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(hào)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(jiǎn)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(dòng)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(duì)被測(cè)參量一一加速度的測(cè)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(dòng)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(dòng)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(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?gòu)椥?/p>

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(jì)敏感單元時(shí)要統(tǒng)一考慮，進(jìn)行 折衷。2.2電容檢測(cè)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(cè)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(cè)定加速度的。當(dāng)兩塊導(dǎo)體相對(duì)，中間有絕緣體相隔，這時(shí)導(dǎo)體間就會(huì)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(dòng)端，接驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而活動(dòng)電極作為公共電極輸出電信 號(hào)。在沒有加速度信號(hào)輸入時(shí)，固定電極與活動(dòng)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(huì)引起活動(dòng)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(gè)變大一個(gè)變小。通過施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)的測(cè)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(dòng)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(shí)，會(huì)引起活動(dòng)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(shí)，可以得出公共電極（活動(dòng)梁）上的輸出 電壓V0。2.3信號(hào)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(hào)作用在差分電容的驅(qū)動(dòng)電極 時(shí)，會(huì)引起活動(dòng)電極和固定

5、電極之間的間距改變，并有表征加速度信號(hào)的電壓輸出。但是由于從差分電容輸出的電信號(hào)與輸入的加速度信號(hào)一樣均為低頻，甚至是直流信號(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)的大小有關(guān)。在本電路中加速度信號(hào)的調(diào)制是通過在差分電容的驅(qū)動(dòng)電極上加載一個(gè)咼頻 方波電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

6、圖 2-3所示。信號(hào)處理電路是由自檢測(cè)電路，時(shí)鐘發(fā)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(hào)，加在加速度傳感器固定電極上，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為較 高頻率的電信號(hào)。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(hào)的低頻 電信號(hào)，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(hào) VOUT時(shí)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(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(hào)激勵(lì)，仿真輸出結(jié)果。其系統(tǒng)級(jí)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

7、信號(hào)輸出如下圖所示圖3-2輸出端信號(hào)PSD圖對(duì)電路所施加激勵(lì)信號(hào)為頻率為 90Hz、幅度為9V的正弦信號(hào)，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(hào)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(hào)處理功能。但是最終的信號(hào)幅度有所衰竭，需要在后級(jí)加入放大器 對(duì)信號(hào)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(cè)電路原理圖微加速度計(jì)的閉環(huán)檢測(cè)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(hào)前饋到乘法器的輸入端對(duì) 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)然后經(jīng)過濾波得到最終的輸出信號(hào)，然后將輸出信號(hào)反饋到輸入端。 于是，閉環(huán)系統(tǒng)的輸出電壓正比于被測(cè)加速度。在閉環(huán)加速度計(jì)受到外力作用時(shí)， 活動(dòng)梁變化很小，從而提高傳感器的線性度以及測(cè)量傳感器信號(hào)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(hào)成正比的反饋電壓轉(zhuǎn)換 成靜電力，實(shí)現(xiàn)與外力的動(dòng)態(tài)平衡。4.2自檢測(cè)功能如何建立自檢測(cè)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(dòng)然產(chǎn)生加速度 完成自己功能的檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)此功能，可以在活動(dòng)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(duì)活動(dòng)極板充電， 那么活動(dòng)極板帶電荷 后就會(huì)在

9、固定極板產(chǎn)生的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生加速度。實(shí)驗(yàn)二 振動(dòng)式微機(jī)械陀螺原理1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^采用 Multisim 進(jìn)行電路的仿真，測(cè)量陀螺信號(hào)的輸出。加強(qiáng)對(duì)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(shí)與了解， 進(jìn)一步加深對(duì)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(dòng)的非慣 性系中的運(yùn)動(dòng)物體， 該物體的運(yùn)動(dòng)既包括物體相對(duì)于旋轉(zhuǎn)參考系的運(yùn)動(dòng)又包括旋 轉(zhuǎn)參考系相對(duì)于慣性系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 2-2 所示。O A0 P在圖中，PlP'為質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，PlP”為質(zhì)點(diǎn)的牽連位移（存在3時(shí)），PlP2為絕對(duì)位移。

10、哥氏方程為式2-1。dr r r dt t（2-1）將哥氏方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)：dvdVrdVeVrd (l(r)dtdtdttrdtVr tVrd rdtVr(r)Vr tdr dt(r) 2Vr式中分別為相對(duì)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(duì)速度vr所組成的平面。可設(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(dòng)速度方向正交，這樣通過檢測(cè)哥氏加速度和運(yùn)動(dòng)的速度就可以得到轉(zhuǎn)動(dòng)角速 度3 （其振幅為Q）。2.2振動(dòng)式機(jī)械陀螺工作原理振動(dòng)式陀螺工作原理簡(jiǎn)圖如下圖所示e*2 X OQ振動(dòng)式微機(jī)械陀螺有兩

11、個(gè)相互垂直的振動(dòng)方向，一個(gè)是激勵(lì)振動(dòng)方向X , 一個(gè)是檢測(cè)方向丫。設(shè)質(zhì)量塊沿X方向振動(dòng)的位移是，其中Ax和3分別為驅(qū)動(dòng)振 動(dòng)的振幅和角速度，當(dāng)陀螺儀沿Z方向有角速度Q時(shí)，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(jiǎn)諧振動(dòng)。檢測(cè)出丫方向的振動(dòng)，就可以檢測(cè)出角速度的大小 Q。如圖 所示的差分電容振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，可動(dòng)質(zhì)量塊上的電極與固定檢測(cè)電極構(gòu)成兩 個(gè)差分電容C1和C2。陀螺可動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，沿驅(qū)動(dòng)方向（ X軸） 作簡(jiǎn)諧振動(dòng)；當(dāng)Z軸方向有角速度 0輸入時(shí)，可動(dòng)質(zhì)量塊受哥氏力的作用沿檢 測(cè)方向（丫軸）振動(dòng)。檢測(cè)方向的振動(dòng)使電

12、容 C1、C2發(fā)生差分變化。C1和C2 的電容差C與檢測(cè)質(zhì)量塊在檢測(cè)方向振動(dòng)的振幅成正比，且振動(dòng)振幅與角速度0有關(guān)。只要檢測(cè)出C的變化幅值C0,就可以得到需要測(cè)量的角速度 0。因 此，對(duì)角速度的測(cè)量就可以轉(zhuǎn)化成對(duì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)電容變化幅度的測(cè)量。 其信號(hào)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(hào)處理電路圖2.5微機(jī)械振動(dòng)陀螺的檢測(cè)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(gè)式子可以看出角速度 °的測(cè)量可以轉(zhuǎn)化成測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的

13、電容幅度C o C的信號(hào)包含在積分器的輸出信號(hào) V0的振幅中，而角速度 0信號(hào) 包含在C振幅中。要從V0中得到角速度信號(hào)必須要經(jīng)過兩次振幅解調(diào)，第一次 解調(diào)出C信號(hào)，第二次解調(diào)出角速度信號(hào) o o3. 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析圖3-1測(cè)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(duì)于陀螺儀信號(hào)的模擬局部電路圖3.1改變C6和C7的測(cè)量結(jié)果為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(hào)（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(hào)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(hào)此時(shí)輸入的信號(hào)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(yàn)結(jié)果圖3-5陀螺處理后的信號(hào)（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0.9pF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(hào)（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(shí)輸入的信號(hào)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(yàn)，并將結(jié)果制表如下：C6C7信號(hào)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(hào)有噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-7所加噪聲信號(hào)電路圖噪聲為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(hào)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(hào)323

16、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(hào)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(hào)，其他的信號(hào)都將濾除。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(hào)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(duì)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

17、功能無誤。4思考題4.1自激驅(qū)動(dòng)對(duì)改善精度的意義驅(qū)動(dòng)電路在系統(tǒng)中的作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓使陀螺的可動(dòng)質(zhì)量塊沿驅(qū)動(dòng)軸作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路還要為檢測(cè)電路的幅度檢波提供參考信號(hào)。 為了提高陀螺檢 測(cè)的精度，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率要和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率一致， 使驅(qū)動(dòng)在諧振狀態(tài)下 振動(dòng)，利用驅(qū)動(dòng)模態(tài)的高機(jī)械品質(zhì)因子得到較大的驅(qū)動(dòng)， 對(duì)于陀螺自激驅(qū)動(dòng)電路， 可以設(shè)計(jì)出具有跟蹤功能的自動(dòng)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(dòng)信號(hào)的頻率很好的穩(wěn)定在微陀螺諧振頻率上， 提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)的正半周，開關(guān)器件輸出 +1，被解調(diào)信號(hào)極性不變； 在參考信號(hào)的負(fù)半周，開關(guān)器件輸出為 -1，被解調(diào)信號(hào)的極性翻轉(zhuǎn)，與參考信號(hào) 同頻同