“叉指”结构微加速度计的系统设计

2013-11-21

“叉指”结构微加速度计的系统设计

何晓平 张 德 文贵印

利用MEMS技术研制静电伺服微加速度计，在享受了MEMS加工特点带来的体积小、功耗小、抗振能力强等优点的同时，也遇到了检测电容极小（10- ¹²F）、静电力反馈力小等难题，要使微加速度计满足性能要求，必须进行合理的系统设计。

研究的“叉指”结构微加速度计属静电伺服微加速度计，

        

由敏感芯片和伺服控制电路组成。其敏感芯片用体硅干法工艺加工而成，其显微照片如图1所示，芯片面积3.2mm´ 3.2mm。当闭环系统为深反馈时，惯性力与反馈力就大小来说相等，即ma=F_fb，若视电容为理想平板电容，上、下电容间隙相等，则a=2e SU_dc × U_out /(md₀)²，由此可见反馈电压（也是输出电压）U_out与加速度a成正比，m为质量块质量，d₀为上、下电容间隙，S为电容极板面积，e 为真空介电常数，U_dc为直流偏压幅值。

该加速度计的系统框图如图2所示，整个系统包括表头、差分电容检测、交流放大、乘法器解调、低通滤波、PID调整、静电反馈环节等环节，各环节传递函数及参数见表1。

系统闭环传递函数，要满足输出不受前向环节G(s)的影响，需要G(s)× K_fb?1。由于K_fb仅为5.04´ 10- ⁶，故必须很大，本系统的前向环节放大倍数为5.4´ 10⁷，开环放大倍数271?1。系统经过这样调整后，开环放大倍数增大或减小50%，刻度因数的变化已经很小了。另外，由于差分电容检测电路引入一个微分环节，需要在校正环节中加入一个积分环节，才能使系统稳定。根据表1参数，绘出系统的相位域度为45° ，幅值域度为8.7dB。同时，系统在受到1m/s²阶跃加速度信号作用时系统输出电压与时间的关系表明，系统能迅速稳定。

表 1 系统各环节传递函数及参数

利用表1参数调试电路，微加速度计的输出电压稳定，开环放大倍数增大或减小50%，刻度因数不变，刻度因数为100mV/g，与计算值相同。