方體壓電諧振器共振頻率電調(diào)諧技術(shù)

趙俊軍，吳校生，馮其云，李 健，孫仁杰(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系 微納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，上海 200240)

0 引言

基于微機電系統(tǒng)(MEMS)制作的壓電諧振器具有成本低,功耗小,集成度高,可批量制造等優(yōu)點，是一些MEMS傳感器、執(zhí)行器的核心部件。本文研究的方體諧振器工作在高階模態(tài)，具有較高的支撐剛度和抗沖擊能力，已廣泛應(yīng)用于智能彈藥、空天等特殊場合。

為了提高測量精度，MEMS微陀螺中常采用模態(tài)匹配法使感應(yīng)振動和驅(qū)動振動共振頻率盡量接近，實際上由于制造誤差、結(jié)構(gòu)缺陷等因素導(dǎo)致匹配偏差。共振頻率調(diào)諧技術(shù)通過采用特定的手段來調(diào)節(jié)感應(yīng)共振頻率或驅(qū)動共振頻率，這種誤差補償方法可實現(xiàn)模態(tài)精細匹配。

傳統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)一般分為機械調(diào)諧法和電調(diào)諧法。在機械調(diào)諧法中，通過改變振子的有效質(zhì)量[1]和支撐剛度[2]調(diào)整共振頻率。機械調(diào)諧法通常采用對慣性質(zhì)量或支撐彈簧進行激光燒蝕[3]和附加質(zhì)量[4]來實現(xiàn)，其調(diào)節(jié)范圍大，但具有不可逆、不連續(xù)、操作復(fù)雜等不足。電調(diào)諧法利用靜電彈簧的負剛度效應(yīng)(軟化效應(yīng))來實現(xiàn)振子共振頻率的調(diào)諧，電調(diào)諧法還會結(jié)合相關(guān)控制算法(如隨機優(yōu)化算法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[6]等)來實現(xiàn)調(diào)諧的自動化。電調(diào)諧法能實現(xiàn)諧振頻率的連續(xù)、可逆調(diào)諧，實現(xiàn)方法簡單，但調(diào)諧范圍較小。將機械調(diào)諧和電調(diào)諧相結(jié)合，可實現(xiàn)振子共振頻率大范圍精細調(diào)節(jié)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電調(diào)諧法主要應(yīng)用于硅基MEMS諧振器，在壓電諧振器中的應(yīng)用報道較少。壓電諧振器的共振頻率調(diào)諧常采用機械調(diào)諧中的激光燒蝕法。

本文針對方體壓電諧振器系統(tǒng)提出了一種電調(diào)諧法，即基于ZYNQ系列平臺搭建了數(shù)字化壓電諧振器的測控電路，采用了激勵信號幅值調(diào)諧與直流調(diào)諧兩種方法。通過實驗測試獲得兩種調(diào)諧方法的實驗結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗證了該電調(diào)諧技術(shù)的有效性。

1 壓電諧振器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究的壓電諧振器是采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的方形振子，其長(L)、寬(W)、高(H)分別為7.2 mm、7.2 mm、3 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在振子的上下表面對稱制作有驅(qū)動電極(D1～D8)，棱邊中點處制作有輸出信號檢測電極(Q1～Q8)，壓電諧振器的極化方向為z軸。通過在驅(qū)動電極上施加交變驅(qū)動電壓來實現(xiàn)振子的激勵。檢測電極用于監(jiān)測壓電諧振器的振動輸出。

圖1 壓電諧振器

當在驅(qū)動電極上施加交變電壓時，壓電諧振器由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動。若交變電壓的頻率與壓電諧振器某階模態(tài)的本征頻率相等時，壓電諧振器發(fā)生諧振。由于正壓電效應(yīng)，振子在檢測電極上產(chǎn)生電荷輸出。

檢測電極用于監(jiān)測諧振器的振動狀態(tài)，檢測電極的輸出電荷通過電荷放大器等比例轉(zhuǎn)化為電壓信號，用于后續(xù)的信號鑒幅和鑒相。

2 測控電路設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

基于本文研究的方體壓電諧振器測控電路系統(tǒng)總體方案如圖2所示。系統(tǒng)由信號發(fā)生模塊、鑒幅/相模塊及ZYNQ系列主控芯片組成。ZYNQ系列主控芯片(下位機)通過串口通訊協(xié)議(UART)與上位機完成數(shù)據(jù)傳輸與參數(shù)設(shè)置。圖2中，Asin為正弦激勵信號，Bsin是鑒幅/相模塊所需的正弦參考信號，AMP是壓電諧振器輸出信號的幅值。

圖2 測控電路總體方案圖

2.2 信號發(fā)生模塊設(shè)計

信號發(fā)生模塊由ZYNQ系列內(nèi)部的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)IP、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、單端轉(zhuǎn)差分芯片(S2D)、功率放大器(OP)組成(見圖2)。信號發(fā)生模塊能產(chǎn)生兩路同幅、同頻、反相的正弦激勵信號。

DDS IP在數(shù)字域中產(chǎn)生所需波形的數(shù)字量，然后經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，其中一路通過S2D芯片變?yōu)閮陕贩聪嗟恼也ǎ詈笤俳?jīng)由OP提高輸出信號驅(qū)動能力，OP的兩路輸出施加在驅(qū)動電極上，用以激勵壓電振子。

使用頻率分辨率和幅值分辨率分別為0.1 Hz和0.1 mV的示波器對所設(shè)計的信號發(fā)生模塊進行性能測試，結(jié)果如圖3所示。頻率與幅值調(diào)節(jié)的理論值與測量值間的線性度R2分別達到0.999 99和0.999 97，信號發(fā)生模塊調(diào)頻與調(diào)幅精度滿足后續(xù)調(diào)諧所需性能精度。

圖3 信號發(fā)生模塊性能測試

2.3 鑒幅/相模塊設(shè)計

鑒幅/相模塊由電荷放大器(CA)、幅值相位檢測芯片、ADC組成，如圖2所示。鑒幅/相模塊完成檢測電極(Q)上感應(yīng)電荷信號幅值與相位的拾取。

首先CA將檢測電極上拾取到的微弱電荷信號放大為電壓信號，然后電壓信號再輸出給幅值相位檢測芯片AD8302，該芯片檢測出待測信號與參考信號(參考信號由信號發(fā)生模塊提供，幅值已知)間的幅值比與相位差。幅值相位檢測芯片輸出兩路低頻模擬量，量化得到幅值比與相位差。這兩路低頻模擬量通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再交由ZYNQ系列數(shù)字主控芯片來計算出壓電諧振器輸出信號的幅值與相位。

對所設(shè)計的鑒幅/相模塊進行性能測試，結(jié)果如圖4所示。幅值與相位計算的理論值與測量值之間的線性度均為0.999 99，鑒幅/相模塊對幅值相位的計算精度能達到測試所需性能。

圖4 鑒幅/相模塊性能測試

2.4 ZYNQ系列主控芯片與上位機設(shè)計

ZYNQ系列主控芯片是Xilinx公司推出的一款片上系統(tǒng)(SoC)架構(gòu)的數(shù)字主控芯片。ZYNQ系列主控芯片有可編程邏輯(PL)側(cè)和處理器(PS)側(cè)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)不同，該芯片在PS側(cè)集成了Cortex-A9的ARM處理器硬核(兩塊)。如圖2所示，本文設(shè)計的ZYNQ系列數(shù)字主控芯片分別在PL側(cè)實現(xiàn)了一個頻率可調(diào)、幅值可調(diào)的DDS，在PS側(cè)采集并計算壓電諧振器輸出信號的幅值與相位。

在后續(xù)實驗中，信號發(fā)生模塊需對輸出信號進行掃頻(諧振峰附近)與調(diào)整幅值控制，同時還需記錄壓電諧振器輸出信號的幅值與相位變化規(guī)律。為了方便下位機的控制與數(shù)據(jù)獲取，本文設(shè)計了一個上位機交互界面。上位機交互界面通過串口(UART)與ZYNQ系列的PS側(cè)下位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與參數(shù)控制。向下位機發(fā)送指令可改變PL側(cè)DDS產(chǎn)生的正弦波頻率與幅值，也可接收PS側(cè)計算所得的壓電諧振器輸出信號的幅值與相位，達到靈活改變實驗條件與實時監(jiān)控實驗狀態(tài)的目的。基于C#語言在Visual Studio中開發(fā)的上位機交互界面如圖5所示。

圖5 上位機交互界面

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗系統(tǒng)實物

根據(jù)圖2中的測控電路原理圖，本文搭建的實驗系統(tǒng)，如圖6所示。設(shè)計了兩塊PCB轉(zhuǎn)接子板分別用來連接ZYNQ系列與信號發(fā)生模塊、ZYNQ系列與鑒幅/相模塊，且設(shè)計了一塊PCB母板來傳遞測控電路各個模塊間信號，母板還負責(zé)給各個模塊供電。壓電諧振器的輸出信號通過高頻同軸電纜(SMA)傳輸給測控電路，實驗系統(tǒng)實物最多可支持同時監(jiān)測8路壓電諧振器輸出信號的幅值和相位(共16路ADC)。

圖6 實驗系統(tǒng)實物

本文對兩種調(diào)諧方法進行了實驗測試，第一種調(diào)諧方法是改變激勵正弦信號的幅值，在壓電諧振器驅(qū)動電極上施加的驅(qū)動信號，如表1所示。第二種調(diào)諧方法是在D1/D4/D5/D8上施加正弦交流信號，同時在D2/D3/D6/D7上施加直流電壓，施加信號的極性如表2所示。

表1 激勵信號幅值調(diào)諧實驗條件

表2 直流調(diào)諧實驗條件

3.2 激勵信號幅值調(diào)諧實驗結(jié)果

改變驅(qū)動電極(D1/D4/D5/D8)上正弦激勵信號的峰-峰值(Vp-p)來實現(xiàn)調(diào)諧。在不同Vp-p下的掃頻曲線如圖7所示。諧振峰處的諧振頻率與幅值如圖8所示。

圖7 不同Vp-p下掃頻曲線

圖8 諧振峰處的頻率與幅值

由圖8可知，隨著正弦激勵信號Vp-p從1 V逐漸增加到6 V，所研究的壓電諧振器諧振頻率從348.000 kHz逐漸單調(diào)減小到了347.850 kHz，實現(xiàn)了約0～150 Hz內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧。諧振頻率隨著激勵信號幅值的增大而減小。

3.3 直流調(diào)諧實驗結(jié)果

在保持D1/D4/D5/D8電極上正弦激勵信號Vp-p不變的條件下(本次實驗中Vp-p=5.5 V)，通過改變D2/D3/D6/D7電極上的直流電壓來進行調(diào)諧實驗(直流電壓極性如表2所示)。在不同直流電壓下的掃頻曲線如圖9所示。

圖9 不同直流電壓下掃頻曲線

由圖9可知，隨著直流電壓從0逐漸增加到47 V，壓電諧振器諧振頻率從347.820 kHz逐漸單調(diào)減小到了347.720 kHz，實現(xiàn)了0～100 Hz內(nèi)的調(diào)諧。隨著直流電壓變大，諧振頻率逐漸變小。

4 結(jié)束語

針對方體壓電諧振器，本文設(shè)計了一種基于ZYNQ系列的數(shù)字化測控電路，通過改變施加在驅(qū)動電極上激勵信號的幅值和直流電壓兩種方法，實現(xiàn)了壓電諧振器共振頻率的連續(xù)精密調(diào)整。實驗結(jié)果表明，針對347.9 kHz附近的諧振峰，激勵信號幅值調(diào)諧法可實現(xiàn)0～150 Hz內(nèi)的連續(xù)調(diào)諧，直流調(diào)諧法可實現(xiàn)0～100 Hz內(nèi)的調(diào)諧。

在實際工作中，壓電諧振器共振頻率會受環(huán)境因素(溫度、濕度、氣壓等)變化而發(fā)生漂移，通過引入電調(diào)諧技術(shù)有助于諧振器穩(wěn)頻閉環(huán)控制。電調(diào)諧技術(shù)還可用于基于壓電諧振器微陀螺的模態(tài)匹配中，提高微陀螺性能精度。與傳統(tǒng)機械調(diào)諧技術(shù)相比，本文研究實現(xiàn)的電調(diào)諧技術(shù)更靈活，為壓電諧振器共振頻率精密調(diào)節(jié)提供可靠的理論與實踐途徑。