基于频分复用的多路微电容检测技术.pdf

第 2 3卷 第3期 2 0 1 0年 3月 传 感 技 术 学 报 C HI NE S E J O URN AL OF S E NS OR S AN D A C T UA T OR S Vo 1 2 3 No 3 Ma r 2 01 0 Fr e q u e n cy M u lt ip le x in g Ba s e d M u lt i Ax is Ca p a cit iv e Po s it io n De t e ct io n f o r a n Ele ct r 0 s t a t ica lly Le v it a t e d M icr o mo t o r FU Zh e n b in HAN Fe n g t ia n DUAN Gu a n gwu D e p a r t m e n t ofP r e ci s i o n I n s t r u m e n t a n d Me ch a n o l o g y T s i n g h m U n i v e r s i 0 B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 C h i n a Ab s t r a ct To ma in t a in t h e r ing s ha p e d micr o r o t o r e l e ct r o s t a t ical ly s u s p e n d e d in t h e g e o me t ri c ce n t e r o f t h e ca v it y s h a p e d b y t h e s t a t o r e le ct r o d e s a s e t o f d i f f e r e n t ia l ca p a ci t a n ce b a s e d p o s i t io n s e n s o r s is u s e d t o s e n s e t h e r o t o r S mo t io n in fiv e d e g r e e s o f fr e e d o m D O F s a n d u t il iz e d t o r e a liz e a ct iv e e le ct r o s t a t ic s u s p e n s io n B a s e d o n fr e q u e n cy mu lt ip le x in g me t h o d a s e t o f mi cr o ca p a cit a n ce d e t e ct in g cir cu it s is p r e s e n t e d w it h a n a im t o s e n s e t h e mo t io n o f t h e mo t o r in fi v e DOFs By a p p ly in g hi g h fre q u e n cy s in u s o id a l ca r r ie r t o a s s o cia t e d co n t r o l s e n s in g e le ct r o d e s a n a mp li t u d e mo d u la t e d s ig n a l wh i ch in d ica t e s t h e r o t o r S p o s it io n in e a ch DOF is f o r me d f r o m t h e co mmo n e le ct r o d e s T h e a mpl it u d e mo d u la t e d s ig n a ls a r e t h e n a mp lifi e d d e mo d u la t e d a n d lo w p a s s fhe r e d s e q u e n t ia lly i n o r d e r t o o b t a in a r e a d o u t v o lt a g e o f t h e r o t o r p o s it io n Th e p a p e r d e s cr ib e s t h e o p e r a t in g p ri n cip le t h e d e s i g n a n d t h e p e r f o rm a n ce e v a lu a t io n in b o t h s imu la t io n a n d e x p e ri me n t T h e e x p e ri me n t a l r e s u lt s s h o w t h a t t h e s e n s i t iv i t y is 2 3 3 V p F t h e b a n d wi d t h is 1 0 5 8 k Hz a n d t h e z e r o s t a b ilit y is le s s t h a n 0 1 mV Ke y wo r d s ca p a cit a n ce d e t e ct i o n f r e q u e n cy mu lt ip le x in g d e t e ct in g s e n s it i v it y z e r o s t a b ili t y e le ct r o s t a t i c le v i t a t io n E EACC 2 1 3 0 7 2 3 0 基于频分复用的多路微 电容检测技术 付真斌 韩丰田 段光武 清华大学精密仪器与机械学系 北京 1 0 0 0 8 4 摘 要 为使静电悬浮微电机的环形转子稳定悬浮在定子电极腔体的几何中心 需要采用差动电容式传感器检测转子沿五 个 自由度的运动 然后通过静 电悬浮控制 系统实现有 源静 电支承 根据频分 复用原理 设计 了一套 可检测悬 浮式 转子五个 自 由度运动的微电容检测电路 采用多路高频正弦信号作为载波加载至与各 自由度对应的控制 检测电极上 通过公共电极输 出反映转子沿各 自由度位移变化的调幅信号 然后经过交流放大 相敏解调 低通滤波后得到各 自由度位移检测信号 文中 介绍了微电容检测电路的组成及原理 分析了电路特性 给出了 轴检测电路的测试结果 实验表明 检测电路的灵敏度为 2 3 3 V p F 通频带为 l0 5 8 k H z 零位稳定性优于 0 1 m V 关 键词 微电容检测 频分复用 检测灵敏度 零位稳定性 静电悬浮 中图分类号 T P 2 7 4 T P 2 1 2 1 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 1 6 9 9 2 0 1 0 0 3 0 3 4 1 0 6 静电悬浮式微电机 除具有 一般 ME MS器件所 具有的低成本 微 型化 低功耗 高集成度与易于批 量生产 的优点外 与其它类 型的微 电机相 比 还 具有能量密度高 无电磁场干扰 易采用 ME M S工 艺集成等特 点 J 静 电悬 浮式 ME MS器件 的应用 包括双轴角 速率 陀螺 多 轴微加速度计 光调 制器 R F调制器 J 实现静 电悬浮 电机 的稳定 悬浮需要检测环形 或盘形转子l5 的五 自由度运 动 通过检测定子电 极和转子间的电容差动变化来 得到位移信号 通常的 ME MS器件 中微 电容检测 可直接使用动极板激励或输 出检测 信号 6 J 而静 电悬浮电机的转子 动极板 悬浮在电极腔中无法 引线 需要在定子电极上配置多组激励 电极和检测 电极 通过敏感差动电容变化实现多 自由度位移检 测 静 电悬浮式 ME M S器件 的多 自由度位移 检测 主要有频分复用型 4 高阻输 入型 J 单频 项目来源 国家高技术研究发展计划 8 6 3 项 目资助 2 0 0 8 A A 0 4 Z 3 1 2 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 0 修改 日期 2 0 0 9 1 1 1 9 3 4 2 传感技术学报 第 2 3卷 载波激励 等方法 文献 3 介绍 了频分复用 方法实现转子五 自由度位移检测的方案 但具体 电 路实现未见报道 为实现静电悬浮电机的五 自由度 位移和一路转角检测 本文介绍 了研制的一种基于 频分复用原理 多路载波激励的电容式位移检测电 路 进行了电路分析和仿真 并给出了实验结果 1 位移检测原 理 1 1 微电机结构 图 1 为一种基于五 自由度悬浮 体硅加工工艺 可变电容原理驱动的微静电电机 采用玻璃 一硅 一玻 璃键合的 三明治 结构 环形转子在三维空间中共 有六个 自由度的运动 通过检测相应控制 检测 电极 与转子之间形成的差动电容变化来反映转子在 Y z O D 五个 自由度上偏离电极腔体几何中心 零位 的位移 再通过静电悬浮回路提供反馈电压施加至控 制电极上 这里 每一块轴向 径向电极同时承担检测 和控制双重任务 形成反馈静 电力使转子稳定悬浮 于零位 其中 在转子的轴向布置有上 下各四块 控制 检测电极 用以检测并约束转子沿 z 0 三个 自由度上的运动 每块控制 检测 电极与转子之间的 标称电容为 7 1 5 f F 在转子的径向内外侧各布置四块 控N 检测电极 用以检测并约束转子沿 Y两个 自 由度上的运动 每块外径向电极 内径 向电极与转子 之间的标称 电容分别为 2 9 6 6 i T 2 5 2 1 为保证 转子的 零电位 每块控制 检测电极需要拆分为等 面积的两块电极 加载幅值相同 极性相反的控制电 压 此外 在轴 向和径 向还分别布置了四对公共电 极 以便通过电容耦合方式输 出差动电容检测信号 此外 在轴向控N 检测电极外侧布置了十二对加转 电极 采用三相可变电容原理驱动转 子绕 z 轴旋转 记转 角为 图 1 静 电悬浮式微 电机结构 极 图 2为静电悬浮系统的原理框 图 检测到的位 移信号经 A D转换后送至基于 D S P的悬浮控制器 输出的控制电压与预载 电压叠加后 通过加力电路 的高压放大环节将加力电压加载在对应的控制 检 测电极 上 产 生 的反馈 静 电力使 转 子保持 在 零 位 五 自由度悬浮系统共包括五路位移检测及加 力 电路 但采用同一个 D S P实现转子的五 自由度悬 浮控制 载 波 信 号 微电容检测HA D 转换H D S P 控制器H D A 转换 图 2静 电 悬 浮 系统 原 理框 图 1 2 基于频分复用的位移检测电路 图3为研制的电容式微位移检测电路的原理示 意图 图中六路电容检测分别对应转子的五个悬浮 控制 自由度 y Z 0 与转子绕 z 轴的转角 六 个不同频率的高频正弦载波信号分别加载在与各 自 由度对应的控N 检测电极上 通过公共电容耦合输 出反映悬浮转子沿各 自由度位移变化的调 幅波 依 次通过电荷放大 两级交流放大 相敏解调器 低通 滤波后得到反映该路差动电容变化的检测信号 根 据导出的电容式位移传感器模 型 可得到转子沿各 个 自由度的位移与间隙电容变化之间的关系 在选 择载波频率时 一方面要选取高的载波频率以提高 信噪比 并使得各路载波之间有足够的频率分离度 以简化低通滤波电路设计 另一方面 载波频率的选 取受到运放芯片的增益带宽积限制 设计时选定的 六路载 波频率 为 1 MH z 1 2 MH z 1 4 MH z 1 6 MH z 1 8 MH z以及 2 MH z 分别用以实现 z 0 Y轴的差动 电容检测 对于每一路 检测 当转子 偏离零位达到电极 一 转子标称间隙的 2 0 时 位移 移相电路 图 3频分复 用式微位移检测 电路 第 3期 付真斌 韩丰 田等 基于频分复用的多路微 电容检测技 术 3 4 3 达到设计最大值 要求交流放大后 的检测信 号峰值 为 1 0 V 由于各 自由度差动 电容的变化范 围差别 较大 设计 了三组交流放大 电路 以提供所需要 的电 压增益 其 中 一路用于 z 轴 一路用于 和 Y轴 一 路用于 轴 2 电路设计 与分析 图 4所示为检测电容与放大电路 包括 电荷放 大和两级交流放大 幅值相 同 相位相反的两路正 弦载波信号分别施加至相应 的控N 检测电极上 通 过公共电容耦合输出反映转子位移变化 的调幅波 其后首先利用 电荷放大完成阻抗匹配和 I V转换 然后经过两级交流放大 如前文所述 当差动电容 A C A C i 1 2 6 要求交流放大 电路 的 输出信号峰值 l l 1 0 V 且 与载波 的相位 差在 1 8 0 6 0 范围内 图 4检 测 电容 接 口 与放 大 电路 2 1 前置电荷放大 令第 i路 i 1 2 6 的载波为 V cs in 1 V i 一 一 s in t 式中 为载波幅值 分别为其频率和相位 经过电荷放大后 第 i路检测信号输 出为 一 等 n 09i t q i 2 式 中 C C A C 分别表示公共 电容 标称 电容和 拟检测的差动电容 其 中 C C 仅与电极结构参 数有关 而 C 随转子位移变化 C 为 电荷放大 器的反馈 电容 取 C 3 p F 见图 4 由于条件 c C c 成立 式 2 可简 化为 一 等 n c to i t 1 i 3 由式 3 可知 电机结构确定后 在给定的载波激励 下 与 A C 成正比 对于六路差动 电容检测 经过电荷放大器后的 调幅信号为 V o 一 壹 i 1 等 n c o i t 0i 4 由式 4 可以看出 电荷放大器 的输 出中包含 了六 路不 同载波频率的电容检测信号 2 2两级 交流 放大 令第 i路调幅信号所在交流放大组的增益为 而 箸 尺4 C3 0 9 3 c3 1 R 4 C 4 1 设计的两级 交流放大器均为低 Q值 的带通滤 波器 条 件 尺 2 c 2 1 R 4 C 4 1 R 1 C 1 1 尺 C 1 成立 则式 5 可简化为 一 6 于是 调幅信号经过两级放大后为 等 s in cc J t 7 令 等 8 则第 i路检测信号经放大后可简记为 v z 2 A s in t 9 2 3 信 号源 与移 相 电路 六路载波信号分别 由六片直接数字合成 D D S 芯片 AD 9 8 3 4产生 其初始化和设置 由用作悬浮控 制器 的 D S P完成 实际选取 的六路载波频率分别为 1 MHz 1 1 9 MHz 1 3 8 9 MHz 1 61 3 MHz 1 78 6 MH z 和 2 MH z 如图 3所示 D D S输出的载波信号 峰 一峰值仅为 0 6 V 在用于激励差动电容 的同时 还需要通过反相放大 移相 电路产生一路参考信号 供相敏解调器使用 根据相敏解调器的输人 电平范 围 要求每一 路移相 电路 输 出的参 考信号 峰值 为 1 0 V 并且与该路 调幅波经 过放 大后 的信号 同相 位 上节 已经指 出 放大 后各路 调 幅波 的相移 在 一 1 8 0 附近 因此移相器是通过配置 R C网路参 数 对参考信号进行相位超前或滞后调整的 2 4 相敏解调 令输入至相敏解调器的调幅波信号为 A s i n t o t 1 0 J J 传感技术学报 第2 3卷 由式 9 可知 A 即反映第 i路检测的差动电容值 令输入至第 i路相敏解调器的参考信号为 s in t 1 1 式中 V i 的相位 是通过移相器与 相匹配的 采用六路模拟乘法器分别进行相敏解调后 第 路输出为 s i n o J t A s i n o J t k 一 A 1 一 co s 2 J A o s 一 O i f 一 一 l C O S 一 t 1 2 式中 k为相 敏解调 器 的 比例 系 数 电路 中采用 A D 7 3 4芯片作为相敏解调器 k 0 1 相敏解调器的输出信号包括低频的检测信号与 与载波频率相关的高频分量 高频分量 的最小频率 为 I 一 t O I 根据选取的载波频率 1 0 9 一 0 9 I 2 0 0 kHz 2 5 低通滤波 根据式 1 2 相敏解调器的输 出中包含各路高 频载波分量和反映差动电容变化的低频信号 在选 取后级低通滤波器的截止频率 一 时 一方面要 求f 一 l 一 I 以充分削弱高频分量 另一 方面 要求 远 大于悬 浮系统 的闭环 带宽 约 1 k H z 以使得检测环节 引入 的相位 延迟可忽略 设计的低通滤波器为由一阶 R C低通滤波 网络与二 阶有源低通滤波器 MA X 2 7 0 串联组成 的三阶低通 滤波器 实验测得其截止频率为 1 0 5 8 k Hz 滤除 式 1 2 中的高频分量后 经滤波器输 出的第 i路检 测信号为 k v A 0 0 5 v i A 一 0 0 5 A 0 9 C C C t 1 3 m 当 A C A C i 1 2 6 时 选取 电路参数使 得 1 0 V 且 A 1 0 V 那么理论上 的最大值 为5 v 3 实验 结果 根据电机结构 轴和 Y轴的标称电容最小 需 要的检测灵敏度最高 本节以 轴位移检测为例 对检测电路的性能进行了测试 3 1 放大电路频率特性 设置 轴检测 电路 的载波频率为 1 1 9 MH z 图5所示为实验测试与 P s p ice仿真的结果 测试表 明 放大倍数为 4 1 7 d B 相移 一1 7 4 3 4 其低频段 和高频段的截止频率分别为 1 4 1 k H z 和 8 MH z 粤 b 图 5 放 大电路频 率特性 由图 5可知 放大电路的相位特性在工作频带 内 低于 2 MH z 与仿真结果吻合较好 而对于幅频 特性 仿真得到的放大倍数要高于实验数据约 1 9 d B 进一步测试表明这是 由于电荷放大器的增益低 于理论值所致 由于待检测的电容小于 1 p F 受测 试时选取的电容值与测试仪表 的分辨率限制 以及 实际电路中存在的分布 电容 导致 幅频特性的仿真 结果与测试结果间存在偏差 3 2输入输 出特性 借助 自制精密差动电容器测试了差动电容检测 电路的输入输出特性 图 6给出了实验结果与仿真 结果 差动电容器 的极板间隙最小调整刻度为 1 0 m 标度系数为 0 3 5 7 4 f F m 图 6 检 测 电路 的 输 入 输 出特 性 图6中 实验测得差动 电容检测灵敏度为 K 2 3 3 V p F 折算到悬浮转子沿 Y自由度位移检 测的灵敏度为 4 8 9 3 V I x m 对其余各轴的测试结 果表明 轴的检测灵敏度为 4 1 6 8 V p F 折合位移 灵敏度为 6 2 1 V t x m 自由度差动电容检测 灵敏度为 9 9 5 3 V p F 折算为 轴角位移灵敏度 第 3期 付真斌 韩丰田等 基于频分复用的 多路微电容检测技术 3 4 5 为 1 2 3 4 1 0 V r a d 仿真结果显示 x 轴差动电容 检测 的灵 敏 度 为 K 一 2 6 9 V p F 比实 测 值 大 1 3 4 如前文所提到的 由于电路 中分 布电容等 因素的影响 检测电路 的放大倍数要小于仿真结果 1 9 d B 导致检测灵敏度略低 用于悬浮控制时 可 结合微电机芯片进行标定 3 3零位稳定性和固定电容值检测稳定性 图 7为室温下检测 电路 的零位稳定 性测 试结 果 图 7中包括 电路本身的 零 位 稳定性 和以差 动电容器作为输入时检测 电路的零位稳定性 为测 试检测电路本身的 零位 稳定性 实验中将前置电 荷放大器的输入端接地 测得检测 电路 的输 出电压 在初始的 1 0分钟 内由 2 1 m V增大至 3 0 m V 在 随后的 1 7 0分钟内 输出值在 3 0 mV与 3 1 mV之 间波动 稳定性优于 0 1 m V 当设定差动 电容器 的差动电容值为零时 测试 了检测电路的稳定性 调节差动电容器使得检测电 路输出为零后 测试了 1 8 0分钟内输出电压的幅值 其变化范围为 1 3 m V 如图 7所示 同时 试验测 试 了对于固定电容检测的稳定性 试验 以 自由度 检测用固定电容为例 采用峰 一峰值 4 0 0 m V的正 弦信号为载波 测得采用 0 8 p F固定电容时电路输 出均值为 1 6 4 4 1 m V 2小时内最大 最小检测值之 差为 0 1 5 m V 且 以均值为中心呈现小幅波动 如图 8所示 曼 号 三 嚣 g 理 寻 j 嚣 图7零位稳 定性 图 8 固定 电容 0 8 p F 检 测输 出稳 定性 实验结果表明 检测 电路的输 出稳定性受输入 端的差动电容器影响较大 且实验中差动电容器和 电荷放大器间的引线分布电容对稳定性的影响也不 可忽略 为了减 小分布 电容对微 小 电容检测 的影 响 可以采取以下措施 电路设计时尽量缩短电荷 放大器至敏感结构 的引线 例如将 电荷放大器做成 薄膜电路模块 结构设计时每一对差动电容采用 对称的结构和布线 并尽量增大标称电容值 对敏 感结构和电荷放大器等采取屏蔽措施 以削弱外部电 磁干扰的影响 例如使用多层金属屏蔽盒或屏蔽罩 将前置电荷放大器和敏感结构与外界隔离开来 可 以有效防止外部电磁耦合信号的干扰 4 结论 设计 了一种适用于静电悬浮 电机的频分复用式 多 自由度微位移检测电路 将六路高频正弦载波信 号施加至各个 自由度的控制 检测 电极上 通过公共 电容耦合输 出反映转子沿各 自由度位移变化的调幅 波 依次经过放大 相敏解调 低通滤波器后 得到六 路位移检测信号 实验结果表明 检测电路 的带宽 为 1 0 5 8 k Hz 零位稳定性优于 0 I m V 轴差动电 容的检测灵敏 度为 2 3 3 V p F 等效于位移检测灵 敏度 为 4 8 9 3 V t x m 微静 电电机用作惯性 仪表时 对位移检测的零 位稳定性有很高要求 由于被检测电容的变化在几 百 量级 分布电容对零位稳定性的影响是至关重 要的 这需要在结构设 计 电路工艺 等方面采取相 应 的措施 参考文献 1 崔峰 陈文元 等 悬浮转子式 微机 械陀螺仪 的研 究进 展 J 压电与声光 2 0 0 5 2 7 3 2 4 3 2 4 6 2 王欣 利 程树 康 静 电电动机及 其研究发展 状况 J 微 特电 机 2 0 0 1 6 1 2 1 5 3 Mu r a k o s h i T E n d o Y F u k a t s u K e t a l E l e ct r o s t a t i ca l l y L e v i t a t e d Ri n g s h a p e d R o t a t i o n a l g y m a cce e r o m e t e r J J p n J A p p 1 P h y s 2 0 0 3 4 2 4 B 2 4 6 8 2 4 7 2 4 刘云峰 丁衡高 董景新 静 电悬浮微机械加速度 计设计 J 清华大学学报 自然科学版 2 0 0 7 4 7 2 1 8 1 1 8 5 5 G i n d i l a M V K r a f t M E l e ct r o n i c I n t e r f a ce D e s i g n f o r a n E l e ct r i ca l l y F l o a t in g Mi cr o d i s c J J o u r n a l o f Mi cr o m e ch a n i ca l a n d Mi cr o e n g in e e r in g 2 0 0 3 1 3 S 1 1一 S 1 6 6 何国鸿 微机械静电陀螺研究 J 电子学报 1 9 9 7 2 5 5 8 6 8 8 7 L e e J u I I H u a n g X in g h u i P a t rick B C h u N a n o p r e ci s i o n ME MS C a p a ci t i v e S e n s o r fo r L i n e a r a n d R o t a t i o n a l P o s i t i o n i n g J J o u r n a l o f Mi cr o e l e ct r o me ch a n i ca l S y s t e m 2 0 0 9 1 8 3 6 6 0 6 7 0 8 H a n F e n g t ia n G a o Z h o n g y u Wa n g Y o n g l i a n g A D i f f e r e n t ia l C a p a cit a n ce t o Vo lt a g e C o n v e r t e r f o r E le ct r o s t a t ic L e v it a t io n Ap p lica t i o n s J S e n s o r s a n d A ct u a t o r s A 2 0 0 2 9 9 2 4 9 2 5 5 3 4 6 传感技术学报 第 2 3卷 9 J e an J U Wo o S J H i g u ch i T V a r i a b l e ca p a ci t a n ce Mo t o r s w i t h E le ct r o s t a t i c S u s p e n s i o n J S e n s A ct u a t o r s A P h y s 1 9 9 9 7 5 2 8 9 2 9 7 1 O 张忠榕 刘武 张卫平 等 双定子静电微电机控制系统的信号 检测研究 J 传感器与微 系统 2 0 0 8 2 7 5 1 8 2 3 1 1 韩丰田 吴秋平 董景新 静电悬浮式惯性仪 表中的微位移检 测技术 J 中国惯性技术学报 2