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微機(jī)械慣性傳感器檢測平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
摘要：一種用于微機(jī)械慣性傳感器研制與開發(fā)的檢測平臺(tái)，介紹電容式慣性傳感器微電容信號(hào)的檢測原理、該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、各個(gè)組成部分的工作原理及自動(dòng)檢測方法。關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS） 微機(jī)械陀螺（MMG） 檢測
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的科學(xué)領(lǐng)域相繼涌現(xiàn)，其中微米/納米技術(shù)就是諸多領(lǐng)域中引人注目的一項(xiàng)前沿技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，繼微米/納米技術(shù)成功應(yīng)用于大規(guī)模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)的各種微傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達(dá)到30%。微機(jī)械陀螺是其中的一個(gè)重要組成部分。目前，世界各個(gè)先進(jìn)工業(yè)國家都十分重視對(duì)MMG的研究及開發(fā)，投入了大量人力物力，低精度的產(chǎn)品已經(jīng)問世，正在向高精度發(fā)展。
1 微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀的簡要工作原理
陀螺系統(tǒng)組成見圖1，它由敏感元件、驅(qū)動(dòng)電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器的差動(dòng)電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅(qū)動(dòng)力矩的作用，質(zhì)量片在平行于襯底的平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動(dòng)軸Z軸的簡諧角振動(dòng)。當(dāng)在振動(dòng)平面內(nèi)沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時(shí)，在哥氏力的作用下，檢測質(zhì)量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動(dòng)。這種振動(dòng)幅度非常小，可以由位于質(zhì)量片下方、淀積在襯底上的電容極板檢測，并通過電荷放大器、相敏檢波電路和解調(diào)電路進(jìn)行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號(hào)。
在科研及加工過程中，一個(gè)重要的內(nèi)容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態(tài)諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機(jī)械慣性傳感器檢測平臺(tái)的研制任務(wù)。根據(jù)陀螺儀的工作原理，整個(gè)儀器包括兩大部分：驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分和表頭的輸出信號(hào)檢測部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生部分對(duì)待測的慣性傳感器給予適當(dāng)?shù)尿?qū)勸信號(hào)，使傳感器處于工作狀態(tài)。信號(hào)檢測部分要求檢測出微小電容變化，經(jīng)過放大、解調(diào)處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量采集到PC機(jī)中，分析輸出信號(hào)，以確定慣性表的特性。
2 微電容檢測技術(shù)
在MMG檢測技術(shù)中，利用電容傳感器敏感試驗(yàn)質(zhì)量片在哥氏力作用下的振動(dòng)角位移，獲取輸入角速率信號(hào)。由于陀螺儀的尺寸微小，為了得到10°/h的中等精度，要求電容測量分辨率達(dá)到（0.01×10 -15）～(1×10 -18)法拉。因此，對(duì)于微機(jī)械加速度計(jì)和向機(jī)械陀螺儀來說，檢測試驗(yàn)質(zhì)量和基片之間的電容變化是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關(guān)電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。
2.1 開關(guān)電容電路
其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。該測量電路包括一個(gè)電荷放大器、一個(gè)采樣保持電路以及控制開關(guān)的時(shí)序，如圖2所示。
在測量過程中，先將未知電容（C1、C2）充電至已知電壓Vref，然后讓其放電。充、放電過程由一定時(shí)序控制，不斷重復(fù)，使未知電容總處于動(dòng)態(tài)的充放電過程。C1、C2連續(xù)地放電，電流脈沖經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓。再經(jīng)過采樣保持器，得到輸出Vc。將公式ΔC=2C0·x/d0代入，可得電容檢測電路的傳遞函數(shù)為：
Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]
2.2 單位增益放大器電路
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