口保护电路能有效保护电路受开关浪涌等现场环境的影响。

图12 接口浪涌测试

3.2 结合敏感结构的电路集成测试

用直流稳压电源和三用表、示波器等构建检测常规检测系统。并在不同恒定温度下的检测MEMS振动传感器零偏输出,经测试零偏输出为10V且稳定,见表1。

表1 各温度下零偏输出 V

采用B&K 3629校准系统对安装有检测电路的蝶翼式振动传感器样机进行灵敏度和幅频响应的测试,其校准系统如图13。

图13 B&K 3629振动校准系统

设置B&K 3629校准系统输出激励信号为160 Hz,1 Grms定频正弦测试,检测电路标度因数输出:1#～5#标度因数分别为100.36,99.92,100.08,99.83 mV/gn。

设置B&K 3629校准系统输出5～5 000 Hz频率,加速度均方值5 Grms的随机振动激励,MEMS振动传感器的幅频响应曲线见图14。

图14 幅频响应曲线

4 结 论

经测试验证,本文MEMS振动传感器信号检测电路对微弱电容具有较好的检测放大作用,结合硬件和软件补偿方法具有良好的温度补偿效果,接口保护电路适应性和防护能力强。基于本电路设计的MEMS振动传感器满足工业过程状态监测和工业自动化领域大量程、宽带宽和严苛温度环境等条件下的应用。