《電子技術應用》
您所在的位置：首頁 > 嵌入式技術 > 設計應用 > 適用于電容式MEMS傳感器的微小電容檢測系統(tǒng)
適用于電容式MEMS傳感器的微小電容檢測系統(tǒng)
來源：電子技術應用2014年第5期
王 宇， 張曉明， 白渚銓， 趙鑫爐
(中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室，山西 太原 030051)
摘要： 針對電容式微機械陀螺測量困難的問題，設計了基于電容檢測芯片AD7747和STM21F405單片機組合的微小電容檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括I2C數(shù)據(jù)通信模塊、串口通信模塊、Flash存儲模塊以及單片機控制模塊。最后通過實驗來對其性能進行測試可得，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對微小電容的精確測量，分辨率可達1.6 fF，能夠滿足對電容式MEMS器件微弱信號的檢測。
中圖分類號： TP206
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)05-0090-03
A tiny capacitance detection system applied in capacitive MEMS sensor
Wang Yu， Zhang Xiaoming， Bai Zhuquan， Zhao Xinlu
Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract： According to the measurement difficulties of capacitive micro-machined gyro-scope, a tiny capacitance detection system based on capacitive sensing chip AD7747 and STM21F405 microcontroller was designed. The system includes I2C data communication module, serial communication modules, Flash memory modules and single-chip control module. Finally, an experiment was designed to test the properties of the system. Experiments show that the system has a high resolution and accurate measurement. The resolution can reach 1.6fF which can meets the requirement of detecting weak signals to the capacitive MEMS device.
Key words : tiny capacitors; AD7747; MEMS sensors; STM32F405

    隨著MEMS技術的快速發(fā)展，基于該工藝的微型器件得到了廣泛的應用,其中最為代表性的是微機械加速度計及微機械陀螺的快速發(fā)展。由于微機械陀螺具有體積小、成本低、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此許多科研院所公司對其進行了研究開發(fā)，本實驗室針對當前高速旋轉彈的特點提出了一種利用彈體旋轉作為驅動的陀螺。該MEMS陀螺通過檢測運動過程中電容的變化來實現(xiàn)對載體角速率的測量。然而由于MEMS器件電容都比較小，工作工程中其變化范圍就更小，所以對微小電容的精確檢測是實現(xiàn)三軸角速率提取正確的基礎。
　    本文針對這一情況提出一種可用于檢測微小電容變化的檢測電路。該檢測電路具有精度高、分辨率高等優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)有MEMS陀螺微小電容的檢測，在MEMS器件及其他電容式傳感器測試中具有廣闊的應用前景。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 陀螺工作原理
   針對旋轉彈的特點設計了利用其自身旋轉作為驅動的三軸MEMS陀螺，該陀螺與傳統(tǒng)MEMS陀螺相比，在結構上省去了驅動部分，簡化了結構設計，其結構如圖1所示。

   其工作原理為：將陀螺捷聯(lián)安裝在彈體內部，當彈體旋轉時帶動內部質量塊產(chǎn)生切線方向的速度vr，進而當彈體姿態(tài)發(fā)生變化時，亦即當其偏航角速率和俯仰角速率發(fā)生變化時導致其投影在x軸上的速度發(fā)生變化，在這兩個速度的作用下，進而產(chǎn)生哥氏加速度。隨著彈體姿態(tài)的變化，質量塊受到的哥氏力也不斷發(fā)生變化，導致質量塊上下振動，此時質量塊與極板間的電容也發(fā)生變化。通過檢測質量塊與極板間電容的變化來實現(xiàn)對彈體三軸角速率的測量。根據(jù)陀螺結構及相關理論可得，其電容變化范圍為-1.066 pF~1.066 pF，且最小變化量僅為1.95 fF。
1.2 電容檢測系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)首先利用AD7747對所測電容進行檢測，然后通過I2C總線與單片機進行通信，經(jīng)過單片機對所轉換數(shù)據(jù)進行解算，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳至上位機進行顯示或者將數(shù)據(jù)存儲在單片機的內部Flash中，其總體框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)各模塊設計
2.1 硬件電路設計
    該系統(tǒng)硬件電路比較簡單，主要包括STM32F405外圍電路的設計、與AD7747的通信接口電路設計以及其與上位機通信的接口電路設計。
2.1.1 AD7747相關簡述
    AD7747是一款低成本、高分辨率的電容數(shù)字轉換器，其電容轉換位數(shù)可達24位。其既可測量差分電容，也可實現(xiàn)單端電容的測量。差分測量范圍為±8 pF，單端測量時最大可以測量25 pF的電容。
    本文所設計陀螺采用差分電容結構，所以利用AD7747的差分測量來對其進行檢測。在檢測過程中，陀螺其中一個極板共地，另外兩個極板分別與芯片的CIN(+)、CIN(-)連接，同時為減小干擾，在連接線外面套上屏蔽線，將其與AD7747的SHLD端連接，以減少導線的干擾。然后AD7747通過內部的電容數(shù)字轉換器及相關的配置來進行容值的測量，并通過I2C總線將所測容值傳給單片機進行處理。
2.1.2 單片機外圍電路設計
    本文所設計的電容檢測系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F405單片機。該單片機是一款32位基于CortexTM-M4內核的ARM芯片，內部Flash高達1 MB，能夠實現(xiàn)長時間測試數(shù)據(jù)的存儲，且其開發(fā)簡便，能夠大大節(jié)省開發(fā)時間。所以本文選取該單片機作為該系統(tǒng)的控制中樞，其主要包括I2C數(shù)據(jù)傳輸、單片機與上位機的傳輸以及對AD7747及串口通信的基本配置。
    此外，當單片機與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸時，由于電平的不同，需要利用電平轉換芯片進行電平轉換，本文采用MAX232EUE及相應的外圍電路來實現(xiàn)電平的轉換。其原理圖如圖3所示。

2.2 軟件設計
　該系統(tǒng)軟件設計主要包括三個部分：系統(tǒng)總體設計、AD7747與單片機STM32F405的I2C通信設計和單片機與上位機的串口通信設計。
2.2.1 總體程序設計
    該系統(tǒng)的主程序是整個系統(tǒng)的核心，用以完成器件的初始化、AD7747與單片機的通信控制、數(shù)據(jù)的上傳等，其具體流程圖如圖4所示。

2.2.2 I2C通信模塊設計
    AD7747數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊是基于I2C通信協(xié)議的。I2C總線是由PHILIPS公司提出的一種兩線串行總線協(xié)議，其具有接線少、協(xié)議簡單、誤碼率低和通信速率較高等特點。I2C協(xié)議是通過一根時鐘總線進行發(fā)送機與接收機時間同步，使用一根數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸。圖5是I2C協(xié)議起始信號和終止信號的定義，這使得發(fā)送機和接收機很容易識別有用信號的開始和結束。圖6是AD7747給出的I2C總線傳輸序列。
    實現(xiàn)AD7747與STM32單片機的通信比較簡單，只需選取合適的I/O口，然后對其正確配置即可實現(xiàn)正常通信。其具體配置為：
    #define  GPIO_Pin_SCL  GPIO_Pin_2；
    #define  GPIO_Pin_SDA  GPIO_Pin_3；
　   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_SDA | GPIO_Pin_SCL；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode _OUT；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed _50MHz；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd _UP；
2.2.3 串口通信模塊設計
    該模塊主要是將處理完的數(shù)據(jù)通過串口傳到上位機進行實時顯示。該模塊需要上位機和下位機協(xié)調工作，所以該模塊包含兩部分。下位機部分主要是通過對STM32單片機進行合理的配置來實現(xiàn)串口的正確傳輸；上位機部分采用VC++進行編寫，通過發(fā)送相應的指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲。
3 實驗驗證
3.1 陀螺容值精度測試
    對于陀螺電容值的測量,首先利用4284阻抗分析儀分別對3個陀螺兩端的電容值進行測量，獲得各陀螺相應的容值,然后利用該電容檢測系統(tǒng)測量其差分值，并與4284測量結果進行對比，其對比結果如表1所示。

    通過所測數(shù)據(jù)分析可得：該檢測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對差分電容的準確測量，因此該系統(tǒng)能夠滿足電容式MEMS器件的信號檢測。
3.2 重復性及分辨率的測試

 


　該部分主要是利用三軸角速率轉臺來控制陀螺，使得質量塊在不同位置時與極板間的間距發(fā)生變化，進而電容產(chǎn)生變化，具體測試方法是轉臺按位置方式工作，其變化范圍為0°~90°~0°，變化幅度為10°。通過陀螺變化電容的測試對該系統(tǒng)的重復性及分辨率進行測試。以2號陀螺為例，其測試結果如圖7所示。
    將所采集數(shù)據(jù)進行取點分析可得數(shù)據(jù)如表2所示。

    通過表2可以看出，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對陀螺變化電容的準確測量，且能夠敏感1.6 fF容值的變化。對陀螺同一位置的兩次測量可以看出，兩次測量結果基本一致，說明該系統(tǒng)的測量重復性良好。因此可得該檢測系統(tǒng)具有較高的測量精度，同時能夠敏感fF級電容的變化，在MEMS領域具有廣闊的應用前景。
    本文設計了基于AD7747和STM32F405的微小電容檢測系統(tǒng)，分別對其硬件電路及軟件設計進行介紹，并對其性能進行測試。通過實驗可得，該系統(tǒng)測量的最小分辨率為1.6 fF，且測量精度高，能夠實現(xiàn)對設計陀螺信號的正確測量。因此其也可應用于其他電容式MEMS器件的信號測量，具有廣闊的應用范圍。
參考文獻
[1] 盛陽,趙美蓉,劉明,等.超微力發(fā)生系統(tǒng)及其電容采集模塊的設計[J].傳感技術學報,2010,23(10):1505-1509.
[2] TAKEUCHI M, LI Q, YANG B, et al. Use of a capacitance measurement device for surrogate noncontact conductance measurement[J]. Talanta, 2008,76(3):617-620.
[3] HE M, LIU R, LI Y, et al. Tactile probing system based  on micro-fabricated capacitive sensor[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2013.
[4] ZHAO Z, SHIN M, GALLMAN J M, et al. A microfabricated shear sensor array on a chip with pressure gradient calibration[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2014(205):133-142.
[5] 王海濤, 林玉池,付魯華,等. 微小力測量系統(tǒng)的實驗研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(11):8-11.
[6] 王海濤.超微力測量方案的探索實驗研究[D].天津:天津大學, 2009.

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權禁止轉載。