非硅MEMS電容式微加速度計的測控電路設計*

張運奎，崔 峰，萬 鎮，劉 武，張衛平

（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（MEMS）的發展，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:上萬至數十萬gn量程，且頻率范圍較寬，工作環境惡劣。其中，電容式微加速度計靈敏度和測量精度高、穩定性好、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，通過實現閉環控制，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展方向［1，2］。

電容式微加速度計的敏感機械結構主要有2種形式:梳齒結構和三明治結構。其中，三明治結構只包含一組差分電容，結構簡單，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、支撐梁易于發生高沖擊斷裂失效（尤其是梳齒結構）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量的“三明治”結構電容式高gn微加速度計，對其結構、微位移微弱電容信號檢測及其測控電路進行了設計，對高頻載波發生、電荷積分放大前置級、相敏解調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 微加速度計的結構與特點

金屬多梁支撐圓盤敏感質量電容式微加速度計，其質量塊、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斷裂韌度為 52.73 MPa·m1/2［3］，多晶硅的靜態斷裂韌度卻僅為2 MPa·m1/2［4］，而對于各種材料，其動態斷裂韌度最小值可認為是靜態斷裂韌度的70%，可見鎳的靜態斷裂韌度和動態斷裂韌度都比多晶硅高得多，可在很大程度上防止發生斷裂，提高抗沖擊能力。微加速度計的結構如圖1所示，上下電極采用金屬薄膜材料，中間梁—質量塊結構采用鎳材料，為了減小阻尼，在質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，且相比方形質量塊結構變形分布均勻。增加支撐梁的數目，在一定程度上使應力分布更加均勻，同時也增加了質量塊的抗沖擊能力，提高了量程。軸向止檔可以防止中間質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，會產生方向相反的慣性力作用在中間敏感質量塊上，使其發生Z向位移，導致上下電容值發生微弱差動變化。在高頻載波的驅動下，該差分電容變化信號通過電荷積分放大電路轉變為電壓信號，經帶通濾波后，與參考信號進行相敏解調，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，必須采用閉環檢測的方法，確保微加速度動極板的位移很小。解調后的直流電壓信號經ADC后進入DSP處理器進行PID控制，產生反饋控制信號，再經DAC，低通濾波和高壓放大產生反饋電壓，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，產生靜電力使運動質量塊回到平衡位置，整個測控系統如圖2所示。

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

2.1 高頻載波發生

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的方法產生。AD9832芯片在25 MHz時鐘頻率下，可以產生頻率范圍為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生兩路相位相差180°以及一路同頻的相位可調信號作為相敏解調的參考信號。

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換成電壓信號。基本方法主要有: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，這樣后續電路才能進行放大和解調。電荷積分放大器的優點在于，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型結構，等效電阻為 10.2 MΩ，輸入端噪聲主要由R1產生的噪聲電壓決定，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，放大倍數可調。

相敏解調一般分為開關解調和乘法解調，由于開關解調一般會產生較大的噪聲，這里采用乘法解調方案。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，信噪比達到70 dB。通過外接電阻配置后，輸出直接為調制信號與參考信號相乘結果，通過調節參考信號的相位，即可解調出所需的信號［8］。低通濾波電路采用由集成連續時間濾波器芯片MAX274搭建的八階巴特沃斯低通濾波器構成。單片結構外接元件少，參數調整十分方便，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串聯，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轉換后輸出階梯狀信號中高頻噪聲，再經高壓放大后與正負偏置電壓疊加后產生反饋電壓加載到加速度計的上下電極上，實現閉環控制。

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性能，實驗采用高頻瓷片電容器來靜態模擬微加速度計質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。經帶通濾波器輸出的調制信號的波形如圖4（b）所示。經乘法器AD734解調后的輸出波形如圖4（c）所示。可以看出:乘法解調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據經最小二乘擬合，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的性能要求。

4 結束語

圖5 檢測通道實驗結果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量電容式微加速度計結構進行了詳細闡述，其上下電極采用金屬薄膜材料，梁—質量塊結構采用鎳材料，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的設計與調試。通過DSP控制DDS芯片產生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奠定了基礎。

［1］Zhang Zhenhai，Li Kejie.Design，simulation and multi-dimension coupling research of monolithic MEMS three-axis high gnaccelerometer［C］// Proceedings of IEEE ICIA，Seogwipo-si，2007:280－284.

［2］Lin Liwei，Pan Feng，Xu Jiashan，et al.Design of a three-axis high gnpiezoresistive accelerometer［C］//Proceedings of IEEE ICNEMS，Xiamen，2010:773 －776.

［3］Dai W，Oropeza C，Lian K，et al.Experiment design and UV-LIGA microfabrication technology to study the fracture toughness of Ni microstructures［J］.Microsystem Technologies，2006，12（4）:306－314.

［4］Yi Taechung，Kim Changjin.Measurement of mechanical properties for MEMS materials［J］.Measurement Science and Technology，1999，10（8）:706 －716.

［5］Xiong Xingguo，Wu Yuliang，Jone Wenben.A dual mode built-in self-test technique for capacitive MEMS device［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2005，54（5）:1739－1750.

［6］劉 俊，張斌珍.微弱信號檢測技術［M］.北京:電子工業出版社，2005:75－90，123－132.

［7］邵珰珰，陳文元，肖奇軍，等.靜電懸浮轉子微陀螺信號發生電路有源帶通濾波器設計［J］.傳感技術學報，2008，21（11）:1867－1871.

［8］張忠榕，劉 武，張衛平，等.雙定子靜電微電機控制系統的信號檢測研究［J］.傳感器與微系統，2008，27（5）:18 －20.