单电容式及差分电容式MEMS传感器检测系统

差分电容传感器调理电路

　　目前流行的MEMS器件加速度计，其传感器原理一般基于差动电容。加速度计主要由质量弹性元件、位移测量系统及信号调理电路构成，可以根据测量DC 得到物体的运动速度和加速度。

　
图5  MEMS电容式振动加速度传感器

　　如图5所示，中间极板(即横梁的伸出部分)与二个固定的外极板组成差动电容 CS1和CS2。没有加速度时，CS1=CS2；产生加速度时，横梁的移动改变了中间极板和固定的外极板之间的相对位置，引起电容变化，CS1≠CS2。通过测量电路，将电容的变化在外加交流电压的激励下转化为电学量，能够测得该物体相应的瞬时速度或瞬时加速度值。

　
图6  交直流激励差分电容振动加速度传感器调理电路方框图

　
图7  交直流激励的差分电容振动加速度传感器的调理电路

　　具体电路如图7所示：U0(MAX038)信号发生器芯片产生1MHz的正弦交流信号；U1(AD797)运算放大器组成反相比例放大器，U2(AD797)运算放大器组成同相比例放大器。1MHz的交流信号经U1、U2后，变为大小相等、方向相反、相位相差180o的二个交流激励信号，用来激励差分电容传感器；U4(AD745JR)是高输入阻抗电荷转移放大器。U4是调理电路的中心，在外加激励信号的作用下，传感器振动引起的电荷转移成电压信号的变化。R12、R13、R14采用T型连结，目的是提升电路阻抗和电路系统放大倍数。U6(AD797)运算放大器是 将C11、R16组成的高通滤波器去除低频干扰后的电压信号经适当放大，为下一步同步解调作好准备；U3(AD797)运算放大器组成的移相电路，其作用是使调制信号和解调信号同步；U5同步解调器，采用ADI公司生产的平衡解调器AD630，经U5同步解调出的电压信号就是反应振动加速度大小的信号；U9(OP137)运算放大器组成二阶有源低通滤波器，滤除信号中高频噪音成份；U10(OP177)运算放大器组成 跟随器，信号经调整后跟随输出。
　　U7(OP137)运算放大器组成反馈AGC回路，将振动加速度信号的输出信号反馈回源极，使动极板产生和加速度方向相反的静电力，目的是增加加速度计的灵敏度和带宽。该套加速度计的分辨率为2-18。

　　激励信号采用正弦交流信号而不用方波信号，是因为方波信号为离散信号没有连续性，解调时易产生尖峰脉冲杂波，杂波不易滤除，并且贯穿整个电路，影响测量分辨率。

参考文献：

1.  刘学涛，微机械贯性传感器检测平台的设计与应用，电子应用技术，2002,10
2.  陈蜀勇，基于PLL的信号发生器的实现，微计算机信息，2004，11
3.  吴道悌,‘非电量电检测技术’，西安交通大学出版社