“叉指”结构微加速度计的系统设计

2013-11-29
发布时间2008-6-16
  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=Ffb，若视电容为理想平板电容，上、下电容间隙相等，则a=2e SUdc × Uout /(md0)2，由此可见反馈电压（也是输出电压）Uout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，Udc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)× Kfb?1。由于Kfb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
环节
传递函数表达式
传递函数中的参数
表头f = (ms2+cs+k)- 1
m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10- 1g/s , k =15 N/m
差分电容检测
Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]- 1Udr
t = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m
交流放大
Kac
Kac =8´ 103
乘法器解调
Kdm = Udr /20
正弦激励电压的幅值Udr=2V
低通滤波
c = (Ts+1)- 1
T=0.05s
PID校正
(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1
Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms，t 1 = 0.15ms
静电反馈
Kfb = (2e SVdc)/d02
Kfb =5.04×10- 6
系统开环放大倍数
(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t )KpK1Kfb
271
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。