微机械电容式加速度计读出电路研究与设计

为了提高电容式MEMS加速度计测量精度,设计了一种应用于MEMS加速度计微弱信号读出电路。读出电路由T型阻容网络放大电路、模拟开关解调电路和四阶带通滤波电路组成,通过Multisim软件仿真分析各模块电路原理并确定影响读出电路的主要因素,进一步优化确定元器件最佳参数,最后制作出PCB电路板并开展实验测试,实验结果表明微弱信号检测准确率达90%以上,能很好满足电容式MEMS加速度计微弱信号检测要求,同时该读出电路具有尺寸小、易调节、易于ASIC集成等特点,在微机械仪表的微小电容检测中有较高的实用价值。     

微小差分电容检测电路设计

针对电容式MEMS器件,设计了一种用来检测微小差分电容的电路,该电路主要有方波信号发生器、相敏解调和低通滤波电路等组成.具有抗干扰性能好、电路简单、易于集成的特点.通过主要器件--运放的合理选择,调试出较理想的结果.经实验验证,其分辨率可达10-16F.     

基于频分复用的多路微电容检测技术

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x轴检测电路的测试结果。实验表明,检测电路的灵敏度为23.3 V/pF,通频带为10.58 kHz,零位稳定性优于0.1 mV。     

石英挠性摆式加速度计闭环检测电路设计

设计了一种用于石英挠性加速度计系统中的闭环检测电路。开发了基于单载波调制的电容检测电路和伺服驱动电路,在功率放大电路前引入校正环节,提高加速度计系统的动静态性能。实验结果表明,电容检测电路线性度好,分辨力可达到10-16F量级,可检测到的上限差值电容约为7 pF。对加速度计表头进行了重力场翻滚试验,采用四点法对实验结果进行分析,得到了加速度计输出表达式。     

差分电容硅微加速度计检测电路研究

针对硅微加速度计中微小差分电容检测,提出了一种基于调制解调方法的闭环检测电路,介绍了该闭环检测系统的原理框图和实现途径。分析了基于单路载波的前置电容-电压( C-V)转换电路,证明了基于相关芯片的解调方法的有效性,其解调效率仅对开环输出有影响;基于双路反馈电路的静电力平衡回路有效提高该检测系统的线性度。结合硅微加速度计参数和电路设计参数,对加速度计系统进行了仿真,仿真结果显示系统稳定,刻度系数为0.9 V/gn 左右,带宽700 Hz左右。结合表头进行的精密转台实验结果表明该加速度计系统刻度系数0.88 V/gn,量程可达±13 gn。     

基于低温共烧陶瓷的微机械差分电容式加速度计的研究

低温共烧陶瓷（LTCC）技术是实现电子设备小型化、高密度集成化的主流封装/组装集成技术,可适用于耐高温、耐受恶劣环境下的特性要求。报道了以LTCC为结构材料设计、制作的一种MEMS差分电容式加速度计。该器件的敏感质量、4根悬臂梁结构都内嵌于LTCC多层基板,质量块和上下盖板之间通过印刷电极组成差分电容对;高精度电容检测芯片表贴于LTCC基板表面,将差分电容信号转化为电压信号。论文讨论了微机械LTCC加速度计的设计与制备、检测电路和性能测试。LTCC的高密度多层布线减小了互连线的长度和相关耦合寄生电容;基于集成芯片的检测电路解决了分立式检测电路的引起噪声大、电路复杂等问题。测试结果表明：该加速度计结构灵敏度较高,小载荷情况下表现出良好的线性关系,灵敏度约为30.3 mV/gn。     

中国微米纳米-基于低温共烧陶瓷的微机械差分电容式加速度计的研究

低温共烧陶瓷（LTCC）技术是实现电子设备小型化、高密度集成化的主流封装/组装集成技术,可适用于耐高温、耐受恶劣环境下的特性要求。本文报道了以LTCC为结构材料设计、制作的一种MEMS差分电容式加速度计。该器件的敏感质量、四根悬臂梁结构都内嵌于LTCC多层基板,质量块和上下盖板之间通过印刷电极组成差分电容对;高精度电容检测芯片表贴于LTCC基板表面,将差分电容信号转化为电压信号。论文讨论了微机械LTCC加速度计的设计与制备、检测电路和性能测试。LTCC的高密度多层布线减小了互连线的长度和相关耦合寄生电容;基于集成芯片的检测电路解决了分立式检测电路的引起噪声大、电路复杂等问题。测试结果表明：该加速度计结构灵敏度较高,小载荷情况下表现出良好的线性关系,灵敏度约为30.3mV/g。     

静电刚度谐振式微加速度计及其接口电路分析

根据静电加载在平板电容器上产生等效静电负刚度原理,分析了基于静电刚度的谐振式微加速度计的敏感过程.针对有效信号检测中存在的同频干扰问题,建立了接口电路的等效模型,并根据干扰源提出在信号处理电路采用方波调制、开关解调的抑制方法.仿真和实验表明制造的加速度计检测端静态电容约为0.4pF,实验条件下变化的检测电容为3.1fF...     

微机械电容式加速度计检测电路设计

通过对MEMS电容式加速度计的差分电容检测电路优缺点的比较,结合直流充放电检测方法和交流测量方法的优点,设计了微分检测电路,用方波作为载波。该电路由方波信号发生器、微分电路、全波整流电路和滤波电路组成。经试验验证:可检测到10-16F的差分电容,且其非线性度小于±1%FS,可作为MEMS电容式加速度计的后续处理电路。     

基于FPGA的数字式电容检测系统

基于微机械工艺制作的加速度计,广泛采用差动结构电容变化来反映被测量的方向和大小。近年来针对该需求研制了检测微小电容变化的电路。采用基于FPGA实现的数字式电容检测系统,具有高精度和稳定度,对寄生电阻、电容不敏感,并直接采用数字接口输出。它检测电容变化范围为±2pF,电容检测分辨率可达到0.115fF。将系统连接到灵敏度为1.056pF/g的加速度计后,可以测量的加速度分辨率为0.107mg,对应的动态范围为4.0×104。     

Reconfigurable millimeter-wave filters using CPW-based periodic structures with novel multiple-contact MEMS switches

In this paper, fully monolithic reconfigurable millimeter-wave filters are proposed using the CPW-based periodic structures with novel multiple-contact MEMS switches. Millimeter-wave low-pass and band-pass filters were designed, fabricated, and tested. Three cascaded CPW-based periodic structures, with low-pass and band-pass intrinsic filtering characteristics, are reconfigured into a self-similar single unit cell by the operation of the novel multiple-contact MEMS switches with single actuation. By using the multiple-contact MEMS switches, the insertion loss can be reduced and the operating frequency ranges are extended to millimeter-waves with little increase of loss. Additionally, the number of the switching elements has been reduced and the bias-decoupling circuits are not required, resulting in a very small chip size. The measured results of the reconfigurable low-pass filter show the 3-dB cutoff frequency change from 67 to 28 GHz with very small change in the insertion loss from 0.32 to 0.27 dB. The center frequency of the reconfigurable band-pass filter is tuned from 55 to 20 GHz, and the measured 3-dB cutoff bandwidth changed from 32 to 12 GHz, while the average insertion loss changed from 1.27 to 1.61 dB. The chip size of the low-pass and band-pass filter including dc bias line is 1.2 mm /spl times/ 1.5 mm and 1.2 mm /spl times/ 4.5 mm, respectively.     

基于MEMS组合模块的姿态检测系统设计

在研究两轮自平衡电动车的平衡控制的基础上,设计了基于MEMS组合模块的姿态测量系统.通过对各MEMS传感器输出信号特征的提取、分析,将离散化低通滤波器模型与互补滤波的思想相结合,巧妙地构造出一种便于本系统实现的数据融合模型.同时,提供了一种基于MEMS组合模块姿态检测的低成本、可行性方案.     

差动电容小位移传感器检测电路设计

介绍了一种用于差动电容式小位移传感器的信号检测电路。该电路由相敏检波电路、移相电路以及低通滤波器三部分组成,采用相敏检波原理,能很好地实现0.15mm以内的位移测量,并能够很好地判断出位移的方向。该电路结构简单、便于调试、使用方便、成本低。采用该检测电路对差动电容小位移转换电桥的输出信号进行处理,实验结果表明：此方法具有较好的稳定性和抗干扰性,线性度达0.492％,灵敏度达0.6291V／mm。     

基于共平面波导的可调低通滤波器的设计和制作

介绍了一种使用多触点MEMS开关实现的新型可调微波MEMS低通滤波器,应用MEMS制作工艺在石英衬底上实现滤波器结构.滤波器基于慢波共平面波导周期性结构,具有尺寸小、插损低、可与单片微波集成电路工艺兼容等优点.滤波器截止频率的大小取决于MEMS开关的状态.实验结果表明,当MEMS开关受到激励时,低通滤波器的3-dB截止频率从12.5GHz转换至6.1GHz,带内纹波小于0.5dB,带外抑制大于40dB,开关的驱动电压在25V左右.     

电容式MEMS器件模态频率的电学测试方法研究

针对电容式MEMS器件,提出了一种基于调制解调原理的模态频率测试方法,详细介绍了该测试方法的测试原理和测试系统的组成。利用Ansys对某插齿式微加速度计进行了模态仿真分析,分析得到的模态频率为3 941 Hz,利用该测试方法对该微加速度计进行模态频率测试,得到的测试结果为3 440Hz。仿真与测试得到的结果接近,验证了该测试方法的有效性,产生偏差的主要原因可能是制造过程中的加工误差。     

A method to measure the micro-capacitance for MEMS comb actuators

A method is introduced to measure the micro-capacitance for MEMS comb actuators whose value is in pF even fF magnitude. This method uses so called peak detection measuring technology to realize this purpose. It is mainly composed of the signal generating circuits, C/V (Capacitance/Voltage) converting part, peak detector circuits and the digital solution element. In order to verify the correctness of the design, detailed theory analysis and simulation are made for every composed portion and corresponding mathematical model is built. It is concluded from the analyzed result that precision of the system can reach 237 aF for 0.98–2 pF measuring range. When corresponding measuring electric circuits is fabricated and debugged, high precision calibration device named Agilent E4980A is used to calibrate it. It is concluded from the calibrated result that the output voltage of the measurement circuit and the micro capacitance have good linear relationship, which verifies the correctness of the pertinent theory. Finally, in order to verify the correctness of the design, dynamic characters of a resonant MEMS gyroscope, which is fabricated with bulk technology and bonding process, is tested with this device. It is concluded from the measured result that relative error of the resonant frequency between the ideal value and the measured result is just 0.02%. Quality factor of this sensor is 312.5. Experimental results indicate this scheme is feasible to measure the static and dynamic characters of micro capacitors.     

结合多信号模型与遗传算法的板级电路测点选取方法

针对传统的电路板测点选取方法需要的输入信息多、工作繁琐、效率低及难以得到全局最优解等问题,提出了一种基于多信号模型与遗传算法相结合的优化方法。首先,通过建立板级电路的多信号流系统模型,获取测点与对应板级电路组成单元的相关性矩阵,并对其进行进一步分析,得出测点组合的测试能力参数。在测点选取数量不大于给定值的情况下,选取测试能力参数作为遗传算法的适应度函数并进行优化搜索,以确定测点的优化选取方案。结合Multisim仿真软件进行低通有源滤波电路系统的故障模拟实验,仿真结果表明,基于多信号模型与遗传算法选取的板级电路测点组合对低通有源滤波电路中的绝大部分故障都有良好的检测和隔离能力,取得了良好的效果,同时该方法也适用于多种其他电路。     

基于单片机的管道机器人多路数据实时采集系统的设计

分析了多路模拟选通器74HC4051、仪表放大电路AD620、A/D转换电路ADC0809及8位单片机AT89S51的主要性能,并结合管道机器人的特点,设计了一个有效的多路数据实时采集系统。讨论了数字低通滤波算法与A/D转换及多路选通的程序控制方案。     

多轴微加速度传感器的进展

微加速度传感器是微型惯性组合测量系统的核心器件。随着MEMS技术的不断发展,单轴微加速度传感器的技术已日趋成熟,多轴微加速度传感器的研究正成为MEMS领域的热点。基于多轴微加速度传感器典型实例的介绍,评述了近年来该领域的进展,并就其未来的发展作了展望。     

基于GPRS的陀螺综合虚拟测试系统设计

针对飞行器导航控制系统姿态信息的远程无线数据采集物理仿真及工程应用需求和数据采集系统应具有实时性能好、高精度及高可靠性等技术性能要求,设计和实现了陀螺远程综合测试系统;测试系统采用实验转台提供标准角速度信号,光纤陀螺作检测标准,待测陀螺为微机械陀螺;采用了巴特沃斯低通滤波器和滑动均值滤波器联合对采集的陀螺数据进行滤波处理;对标度因数、非线性度、最大角速度等部分常用技术参数的测试及计算方法做了分析,用辨识法对陀螺系统模型进行了建模,从而提高了数据采集的准确性;经实验验证,测试系统实现了远程无线数据采集的功能,被测陀螺的检测数据及陀螺模型能够反映实际效果,其准确性、实时性及供电系统的性能均满足了设计的预期要求.