MEMS 壓力傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)

在20 世紀(jì)80 年代崛起的數(shù)字技術(shù)迅猛發(fā)展的光芒照耀下，模擬技術(shù)的進步，確顯的蹣跚滯后。 但 現(xiàn)時隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對自然認(rèn)識的“與時俱進”，在電子電路技術(shù)領(lǐng)域?qū)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/3655/" target="_blank">模擬電子線 路的認(rèn)識又重新進行了定位。

雖然今天的模擬電路的功能大部分可以用集成電路來實現(xiàn)，但至今仍有許多模擬電路不得不采用大 量的分離電路 或 混合電路來實現(xiàn)，特別是在大功率、高頻、A/D、D/A 接口電路，而其中模擬電路的 難點應(yīng)當(dāng)首推為 微弱信號的調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。成功的電路測控系統(tǒng)，要求傳感器和模擬電路 有有機的阻抗匹配和能量匹配，系統(tǒng)要求電路平衡。

通常定義傳感器是一種換能器， 嚴(yán)格來說， 傳感器是一種接收信號或受激勵 并以電信號響應(yīng)的能 量轉(zhuǎn)換器件。傳感器將其它類型的能轉(zhuǎn)換成電能，正是因為傳感器有如此類型的特點， 傳感器及其相關(guān) 的轉(zhuǎn)換、 調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可用來測量各種不同的物理量， 例如： 溫度、力、壓力、流量、 光強、物體加速度等。但是就傳感器本身而言傳感器不能獨立工作，通常 它是和信號調(diào)理電路和各種 模擬信號電路或數(shù)字信號電路構(gòu)成一個電路系統(tǒng)。

大多數(shù)傳感器其滿度輸出都是相當(dāng)小的微弱的信號，在進一步作模擬或數(shù)字處理之前，必須對它們 的輸出進行適當(dāng)?shù)奶幚怼?jù)此， 便發(fā)展出了通常稱之為的信號調(diào)理電路的一大類分枝電路。這類電路， 大至 分為放大、電平轉(zhuǎn)換、電隔離、阻抗變換、線性變換和濾波電路等。 但是，不管采取哪種調(diào)理方 式， 調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)和性能都取決于傳感器的電特性和輸出。根據(jù)傳感器的一種分類法，將傳感器分為 有源和無源二類。一般而言，有源類傳感器是指無需外部激勵自身可以產(chǎn)生變化的電信號；無源類傳感 器 則是指 需外部激勵方可產(chǎn)生變化的電信號，且自身不能產(chǎn)生電信號。 激勵又可分為 直流激勵，交流 激勵， 交直流混和激勵 三種。

本文 根據(jù)上述傳感器的分類，聯(lián)系具體的MEMS 壓阻式、MEMS 電容式傳感器的應(yīng)用。來談一談?wù){(diào)理 電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)的一些方法、規(guī)律。

傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)

1）直流激勵MEMS 壓力傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)

圖一 是一個測量壓力的電路原理圖，選用的壓力傳感器是 目前時尚的微機械MEMS 壓力傳感器。 微機械MEMS 系統(tǒng) 傳感器，是近些年來發(fā)展較快的一新科技領(lǐng)域，是以硅為基體，在此基礎(chǔ)上發(fā)展 出 流量、壓力、振動、角速度傳感器系列等。MEMS 壓力傳感器采用惠斯通電橋可變電阻法， 一對惠斯 通橋臂電阻被光刻在硅懸臂梁的正反二面上， 當(dāng)懸臂梁受外力脅迫變形時， 會對 這對惠斯通電橋臂電 阻產(chǎn)生一拉，一壓的作用效果，這時，這對電橋臂電阻的阻值 就會發(fā)生變化。外力引起的變化調(diào)制成這 對電阻的阻值變化。硅 MEMS 壓力傳感器是一種無源傳感器， 硅懸臂梁在壓力作用下產(chǎn)生變形，從而引 起這對惠斯通橋臂電阻的阻值變化。在外加直流電壓或電流的激勵下，外加壓力通過引起電阻的變化， 被調(diào)制成電信號的變化。

這對惠斯通電橋臂電阻采用光刻 蝕而成，一般在10K 左右。用MEMS 做成的壓力傳感器比應(yīng)變片做成的壓力傳感，電阻值高，器靈敏度高，抗干擾性好，壽命長。

圖一 是一個測量壓力的電路原理圖：

具體電路如圖一所示，一級運 放 U1 采用增益可調(diào)平衡差動放大電路輸入法，其目的是最大限度的壓制共模干擾，提高系統(tǒng)精度。

圖二 增益可調(diào)平衡差動放大電路原理及等效電路圖

圖二是 增益可調(diào)平衡差動放大電路原理及等效電路圖，其中 RW‘=RW=+R’，R0？？0 據(jù)此推到出可調(diào)平衡差動放大電路輸出對輸入的關(guān)系，由節(jié)點方程：

第一級運 放 U1 采用的是差分輸入，選用的運算放大器 是自斬波、自穩(wěn)零 運算放大器 ICL7650。該放大器可同時完成調(diào)制和解調(diào)工作，因而可直接放大直流信號，且失調(diào)小，輸入阻抗高。

差分信號經(jīng)一級ICL7650 放大后， 將通過二階有源低通濾波器，濾除高頻雜波， 再經(jīng)跟隨器輸出。 二階有源低通濾波器的截止頻率 200Hz。濾波器和跟隨器選用的運算放大器是高精度、低漂移、運算放 大器LF353。為提高系統(tǒng)精度，本電路系統(tǒng)采用 恒流，灌電流直流激勵，避免傳感器電阻值變化不平衡 引入熱噪聲。

模擬電路使用的恒流源常有，拉電流和灌電流二種， 本電路系統(tǒng)采用的是灌電流 恒流法。U3 和 周圍電路組成恒流源，調(diào)節(jié)電位器POT2 可以改變灌電流的大小。

2） 交 直流激勵MEMS

差分電容振動加速度傳感器調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn) 加速度傳感器是將運動或重力轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，一般把 加速度傳感器與電信號調(diào)理電路集 成后制的成組件稱為加速度計。重力加速度及勻加速度常被稱為直流加速度或靜態(tài)加速度，由振動等產(chǎn) 生的動態(tài)加速度稱為交流加速度。 現(xiàn)流行的，科技較前沿的MEMS 器件加速度計，其傳感器原理一般基于差動電容，加速度計主要由 質(zhì)量彈性元件，位移測量系統(tǒng)及信號調(diào)理電路構(gòu)成。

圖 三 平行金屬板電容器結(jié)構(gòu)原理圖

位移測量系統(tǒng)的基本工作原理常是利用電容變化的物理特性。最簡單的電容器是由兩平行金屬板 構(gòu)成，如圖三所示。 電容 C=k/X0 ， k 是與板間距離及金屬板間物質(zhì)相關(guān)的特性常數(shù)。由電容可以求出 平行金屬板間距X0。一般都是在平行金屬板間插入中間極板構(gòu)成差分電容來測量微小距離。

結(jié)論：可以根據(jù)測量△C 知到物體的運動速度和加速度，他們具有相應(yīng)的微分關(guān)系。

圖 四 MEMS 電容式振動加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖：

圖四， 中間極板（即橫梁的伸出部分）與二個固定的外極板組成差動電容 CS1 和CS2.。沒有加速度 時， CS1=CS2；產(chǎn)生加速度時，橫梁的移動改變了中間極板和固定的外極板之間的相對位置，引起電容 變化，CS1≠CS2 ?？赏ㄟ^一定的測量電路，將電容的變化，在外加交流電壓的激勵下轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，電壓或電流輸出，通過測量電學(xué)量就能夠測得該物體相應(yīng)的瞬時速度或瞬時加速度值。

圖五 交直流激勵差分電容振動加速度傳感器調(diào)理電路方框圖：

如圖五所示， 差分電容振動加速度傳感器（屬無源傳感器）需在外加電壓的作用下方能將振動信 號調(diào)制為電信號輸出。由于差分電容振動加速度傳感器屬電容性器件，有隔直通交作用，所以不能用直 流信號作激勵源，只能采取交流激勵法將振動信號調(diào)制在交流激勵信號之上；將調(diào)制信號適度放大，使 之有了抗雜波和分辨的能力，再經(jīng)同步解調(diào)，解調(diào)出能反應(yīng)振動加速度大小的電信號；電信號再經(jīng)過二 階低通濾波器，濾除高頻成分；最后 信號經(jīng)調(diào)整，經(jīng)跟隨器輸出。該套電路在開環(huán)的基礎(chǔ)上有選擇地 增加了AGC 控制回路，擬增加傳感器的靈敏度和帶寬，壓低噪聲。

具體電路如圖六所示：采用芯片U0（ MAX038）信號發(fā)生器芯片產(chǎn)生 1M Hz 的正弦交流信號；U1 （AD797）運算放大器組成反相比例放大器，U2（AD797） 運算放大器組成反同相比例放大器。1M Hz 的交流信號經(jīng) U1，U2 后，變?yōu)榇笮∠嗟龋较蛳喾?，及相位相差?1800 的 二個交流激勵信號，用該 交流激勵信號激勵差分電容傳感器；U4（AD745JR）是高輸入阻抗電荷轉(zhuǎn)移放大器，該放大器的特點是 具有很高的輸入阻抗，漏電電流極?。ㄗⅲ篗EMS 電容傳感器△C 一般只有1—4p，漏電對傳感器的精度 影響很大），提高系統(tǒng)精度。U4 是調(diào)理電路的中心，它是將在外加激勵信號的作用下，傳感器振動引起 的電荷的變化轉(zhuǎn)移成電壓信號的變化。R12、R13、R14 采用T 型連結(jié)，目的是提升電路阻抗，提高電路 系統(tǒng)放大倍數(shù)。U6（AD797）運算放大器是 將C11、R16 組成的高通濾波器已去除低頻干擾后的電壓信 號經(jīng)適當(dāng)放大，為下一步同步解調(diào)作好準(zhǔn)備；U3（AD797）運算放大器組成的移相電路，其作用是使調(diào)制 信號和解調(diào)信號同步;本傳感器調(diào)理電路的同步解調(diào)器所采用的芯片為 美國 AD 公司生產(chǎn)的平衡解調(diào) 器U5 （AD630），所謂 平衡解調(diào)器是指：調(diào)制信號被解調(diào)出的結(jié)果只和調(diào)制信號的相位、頻率有關(guān)而 和調(diào)制信號的幅值無關(guān)；經(jīng)U5 同步解調(diào)出的電壓信號就是反應(yīng)振動加速度大小的信號；U9（ OP137） 運算放大器組成二階有源低通濾波器，電壓信號經(jīng)二階低通濾波器，濾除信號中高頻噪音成份；U10 （ OP177）運算放大器組成 跟隨器，信號經(jīng) 調(diào)整， 跟隨輸出。U7 （OP137） 運算放大器組成反饋 AGC 回路，將振動加速度信號的輸出信號比例后反饋回源極，使動極板產(chǎn)生和加速度方向相反的靜電力， 目的是增加加速度計的靈敏度和帶寬。該套加速度計的分辨率為 2-18。

圖 六 交直流激勵差分電容振動加速度傳感器調(diào)理電路：

（注：激勵信號采用正弦交流信號而不用方波信號，是因為方波信號為離散信號沒有連續(xù)性， 解調(diào)時易產(chǎn)生尖頂脈沖過沖雜波，該尖頂脈沖過沖雜波不易濾除，貫穿整個電路，影響電路分辨率）

本文的創(chuàng)新點： 傳感器技術(shù)是信息社會的一大支柱，根據(jù)電容的物理特性制作的傳感器在傳感器家族中站有重 要的地位。提高微小電容、微小電容差分檢測精度，是目前中外測控技術(shù)領(lǐng)域科技攻關(guān)的焦點，也是 科技發(fā)達國家共認(rèn)的測控科技的置高點。

本文重點講述了一套微小電容差分高精度檢測電路，用該套電路可測物體的加速度，該套加速度計 的分辨率可達 2-18。。。 本系統(tǒng)電路涉及 交流驅(qū)動，前置放大、阻抗匹配，同步解調(diào)，有源濾波等。通過對二個案例的 介紹，以期待讀者對交、直流驅(qū)動；何時采用交流驅(qū)，動何時采用直流驅(qū)動有所理解。以期待讀者 對系統(tǒng)電路的前置放大、阻抗匹配；為什么要前置放大、阻抗匹配；怎樣進行前置放大、阻抗匹配有 所理解。通過對微小電容差分高精度檢測電路的研究，提高模擬電路的設(shè)計水平。