單電容式及差分電容式MEMS傳感器檢測系統

差分電容傳感器調理電路

　　目前流行的MEMS器件加速度計，其傳感器原理一般基于差動電容。加速度計主要由質量彈性元件、位移測量系統及信號調理電路構成，可以根據測量DC 得到物體的運動速度和加速度。

　
圖5  MEMS電容式振動加速度傳感器

　　如圖5所示，中間極板(即橫梁的伸出部分)與二個固定的外極板組成差動電容 CS1和CS2。沒有加速度時，CS1=CS2；產生加速度時，橫梁的移動改變了中間極板和固定的外極板之間的相對位置，引起電容變化，CS1≠CS2。通過測量電路，將電容的變化在外加交流電壓的激勵下轉化為電學量，能夠測得該物體相應的瞬時速度或瞬時加速度值。

　
圖6  交直流激勵差分電容振動加速度傳感器調理電路方框圖

　
圖7  交直流激勵的差分電容振動加速度傳感器的調理電路

　　具體電路如圖7所示：U0(MAX038)信號發生器芯片產生1MHz的正弦交流信號；U1(AD797)運算放大器組成反相比例放大器，U2(AD797)運算放大器組成同相比例放大器。1MHz的交流信號經U1、U2后，變為大小相等、方向相反、相位相差180o的二個交流激勵信號，用來激勵差分電容傳感器；U4(AD745JR)是高輸入阻抗電荷轉移放大器。U4是調理電路的中心，在外加激勵信號的作用下，傳感器振動引起的電荷轉移成電壓信號的變化。R12、R13、R14采用T型連結，目的是提升電路阻抗和電路系統放大倍數。U6(AD797)運算放大器是 將C11、R16組成的高通濾波器去除低頻干擾后的電壓信號經適當放大，為下一步同步解調作好準備；U3(AD797)運算放大器組成的移相電路，其作用是使調制信號和解調信號同步；U5同步解調器，采用ADI公司生產的平衡解調器AD630，經U5同步解調出的電壓信號就是反應振動加速度大小的信號；U9(OP137)運算放大器組成二階有源低通濾波器，濾除信號中高頻噪音成份；U10(OP177)運算放大器組成 跟隨器，信號經調整后跟隨輸出。
　　U7(OP137)運算放大器組成反饋AGC回路，將振動加速度信號的輸出信號反饋回源極，使動極板產生和加速度方向相反的靜電力，目的是增加加速度計的靈敏度和帶寬。該套加速度計的分辨率為2-18。

　　激勵信號采用正弦交流信號而不用方波信號，是因為方波信號為離散信號沒有連續性，解調時易產生尖峰脈沖雜波，雜波不易濾除，并且貫穿整個電路，影響測量分辨率。

參考文獻：

1.  劉學濤，微機械貫性傳感器檢測平臺的設計與應用，電子應用技術，2002,10
2.  陳蜀勇，基于PLL的信號發生器的實現，微計算機信息，2004，11
3.  吳道悌,‘非電量電檢測技術’，西安交通大學出版社