CN103558417A

CN103558417A - 一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法及其装置

Info

Publication number: CN103558417A
Application number: CN201310549735.5A
Authority: CN
Inventors: 杜连明; 何晓平; 施志贵; 李寅鑫
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2014-02-05

Abstract

本发明提供了一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法及其装置，电容式微加速度计表头有两个固定电极板和活动电极板，三个电极之间构成差分电容，在两固定电极板分别施加相位互补、幅度具有动态调整特性的交流激励信号，耦合至活动电极板，检测中间电极交流电荷，经解调和比例积分控制后调整交流激励信号幅度，使得两固定电极板耦合至活动电极板电荷自动对消，形成电荷再平衡，比例积分控制输出电压正比于表头差分电容的电容差与电容和的比值。采用该方法形成的检测装置，解决了开环检测电路前向增益精度和前向增益稳定性引起的加速度计刻度稳定性差和零位稳定性差问题，避免了静电力平衡微加速度计中因介质充电效应引起的加速度计零位输出漂移的缺点，具有测量精度高、稳定性好、对不同表头兼容性好等特点。

Description

一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法及其装置

技术领域

本发明属于微加速度计信号检测技术领域，具体涉及一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法和装置。

背景技术

微加速度计是用微机械电子工艺加工的特征尺寸在微米级的器件，用于测量载体的非引力加速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，属惯性传感器，有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用以及惯性制导和战术导弹等军事领域。

电容式微加速度计表头采用典型的“弹簧-质量”结构，在惯性力作用下，受弹性梁支撑的质量块产生位移，动极板和固定极板间的电容随之变化，检测电路用于检测电容的变化来反映加速度的大小，或者由检测电路和表头组成静电力平衡惯性力的机电系统，用于产生静电力的电压反映加速度的大小。典型的微加速度计表头采用差分设计，由三个电极板，受弹性梁支撑的活动极板位于两固定电极板之间，同时三者之间形成差分电容，当加速度为零时，活动极板处于两固定电极的中间位置，电容差值为零，当存在加速度时，活动极板偏离中间位置，电容差相应变化。

静电力伺服检测方式是当前应用比较广泛的检测方法。其实现途径为：在微加速度计表头的活动极板施加直流预载电压，在上固定极板和下固定极板分别施加幅度相等和频率相同、相位相差180°的两路激励信号。活动极板既是加力电极，又是检测电容。其基本原理基于牛顿第二定律，它通过敏感相应的惯性力来间接测量加速度。当受到加速度时，检测质量位置发生变化，引起差动电容的变化。检测电容差分信号经电荷放大或电压放大、相敏解调和比例积分微分校正后，输出电压反馈到上极板，同时输出电压反相后施加至下极板，形成静电力反馈，反馈作用使活动极板保持在中间平衡位置，反馈电压与被测加速度成线性关系。

静电力伺服系统中，由于检测电路的前向环节的增益很大，增益的波动对加速度计测量精度和稳定性的影响很小，但静电力伺服的微加速度表存在以下几点缺点：

1）由于活动极板直流静电偏压和固定极板的反馈电压存在，可能发生在电介质层的充电现象。表面的电荷积累可能造成加速度计的漂移，寄生电荷的积累也可能改变改变器件的力学特性；

2）可能存在静电吸合失效。工作状态时，静电力伺服微加速度计受到外界较强振动或冲击时，活动极板偏离平衡位置。如果此过程中表头的机械刚度小于静电刚度，致使动片所受静电力大小超过弹性支承梁的弹性回复力,使动片被静电力吸住贴于固定极板上无法回复平衡位置，出现吸合失效。为避免静电吸合，设计时要求支撑质量块的弹簧刚度大于闭环系统可能产生的最大静电刚度，这就要求机械刚度很高，而机械刚度过大会引起加速度表零位输出不稳定；

3）由于具有二阶传输特性的机械部分处于闭环回路内部，可能影响回路的稳定性。

开环检测方式是当前应用比较广泛的另一种检测方法。其实现途径为：在上固定极板和下固定极板分别施加幅度相等和频率相同、相位相差180°的两路激励信号，当活动极板处于中间位置时，由于活动极板与两固定极板电容相等，激励信号耦合到活动极板强度相同，活动极板输出信号为零。当外界加速度使活动极板产生相对位置变化时，激励信号耦合到活动极板强度产生相应变化，利用电荷放大器或电压放大器检测活动极板输出，经相敏解调、放大后输出，输出信号与加速度呈近似线性。

开环检测实质上是检测差分电容的变化量，由于避免施加静电偏压和反馈电压，其不会出现因静电偏压引起的加电零位时漂和静电吸合失效。但是，开环检测的原理决定了其不可避免的缺点：

1）刻度依赖多方面因素，包括激励信号的幅度、电荷放大器或电压放大器的增益、相敏解调器的相位失真、表头或检测电路杂散电容的不稳定等。要保证刻度的稳定，就必须保证上述诸多环节均稳定。事实上，敏感结构寄生电容随温度变化不可避免，要实现激励信号幅度高稳定、放大器的等的高稳定都极其难以实现；

2）由于差分电容的变化量与活动极板的位移不是严格的正比例关系，导致输出非线性，特别是活动极板行程较大时，非线性尤其严重；

3）在差分电容检测时，固定幅度的激励信号作用在上下固定极板，当存在外界加速度时，活动极板偏离中间位置，受到两个不对等的静电力，也会导致输出非线性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法，本发明要解决的另一技术问题是提供一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置。

本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法，依次包括如下步骤：

1）在电容式微加速度计表头的两固定极板分别施加相位互补、幅度具有动态调整特性的交流信号耦合至活动电极板；

2）检测中间电极交流电荷，经解调输出后得到表头极板的电容差信息，形成相应电荷检测输出信号；

3）对步骤2）的电荷检测输出信号进行反馈控制；

4）对步骤3）的输出反馈至调幅模块，即反馈电压与电压基准求和调制，以改变施加在固定电极的交流信号幅度，当步骤3）的增益趋于无穷大时，两固定电极板耦合至活动电极板电荷自动对消，活动极板交流电荷趋于零；

5）当外界加速度使活动极板产生相对位置变化时，检测输出重新调整固定电极交流幅度，形成电荷再平衡，检测输出正比于表头差分电容的电容差与电容和的比值。

本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置，包含用于检测微加速度计表头活动极板的电荷检测单元、反馈控制单元和幅度调制单元；所述的反馈控制单元将电荷检测单元输出进行比例积分控制，比例积分控制输出作为加速度表的输出，同时该输出经增益控制单元后接入幅度调制单元，幅度调制单元中的幅度调制器A利用时钟CLK、正电压基准Vref和反馈电压Vf生成调幅信号V1并与微加速度计表头的固定极板A相连接；幅度调制单元中的幅度调制器B利用时钟CLK、负电压基准-Vref和反馈电压Vf生成调幅信号V2并与微加速度计表头的固定极板B相连接。

所述的检测装置中，幅度调制器A输出交流信号V1和幅度调制器B输出交流信号V1二者相位相差180°，幅度变化趋势相反，幅度变化量相等，使固定极板A和固定极板B与活动极板的电信号耦合量抵消，活动极板电荷趋于零。

所述的检测装置中，在比例积分控制与幅度调制单元之间串接分压电阻网络，用以调整检测输出刻度因子。

所述的检测装置中，幅度调制单元用以下述单元替代：两个幅度调制器输入为同一电压基准，反馈电压输入至模拟开关A，反馈电压经反相后输入至模拟开关B。

所述的检测装置中，幅度调制单元中的幅度调制器A或幅度调制器B由固定幅度激励信号替代其中之一。

本发明采用电荷再平衡的方法实现差分电容的检测，解决了开环检测电路前向增益精度和稳定性引起的加速度表刻度稳定和零位稳定性差问题，解决了开环检测电路中交流载波信号引起附加静电力对输出稳定性和线性度的影响，解决了静电力平衡微加速度计中因介质充电效应引起的加速度计零位输出漂移问题，解决了静电力平衡微加速度计工作时受冲击或振动可能出现的静电吸合失效问题。保证了表头活动极板与固定极板之间直流电位相等，交流信号引起的静电力相互抵消。消除了电容式加速度计中检测电路对表头的附加影响。本发明具有测量精度高、稳定性好、对不同表头兼容性好等特点。

附图说明

图1为本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置实施例1的原理框图；

图2为现有技术中的电容式微加速度计静电伺服检测装置原理框图；

图3为现有技术中的电容式微加速度计开环检测装置原理框图；

图4为现有技术中的电容式微加速度计表头结构示意图；

图5为本发明采用的幅度调制模块的原理图；

图6为本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置中幅度调制模块实施例2的原理框图；

图7为本发明的电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置实施例2的原理框图；

图中：1.微加速度计表头 11.固定极板A 12.活动极板 13.固定极板B 2.电荷检测单元 21.电荷放大器 22.相敏解调器 3.反馈控制单元 31.比例积分控制器 32.输出增益控制器 4.幅度调制单元 41.幅度调制器A 42.幅度调制器B 71.模拟开关A 74.模拟开关B 76.电压反向器 81.固定幅度激励信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

图1是电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法和装置的原理总示意图。电容式微加速度计表头1有三个电极板：固定电极板A11、固定极板B13和活动极板12，三个电极之间构成差分电容。图4是现有技术中的电容式微加速度计表头结构较详细的示意图，当外界加速度为零时，活动极板12处于中间位置，它与固定极板A11和固定极板B13的距离均为d0，与固定极板A11和固定极板B13的电容均为C0，当外界加速度为a时，活动极板12受力为ma，由于活动极板受刚度为k的弹簧支撑，因此活动极板相对固定极板产生的位移为Δd，此时活动极板12与固定极板之间的电容发生变化，其中与固定极板A11之间的电容由C0变成C1，与固定极板B13之间的电容由C0变为C2。结合图1和图4，假定反馈电压Vf初始为零，幅度调制器A41输出的激励信号V1与幅度调制器B42输出的激励信号V2幅度相等，相位相差180°，由于活动极板12在外界加速度作用存在位移，它与两固定极板的电容差不为零，因此活动极板12产生交流电荷ΔQ，ΔQ经电荷检测单元2的电荷放大器21后输出Vq，再经相敏解调器22后输出低频信号Vdem，Vdem输入至反馈反馈控制单元3的比例积分控制器31，比例积分控制器31的主要作用是保证系统足够的直流增益的同时，保证系统稳定，在实际的检测装置中，比比例积分控制器31的直流增益近似无穷大，随频率增加增益渐渐变小；比例积分控制器31输出Vout一方面作为整个装置的输出，另一方面经输出增益控制器32后作为幅度调制单元4的输入电压Vf，需要说明的是，比例积分控制器31输出Vout经分压电阻网络后再输入至幅度调制单元4的目的是提高检测装置输出的刻度因子，如对输出刻度因子无需求，分压电阻网络可以去除，此时，比例积分控制器31输出Vout直接输入至幅度调制单元4。对于幅度调制A41，其输入信号包含电压基准Vref、反馈电压Vf和时钟信号CLK，其输出为高频激励方波信号V1，V1的幅度为电压基准Vref和反馈电压Vf之和，相位与时钟信号CLK相同，V1耦合至活动极板的交流电荷量为(Vref-Vf)*C1；对于幅度调制B42，其输入信号包含电压基准-Vref、反馈电压Vf和时钟信号CLK，其输出为高频激励方波信号V1，V1的幅度为电压基准-Vref和反馈电压Vf之和，相位与时钟信号CLK相差180°,V2耦合至活动极板12的交流电荷量为(-Vref-Vf)*C2。当检测装置环路放大倍数趋于无穷大时，系统处于深度负反馈，此时活动极板12产生交流电荷ΔQ趋于零，形成电荷再平衡，检测输出正比于表头差分电容对中电容差与电容和的比值，并近似正比于表头的活动电极板12与固定极板之间的相对位移量。具体推导如下

(A1)

(A2)

(A3)

(A4)

(A5)

其中，S为电容极板面积，ε为介电常数。

从（A1）、（A2）、（A3）、（A4）（A5）可以推出：

当以加速度计表头极板间的电容为参量时，检测输出具体表达式A6为：

(A6)

当以加速度计表头为参量时，检测输出具体表达式A7为：

(A7)

当以外界加速度和加速度计表头为参量时，检测输出具体表达式A8为：

(A8)

可以看出，由于基准电压Vref、分压电阻R1、分压电阻R2都为固定值，检测装置的输出与加速度成正比，与电路放大倍数无关，避免了开环检测电路前向增益精度和稳定性引起的加速度表刻度稳定和零位稳定性差的缺点。

对于活动极板12的静电合力，在图1中，假定活动极板12在外力作用下向固定极板A 11位移为Δd，在忽略杂散电容时，活动极板12与两固定极板之间的静电合力为：

(A9)

由于载波为标准方波，上极板载波峰峰值为

，下极板载波峰峰值为，有：

(A10)

(A11)

从（A1）、（A2）、（A3）、（A9）、（A10）、（A11）可以推出：

(A12)

对于微加速度表表头，活动极板12与两固定极板之间的静电合力为零，使表头的弹簧质量系统不受检测电路影响，处于“自由”状态，避免了静电力伺服微加速度计静电吸合失效，机械传输部分处于闭环回路外部，回路的稳定性也得到解决，同时避免了开环检测电路中交流载波信号引起附加静电力对输出稳定性和线性度的影响；由于在表头的三个极板的直流电位完全相同，从而避免了静电力平衡微加速度计中因介质充电效应引起的加速度计零位输出漂移的缺点；从图1可以看出，分压电阻网络处于反馈环路内部，实现了检测输出刻度因子的调节，避免了在闭环回路外实现增益控制引起的零位误差。

图5为幅度调制模块原理图，包含两个相同的单刀双置的模拟开关，其导通状态均由同一时钟CLK控制，其中模拟开关A71的输入信号包含电压基准Vref和反馈电压Vf，模拟开关B74的输入信号包含电压基准-Vref和反馈电压Vf，实现了幅度精确调制的同时，保证两激励信号相位相差180°。

图6为幅度为单电压基准实现幅度调制的原理图，是图5所示的幅度调制模块替代实现方法，其优点在于只需要单个电压基准，但多出一个电压反向器76，其调幅效果等同于图5所示的幅度调制模块。

实施例2

图7为电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置中的幅度调制单元中的一个幅度调制器由固定幅度激励信号替代示意图。固定幅度激励信号81施加至微加速度计表的固定极板A11，同时作为时钟信号CLK，替代后幅度调制单元结构简单，便于实现，但施加在表头固定极板的两激励信号的存在因模拟开关的传输延时引起的相位差，适用于检测精度相对略低的应用场合。

以上所述仅是本发明优选实施方法，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡本发明思路，即调幅反馈方法使表头电极板电荷平衡的检测方案下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明的电荷平衡式微加速度计差分电容检测方法和装置也适用于其它差分电容的检测。

Claims

1.一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测方法，其特征在于依次包括如下步骤：

1）在电容式微加速度计表头两固定极板分别施加相位互补、幅度具有动态调整特性的交流信号耦合至活动电极板；

3）对步骤2）的电荷检测输出信号进行反馈控制；

5）当外界加速度使活动极板产生相对位置变化时，检测输出重新调整固定电极交流幅度，形成电荷再平衡，检测输出正比于表头差分电容对中电容差与电容和的比值。

2.一种电荷平衡式微加速度计表头差分电容检测装置，其特征在于，所述的装置包含用于检测微加速度计表头（1）活动极板（12）电荷的电荷检测单元（2）、反馈控制单元（3）和幅度调制单元（4）；所述的反馈控制单元（3）将电荷检测单元（2）输出进行比例积分控制（31），比例积分控制（31）输出作为加速度表的输出，同时该输出经增益控制单元（32）后接入幅度调制单元（4），幅度调制器A（41）利用时钟CLK、正电压基准Vref和反馈电压Vf生成调幅信号V1并与微加速度计表头（1）固定极板A（11）相连，幅度调制器B（42）利用时钟CLK、负电压基准-Vref和反馈电压Vf生成调幅信号V2并与微加速度计表头（1）固定极板B（13）相连；当微加速度计表头（1）活动极板（12）受惯性力作用时，产生相对位移，幅度调制器A（41）输出交流信号V1和幅度调制器B（42）输出交流信号V1都产生变化，幅度的变化量与活动极板（12）相对位移量呈线性关系。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述幅度调制器A（41）输出交流信号V1与幅度调制器B（42）输出交流信号V1二者相位相差180°，幅度变化趋势相反，幅度变化量相等，使固定极板A（11）和固定极板B（13）与活动极板（12）的电信号耦合量抵消，活动极板（12）电荷趋于零。

4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，在所述的比例积分控制（31）与幅度调制单元（4）之间串接分压电阻网络（32），用以调整检测输出刻度因子。

5.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的幅度调制单元（4）用以下述单元替代：两个幅度调制器输入为同一电压基准，反馈电压输入至模拟开关A（71），反馈电压经反相后输入至模拟开关B（74）。

6.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的幅度调制单元（4）中的幅度调制器A（41）或幅度调制器B（42）由固定幅度激励信号（81）替代其中之一。