固態(tài)傳感器實(shí)驗(yàn)

1、固態(tài)傳感器及其集成化實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院 航天學(xué)院 專業(yè) 集成電路工程 學(xué)號 14S121040 姓名 卿紹俊 同組人 張瑞敏、趙銀武 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2014年12月23日 實(shí)驗(yàn)一 叉指電容式開環(huán)加速度計(jì)原理1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗(yàn)熟悉微加速度計(jì)的工作原理及其應(yīng)用，利用Matlab學(xué)習(xí)加速度計(jì)整體電路模塊的設(shè)計(jì)和仿真。2.開環(huán)電容式加速度計(jì)原理簡介2.1微結(jié)構(gòu)的工作原理加速度傳感器是一種慣性傳感器，其基本結(jié)構(gòu)是由彈性梁和慣性質(zhì)量組成的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以等效成由質(zhì)量、彈簧組成的單自由度二階阻尼振動系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的在低頻區(qū)的線性頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對被測參量加速度的測量。加速度傳感器的機(jī)械部分可以表征為如圖2-1所示的系

2、統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 圖2-1 加速度傳感器的機(jī)械系統(tǒng)原理其中m為振動塊質(zhì)量，R為阻尼系數(shù)，k為彈性系數(shù)， a為加速度，根據(jù)牛頓第二定律可建立振動微分方程： (2-1)將仿真(2-1)進(jìn)行拉普拉斯變換： (2-2) (2-3)其中為固有諧振頻率，為品質(zhì)因數(shù)。為了方便使用，我們把單位加速度作用下的質(zhì)量塊位移定義為加速度傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度。則 (2-4)時(shí)，靈敏度是個(gè)常數(shù)，當(dāng)與梁的諧振頻率的平方成反比在接近時(shí)，靈敏度要增大Q倍，在時(shí)，靈敏度是頻率平方的倒數(shù)。一般希望靈敏度在整個(gè)工作范圍內(nèi)為常數(shù)，因而應(yīng)使梁的諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作頻率。從式(2-3)中可以看出高的靈敏度可以通過加大質(zhì)量塊的質(zhì)量m和減少彈性系數(shù)k來

3、得到，但高靈敏度和大的量程是矛盾的，因此Q值也不能太高。總之在設(shè)計(jì)敏感單元時(shí)要統(tǒng)一考慮，進(jìn)行折衷。2.2電容檢測原理電容式加速度傳感器是利用在外加加速度的作用下慣性質(zhì)量塊與檢測電極間的空隙發(fā)生改變從而所引起的等效電容的變化來測定加速度的。當(dāng)兩塊導(dǎo)體相對，中間有絕緣體相隔，這時(shí)導(dǎo)體間就會有電容產(chǎn)生 圖2-3所示為叉指結(jié)構(gòu)電容式加速度傳感器的敏感單元及其等效電路圖。敏感單元的固定電極作為驅(qū)動端，接驅(qū)動信號，而活動電極作為公共電極輸出電信號。在沒有加速度信號輸入時(shí)，固定電極與活動電極的間距均為d0，等效電容C1，C2相同；當(dāng)有外加加速度，會引起活動電極和固定電極之間的空隙d0改變，使等效電容發(fā)生差分

4、變化，即一個(gè)變大一個(gè)變小。通過施加驅(qū)動信號將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，實(shí)現(xiàn)加速度信號的測量。 圖2-2 叉指式敏感單元示意和等效電路假設(shè)在沒有加速度輸入時(shí)，兩固定電極與活動電極的0間距都為d0，則必有C1=C2=C0，當(dāng)有外加加速度輸入時(shí)，會引起活動電極和固定電極之間的空隙d0改變d，從而改變等效電容，使得C1C2。如果在固定電極上加上幅度相等，而相位不等的直流電壓Vin=Vin+=-Vin-時(shí)，可以得出公共電極(活動梁)上的輸出電壓V0。2.3信號調(diào)理集成電路工作原理無論是否考慮雜散電容的影響，當(dāng)有加速度信號作用在差分電容的驅(qū)動電極時(shí)，會引起活動電極和固定電極之間的間距改變，并有表征加速

5、度信號的電壓輸出。但是由于從差分電容輸出的電信號與輸入的加速度信號一樣均為低頻，甚至是直流信號，而半導(dǎo)體器件的1/f噪聲使得放大電路在低頻時(shí)(010kHz)的噪聲特性要比高頻率(101000kHz及更高)時(shí)差很多。為了降低1/f的影響，一般采取將加速度信號調(diào)制到噪聲特性好的高頻段，避開半導(dǎo)體器件信噪比極差的低頻區(qū)，將信號放大后再將之解調(diào)的方法。本文所用電路中使用的是調(diào)幅的方法，即用調(diào)制信號來改變載波的振幅，并使調(diào)制后載波的振幅大小與調(diào)制信號的大小有關(guān)。在本電路中加速度信號的調(diào)制是通過在差分電容的驅(qū)動電極上加載一個(gè)高頻方波電壓信號實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。信號處理電路是由自檢測電路，時(shí)鐘發(fā)

6、生器，梁激勵(lì)電路，偏置電壓源,電流產(chǎn)生器，前置放大器，解調(diào)器及低頻放大濾波器等七個(gè)部分組成。在本電路中，時(shí)序電路產(chǎn)生激勵(lì)信號，加在加速度傳感器固定電極上，將加速度信號轉(zhuǎn)換為較高頻率的電信號。經(jīng)前置放大器放大，解調(diào)器解調(diào)，得到反映加速度信號的低頻電信號，再經(jīng)低頻放大器放大，濾波器濾波得到滿足輸出要求的模擬信號VOUT。 圖2-3集成加速度傳感器電路的系統(tǒng)3.實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)論利用Malab搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并施加信號激勵(lì)，仿真輸出結(jié)果。其系統(tǒng)級模型圖如下圖所示。圖3-1 電容式加速度計(jì)系統(tǒng)模塊圖3.1仿真結(jié)果及其分析其信號輸出如下圖所示。圖3-2 輸出端信號PSD圖對電路所施加激勵(lì)信號為頻率為90Hz

7、、幅度為9V的正弦信號，輸出PSD設(shè)置其通帶帶寬為1000Hz。從輸出的PSD結(jié)果可以看出，其最大幅度信號的頻率約25Hz，通帶內(nèi)的信噪比為78.5dB，有效位數(shù)12.75位。由此可以得出，電路實(shí)現(xiàn)了信號處理功能。但是最終的信號幅度有所衰竭，需要在后級加入放大器對信號進(jìn)行放大。以下是濾波器的輸出波形。 圖3-3濾波器輸出波形4.思考題4.1閉環(huán)加速度計(jì)如何建立圖4-1 微加速度計(jì)閉環(huán)檢測電路原理圖微加速度計(jì)的閉環(huán)檢測原理如圖4-1所示，它的實(shí)現(xiàn)是基于靜電力調(diào)節(jié)原理，在原理圖中添加了前饋和反饋電路。將原始的輸入信號前饋到乘法器的輸入端對信號進(jìn)行解調(diào)然后經(jīng)過濾波得到最終的輸出信號，然后將輸出信號反

8、饋到輸入端。于是，閉環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓正比于被測加速度。在閉環(huán)加速度計(jì)受到外力作用時(shí)，活動梁變化很小，從而提高傳感器的線性度以及測量傳感器信號的精度。閉環(huán)加速度系統(tǒng)中有一個(gè)靜電力平衡系統(tǒng)，將與外加加速度信號成正比的反饋電壓轉(zhuǎn)換成靜電力，實(shí)現(xiàn)與外力的動態(tài)平衡。4.2 自檢測功能如何建立自檢測功能即在沒有外在加速度的情況下，通過自身發(fā)生運(yùn)動然產(chǎn)生加速度完成自己功能的檢測。為實(shí)現(xiàn)此功能，可以在活動電極上引入附加的外接電極。當(dāng)固定電極施加固定電壓，利用外接電極對活動極板充電，那么活動極板帶電荷后就會在固定極板產(chǎn)生的電場中運(yùn)動從而產(chǎn)生加速度。實(shí)驗(yàn)二 振動式微機(jī)械陀螺原理1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^采用Multisim

9、 進(jìn)行電路的仿真，測量陀螺信號的輸出。加強(qiáng)對微機(jī)械陀螺加速度計(jì)的工作原理及其應(yīng)用的認(rèn)識與了解，進(jìn)一步加深對固態(tài)傳感器概念與特性的理解。2.實(shí)驗(yàn)原理2.1哥式加速度與陀螺力距機(jī)械陀螺的等效結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，在慣性系中觀察處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的非慣性系中的運(yùn)動物體，該物體的運(yùn)動既包括物體相對于旋轉(zhuǎn)參考系的運(yùn)動又包括旋轉(zhuǎn)參考系相對于慣性系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖2-2所示。 x yzXZYr0P'P2P''O'P1riIo圖2-1 微機(jī)械陀螺等效結(jié)構(gòu)圖 圖2-2 哥氏加速度運(yùn)動分析在圖中，P1P'為質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動，P1P''為質(zhì)點(diǎn)的牽連位移(存在時(shí)），P1

10、P2為絕對位移。哥氏方程為式2-1。(2-1)將哥氏方程對時(shí)間求導(dǎo):式中分別為相對加速度、牽連切向加速度、牽連向心加速度、哥氏加速度。哥氏加速度方向垂直于牽連角速度與相對速度vr所組成的平面?？稍O(shè)哥氏加速度大小為a，則。由于哥氏加速度方向與角速度方向和物體運(yùn)動速度方向正交，這樣通過檢測哥氏加速度和運(yùn)動的速度就可以得到轉(zhuǎn)動角速度 (其振幅為)。2.2振動式機(jī)械陀螺工作原理振動式陀螺工作原理簡圖如下圖所示圖2-3 振動式陀螺簡圖振動式微機(jī)械陀螺有兩個(gè)相互垂直的振動方向，一個(gè)是激勵(lì)振動方向X，一個(gè)是檢測方向Y。設(shè)質(zhì)量塊沿X方向振動的位移是，其中Ax和分別為驅(qū)動振動的振幅和角速度，當(dāng)陀螺儀沿Z方向有角

11、速度時(shí)，質(zhì)量塊M將受到沿Y方向的哥氏力Fc(t)作用。其中哥氏力為。受此周期性哥氏力的作用，質(zhì)量塊將沿Y方向作簡諧振動。檢測出Y方向的振動，就可以檢測出角速度的大小。如圖所示的差分電容振動式微機(jī)械陀螺，可動質(zhì)量塊上的電極與固定檢測電極構(gòu)成兩個(gè)差分電容C1和C2。陀螺可動質(zhì)量塊在驅(qū)動信號作用下，沿驅(qū)動方向（X軸）作簡諧振動；當(dāng)Z軸方向有角速度W0輸入時(shí)，可動質(zhì)量塊受哥氏力的作用沿檢測方向（Y軸）振動。檢測方向的振動使電容C1、C2發(fā)生差分變化。C1和C2的電容差DC與檢測質(zhì)量塊在檢測方向振動的振幅成正比，且振動振幅與角速度W0有關(guān)。只要檢測出DC的變化幅值DC0，就可以得到需要測量的角速度W0。

12、因此，對角速度的測量就可以轉(zhuǎn)化成對簡諧振動電容變化幅度的測量。其信號處理電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2-4 微機(jī)械陀螺信號處理電路圖2.5 微機(jī)械振動陀螺的檢測原理 （2.2） （2.3） （2.4） （2.5）由以上四個(gè)式子可以看出角速度的測量可以轉(zhuǎn)化成測量簡諧振動的電容幅度。的信號包含在積分器的輸出信號V0的振幅中，而角速度信號包含在振幅中。要從V0中得到角速度信號必須要經(jīng)過兩次振幅解調(diào),第一次解調(diào)出信號,第二次解調(diào)出角速度信號。3. 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析圖3-1 測試電路圖我們通過改變輸入電容的變化來模擬陀螺儀的角度變化，也就是改變電路中的C6和C7. 圖3-2對于陀螺儀信號的模擬局部電路圖

13、3.1改變C6和C7的測量結(jié)果3.1.1C6為1pF和C7為1.5pF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-3 陀螺處理后的信號（上面）與相敏解調(diào)乘法器的輸出（下面）從上圖，我們可以看出，信號處理后的波形為200KHz, Vpp為18V。而相敏解調(diào)之后的波形為疊加了直流分量（直流偏移為1.25V）的正弦波形，波形Vpp為200mv。圖3-4 輸出的直流信號此時(shí)輸入的信號的Vpp為4V, 頻率為200KHz.電容分別為上端為1pF下端為0.5pF.低通濾波后輸出的幅值為1.5V。3.1.2 C6為0.9pF和C7為0.7pF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖3-5 陀螺處理后的信號（上面）與相敏解調(diào)乘法器的輸出（下面）此時(shí)的電容分別為0

14、.9pF和0.7pF可已看出陀螺處理后的波形較1pF和1.5pF時(shí)幅值有所降低。從圖中可以看出，陀螺處理后的信號（上面）的幅值為3.8V，相敏解調(diào)乘法器的輸出（下面）的波形直流偏移為300mV峰峰值為70mV。圖3-6 輸出的直流信號此時(shí)輸入的信號的Vpp為4V, 頻率為200KHz.可以看出，低通濾波后輸出幅值為300mV.接下來，我們做了幾組實(shí)驗(yàn)，并將結(jié)果制表如下：C6C7信號處理后的峰峰值相敏解調(diào)后的直流偏移低通濾波后的直流幅值第一組1pF1.5pF18V-1.25V-1.25V第二組1.2pF1.4pF8V+500mV+500mV第三組0.9pF0.7pF3.8V-300mV-300m

15、V第四組1.2pF0.6pF22V-1250mV-1250mV3.2 陀螺儀輸出信號有噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-7 所加噪聲信號電路圖3.2.1噪聲為50Hz50mV時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-8 輸出（相敏解調(diào)前與相敏解調(diào)后）的直流信號3.2.2噪聲為500KHz50mV時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-9輸出（相敏解調(diào)前與相敏解調(diào)后）的直流信號3.2.3噪聲為500KHz2V時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2-21 輸出（相敏解調(diào)前與相敏解調(diào)后）的直流信號從波形可以看出已經(jīng)失真了，而且不收斂?？梢钥闯?，當(dāng)噪聲能量較小，無論是高頻或者是低頻，此電路都能很好的濾除，這是由于相敏解調(diào)很好的頻率選擇性，它只關(guān)注與Y相同頻的信號，其他的信號都將濾除

16、。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析經(jīng)過不斷的調(diào)試和參數(shù)（器件值）的計(jì)算與嘗試，最后成功的實(shí)現(xiàn)了陀螺儀信號的采樣與解調(diào)。我們通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C6>C7時(shí)，輸出的直流量為負(fù)值，當(dāng)C7>C6時(shí)輸出的直流量為正值。并且，隨著C6與C7的電容值的差值的增大，輸出的直流量的絕對值也隨之增大。因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合我們的預(yù)設(shè)要求，電路功能無誤。4.思考題4.1自激驅(qū)動對改善精度的意義驅(qū)動電路在系統(tǒng)中的作用是產(chǎn)生驅(qū)動電壓使陀螺的可動質(zhì)量塊沿驅(qū)動軸作簡諧振動，驅(qū)動電路還要為檢測電路的幅度檢波提供參考信號。為了提高陀螺檢測的精度，驅(qū)動信號的頻率要和驅(qū)動模態(tài)的固有頻率一致，使驅(qū)動在諧振狀態(tài)下振動，利用驅(qū)動模態(tài)的高機(jī)械品質(zhì)因子得到較大的驅(qū)動，對于陀螺自激驅(qū)動電路，可以設(shè)計(jì)出具有跟蹤功能的自動控制系統(tǒng)，從而可以抑制絕大部分的噪聲與干擾。所以可以使驅(qū)動信號的頻率很好的穩(wěn)定在微陀螺諧振頻率上，提高驅(qū)動信號的頻率穩(wěn)定性，減小頻率誤差，提高陀螺精度。4.2開關(guān)相敏與乘法器解調(diào)比較開關(guān)解調(diào)：在參考信號的正半周，開關(guān)器件輸出+1，被解調(diào)信號極性不變；在參考信號的負(fù)半周，開關(guān)器件輸出為-1，被解調(diào)信號的極性翻轉(zhuǎn)，與