固态传感器实验

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：(2-1)将仿真(2-1)进行拉普拉斯变换：(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=C0，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C1≠C2。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波电压信号实现的。系统结构如图2-3所示。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。图2-3集成加速度传感器电路的系统3.实验步骤及结论利用Malab搭建系统结构图，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。VOUT时序产生电路基准电压和电流源电荷泻放缓冲器前置放大相关双取样取样保持后级放大和滤波图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4-1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，如图2-2所示。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ω时），P1P2为绝对位移。哥氏方程为式2-1。(2-1)将哥氏方程对时间求导: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。xyzXZYr0P'P2P''O'P1ωΔθriIortrdtdrrrrrrrrervrrdtdtvrvrdtdvtvrdtdvtvdtdvdtdvdtdv2)()()(哥氏加速度方向垂直于牵连角速度ω与相对速度vr所组成的平面。可设哥氏加速度大小为a，则2sin(,)rravv。由于哥氏加速度方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ω(其振幅为Ω)。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ω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Ω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Ω。如图所示的差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微机械振动陀螺的检测原理20ACyd（2.2）0cos()sdCCt（2.3）1222sssstg（2.4）02222202214dsssABd（2.5）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3.1.1C6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输出的直流信号此时输入的信号的Vpp为4V,频率为200KHz.电容分别为上端为1pF下端为0.5pF.低通滤波后输出的幅值为1.5V。3.1.2C6为0.9pF和C7为0.7pF的实验结果图3-5陀螺处理后的信号（上面）与相敏解调乘法器的输出（下面）此时的电容分别为0.9pF和0.7pF可已看出陀螺处理后的波形较1pF和1.5pF时幅值有所降低。从图中可以看出，陀螺处理后的信号（上面）的幅值为3.8V，相敏解调乘法器的输出（下面）的波形直流偏移为300mV峰峰值为70mV。图3-6输出的直流信号此时输入的信号的Vpp为4V,频率为200KHz.可以看出，低通滤波后输出幅值为300mV.接下来，我们做了几组实验，并将结果制表如下：C6C7信号处理后的峰峰值相敏解调后的直流偏移低通滤波后的直流幅值第一组1pF1.5pF18V-1.25V-1.25V第二组1.2pF1.4pF8V+500mV+500mV第三组0.9pF0.7pF3.8V-300mV-300mV第四组1.2pF0.6pF22V-1250mV-1250mV3.2陀螺仪输出信号有噪声的实验结果图3-7所加噪声信号电路图3.2.1噪声为50Hz50mV时的实验结果图3-8输出（相敏解调前与相敏解调后）的直流信号3.2.2噪声为500KHz50mV时的实验结果图3-9输出（相敏解调前与相敏解调后）的直流信号3.2.3噪声为500KHz2V时的实验结果图2-21输出（相敏解调前与相敏解调后）的直流信号从波形可以看出已经失真了，而且不收敛。可以看出，当噪声能量较小，无论是高频或者是低频，此电路都能很好的滤除，这是由于相敏解调很好的频率选择性，它只关注与Y相同频的信号，其他的信号都将滤除。3.3实验结果分析经过不断的调试和参数（器件值）的计算与尝试，最后成功的实现了陀螺仪信号的采样与解调。我们通过实验结果发现，当C6C7时，输出的直流量为负值，当C7C6时输出的直流量为正值。并且，随着C6与C7的电容值的差值的增大，输出的直流量的绝对值也随之增大。因此实验结果符合我们的预设要求，电路功能无误。4.思考题4.1自激驱动对改善精度的意义驱动电路在系统中的作用是产生驱动电压使陀螺的可动质量块沿驱动轴作简谐振动，驱动电路还要为检测电路的幅度检波提供参考信号。为了提高陀螺检测的精度，驱动信号的频率要和驱动模态的固有频率一致，使驱动在谐振状态下振动，利用驱动模态的高机械品质因子得到较大的驱