固態(tài)傳感器實(shí)驗

1、固態(tài)傳感器及其集成化實(shí)驗報告學(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)驗時間 2014年12月23日實(shí)驗一叉指電容式開環(huán)加速度計原理1實(shí)驗?zāi)康耐ㄟ^本次實(shí)驗熟悉微加速度計的工作原理及其應(yīng)用，利用Matlab學(xué)習(xí)加速度計整體電路模塊的設(shè)計和仿真。2開環(huán)電容式加速度計原理簡介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)對被測參量一一加速度的測量。加速度傳感器 的機(jī)械部分可以表征為如圖2-1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。JfJ

2、J JfJ * 薯Ma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。貝叫(2-4)時，靈敏度是個常數(shù)，當(dāng)與梁的諧振頻率的平方成反比在接近時，靈敏度要增大Q倍，在時，靈敏度是頻率平方的倒數(shù)。一般希望靈敏度在整個工作范圍內(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

3、系數(shù)k來得到，但高靈敏度和大的量 程是矛盾的，因此 Q值也不能太高?？傊谠O(shè)計敏感單元時要統(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，固定電極與活動電極的間距均為dO，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 dO改變，

4、使等效電容發(fā)生差分變化，即一個變大一個變小。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，兩固定電極與活動電極的0間距都為dO，貝U必有3= C2=C0,當(dāng)有外加加速度輸入時，會引起活動電極和固定電極之間的空隙 dO 改變Ad，從而改變等效電容，使得C1HC2。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，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，會引起活動電極和固定

5、電極之間的間距改變，并有表征加速度信號的電壓輸出。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（010kHz）的噪聲 特性要比高頻率（101000kHz及更高）時差很多。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)動電極上加載一個咼頻 方波電壓信號實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

6、圖 2-3所示。信號處理電路是由自檢測電路，時鐘發(fā)生器，梁激勵電路，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部分組成。 在本電路中， 時序電路產(chǎn)生激勵信號，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時序產(chǎn)生電路相關(guān)雙取樣取樣保持圖2-3集成加速度傳感器電路的系統(tǒng)3.實(shí)驗步驟及結(jié)論利用Malab搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并施加信號激勵，仿真輸出結(jié)果。其系統(tǒng)級模型圖如下圖所示。圖3-1電容式加速度計系統(tǒng)模塊圖3.1仿真結(jié)果及其分析其

7、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信號為頻率為 90Hz、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)加速度計如何建立圖4-1微加速度計閉環(huán)檢測電路原理圖微加速度計的閉環(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

8、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)加速度計受到外力作用時， 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

9、固定極板產(chǎn)生的電場中運(yùn)動從而產(chǎn)生加速度。實(shí)驗二 振動式微機(jī)械陀螺原理1. 實(shí)驗?zāi)康耐ㄟ^采用 Multisim 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。O A0 P在圖中，PlP'為質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動，PlP”為質(zhì)點(diǎn)的牽連位移（存在3時），PlP2為絕對位移。

10、哥氏方程為式2-1。dr r r dt t（2-1）將哥氏方程對時間求導(dǎo)：dvdVrdVeVrd (l(r)dtdtdttrdtVr tVrd rdtVr(r)Vr tdr dt(r) 2Vr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3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a 2 wsin（ ,vj。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3 （其振幅為Q）。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e*2 X OQ振動式微機(jī)械陀螺有兩

11、個相互垂直的振動方向，一個是激勵振動方向X , 一個是檢測方向丫。設(shè)質(zhì)量塊沿X方向振動的位移是，其中Ax和3分別為驅(qū)動振 動的振幅和角速度，當(dāng)陀螺儀沿Z方向有角速度Q時，質(zhì)量塊M將受到沿丫方 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)量塊將沿丫 方向作簡諧振動。檢測出丫方向的振動，就可以檢測出角速度的大小 Q。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 0輸入時，可動質(zhì)量塊受哥氏力的作用沿檢 測方向（丫軸）振動。檢測方向的振動使電

12、容 C1、C2發(fā)生差分變化。C1和C2 的電容差C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0有關(guān)。只要檢測出C的變化幅值C0,就可以得到需要測量的角速度 0。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。' =耳Sr復(fù)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C dA 八 22 )do1 ACC°COS( t s d)(2.3 ) s tg(A*4)s2 ABd2 22 02do2 s2. 124ss(2.5 )由以上四個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

13、電容幅度C o C的信號包含在積分器的輸出信號 V0的振幅中，而角速度 0信號 包含在C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C信號，第二次解調(diào)出角速度信號 o o3. 實(shí)驗過程及結(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3.1改變C6和C7的測量結(jié)果為1pF和C7為1.5pF的實(shí)驗結(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

14、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。為0.9pF和C7為0.7pF的實(shí)驗結(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）此時的電容分別為0.9pF和0.7pF可已看出陀螺處理后的波形較 1pF和1.5pF時幅值有所降低。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。此時輸入的信號的Vpp為4V,頻率為200KHZ.可以看出，低通濾波后輸出

15、幅值為300mV.接下來，我們做了幾組實(shí)驗，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-300mV第四組1.2pF0.6pF22V-1250mV-1250mV3.2陀螺儀輸出信號有噪聲的實(shí)驗結(jié)果圖3-7所加噪聲信號電路圖噪聲為50Hz50mV時的實(shí)驗結(jié)果圖3-8輸出（相敏解調(diào)前與相敏解調(diào)后）的直流信號噪聲為500KHz50mV時的實(shí)驗結(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323

16、噪聲為500KHz2V時的實(shí)驗結(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)注與丫相同頻的信號，其他的信號都將濾除。3.3實(shí)驗結(jié)果分析經(jīng)過不斷的調(diào)試和參數(shù)（器件值）的計算與嘗試，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)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)C6>C7時，輸出的直流量為負(fù)值，當(dāng)C7>C6時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)驗結(jié)果符合我們的預(yù)設(shè)要求， 電路

17、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)，與參考信號 同頻同