摘  要： 闡述了三明治式電容微加速度計的工作原理，并在此基礎上介紹了一種具體的三明治式微加速度計的設計：采用一種通用的電容讀取電路MXT9030實現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，調節(jié)MXT9030電路的內部參數，使加速度計系統具有良好的線性度及靈敏度。實驗結果表明，該設計可滿足較大范圍內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的慣性器件，用來測量運載體的加速度值。加速度計作為慣導系統的關鍵元件之一，在軍事、航空、航天等多個方面得到了廣泛的應用。

　　MEMS器件以其微型化的優(yōu)勢，在汽車、電子、家電、機電等行業(yè)和軍事領域越來越突顯出廣闊的應用前景，尤其是近些年來隨著航天和武器裝備技術的不斷發(fā)展，更加要求電子系統小型化、低成本和高可靠。

　　電容式加速度計是一種典型的MEMS器件，主要由敏感質量塊和檢測電路兩部分組成。敏感質量塊所承受的加速度能使其產生位移，導致電容大小發(fā)生變化，檢測電路能將檢測到的電容變化轉換成電壓變化，從而將被測非電學的加速度信號轉換成電信號。由于微加速度計結構的微型化，其電容總量一般在幾十個皮法內，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構（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現對該芯片的內部參數的調節(jié)和配置，使加速度計整體系統能夠達到最佳工作狀態(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敏感質量塊，與上、下固定電極構成差分電容。

　　當外部加速度為0時，質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；當有加速度作用于加速度計時，敏感質量塊偏離平衡位置，產生位移?駐d，C1≠C2。假設產生向上的位移，則有：

　　由于結構應力和靜電力反饋，質量塊位移較小，?駐d遠遠小于d0，忽略高次項可得：

　　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（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信號Vout：

　　接口電路將敏感質量塊上的交流電壓信號放大，經解調電路解調后，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-電壓轉換電路，對輸入信號可進行數字可編程調節(jié)與補償。該電路主要用于差分電容傳感器、微機械壓力傳感器、流體傳感與控制、便攜式傳感器等傳感器應用領域。

　　MXT9030是一種適用于差分電容傳感器的可編程信號轉換器件，模擬信號通道對傳感器信號進行放大，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字校正，通過設置芯片上的寄存器值實現。MXT9030的內部工作原理圖如圖3所示。

　　從圖3中可以看到，電容CS1、CS2的電荷量依靠C-V轉換器進行讀出，具體過程是通過發(fā)送方波到C1和C2上作為驅動，然后讀出從CM中轉移出來的電荷量以進行下一步處理。引腳REF在默認情況下與輸出放大器相連接，產生的VREF作為內部參考，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字控制來實現電容信號到電壓信號的轉換，通過電路中的配置參數實現對非線性和偏置等誤差的調整補償。電容到電壓的轉換由兩個階段完成，第一個階段是電容-電壓的轉換階段，系統通過對寄存器COFF、CCOMP的設置來實現偏置的補償，通過寄存器CNOM、CDEN實現非線性的補償；第二階段是增益放大階段，其中增益的設置通過寄存器GAINH，GAINL來控制，并通過對寄存器ROFF的設置實現精細偏置校準。當CS1=CS2時，輸出電壓等于內部參考電壓VREF(VOFF為0)。因此可以依據VOUT-VREF的值來檢測CS1，CS2是否相等。此外，MXT9030提供一個兩線數字接口用于對其內部寄存器的讀與寫。該接口為雙向的，MXT9030總是從屬設備。SCK引腳用于時鐘，SDA引腳是雙向引腳用于傳輸數據。在開始傳輸數據之前有一個開始條件(讀和寫命令)，即當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計和16位精簡指令結構，具有5種低功耗模式；CPU內置16位寄存器及常數發(fā)生器，能夠實現最高的代碼效率；鎖頻環(huán) FLL+和數控振蕩器使得微處理器能在6微秒內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置16位定時器、一個比較器、一個SCAN接口模塊、96段LCD驅動器和48個I/O引腳。

　　MXT430可與傳感器構成數據采集系統，捕獲模擬信號并轉換為數字信號，處理數字信號并傳送到主系統中。

4 應用分析

　　本電路輸出電壓與待測電容的關系為：

　　將傳感器電容值和微控制器配置參數代入以上公式，即可求出電路的最終輸出。其中，VM為C-V轉換后得到的電壓輸出，VOFF為偏置電壓，VREF為參考電壓，CCOMP為非線性補償電容。

　　本文搭建的加速度計系統進行了兩方面的測試，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電路的寄存器參數配置，查看電路輸出值，結果顯示各配置字有效地調節(jié)了電路參數，電路功能正常；二是對量程為±60 g的加速度計系統進行動態(tài)測試，測試儀器為離心機，在不同加速度條件下測量電路輸出值，然后對數據進行處理，得到各階系數及殘差，如表1所示。

　　該實驗表明，MXT9030電路用于電容差分信號檢測，可檢測電容范圍大，可調整參數多，能對傳感器誤差進行較大程度的補償，而且電路轉換精度高，可靠性強。

5 結論

　　本文采用高精度電容讀取電路MXT9030對差分電容信號進行檢測，微控制器MXT430對其寄存器進行配置，前端為量程±60 g的三明治式電容MEMS加速度傳感器。實驗結果表明，MXT9030電路輸入范圍大，可調余地廣，性能穩(wěn)定，與電容性MEMS傳感器的適配性強。