静电刚度谐振式微加速度计及其接口电路分析.pdf

第24卷第11期
传感技术学报
Vol 24 No 11
2011年11月
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS
Nov.2011
Principle and Interface Circuit Analysis for a Novel Type Resonant Accelerometer
LIU Heng", 1U ingquan", MENG Ruili
1. College of Electronic fomation Engieering, Nanjing n sity of information technology, anjing 210044, Chin
2./iangsu Key Laboratory f Meteorological sertion and Signal Processing, Nanjing 210044, Chir
Abstract: The dynamic model for the novel type resonant accelerometer is built based on electrostatic negative
stiffness theory, The no-linear relationship between the output frequency and acceleration is given. Built the
equivalent interface model for the same frequency disturbance in the detecting end, some advices were given in
structure design to restrain the disturbance. Chose the square wave as the sensing voltage, made use of the switch to
demodulate the input weaken signal for experiment. The static capacitance is 0. 4PF, coupling part is 0. 04PF and
the effective sensing capacitance is 3. Iff in the sensing end. The method is useful to acquire the open loop
characteristic for resonant accelerometer. The resonant frequency is 35.476KHZ, factor is about 1400
Key words: MEMS micro-accelerometer same frequency disturbance; interface circuit; modulate
EEACC. 6140C
doi:10.3969/j。jis,1004-1699.2011,11.009
静电刚度谐振式微加速度计及其接口电路分析
刘恒2?,刘清惓,孟瑞丽…2
1,南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京210044;
2.江苏省气象探测与信息处理重点实验室,南京210044
摘要:根据静电加载在平板电容器上产生等效静电负刚度原理,分析了基于静电刚度的谐振式微加速度计的敏感过程。针
对有效信号检测中存在的同频干扰问题,建立了接口电路的等效模型,并根据干扰源提出在信号处理电路采用方波调制、开关解
调的抑制方法。仿真和实验表明制造的加速度计检测端静态电容约为0.4pF,实验条件下变化的检测电容为3.1F,干扰耦合电
容约为0.04pF。频率调制解调方法实现了加速度计振动信号的抬取,在真空封装下品质因数约为1400,谐振频率为35.476kHz
关键词:MEMS;微加速度计;同频干扰;接口电路;调制
中图分类号:TP212
文献标识码;A
文章编号:1004-1699(2011)11-1556-05
振梁型平行板电容器加载静电时,静电力将产生扰,不能通过简单的检测端差分结构来消除。在系统
等效的静电负刚度。基于静电刚度的谐振式微加速设计中,同频干扰严重影响了输出信号的检测,进而
度计通过静电刚度来调节频率变化,通过频率变化来为提高加速度计性能的闭环驱动电路实现起来也非
敏感外部加速度。即加速度引起质量块的位移,常困难。本文根据基于静电刚度的频率差分谐振式
位移带来静电刚度的变化,刚度变化带来频率的变微加速度计的工作原理,建立了其在位移谐振状态下
化。为了进一步提高灵敏度,基于静电刚度的谐振式的等效接口模型;并从理论分析和电路实验测试两方
微加速度计多采用频率差分方式,可以提高检测的灵面验证同频干扰的存在。针对同频干扰,采用了高频
敏度。该型加速度计可以通过改变加载检测电压来方波调制、模拟开关解调的信号处理办法,成功实现
调节灵敏度,其性能对加工误差依赖性小。差分频率了对加速度计输出信号的拾取
结构虽然能够显著提高检测灵敏度,但制造工艺的误
差使两个音叉梁谐振频率不一致,控制电路耑要两个
静电刚度谐振式微加速度计原理
闭环来驱动结构振动,从而在检测端存在的同频干
差分式基于静电刚度的谐振式微加速度计主要
项目来源:中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(20090403044);公益性行业(气象)科研专项(GYHY200906037);国
家自然科学基金项目(41075026)
收稿日期;2011-06-16修改日期:2011-08-18