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“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   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。

 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

=5.04×10- 5g , = 5.14×10-1g/s , =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 , K= 600s , t s = 1ms,t = 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。

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