固态传感器实验.docx

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1、固态传感器及其集成化实验报告学院航天学院专业集成电路工程学号14S姓名卿绍俊同组人张瑞敏、赵银武实验时间2014年12月23日实验一叉指电容式开环加速度计原理1.实验目的通过本次实验熟悉微加速度计的工作原理及其应用，利用Matlab学习加速度计整体电路模块的设计和仿真。2.开环电容式加速度计原理简介2.1微结构的工作原理加速度传感器是一种惯性传感器，其基本结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统，可以等效成由质量、弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统的在低频区的线性频率响应实现对被测参量——加速度

2、的测量。加速度传感器的机械部分可以表征为如图2-1所示的系统结构。图2-1加速度传感器的机械系统原理其中m为振动块质量，R为阻尼系数，k为弹性系数，a为加速度，根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：(2-1)将仿真(2-1)进行拉普拉斯变换：(2-2)(2-3)其中为固有谐振频率，为品质因数。为了方便使用，我们把单位加速度作用下的质量块位移定义为加速度传感器结构的灵敏度。则｝(2-4)时，灵敏度是个常数，当与梁的谐振频率的平方成反比在接近时，灵敏度要增大Q倍，在时，灵敏度是频率平方的倒数。一般希望灵敏度在

3、整个工作范围内为常数，因而应使梁的谐振频率远远大于工作频率。从式(2-3)中可以看出高的灵敏度可以通过加大质量块的质量m和减少弹性系数k来得到，但高灵敏度和大的量程是矛盾的，因此Q值也不能太高。总之在设计敏感单元时要统一考虑，进行折衷。2.2电容检测原理电容式加速度传感器是利用在外加加速度的作用下惯性质量块与检测电极间的空隙发生改变从而所引起的等效电容的变化来测定加速度的。当两块导体相对，中间有绝缘体相隔，这时导体间就会有电容产生图2-3所示为叉指结构电容式加速度传感器的敏感单元及其等效电路图。敏感单元

4、的固定电极作为驱动端，接驱动信号，而活动电极作为公共电极输出电信号。在没有加速度信号输入时，固定电极与活动电极的间距均为d0，等效电容C1，C2相同；当有外加加速度，会引起活动电极和固定电极之间的空隙d0改变，使等效电容发生差分变化，即一个变大一个变小。通过施加驱动信号将电容值的变化转换为电压的变化，实现加速度信号的测量。图2-2叉指式敏感单元示意和等效电路假设在没有加速度输入时，两固定电极与活动电极的0间距都为d0，则必有C1=C2=C0，当有外加加速度输入时，会引起活动电极和固定电极之间的空隙d0改

5、变△d，从而改变等效电容，使得C1≠C2。如果在固定电极上加上幅度相等，而相位不等的直流电压Vin=Vin+=-Vin-时，可以得出公共电极(活动梁)上的输出电压V0。2.3信号调理集成电路工作原理无论是否考虑杂散电容的影响，当有加速度信号作用在差分电容的驱动电极时，会引起活动电极和固定电极之间的间距改变，并有表征加速度信号的电压输出。但是由于从差分电容输出的电信号与输入的加速度信号一样均为低频，甚至是直流信号，而半导体器件的1/f噪声使得放大电路在低频时(0～10kHz)的噪声特性要比高频率(10～1

6、000kHz及更高)时差很多。为了降低1/f的影响，一般采取将加速度信号调制到噪声特性好的高频段，避开半导体器件信噪比极差的低频区，将信号放大后再将之解调的方法。本文所用电路中使用的是调幅的方法，即用调制信号来改变载波的振幅，并使调制后载波的振幅大小与调制信号的大小有关。在本电路中加速度信号的调制是通过在差分电容的驱动电极上加载一个高频方波电压信号实现的。系统结构如图2-3所示。信号处理电路是由自检测电路，时钟发生器，梁激励电路，偏置电压源,电流产生器，前置放大器，解调器及低频放大滤波器等七个部分组成。

7、在本电路中，时序电路产生激励信号，加在加速度传感器固定电极上，将加速度信号转换为较高频率的电信号。经前置放大器放大，解调器解调，得到反映加速度信号的低频电信号，再经低频放大器放大，滤波器滤波得到满足输出要求的模拟信号VOUT。图2-3集成加速度传感器电路的系统3.实验步骤及结论利用Malab搭建系统结构图，并施加信号激励，仿真输出结果。其系统级模型图如下图所示。图3-1电容式加速度计系统模块图3.1仿真结果及其分析其信号输出如下图所示。图3-2输出端信号PSD图对电路所施加激励信号为频率为90Hz、幅度

8、为9V的正弦信号，输出PSD设置其通带带宽为1000Hz。从输出的PSD结果可以看出，其最大幅度信号的频率约25Hz，通带内的信噪比为78.5dB，有效位数12.75位。由此可以得出，电路实现了信号处理功能。但是最终的信号幅度有所衰竭，需要在后级加入放大器对信号进行放大。以下是滤波器的输出波形。图3-3滤波器输出波形4.思考题4.1闭环加速度计如何建立图4-1微加速度计闭环检测电路原理图微加速度计的闭环检测原理如图4-1所示，它的实现是基于