“叉指”結構微加速度計的系統設計

“叉指”結構微加速度計的系統設計

“叉指”結構微加速度計的系統設計

何曉平 張 德 文貴印

利用MEMS技術研制靜電伺服微加速度計，在享受了MEMS加工特點帶來的體積小、功耗小、抗振能力強等優點的同時，也遇到了檢測電容極小（10- ¹²F）、靜電力反饋力小等難題，要使微加速度計滿足性能要求，必須進行合理的系統設計。

研究的“叉指”結構微加速度計屬靜電伺服微加速度計，

由敏感芯片和伺服控制電路組成。其敏感芯片用體硅干法工藝加工而成，其顯微照片如圖1所示，芯片面積3.2mm´ 3.2mm。當閉環系統為深反饋時，慣性力與反饋力就大小來說相等，即ma=F_fb，若視電容為理想平板電容，上、下電容間隙相等，則a=2e SU_dc × U_out /(md₀)²，由此可見反饋電壓（也是輸出電壓）U_out與加速度a成正比，m為質量塊質量，d₀為上、下電容間隙，S為電容極板面積，e 為真空介電常數，U_dc為直流偏壓幅值。

該加速度計的系統框圖如圖2所示，整個系統包括表頭、差分電容檢測、交流放大、乘法器解調、低通濾波、PID調整、靜電反饋環節等環節，各環節傳遞函數及參數見表1。

系統閉環傳遞函數，要滿足輸出不受前向環節G(s)的影響，需要G(s)× K_fb?1。由于K_fb僅為5.04´ 10- ⁶，故必須很大，本系統的前向環節放大倍數為5.4´ 10⁷，開環放大倍數271?1。系統經過這樣調整后，開環放大倍數增大或減小50%，刻度因數的變化已經很小了。另外，由于差分電容檢測電路引入一個微分環節，需要在校正環節中加入一個積分環節，才能使系統穩定。根據表1參數，繪出系統的相位域度為45° ，幅值域度為8.7dB。同時，系統在受到1m/s²階躍加速度信號作用時系統輸出電壓與時間的關系表明，系統能迅速穩定。

表 1 系統各環節傳遞函數及參數

利用表1參數調試電路，微加速度計的輸出電壓穩定，開環放大倍數增大或減小50%，刻度因數不變，刻度因數為100mV/g，與計算值相同。