“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?。?0- 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=Ffb,若視電容為理想平板電容,上、下電容間隙相等,則a=2e SUdc × Uout /(md0)2,由此可見反饋電壓(也是輸出電壓)Uout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,Udc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)× Kfb?1。由于Kfb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
環節 |
傳遞函數表達式 |
傳遞函數中的參數 |
表頭 |
f = (ms2+cs+k)- 1 |
m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10-1g/s , k =15 N/m |
差分電容檢測 |
Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]-1Udr |
t = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m |
交流放大 |
Kac |
Kac =8′ 103 |
乘法器解調 |
Kdm = Udr /20 |
正弦激勵電壓的幅值Udr=2V |
低通濾波 |
c = (Ts+1)- 1 |
T=0.05s |
PID校正 |
(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1 |
Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms,t 1 = 0.15ms |
靜電反饋 |
Kfb = (2e SVdc)/d02 |
Kfb =5.04×10- 6 |
系統開環放大倍數 |
(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t)KpK1Kfb |
271 |
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。