《固态传感器实验（精编版）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固态传感器实验（精编版）（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、固态传感器及其集成化实验报告学院航天学院专业集成电路工程学号14S121040姓名卿绍俊同组人张瑞敏、赵银武 实验时间2014 年 12 月 23 日实验一叉指电容式开环加速度计原理1. 实验目的通过本次实验熟悉微加速度计的工作原理及其应用，利用Matlab 学习加速度计整体电路模块的设计和仿真。2. 开环电容式加速度计原理简介2.1 微结构的工作原理加速度传感器是一种惯性传感器， 其基本结构是由弹性梁和惯性质量组成的转换系统， 可以等效成由质量、 弹簧组成的单自由度二阶阻尼振动系统，利用系统的在低频区的线性频率响应实现对被测参量 加速度的测量。加速度传感器的机械部分可以表征为如图2-1 所示
2、的系统结构。图 2-1 加速度传感器的机械系统原理其中 m 为振动块质量， R 为阻尼系数， k 为弹性系数，a 为加速度，根据牛顿第二定律可建立振动微分方程：将仿真 (2-1)进行拉普拉斯变换：(2-1)(2-2)(2-3)其中为固有谐振频率， 为品质因数。 为了方便使用， 我们把单位加速度作用下的质量块位移定义为加速度传感器结构的灵敏度。则(2-4)时，灵敏度是个常数， 当与梁的谐振频率的平方成反比在接近时，灵敏度要增大Q 倍，在时，灵敏度是频率平方的倒数。一般希望灵敏度在整个工作范围内为常数，因而应使梁的谐振频率远远大于工作频率。从式 (2-3)中可以看出高的灵敏度可以通过加大质量块的质
3、量m 和减少弹性系数k 来得到，但高灵敏度和大的量程是矛盾的，因此Q 值也不能太高。总之在设计敏感单元时要统一考虑，进行折衷。2.2 电容检测原理电容式加速度传感器是利用在外加加速度的作用下惯性质量块与检测电极间的空隙发生改变从而所引起的等效电容的变化来测定加速度的。当两块导体相对，中间有绝缘体相隔，这时导体间就会有电容产生图 2-3 所示为叉指结构电容式加速度传感器的敏感单元及其等效电路图。敏感单元的固定电极作为驱动端，接驱动信号， 而活动电极作为公共电极输出电信号。在没有加速度信号输入时，固定电极与活动电极的间距均为d0，等效电容C1，C2 相同；当有外加加速度，会引起活动电极和固定电极之
4、间的空隙d0 改变，使等效电容发生差分变化， 即一个变大一个变小。 通过施加驱动信号将电容值的变化转换为电压的变化，实现加速度信号的测量。图 2-2 叉指式敏感单元示意和等效电路假设在没有加速度输入时，两固定电极与活动电极的0 间距都为d0，则必有C1=C2=C 0，当有外加加速度输入时， 会引起活动电极和固定电极之间的空隙d0 改变d，从而改变等效电容，使得C1C2。如果在固定电极上加上幅度相等，而相位不等的直流电压Vin=Vin+=-Vin- 时，可以得出公共电极(活动梁 )上的输出电压 V0。2.3 信号调理集成电路工作原理无论是否考虑杂散电容的影响， 当有加速度信号作用在差分电容的驱动
5、电极时，会引起活动电极和固定电极之间的间距改变，并有表征加速度信号的电压输出。但是由于从差分电容输出的电信号与输入的加速度信号一样均为低频，甚至是直流信号，而半导体器件的1/f 噪声使得放大电路在低频时(0 10kHz)的噪声特性要比高频率 (10 1000kHz 及更高)时差很多。为了降低1/f 的影响，一般采取将加速度信号调制到噪声特性好的高频段，避开半导体器件信噪比极差的低频 区，将信号放大后再将之解调的方法。本文所用电路中使用的是调幅的方法，即用调制信号来改变载波的振幅， 并使调制后载波的振幅大小与调制信号的大小有关。在本电路中加速度信号的调制是通过在差分电容的驱动电极上加载一个高频方
6、波电压信号实现的。系统结构如图2-3 所示。前置放大相关双取样取样保持后 和级 滤放 波大VOUT缓冲器电荷泻放时序产生电路基准电压和电流源信号处理电路是由自检测电路，时钟发生器，梁激励电路，偏置电压源,电流产生器，前置放大器，解调器及低频放大滤波器等七个部分组成。在本电路中， 时序电路产生激励信号， 加在加速度传感器固定电极上，将加速度信号转换为较 高频率的电信号。 经前置放大器放大， 解调器解调， 得到反映加速度信号的低频电信号，再经低频放大器放大， 滤波器滤波得到满足输出要求的模拟信号VOUT 。3. 实验步骤及结论图 2-3 集成加速度传感器电路的系统利用 Malab 搭建系统结构图，
7、 并施加信号激励， 仿真输出结果。 其系统级模型图如下图所示。图 3-1电容式加速度计系统模块图3.1仿真结果及其分析其信号输出如下图所示。图3-2 输出端信号 PSD图对电路所施加激励信号为频率为90Hz、幅度为 9V 的正弦信号，输出PSD 设置其通带带宽为1000Hz。从输出的 PSD 结果可以看出，其最大幅度信号的频率约 25Hz，通带内的信噪比为78.5dB，有效位数 12.75 位。由此可以得出，电路实现了信号处理功能。 但是最终的信号幅度有所衰竭，需要在后级加入放大器对信号进行放大。以下是滤波器的输出波形。图 3-3 滤波器输出波形4. 思考题4.1 闭环加速度计如何建立图 4-
8、1 微加速度计闭环检测电路原理图微加速度计的闭环检测原理如图4-1 所示，它的实现是基于静电力调节原理， 在原理图中添加了前馈和反馈电路。将原始的输入信号前馈到乘法器的输入端对 信号进行解调然后经过滤波得到最终的输出信号，然后将输出信号反馈到输入端。于是，闭环系统的输出电压正比于被测加速度。在闭环加速度计受到外力作用时， 活动梁变化很小， 从而提高传感器的线性度以及测量传感器信号的精度。闭环加速度系统中有一个静电力平衡系统，将与外加加速度信号成正比的反馈电压转换 成静电力，实现与外力的动态平衡。4.2 自检测功能如何建立自检测功能即在没有外在加速度的情况下，通过自身发生运动然产生加速度完成自己
9、功能的检测。为实现此功能，可以在活动电极上引入附加的外接电极。 当固定电极施加固定电压， 利用外接电极对活动极板充电，那么活动极板带电荷后就会在固定极板产生的电场中运动从而产生加速度。实验二振动式微机械陀螺原理1. 实验目的通过采用 Multisim进行电路的仿真，测量陀螺信号的输出。加强对微机械 陀螺加速度计的工作原理及其应用的认识与了解，进一步加深对固态传感器概念与特性的理解。2. 实验原理2.1 哥式加速度与陀螺力距机械陀螺的等效结构图如图 2-1所示，在惯性系中观察处于旋转运动的非惯性系中的运动物体， 该物体的运动既包括物体相对于旋转参考系的运动又包括旋转参考系相对于惯性系的旋转运动，
10、如图 2-2 所示。ZO PrzPrPPxyo12IYi0X图 2-1微机械陀螺等效结构图图 2-2 哥氏加速度运动分析在图中， P1P为质点的相对运动， P1P为质点的牵连位移 (存在 时），P1P2为绝对位移。哥氏方程为式2-1。将哥氏方程对时间求导 :drrrdtt(2-1)dvdvrdtdtvrt vrdvevrdttdvrdtdrdvr(r ) dtrvr(r )(r )2vrtdt式中分别为相对加速度、牵连切向加速度、牵连向心加速度、哥氏加速度。 哥氏加速度方向垂直于牵连角速度与相对速度 vr 所组成的平面。可设哥氏加速度大小为a，则 a2vrsin(,vr ) 。由于哥氏加速度方
11、向与角速度方向和物体运动速度方向正交， 这样通过检测哥氏加速度和运动的速度就可以得到转动角速度 (其振幅为 )。2.2 振动式机械陀螺工作原理振动式陀螺工作原理简图如下图所示图 2-3 振动式陀螺简图振动式微机械陀螺有两个相互垂直的振动方向，一个是激励振动方向X ，一个是检测方向 Y 。设质量块沿 X 方向振动的位移是， 其中 Ax 和 分别为驱动振动的振幅和角速度， 当陀螺仪沿 Z 方向有角速度 时，质量块 M 将受到沿 Y 方向的哥氏力 Fc(t) 作用。其中哥氏力为。 受此周期性哥氏力的作用， 质量块将沿 Y 方向作简谐振动。检测出Y 方向的振动，就可以检测出角速度的大小。如图 所示的差
12、分电容振动式微机械陀螺，可动质量块上的电极与固定检测电极构成两 个差分电容 C1 和 C2。陀螺可动质量块在驱动信号作用下，沿驱动方向（X 轴） 作简谐振动； 当 Z 轴方向有角速度0 输入时， 可动质量块受哥氏力的作用沿检测方向（ Y 轴）振动。检测方向的振动使电容C1、C2 发生差分变化。 C1 和 C2 的电容差C 与检测质量块在检测方向振动的振幅成正比，且振动振幅与角速度0 有关。只要检测出C 的变化幅值C0，就可以得到需要测量的角速度0。因此，对角速度的测量就可以转化成对简谐振动电容变化幅度的测量。其信号处理电路系统结构如下图所示。图2-4 微机械陀螺信号处理电路图2.5 微机械振动
13、陀螺的检测原理dA y （ 2.2 ）2CC cos( t1 2ss0sd)（ 2.3 ）stg02s22ABd2220（2.5 ）d022s124ssC（2.4 ）由以上四个式子可以看出角速度0 的测量可以转化成测量简谐振动的电容幅度 C 。 C 的信号包含在积分器的输出信号 V0 的振幅中，而角速度 0 信号包含在 C 振幅中。要从 V0 中得到角速度信号必须要经过两次振幅解调 ,第一次解调出 C 信号,第二次解调出角速度信号 0 。3. 实验过程及结果分析图 3-1 测试电路图我们通过改变输入电容的变化来模拟陀螺仪的角度变化，也就是改变电路中的 C6 和 C7.图 3-2 对于陀螺仪信号的模拟局部电路图3.1 改变 C6 和 C7 的测量结果3.1.1 C6 为 1pF 和 C7 为 1.5pF 的实验结果图 3-3 陀螺处理后的信号（上面）与相敏解调乘法器的输出（下面）从上图，我们可以看出，信号处理后的波形为200KHz, Vpp 为 18V。而相敏解调之后的波形为叠加了直流分量（直流偏移为1.25V）的正弦波形， 波形 Vpp 为 200mv。图 3-4 输出
