一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器ElectricFi

第31卷第11期电子与信息学报Vol.31No.112009年11月JournalofElectronics&InformationTechnologyNov..2009一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器熊幼芽①②彭春荣①夏善红①①(中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京100190)②(中国科学院研究生院北京100039)摘要：该文提出了一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。利用自动增益控制的原理实现闭环自激驱动，使得微传感器能够始终工作在谐振状态，且振动幅度保持稳定。用matlab-simulink工具对系统进行了仿真，结果表明，当传感器的谐振频率发生0.5%的漂移时，系统可以重新捕捉并锁定到新的谐振频率，和开环驱动方案相比，传感器振幅的衰减度从30%降低到0.1%之内，灵敏度从缩减50%改进到缩减0.1%之内。关键词：微型电场传感器；闭环；自激驱动电路中图分类号：TP212.1文献标识码：A文章编号：1009-5896(2009)11-2776-05ElectricFieldMicro-sensorwithaClosed-loopAutonomousDrivingCircuitXiongYou-ya①②PengChun-rong①XiaShan-hong①①(StateKeyLabofTransducerTechnology,InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)②(GraduateUniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:Anewmicromechanicalelectricfieldsensorsystemwithaclosed-loopautonomousdrivingcircuitisdesignedandsimulated.Theclosed-loopautonomousdrivingcircuit,whichusestheprincipleofauto-gain-control,keepsthemicrosensorworkingintheresonancestate,andkeepsthestableresonanceamplitude.Thesimulationresultshows,comparedwiththeopen-loopdrivingmode,thesensorcancatchthenewresonancefrequency,theattenuationoflibrationamplitudeisreducedfrom30%to0.1%,andtheattenuationofthesensitivityofthesensorisreducedfrom50%to0.1%,whentheresonancefrequencychanges0.5%.Keywords:Micromechanicalelectricfieldsensor;Closed-loop;Autonomousdrivingcircuit1引言电场传感器在大气电场探测、电力、气象和地震等领域具有重要的应用，空中大气电场的探测，可用于保障火箭、卫星等飞行器的升空安全等。采用硅微机械加工技术制备的微型电场传感器由于在成本、体积、功耗和集成化等方面具有明显优势，逐渐成为研究热点。然而由于该器件尺寸小，空间耦合干扰大，有效信号微弱，极易受到噪声、外部干扰的影响。其正常工作需要提供稳定、可靠的驱动电压以激励振动梁振动，并且驱动电压还要为信号检测的解调提供参考信号[1]。因此，驱动控制是微型电场传感器功能实现的基础。设计稳定、可靠的驱动控制方案是微电场传感器的关键技术之一。目前，国内外研究的微型电场传感器主要采用的驱动方式为开环驱动[13]−，信号源产生的正弦交流信号经过放大后直接驱动传感器振动。这种方式尽管在一定程度上能获得比较好的特性，但驱动信2008-11-17收到，2009-04-27改回国家863计划项目(2006AA04Z347)资助课题号的频率和传感器的谐振频率很难严格一致。并且由于传感器工作中会受到环境变化而使其谐振频率发生改变，因此开环驱动方式不能保证传感器始终工作在谐振状态，从而获得最大电场感应灵敏度。这样工作的传感器抗干扰能力较差，稳定性不高。此外，驱动电压波形易受波形发生器的影响而发生失真，从而影响传感器振动结构的振动模态。为解决以上存在的问题，提高器件的环境抗干扰能力，实时保证器件的最大灵敏度，本文结合微型电场传感器的结构特点，提出了一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。2微型电场传感器的工作原理微型电场传感器主要由屏蔽电极、感应电极、激励梳齿和支撑梁等部分组成，其结构示意图如图1所示[4]。工作时，在激励梳齿上加载一定的激励电压，从而驱动屏蔽电极在水平方向来回周期振动，从而在感应电极上产生与外电场成正比的交变电流，通过测量该电流即可得出被测电场。第11期熊幼芽等：一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器2777图1微型电场传感器结构示意图该传感器采用电荷感应原理，敏感原理的示意图如图2所示，由于激励电压的作用，屏蔽电极周期性地暴露和遮挡其正下方的感应电极，使得感应电极表面的感应电荷量发生周期性变化，因而在与之相连的测量电路中产生与外界电场成比例的交变电流[5]。关系式如下：0ddddeAQiEttε==(1)图2微电场传感器工作原理示意图式中0ε为介电常数，eA为电场感应的有效面积，Q为感应电极感应的电荷量，E为待测量外电场。设屏蔽电极的纵向长度为L，振动幅度为X，且屏蔽电极做正弦振动，则00d(sin())dcos()XtiLEtXtLEωϕεωωϕε+==+(2)电流信号经过I/V转换、放大和滤波等之后，用激励信号作为电场解调的参考信号，经过解调、低通滤波之后，解调出外电场强度值为outvXKEω=(3)式(3)中，K为由电路参数决定的常量。由式(3)可知屏蔽电极振动的幅度X越大，频率越高，微传感器的灵敏度越高。由2阶振动系统的幅频特性可知，在谐振频率处传感器的振动幅度将达到最大，从而获得最大的电场感应灵敏度[6,7]。因此施加的激励信号频率应为微型传感器的固有谐振频率。但在实际的空中大气电场探测中，微型电场传感器极易受到工作环境中的温度、外部干扰的影响，使其谐振频率发生偏移。此时激励信号的频率仍为原有的固有频率，这样传感器就不再工作在谐振状态，振动幅度将发生衰减，灵敏度也将随之降低。因此为了补偿温度引起的谐振频率漂移，实时获得传感器最大的电场感应灵敏度，提高器件的稳定性，下面提出一种闭环自激式驱动的微型电场传感器方案。3闭环自激式驱动的微型电场传感器方案本文提出了闭环自激式驱动的微型电场传感器，系统结构框图如图3所示。传感器敏感结构中激励部分采用差分激励(推挽式激励)、差分电容敏感。添加闭环自激反馈网络后，通过调节闭环自激回路的相位和幅值条件，就能够使传感器恒定地工作在固有谐振频率处，并使振动幅度满足电场测量要求。当环境变化导致传感器的固有谐振频率发生漂移时，闭环自激反馈网络可以自动捕捉并锁定新的谐振频率，稳定振动幅度。根据式(3)，就可以保证微传感器的灵敏度保持在最大状态，从而使得系统稳定可靠的工作。图3闭环自激式微电场传感器的系统结构框图目前实现闭环自激反馈网络的方式有多种，为了最大程度地稳定传感器的振动幅度，本文采用自动增益控制原理实现闭环自激驱动。该闭环自激网络由电流电压转换电路、自动增益控制(AGC)电压产生电路和可变增益放大电路等部分组成，如图3中虚线框部分所示。其中XV为敏感电极上的差分电流经过差分变换、电流电压转换和放大后的输出。XV经可变增益放大电路之后的输出为agcIVOxVGAt∂=⋅∂(4)式中agcG为可变增益放大器的增益。IVDC112AVG=2778电子与信息学报第31卷/dCx⋅∂∂，DC1V为激励梳齿上的直流偏置电压；/dCx∂∂为激励梳齿运动时的电容变化。OV作为反馈驱动交流电压信号与直流电压DC2V一起形成谐振式静电场传感器敏感结构的驱动电压1V和2V，由1V和2V产生的静电驱动力为drivDC2drivagcIV4xFVAGAt∂=∂(5)式中drivA为电压与静电力转换的比例系数。静电场传感器敏感结构振动的动力学方程可以写成[7,8]2eff2dd0ddxxxmcKxtt++=(6)其中effDC2drivagcIV4CcVAGA=−为有效阻尼系数。当eff0C=时，驱动模态处于“零阻尼”系数状态，驱动将在驱动模态的固有频率上作恒幅振动，并假设此时的可变增益放大电路的增益为0G，则0DC2drivIV4cGVAA=(7)在电路中，增益agcG的大小由AGC电压产生电路的输出电压GV控制，使agc0G接近0G，并最终维持在0G。设GV与XV成线性关系，则由电路稳定工作的充分必要条件可推出：0ref(2/)GXVGVV=−(8)即增益产生电路符合式(8)时，闭环自激电路将发生自激振荡并使振幅稳定。此时利用XV对电场测量的信号进行相关解调，即可得出与电场成正比的稳定的输出电压信号。4系统仿真用matlab-simulink工具对系统进行仿真，搭建的系统框图如图4所示。其中EFS模块代表微电场传感器的系统传递函数：2200111()den()2Hssmssζωω==⋅++(9)式中m为振动模块的有效质量，0ω为传感器的固有频率，ζ为传感器的阻尼比。0/xKmω=,ζ=2xcmK，其中xK为振动结构水平运动方向的弹性系数，c为水平振动的阻尼系数。根据传感器的传递函数，传感器可等效为屏蔽电极与感应电极形成的可变电容。图4中的x-C，PSD，Q-i3个模块实现电容到电压的转换。虚线框所示的模块1代表增益产生电路，即式(8)表示的数学运算。虚线框所示的模块2则表示电场感应测量输出部分。随机扰动模块r代表在传感器的输入端的随机扰动，以使传感器系统达到自激振荡。根据传感器的结构特性，经计算和近似[9]，取如下参数作为仿真参数：0.005ζ=，50210ω=×rad/s，9110kgm−=×，谐振频率为31.83kHz，对振动输出信号的幅度要求为2V。仿真得到的结果如图5所示。可见微传感器发生了自激振荡且输出最终稳定在2V处，振荡频率为传感器的固有频率31.83kHz。电场测量输出电压信号经过起振，最终输出一个稳定的电压值，由式(3)即可得出被测电场。为模拟微传感器固有频率发生漂移的情况，可以更改传递函数的参数，再次进行仿真。引起微型电场传感器谐振频率漂移的主要因素为环境温度的变化，且有[10]02ETETωαωΔ∂=+∂∂(10)图4传感器仿真的系统框图第11期熊幼芽等：一种闭环自激式驱动的硅微机械电场传感器2779式中α为材料的热膨胀系数，E为材料的杨氏模量。对于硅材料而言，(1/)(/)EET∂∂的值介于55~133−−6o10/C−×之间，α的值约为62.610−×o/C，而取温度范围为o40~80C−，经估算传感器的谐振频率的漂移在±0.5%以内。取谐振频率漂移0.5%进行仿真，结果如图6所示。可以得出传感器的振动幅度仅改变0.1%，且振动频率锁定到了新的谐振频率，谐振频率的漂移对电场测量造成的误差在0.1%之内。为了说明闭环自激式驱动的优势，下面对开环驱动的情况也进行了仿真。首先提供传感器谐振频率处的驱动电压，使传感器的振动输出信号的幅度稳定在2V，电场测量输出信号稳定在0.6V。此时假如传感器谐振频率发生+0.5%的漂移，其振动输出信号的幅度将缩减30%，电场测量输出信号的幅度则缩减50%，如图7和图8所示。这将导致无法稳定、准确的测量电场。在谐振频率处和发生±0.5%漂移时分别测试开环驱动和闭环自激驱动模式下传感器的灵敏度，得到的曲线如图9和图10。通过改变外界待测电场，观测电场测量输出电压的变化，得到的曲线的斜率即为传感器工作的灵敏度。开环驱动模式下