諧振式MEMS磁傳感器接口電路設(shè)計(jì)*

高華磊，徐德輝，劉 松，馬穎蕾，熊 斌

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

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諧振式MEMS磁傳感器接口電路設(shè)計(jì)*

高華磊，徐德輝，劉 松，馬穎蕾，熊 斌

(中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

介紹了一種諧振式微系統(tǒng)(MEMS)磁傳感器的接口電路，電路由驅(qū)動電路和信號檢測處理電路組成。驅(qū)動電路采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生磁傳感器驅(qū)動信號，同時(shí)為檢測電路提供同步信號；信號檢測處理電路對磁傳感器輸出信號和DDS產(chǎn)生的同步信號進(jìn)行同步解調(diào)，最終得到所需的磁場信號。最后對電路的性能和測試結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)。

微系統(tǒng)磁傳感器； 直接數(shù)字頻率合成器驅(qū)動； 同步解調(diào)； 接口電路

0 引 言

如今，微系統(tǒng)(MEMS)傳感器憑借體積小、重量輕、成本低、可靠性高及可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域。其中，諧振式MEMS磁傳感器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理具有寬測量范圍、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)[1]，可廣泛應(yīng)用于目標(biāo)磁場的測量、航空航天、導(dǎo)航系統(tǒng)、安全監(jiān)測、車輛監(jiān)測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域[2]。磁傳感器的輸出特性不僅與器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與具體的驅(qū)動電路和信號處理電路有直接關(guān)系。諧振式MEMS磁傳感器的工作方式需要外部驅(qū)動信號給予激勵(lì)，而輸出信號又是非常微弱的，在噪聲中將微弱的信號提取出來，這需要設(shè)計(jì)專門的電路結(jié)構(gòu)[3，4]。

本文針對自行設(shè)計(jì)的諧振式MEMS磁傳感器，結(jié)合它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式，設(shè)計(jì)出可有效對其進(jìn)行驅(qū)動和信號檢測處理的系統(tǒng)電路，并對電路進(jìn)行了整體測試和結(jié)果分析。

1 MEMS磁傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

MEMS磁傳感器一般都是基于洛倫茲力的微機(jī)械磁場傳感器，但是此類傳感器存在功耗大、線性度差等問題，本文中的MEMS磁場傳感器是一種靜電驅(qū)動—電磁感應(yīng)檢測諧振式微機(jī)械磁場傳感器[5，6]。該傳感器的主體是由硅結(jié)構(gòu)的諧振振子和位于振子上的感應(yīng)線圈構(gòu)成，圖1是磁傳感器SEM照片。當(dāng)施加激勵(lì)使得諧振子發(fā)生振動時(shí)，感應(yīng)線圈會隨著諧振振子做切割磁感線運(yùn)動，從而在感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過測量感應(yīng)電動勢就可以得出磁場的大小。利用電磁感應(yīng)工作原理來檢測磁場，不存在磁滯和磁飽和現(xiàn)象；且感應(yīng)電動勢與磁場強(qiáng)度成正比，使得輸出信號具有很好的線性度。

2 電路系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

針對諧振式MEMS磁傳感器靜電驅(qū)動電磁感應(yīng)檢測的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)其特有的接口電路。其電路結(jié)構(gòu)見圖2，主要分為驅(qū)動電路、信號檢測處理電路模擬部分、信號檢測處理電路數(shù)字部分三個(gè)電路模塊組成。首先是MCU控制直接數(shù)字頻率合成器(direct digital frequency synthesizer,DDS)產(chǎn)生傳感器所需頻率的驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動放大電路后分成兩路信號，一路用來驅(qū)動MEMS磁傳感器，使其工作在諧振狀態(tài)；另外一路通過移相電路和跟隨電路后，進(jìn)入信號檢測處理電路作為參考信號。感應(yīng)線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，經(jīng)過一級放大、濾波、二級放大、濾波、三級放大、濾波等電路處理后作為目標(biāo)信號進(jìn)入解調(diào)電路。解調(diào)后的信號通過低通濾波電路后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路，最后由MCU讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，從而完成對信號的處理工作。另外MCU還和按鍵、液晶、PC等連接完成控制、顯示和通信等功能。

圖1 磁傳感器SEM照片F(xiàn)ig 1 SEM picture of magnetic sensor

圖2 MEMS磁傳感器驅(qū)動檢測電路功能框圖Fig 2 Functional block diagram of MEMS magnetic sensor driving detection circuit

3 接口電路硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 驅(qū)動電路

諧振式MEMS傳感器常見的有開環(huán)驅(qū)動和閉環(huán)驅(qū)動兩種方式。開環(huán)驅(qū)動采用外加交流電壓或電流實(shí)現(xiàn)[7]，強(qiáng)迫傳感器工作在諧振狀態(tài)，而閉環(huán)驅(qū)動最常見的就是自激振蕩驅(qū)動。相比自激振蕩驅(qū)動，強(qiáng)迫驅(qū)動可靠性高，不易受外界環(huán)境影響，故本文采用DDS開環(huán)驅(qū)動方式，電路見圖3。DDS芯片采用AD9833(低功耗、可編程波形發(fā)生器)，所需頻率編程可調(diào)，外加4.096 MHz晶振，可使驅(qū)動信號精度達(dá)到0.02 Hz以內(nèi)，考慮到文中采用的傳感器本征頻率在223 kHz，驅(qū)動信號的頻率穩(wěn)定在1 Hz以內(nèi)即可使傳感器可靠工作，故此電路滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 DDS驅(qū)動電路Fig 3 DDS driving circuit

另外，由于DDS輸出信號幅值達(dá)不到驅(qū)動要求，所以，后級增加了驅(qū)動放大電路以提高驅(qū)動能力。放大電路采用正向比例放大電路，反饋電阻采用精密可調(diào)電位器，方便靈活的調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

3.2 信號檢測處理電路

一級放大電路作為前置放大電路，要求電路具有高共模抑制比，低噪聲，高輸入阻抗等特點(diǎn)來盡可能獲取有用信號，所以采用了儀表運(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。移相電路實(shí)現(xiàn)0°～180°超前移相，從而獲得解調(diào)時(shí)所需相位的載波信號，移相電路見圖4(a)。帶通濾波和低通濾波都采用無限增益多路反饋帶通濾波器，從而使得信號失真較小，帶通濾波電路見圖4(b)。二級放大電路和三級放大電路設(shè)計(jì)和DDS驅(qū)動放大電路相同。

圖4 移相電路和帶通濾波電路Fig 4 Phase shifter circuit and band-pass filtering circuit

信號解調(diào)通過AD630芯片實(shí)現(xiàn)，采用集成芯片而非分立電路能夠更好地保證解調(diào)的可靠性，解調(diào)電路見圖5。由圖1可知，方形金屬線框做切割磁感線運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，設(shè)金屬線框邊長為L，振動幅值為ΔX，則任一條邊在振動方式上任意時(shí)刻t的振動位移為

s(t)=Δx·sinω0t

(1)

則，從而可得任意時(shí)刻t的振動速度為

v(t)=ω·Δx·cosω0t

(2)

式中ω0為驅(qū)動信號角速度，若磁感應(yīng)強(qiáng)度為B(t)，傳感器輸出信號為

U(t)=4B(t)Lω0·Δx·cosω0t

(3)

圖5 同步解調(diào)電路Fig 5 Synchronous demodulation circuit

此信號經(jīng)過放大、濾波處理后作為目標(biāo)信號x(t)進(jìn)入AD630進(jìn)行解調(diào)，設(shè)系統(tǒng)放大倍數(shù)為A，此時(shí)目標(biāo)信號為

x(t)=4A·B(t)Lω0·Δx·cos ω0t

(4)

電路產(chǎn)生的參考信號為正弦信號，AD630內(nèi)部電壓比較器會將正弦信號轉(zhuǎn)換成同頻同相的方波信號

(5)

式中 Vr為方波幅值大小，AD630內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了相敏檢波，輸出兩路輸入信號的乘法結(jié)果。設(shè)x(t)和y(t)的相位差為θ，則AD630輸出為

U0(t)=x(t)·y(t)

(6)

從上式可以看出:相敏檢波的輸出分成兩部分，前一部分為輸入信號與參考信號的差頻分量，后一部分為和頻分量，相敏檢波器的輸出經(jīng)低通濾波后，n>1的差頻分量與和頻分量均被去除，只剩下n=1的差頻項(xiàng)

(7)

通過調(diào)節(jié)移相電路使得目標(biāo)信號與參考信號的相位差為θ=0時(shí)，且ω0=2πf0，則最后的輸出結(jié)果只和B(t)線性相關(guān)

U0(t)=K·B(t)

(8)

式中 K=16ΔxALf0Vr。

ADC電路采用AD7192，其內(nèi)部集成一個(gè)低噪聲、24位Σ-Δ型ADC，基準(zhǔn)電源使用ADR421。MCU采用意法半導(dǎo)體的STM32F103C8T6嵌入式—微控制器對ADC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并控制DDS輸出所需的頻率信號，芯片內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算處理后將最終結(jié)果通過液晶顯示出來，也可以通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上位機(jī)。

4 接口電路軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為主控制器，軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、波形產(chǎn)生模塊子程序、輸入模塊子程序、顯示模塊子程序、串口中斷程序。所有程序均采用C語言在KeiluVision4軟件平臺進(jìn)行開發(fā)，軟件流程圖如圖6所示。

圖6 MEMS磁傳感器接口電路軟件流程圖Fig 6 Software flow chart of MEMS magnetic sensor interface circuit

5 測試結(jié)果分析

首先通過按鍵設(shè)定傳感器需要的諧振頻率，使DDS產(chǎn)生驅(qū)動頻率223 kHz的正弦波(器件已通過網(wǎng)絡(luò)分析儀找到諧振頻率點(diǎn))。之后通過驅(qū)動放大電路調(diào)節(jié)信號振幅，獲得峰峰值為1.5 V，偏置電壓20 V的驅(qū)動信號。然后將傳感器放入恒定磁場中，磁場由PEM—40電磁鐵(輸出磁場范圍0.1～200 mT)產(chǎn)生，利用PF—035—1數(shù)字特斯拉計(jì)(分辨率0.1 mT)進(jìn)行標(biāo)定。此時(shí)解調(diào)電路就可解調(diào)出一個(gè)恒定的直流電壓信號，調(diào)節(jié)移相電路改變參考信號的相位，使得參考信號與調(diào)制信號相位同步，最后調(diào)整系統(tǒng)電路增益，使之達(dá)到合適的大小值。

將系統(tǒng)進(jìn)行上述調(diào)試后，實(shí)驗(yàn)測定了傳感器的靈敏度，因電磁鐵設(shè)備產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度較大，故將系統(tǒng)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)到10×102倍后進(jìn)行測試，磁感應(yīng)器強(qiáng)度從0開始以大約10 mT步進(jìn)遞增，然后分別記錄解調(diào)后電路輸出的電壓信號，測試結(jié)果見圖7。

圖7 電路輸出電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig 7 Curve of circuit output voltage change with magnetic flux density

圖7中可以看出，系統(tǒng)解調(diào)后的電壓信號和磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系，線性度為0.24 %，靈敏度為0.63 V/T。

地磁場角測試方法：傳感器諧振振子所在平面的法線指向正北方向，然后在水平面以30°為旋轉(zhuǎn)角順時(shí)針測試12個(gè)方向。其他設(shè)置不變，系統(tǒng)放大倍數(shù)改為10×108倍，測試結(jié)果見圖8。

圖8中擬合公式V=0.23cosθ+0.305，采集的電壓值符合地磁場分量余弦變化趨勢。

圖8 地磁場測試數(shù)據(jù)Fig 8 Geomagnetic field test data

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種諧振式MEMS磁傳感器接口電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)靈敏度為0.63 V/T。整體電路工作穩(wěn)定可靠，傳感器測量無需其他測試設(shè)備。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了傳感器檢測磁場信號的功能，并取得了較好的測試結(jié)果，這些測試結(jié)果為今后電路的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。

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Design of resonant MEMS magnetic sensor interface circuit*

GAO Hua-lei，XU De-hui，LIU Song，MA Ying-lei，XIONG Bin

(Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences， Shanghai 200050，China)

An interface circuit for resonant MEMS magnetic sensor is introduced,the circuit is composed of driving circuit and signal detection and processing circuit. Driving circuit uses direct digital frequency synthesizer (DDS) to generate magnetic sensor driving signal. At the same time,it provides synchronizing signal for detection circuit. Signal detection and processing circuit demodulates output signal of magnetic sensor and synchronizing signal generated by DDS.Finally,magnetic field signal needed is obtained.Characteristics of circuit and results of test are analyzed.

MEMS magnetic sensor;direct digital frequency synthesizer(DDS) drive;synchronous demodulation;interface circuit

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0087—03

2016—02—25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51577186，51306200)

TN 709

A

1000—9787(2016)11—0087—03

高華磊(1990-)，男，山東日照人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲㈦娮訉W(xué)與固體電子學(xué)。