非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计.pdf

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1、90传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第31卷第2期非硅MEMS电容式微加速度计的测控电路设计张运奎，崔峰，万镇，刘武，张卫平(上海交通大学微纳科学技术研究院，微米／纳米加工技术国家级重点实验室，上海200240)摘要：为了提高MEMS微加速度计的量程和抗过载能力，设计了基于uV—LIGA技术的非硅MEMS电容式微加速度计。针对该加速度计，设计了基于相敏解调的差分电容测控电路。检测通道主要由前置级电荷积分放大电路、带通滤波电路、相敏解调器、低通滤波以及电平转换电路组成，反馈通道由低通滤波和加法电路组成。完成了微加速

2、度计测控电路的调试和检测通道的标定实验，实验表明：检测通道的量程约为±6pF，灵敏度为89．3mV／pF，线性度为2．59％，满足加速度计检测通道的要求。关键词：微机电系统；微加速度计；差分电容；测控电路；标定中图分类号：V241．4，TP212．1文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)02-0090-03Designofdetectionandcontrolcircuitsforcapacitivemicroaccelerometerbasedonnon．siliconMEMSZHANGYun—kui，CUIFeng，WANZhen，LIUWu，ZHANGWei

3、—ping(NationalKeyLaboratoryofNano／MicroFabricationTechnology，ResearchInstituteofMicroandNanoScienceandTechnology，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)Abstract：Toimprovetheanti—overloadingcapabilityofMEMSmicroaccelerometer，anewnon—siliconMEMScapacitivemicroaccelerometerbasedonUV—LIG

4、Atechnologyanditsdetectionandcontrolcircuitsofdifferentialcapacitancebasedonphase—sensitivedemodulationisdesigned．Thedetectionchannelmainlyconsistsofchargeintegratedpreamplifier，band—passfilter，phase—sensitivedemodulator，low—passfilterandvoltageconversioncircuits．Thefeedbackchannelconsistsofl

5、ow—passfilterandaddercircuits．Thedebuggingofsystemdetectionandcontrolcircuitsandthecalibrationforthedetectionchannelisfinished．Theresultsshowthattherangeofthedetectionchannelisabout±6pF，thesensitivityis89．3mV／pF，andlinearityis2．59％respectively，whichcanmeettherequirementsofthedetectionchanne1．

6、Keywords：MEMS；microaccelerometer；differentialcapacitance；detectionandcontrolcircuit；calibration0引言分电容，结构简单，却可输出较大信号，灵敏度高，且机械强随着微机电系统(MEMS)的发展，微加速度计在航空度高于前者，可达到很高的量程。针对硅材料脆性大、加工航天、武器装备、汽车、消费电子等方面有着广泛的应用与工艺复杂、支撑梁易于发生高冲击断裂失效(尤其是梳齿需求，尤其在冲击载荷测量、弹药引信等领域，对高过载高结构)等问题，本文给出了一种基于uV—LIGA技术的非硅g(g为重力加速度)值加

7、速度计提出了较高要求：上万至MEMS金属多梁支撑圆盘敏感质量的“三明治”结构电容数十万g量程，且频率范围较宽，工作环境恶劣。其中，式高g微加速度计，对其结构、微位移微弱电容信号检测电容式微加速度计灵敏度和测量精度高、稳定性好、温度漂及其测控电路进行了设计，对高频载波发生、电荷积分放大移小、功耗极低，而且过载保护能力较强；能够利用静电力前置级、相敏解调等各级电路进行详细设计，并通过电容标进行自检，通过实现闭环控制，可显著提高传感器的性能，定实验对微位移检测通道进行了性能评估和验证。