摘要：一種用于微機械慣性傳感器研制與開發的檢測平臺，介紹電容式慣性傳感器微電容信號的檢測原理、該系統的總體結構、各個組成部分的工作原理及自動檢測方法。
關鍵詞：微機電系統（MEMS） 微機械陀螺（MMG） 檢測

隨著科學技術的發展，許多新的科學領域相繼涌現，其中微米/納米技術就是諸多領域中引人注目的一項前沿技術。20世紀90年代以來，繼微米/納米技術成功應用于大規模集成電路制作后，以集成電路工藝和微機械加工工藝為基礎的各種微傳感器和微機電系統（MEMS）脫穎而出，平均年增長率達到30%。微機械陀螺是其中的一個重要組成部分。目前，世界各個先進工業國家都十分重視對MMG的研究及開發，投入了大量人力物力，低精度的產品已經問世，正在向高精度發展。

1 微機械振動陀螺儀的簡要工作原理

陀螺系統組成見圖1，它由敏感元件、驅動電路、檢測電路和力反饋電路等組成。在梳狀靜電驅動器的差動電路上分別施加帶有直流偏置但相位相反的交流電壓，由于交變的靜電驅動力矩的作用，質量片在平行于襯底的平面內產生繞驅動軸Z軸的簡諧角振動。當在振動平面內沿垂直于檢測軸的方向（X方向）有空間角速度Ω輸入時，在哥氏力的作用下，檢測質量片便繞檢測軸（Y軸）上下振動。這種振動幅度非常小，可以由位于質量片下方、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電路進行處理，得到與空間角速度成正比的電壓信號。

在科研及加工過程中，一個重要的內容就是檢測陀螺儀的特性，如工作狀態諧振頻率、帶寬增益、Q值等，于是就提出了微機械慣性傳感器檢測平臺的研制任務。根據陀螺儀的工作原理，整個儀器包括兩大部分：驅動信號發生部分和表頭的輸出信號檢測部分。驅動信號發生部分對待測的慣性傳感器給予適當的驅勸信號，使傳感器處于工作狀態。信號檢測部分要求檢測出微小電容變化，經過放大、解調處理后，將模擬量轉換成數字量采集到PC機中，分析輸出信號，以確定慣性表的特性。

2 微電容檢測技術

在MMG檢測技術中，利用電容傳感器敏感試驗質量片在哥氏力作用下的振動角位移，獲取輸入角速率信號。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到（0.01×10-15）～(1×10-18)法拉。因此，對于微機械加速度計和向機械陀螺儀來說，檢測試驗質量和基片之間的電容變化是一個關鍵技術。目前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容前在MMG中采用的微電容檢測方案有三種：開關電容電路、單位增益放大電路和電荷放大電路。

2.1 開關電容電路

其基本原理是利用電容的充放電將未知電容變化轉換為電壓輸出。該測量電路包括一個電荷放大器、一個采樣保持電路以及控制開關的時序，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、放電過程由一定時序控制，不斷重復，使未知電容總處于動態的充放電過程。C1、C2連續地放電，電流脈沖經過電荷放大器轉換為電壓。再經過采樣保持器，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為：

Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

2.2 單位增益放大器電路

AD公司與U.C.Berkeley聯合開發的ADXL50（5g的微機械加速度計）采用了單位增益放大電路。

圖3是單位增益放大器的等效電路。

圖3中，Cp為分布電容，Cgs為前置級輸入電容，Rgs為輸入電阻。當載波頻率在放大器的通頻帶以內時，前置級輸入電阻可忽略不計。由圖3可午，前置級有用信號輸出為：

（Vs-Vout）jω（C0+ΔC）+(-Vs-Vout)jω（C0-ΔC）
=Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

∵ Rgs→∞
∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

分布電容Cp約為10pF，輸入電容Cgs約為1～10pF，一般都大于傳感器標稱電容C0(1pF左右)。可以看出，它們的存在都極大地降低了電容檢測靈敏度。要提高電路靈敏度，就必須消除Cp、Cgs的影響，通常采用的措施等電位屏蔽。

2.3 電荷放大器電路

電荷放大器電路如圖4所示。它采用具有低輸入阻抗的反相輸入運算放大器。其中Cp表示分布電容，Cf為標準反饋電容，Rf用來為放大器提供直流通道，保持電路正常工作。應選取Rf，使時間常數RfCf遠大于載波周期，以避免輸出波形畸變。但Rf過大為今后電路集成帶來不便。可以使用小阻值的電阻組成T型網絡，替代大阻值電阻。

若運算放大器具有足夠的開環增益，反相輸入端為很好的虛地，那么，兩輸入端點之間的電位差為零。因此，反相輸入端對地的分布電容Cp和放大器的輸入電容Cgs對電路測量不會造成影響。電荷放大電路相對于單位增益放大電路來說，結構要簡單，不需考慮等電位屏蔽問題；只需將雜散電容的影響轉化為對地的分布電容，即進行合理的對地屏蔽，就能獲得較好的效果。

盡管在電荷放大電路中，可以忽略掉輸入電容及反相輸入端對地的分布電容，但是在檢測微小電容變化時，輸出還是有很大的衰。這是由放大器輸入輸出端分布電容Cio造成的。當載波電壓頻率大于1/（2πRfCf）和小于放大器的截止頻率時，輸出電壓Vout應該表示為：

Vout=-[(C1-C2)/（Cio+Cf）]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]Vs

3 檢測平臺的系統構成及工作原理

該系統的工作原理如圖5所示。對慣性傳感器施以適當的激勵信號后，傳感器的動片即處于振動狀態，上下極板間的電容發生周期變化，采用電荷放大器電路將該信號提取出來，經交流放大、解調后通過A/D轉換變成數字量采集到微機中，觀察傳感器的輸出響應，為下一步利用軟件方法分析微機械慣性傳感器的時域、頻域特性打下基礎。

3.1 激勵信號發生器

根據微機械輪式振動陀螺儀的工作原理，最多需要4路激勵信號。激勵信號為正弦波，每兩路相位相反。為了測量陀螺儀的頻率特性，需要不斷改變激勵信號的頻率。目前不同設計的陀螺儀諧振頻率在幾百赫茲到10千赫茲之間，激勵信號也需要在這個范圍內進行調節。另外，陀螺儀的驅動力矩等于驅動信號的交流分量與直流分量的乘積，所以還要施加正或負的直流偏置，使陀螺能處于正常工作狀態。交流相位和直流偏置組合見表1。