摘 要： 闡述了三明治式電容微加速度計的工作原理，并在此基礎(chǔ)上介紹了一種具體的三明治式微加速度計的設(shè)計：采用一種通用的電容讀取電路MXT9030實(shí)現(xiàn)對電容式微加速度傳感器的信號檢測，通過微控制器的控制，調(diào)節(jié)MXT9030電路的內(nèi)部參數(shù)，使加速度計系統(tǒng)具有良好的線性度及靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計可滿足較大范圍內(nèi)的電容差分信號輸入，并具有良好的檢測靈敏度和線性度。
關(guān)鍵詞： 微電容加速度計；MEMS；MXT9030；微控制器
0 引言
加速度計又稱比力傳感器，是一種以牛頓慣性定律為理論基礎(chǔ)的慣性器件，用來測量運(yùn)載體的加速度值。加速度計作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，在軍事、航空、航天等多個方面得到了廣泛的應(yīng)用。
MEMS器件以其微型化的優(yōu)勢，在汽車、電子、家電、機(jī)電等行業(yè)和軍事領(lǐng)域越來越突顯出廣闊的應(yīng)用前景，尤其是近些年來隨著航天和武器裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，更加要求電子系統(tǒng)小型化、低成本和高可靠。
電容式加速度計是一種典型的MEMS器件，主要由敏感質(zhì)量塊和檢測電路兩部分組成。敏感質(zhì)量塊所承受的加速度能使其產(chǎn)生位移，導(dǎo)致電容大小發(fā)生變化，檢測電路能將檢測到的電容變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，從而將被測非電學(xué)的加速度信號轉(zhuǎn)換成電信號。由于微加速度計結(jié)構(gòu)的微型化，其電容總量一般在幾十個皮法內(nèi)，電容變化量則更小，因此要求檢測電路必須具有非常高的靈敏度才能準(zhǔn)確地檢測出該信號。本文所述的一種電容式微加速度計具有典型的三明治結(jié)構(gòu)（如圖1），采用北京時代民芯科技有限公司的電容檢測芯片MXT9030作為檢測電路的主要組成部分，并使用微控制器配合來實(shí)現(xiàn)對該芯片的內(nèi)部參數(shù)的調(diào)節(jié)和配置，使加速度計整體系統(tǒng)能夠達(dá)到最佳工作狀態(tài)。
1 差分電容檢測原理
如圖1所示，在微加速度計中，M是面積為S敏感質(zhì)量塊，與上、下固定電極構(gòu)成差分電容。
當(dāng)外部加速度為0時，質(zhì)量塊位于中間平衡位置，與上、下極板間的原始距離均為d0，塊-板間電容C1=C2=C0=0S/d0；當(dāng)有加速度作用于加速度計時，敏感質(zhì)量塊偏離平衡位置，產(chǎn)生位移?駐d，C1≠C2。假設(shè)產(chǎn)生向上的位移，則有：
由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力和靜電力反饋，質(zhì)量塊位移較小，?駐d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于d0，忽略高次項(xiàng)可得：
通過式（3）檢測出差分電容C，就可得到加速度信號的大小和方向。
為檢測加速度，通常在上、下固定極板上分別施加互補(bǔ)（相位相差180°）的高頻方波信號VS，Vout1、Vout2分別表示上、下極板與M間的輸出信號，綜合以上幾個公式，可得知上、下極板間輸出的交流感應(yīng)信號Vout：
接口電路將敏感質(zhì)量塊上的交流電壓信號放大，經(jīng)解調(diào)電路解調(diào)后，由濾波電路輸出一個與加速度一致的電壓信號。
2 微弱電容信號檢測電路
本文設(shè)計的微弱電容信號檢測電路的功能框圖如圖2所示。
MXT9030是一種高精度的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路，對輸入信號可進(jìn)行數(shù)字可編程調(diào)節(jié)與補(bǔ)償。該電路主要用于差分電容傳感器、微機(jī)械壓力傳感器、流體傳感與控制、便攜式傳感器等傳感器應(yīng)用領(lǐng)域。
MXT9030是一種適用于差分電容傳感器的可編程信號轉(zhuǎn)換器件，模擬信號通道對傳感器信號進(jìn)行放大，并為零位、跨距、零位漂移、跨距漂移和傳感器線性誤差提供數(shù)字校正，通過設(shè)置芯片上的寄存器值實(shí)現(xiàn)。MXT9030的內(nèi)部工作原理圖如圖3所示。
從圖3中可以看到，電容CS1、CS2的電荷量依靠C-V轉(zhuǎn)換器進(jìn)行讀出，具體過程是通過發(fā)送方波到C1和C2上作為驅(qū)動，然后讀出從CM中轉(zhuǎn)移出來的電荷量以進(jìn)行下一步處理。引腳REF在默認(rèn)情況下與輸出放大器相連接，產(chǎn)生的VREF作為內(nèi)部參考，它的值必須接近（VDD+VSS）/2。
具體工作流程如下：MXT9030是基于模擬信號通道并通過數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)電容信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，通過電路中的配置參數(shù)實(shí)現(xiàn)對非線性和偏置等誤差的調(diào)整補(bǔ)償。電容到電壓的轉(zhuǎn)換由兩個階段完成，第一個階段是電容-電壓的轉(zhuǎn)換階段，系統(tǒng)通過對寄存器COFF、CCOMP的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)偏置的補(bǔ)償，通過寄存器CNOM、CDEN實(shí)現(xiàn)非線性的補(bǔ)償；第二階段是增益放大階段，其中增益的設(shè)置通過寄存器GAINH，GAINL來控制，并通過對寄存器ROFF的設(shè)置實(shí)現(xiàn)精細(xì)偏置校準(zhǔn)。當(dāng)CS1=CS2時，輸出電壓等于內(nèi)部參考電壓VREF(VOFF為0)。因此可以依據(jù)VOUT-VREF的值來檢測CS1，CS2是否相等。此外，MXT9030提供一個兩線數(shù)字接口用于對其內(nèi)部寄存器的讀與寫。該接口為雙向的，MXT9030總是從屬設(shè)備。SCK引腳用于時鐘，SDA引腳是雙向引腳用于傳輸數(shù)據(jù)。在開始傳輸數(shù)據(jù)之前有一個開始條件(讀和寫命令)，即當(dāng)SCK總是高電平時，SDA有一個從高電平到低電平的下降沿。
3 微控制器
微控制器選擇的是北京時代民芯科技有限公司的MXT430電路，其原理如圖4所示。微控制器采用低功耗設(shè)計和16位精簡指令結(jié)構(gòu)，具有5種低功耗模式；CPU內(nèi)置16位寄存器及常數(shù)發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)最高的代碼效率；鎖頻環(huán) FLL+和數(shù)控振蕩器使得微處理器能在6微秒內(nèi)從低功耗模式快速切換到工作模式；該微控制器配置有兩個內(nèi)置16位定時器、一個比較器、一個SCAN接口模塊、96段LCD驅(qū)動器和48個I/O引腳。
MXT430可與傳感器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，捕獲模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，處理數(shù)字信號并傳送到主系統(tǒng)中。
4 應(yīng)用分析
本電路輸出電壓與待測電容的關(guān)系為：
將傳感器電容值和微控制器配置參數(shù)代入以上公式，即可求出電路的最終輸出。其中，VM為C-V轉(zhuǎn)換后得到的電壓輸出，VOFF為偏置電壓，VREF為參考電壓，CCOMP為非線性補(bǔ)償電容。
本文搭建的加速度計系統(tǒng)進(jìn)行了兩方面的測試，一是在靜態(tài)條件下，MEMS傳感器受到加速度為0 g，通過改變MXT9030電路的寄存器參數(shù)配置，查看電路輸出值，結(jié)果顯示各配置字有效地調(diào)節(jié)了電路參數(shù)，電路功能正常；二是對量程為±60 g的加速度計系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)測試，測試儀器為離心機(jī)，在不同加速度條件下測量電路輸出值，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各階系數(shù)及殘差，如表1所示。
該實(shí)驗(yàn)表明，MXT9030電路用于電容差分信號檢測，可檢測電容范圍大，可調(diào)整參數(shù)多，能對傳感器誤差進(jìn)行較大程度的補(bǔ)償，而且電路轉(zhuǎn)換精度高，可靠性強(qiáng)。
5 結(jié)論
本文采用高精度電容讀取電路MXT9030對差分電容信號進(jìn)行檢測，微控制器MXT430對其寄存器進(jìn)行配置，前端為量程±60 g的三明治式電容MEMS加速度傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MXT9030電路輸入范圍大，可調(diào)余地廣，性能穩(wěn)定，與電容性MEMS傳感器的適配性強(qiáng)。