張運奎，崔 峰，萬 鎮(zhèn)，劉 武，張衛(wèi)平

（上海交通大學微納科學技術研究院，微米/納米加工技術國家級重點實驗室，上海 200240）

0 引言

隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，微加速度計在航空航天、武器裝備、汽車、消費電子等方面有著廣泛的應用與需求，尤其在沖擊載荷測量、彈藥引信等領域，對高過載高gn（gn為重力加速度）值加速度計提出了較高要求:上萬至數(shù)十萬gn量程，且頻率范圍較寬，工作環(huán)境惡劣。其中，電容式微加速度計靈敏度和測量精度高、穩(wěn)定性好、溫度漂移小、功耗極低，而且過載保護能力較強;能夠利用靜電力進行自檢，通過實現(xiàn)閉環(huán)控制，可顯著提高傳感器的性能，是高過載MEMS微加速度計的一個重要發(fā)展方向［1，2］。

電容式微加速度計的敏感機械結(jié)構主要有2種形式:梳齒結(jié)構和三明治結(jié)構。其中，三明治結(jié)構只包含一組差分電容，結(jié)構簡單，卻可輸出較大信號，靈敏度高，且機械強度高于前者，可達到很高的量程。針對硅材料脆性大、加工工藝復雜、支撐梁易于發(fā)生高沖擊斷裂失效（尤其是梳齒結(jié)構）等問題，本文給出了一種基于UV-LIGA技術的非硅MEMS金屬多梁支撐圓盤敏感質(zhì)量的“三明治”結(jié)構電容式高gn微加速度計，對其結(jié)構、微位移微弱電容信號檢測及其測控電路進行了設計，對高頻載波發(fā)生、電荷積分放大前置級、相敏解調(diào)等各級電路進行詳細設計，并通過電容標定實驗對微位移檢測通道進行了性能評估和驗證。

1 微加速度計的結(jié)構與特點

金屬多梁支撐圓盤敏感質(zhì)量電容式微加速度計，其質(zhì)量塊、支撐梁和上下電極均采用金屬材料，金屬的斷裂韌度遠高于硅系材料，如采用準LIGA微加工工藝得到的鎳制件的靜態(tài)斷裂韌度為 52.73 MPa·m1/2［3］，多晶硅的靜態(tài)斷裂韌度卻僅為2 MPa·m1/2［4］，而對于各種材料，其動態(tài)斷裂韌度最小值可認為是靜態(tài)斷裂韌度的70%，可見鎳的靜態(tài)斷裂韌度和動態(tài)斷裂韌度都比多晶硅高得多，可在很大程度上防止發(fā)生斷裂，提高抗沖擊能力。微加速度計的結(jié)構如圖1所示，上下電極采用金屬薄膜材料，中間梁—質(zhì)量塊結(jié)構采用鎳材料，為了減小阻尼，在質(zhì)量塊上均勻分布了一些減阻通孔。此外，這些通孔可增加犧牲層濕法刻蝕的通透性，釋放在制作工藝中引起的殘余應力。為了提高抗過載能力，中間質(zhì)量塊采用多梁支撐的圓盤形狀，以降低邊緣應力分布，且相比方形質(zhì)量塊結(jié)構變形分布均勻。增加支撐梁的數(shù)目，在一定程度上使應力分布更加均勻，同時也增加了質(zhì)量塊的抗沖擊能力，提高了量程。軸向止檔可以防止中間質(zhì)量塊運動時觸和上下電極引起短路。上下定子電極分成三部分，分別為中間的施力電極與2個對稱的檢測電極。正常工作測量輸入加速度時，施力電極和檢測電極合用，提高檢測靈敏度。分開使用時，通過在施力電極施加靜電力模擬輸入加速度，可用于實現(xiàn)微加速度計的自檢、自標定功能［5］。

圖1 電容式微加速度計結(jié)構圖Fig 1 Structure of capacitive microaccelerometer

采用UV-LIGA微加工工藝制作的微加速度計，上定子，下定子（含動極板）分別加工并通過裝配、回流焊接工藝鍵合。梁—質(zhì)量塊厚度 15 μm，間隙 4 μm，止檔柱高 1.5 μm，鍵合芯片尺寸約為7 mm×7 mm×4 mm。

2 微加速度計的工作原理與測控方案

微加速度計正常工作時，當受到一個Z軸方向的加速度作用時，會產(chǎn)生方向相反的慣性力作用在中間敏感質(zhì)量塊上，使其發(fā)生Z向位移，導致上下電容值發(fā)生微弱差動變化。在高頻載波的驅(qū)動下，該差分電容變化信號通過電荷積分放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，?jīng)帶通濾波后，與參考信號進行相敏解調(diào)，低通濾波后得到直流電壓信號，該信號反映輸入加速度的大小，從而完成加速度信號的檢測［6］。

微加速度計的加速度測量原理中存在非線性，只有在動極板質(zhì)量塊的位移很小時，才能近似地認為電容的變化與加速度呈正比，所以，為了提高微加速度計的量程與線性度，必須采用閉環(huán)檢測的方法，確保微加速度動極板的位移很小。解調(diào)后的直流電壓信號經(jīng)ADC后進入DSP處理器進行PID控制，產(chǎn)生反饋控制信號，再經(jīng)DAC，低通濾波和高壓放大產(chǎn)生反饋電壓，并分別與正負兩路偏置電壓疊加后通過RC隔離加載到微加速度計的上下電極上，產(chǎn)生靜電力使運動質(zhì)量塊回到平衡位置，整個測控系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 微加速度計測控系統(tǒng)Fig 2 Detection and control system of microaccelerometer

2.1 高頻載波發(fā)生

微加速度計外圍電路中存在很大的噪聲，為了減小噪聲的影響，必須采用較高的調(diào)制頻率，一般為100 kHz～1 MHz之間，為了減小對放大電路元件帶寬的要求，并且減小放大后信號的失真，調(diào)制信號采用易于放大的正弦波。本文通過DSP芯片TMS320F28335直接控制DDS（direct digital synthesize）芯片AD9832的方法產(chǎn)生。AD9832芯片在25 MHz時鐘頻率下，可以產(chǎn)生頻率范圍為0～10 MHz的正弦波，同時保持很高的頻率分辨率（0.005 821 Hz）。輸出1 MHz信號頻率時，信噪比S/N≥50 dB。產(chǎn)生的正弦波頻率為200 kHz，幅值為0.62 V，并分別通過同相和反向單位增益運放電路和相移電路產(chǎn)生兩路相位相差180°以及一路同頻的相位可調(diào)信號作為相敏解調(diào)的參考信號。

2.2 微位移電容檢測通道的設計

前置級放大電路將差分電容信號轉(zhuǎn)換成電壓信號?；痉椒ㄖ饕?開關電容電路、AC交流電橋檢測和電荷積分放大器電路等。在前置級中，應盡量減小外界噪聲的干擾，將信噪比提升到可以分辨的水平，這樣后續(xù)電路才能進行放大和解調(diào)。電荷積分放大器的優(yōu)點在于，運算放大器的正相輸入與負相輸入端為虛地，這樣加在電容器引線上的電壓電位相等，消除電容器引線所引入的寄生電容Cp，有利于提高檢測電路的信噪比，如圖3所示。積分電容為10 pF，反饋電阻采用T型結(jié)構，等效電阻為 10.2 MΩ，輸入端噪聲主要由R1產(chǎn)生的噪聲電壓決定，進一步減小電路的噪聲。這里采用具有超低噪聲、寬帶寬、高輸入阻抗和驅(qū)動能力強的運算放大器AD8610構成。

圖3 前置級電荷積分放大電路Fig 3 Circuit of charge integrated preamplifier

帶通濾波和交流放大電路中，帶通濾波電路由四階壓控電壓源帶通濾波器構成［7］，中心頻率為 200.447 kHz，帶寬為34.232 kHz。放大電路由高精度、高帶寬集成運放AD811構成，放大倍數(shù)可調(diào)。

相敏解調(diào)一般分為開關解調(diào)和乘法解調(diào)，由于開關解調(diào)一般會產(chǎn)生較大的噪聲，這里采用乘法解調(diào)方案。電路主要包含模擬乘法器和有源低通濾波器兩部分。綜合考慮，模擬乘法器選用四象限乘法/除法器芯片AD734，其工作頻率可達10 MHz，在10 Hz～10 MHz帶寬內(nèi)，信噪比達到70 dB。通過外接電阻配置后，輸出直接為調(diào)制信號與參考信號相乘結(jié)果，通過調(diào)節(jié)參考信號的相位，即可解調(diào)出所需的信號［8］。低通濾波電路采用由集成連續(xù)時間濾波器芯片MAX274搭建的八階巴特沃斯低通濾波器構成。單片結(jié)構外接元件少，參數(shù)調(diào)整十分方便，高頻工作時基本不受運放頻響、雜散電容的影響。截止頻率為10 kHz，滿足加速度計對帶寬的要求。

電平轉(zhuǎn)換電路將低通濾波得到的直流信號的輸出范圍設定在0～3 V，以滿足后續(xù)ADC電路的輸入要求，檢測電路無加速度作用時的輸出偏置電壓為1.5 V。

2.3 閉環(huán)反饋通道的設計

反饋通道的低通濾波電路采用由AD811搭建的2個低靈敏度二階濾波器節(jié)串聯(lián)，構成四階切比雪夫有源低通濾波器，截止頻率為20kHz，用來濾除D/A轉(zhuǎn)換后輸出階梯狀信號中高頻噪聲，再經(jīng)高壓放大后與正負偏置電壓疊加后產(chǎn)生反饋電壓加載到加速度計的上下電極上，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 微位移電容標定實驗

微加速度計的測控PCB包括電源—信號發(fā)生電路、檢測和反饋電路以及加速度表頭部分。為了評估微位移檢測通道的靜態(tài)性能，實驗采用高頻瓷片電容器來靜態(tài)模擬微加速度計質(zhì)量塊運動時的差分電容。高頻載波幅值設為0.62 V，頻率為200 kHz，其波形圖如圖4（a）所示。經(jīng)帶通濾波器輸出的調(diào)制信號的波形如圖4（b）所示。經(jīng)乘法器AD734解調(diào)后的輸出波形如圖4（c）所示?？梢钥闯?乘法解調(diào)后的輸出主要包含直流和二倍頻分量。

檢測通道輸出的實驗數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘擬合，得到微位移檢測通道的輸出電壓與差分電容的關系為:Vout=0.0893ΔC+1.485，電容單位 pF，輸出電壓單位 V，如圖 5所示。檢測通道的量程約為±6 pF，靈敏度為89.3 mV/pF，線性度為2.59%，滿足微加速度計檢測系統(tǒng)的性能要求。

4 結(jié)束語

圖5 檢測通道實驗結(jié)果Fig 5 Experimental results of detection channel

本文對基于UV-LIGA技術的非硅MEMS多梁支撐圓盤敏感質(zhì)量電容式微加速度計結(jié)構進行了詳細闡述，其上下電極采用金屬薄膜材料，梁—質(zhì)量塊結(jié)構采用鎳材料，能承受更大的沖擊，具有更高的量程。針對該加速度計設計了差分電容測控電路，并完成電路PCB的設計與調(diào)試。通過DSP控制DDS芯片產(chǎn)生200 kHz高頻載波，對微加速度計的微位移檢測通道進行了電容標定實驗。檢測通道的量程約為 ±6 pF，靈敏度為 89.3 mV/pF，線性度為2.59%，為進一步微加速度計微位移電容測控電路的實現(xiàn)奠定了基礎。

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