“叉指”結(jié)構(gòu)微加速度計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
何曉平 張 德 文貴印
利用MEMS技術(shù)研制靜電伺服微加速度計(jì)，在享受了MEMS加工特點(diǎn)帶來的體積小、功耗小、抗振能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也遇到了檢測(cè)電容極小（10- 12F）、靜電力反饋力小等難題，要使微加速度計(jì)滿足性能要求，必須進(jìn)行合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
研究的“叉指”結(jié)構(gòu)微加速度計(jì)屬靜電伺服微加速度計(jì)，
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(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)為深反饋時(shí)，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(zhì)量塊質(zhì)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(shù)，Udc為直流偏壓幅值。
該加速度計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)包括表頭、差分電容檢測(cè)、交流放大、乘法器解調(diào)、低通濾波、PID調(diào)整、靜電反饋環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及參數(shù)見表1。
系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)，要滿足輸出不受前向環(huán)節(jié)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(tǒng)的前向環(huán)節(jié)放大倍數(shù)為5.4′ 107，開環(huán)放大倍數(shù)271?1。系統(tǒng)經(jīng)過這樣調(diào)整后，開環(huán)放大倍數(shù)增大或減小50%，刻度因數(shù)的變化已經(jīng)很小了。另外，由于差分電容檢測(cè)電路引入一個(gè)微分環(huán)節(jié)，需要在校正環(huán)節(jié)中加入一個(gè)積分環(huán)節(jié)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)表1參數(shù)，繪出系統(tǒng)的相位域度為45° ，幅值域度為8.7dB。同時(shí)，系統(tǒng)在受到1m/s2階躍加速度信號(hào)作用時(shí)系統(tǒng)輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系表明，系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定。
表 1 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)及參數(shù)
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環(huán)節(jié) |
傳遞函數(shù)表達(dá)式 |
傳遞函數(shù)中的參數(shù) |
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表頭 |
f = (ms2+cs+k)- 1 |
m =5.04×10- 5g , c = 5.14×10-1g/s , k =15 N/m |
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差分電容檢測(cè) |
Kpos = 2t s/ [(t s+1)2d0]-1Udr |
t = RC0=0.1m s , Udr = 2V , d0 = 3.1m m |
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交流放大 |
Kac |
Kac =8′ 103 |
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乘法器解調(diào) |
Kdm = Udr /20 |
正弦激勵(lì)電壓的幅值Udr=2V |
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低通濾波 |
c = (Ts+1)- 1 |
T=0.05s |
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PID校正 |
(Kp× K1)× [ t ss (t 1s+1)]- 1 |
Kp = 10s , K1 = 600s , t s = 1ms，t 1 = 0.15ms |
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靜電反饋 |
Kfb = (2e SVdc)/d02 |
Kfb =5.04×10- 6 |
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系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù) |
(1/k)(2t /d0)UdrKacKdm(1/t)KpK1Kfb |
271 |
利用表1參數(shù)調(diào)試電路，微加速度計(jì)的輸出電壓穩(wěn)定，開環(huán)放大倍數(shù)增大或減小50%，刻度因數(shù)不變，刻度因數(shù)為100mV/g，與計(jì)算值相同。
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