电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计

电容式振动传感器谐波失真自检测接口ASIC设计
刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平
【摘要】为实现电容式振动传感器的谐波失真测量,针对电容式振动传感器表头设计出一种开关电容型接口ASIC芯片,采用相同电极分时复用的方法,从而避免电容敏感与静电力反馈的馈通现象.对传感器敏感电容上下极板与中间质量块间的杂散电容导致的谐波失真进行了原理分析,可知传感器二次谐波与寄生电容成正比,三次谐波与寄生电容无关.提出采用电容阵列补偿、静电力平衡反馈式闭环电路结构进行传感器谐波失真抑制,并基于静电力原理提出一种新的电容式振动传感器谐波失真自检测方法,该方法无需精密振动台,仅需要低失真度电压信号源.实际测试结果显示,谐波失真检测精度可达到-83 dB.ASIC芯片采用2 μm CMOS工艺流片,刻度因子为1.2 V/g(g为重力加速度,g=9.8 m/s2),量程为±2g,噪声密度为3×10-6g/Hz,静态功耗为40 mW.测试结果证明,该电路达到高精度微加速度计系统设计要求,可以应用到地震监测、石油勘探等领域中.
【期刊名称】《纳米技术与精密工程》
【年(卷),期】2010(008)006
【总页数】8页(P537-544)
【关键词】振动传感器;谐波失真;开关电容;专用集成电路(ASIC)
【作者】刘晓为;尹亮;陈伟平;王庆一;周治平
【作者单位】哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;微系统与微结构教育部重点实验室,哈尔
滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS中心,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学MEMS
中心,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TN492
微机械电容式振动传感器与传统地震检波器相比，具有噪声低、动态范围大等特点，在地震检波器中已广泛使用.微机械电容式振动传感器中电容检测接口ASIC(专用
集成电路)芯片一直是国际研究热点，其中对ASIC芯片的噪声特性[1-3]、多轴检
测[4-6]和芯片稳定性[7-8]等已进行深入的研究，但缺少对电容式振动传感器谐波失真原理的分析，而该参数是MEMS检波器优越于传统模拟速度检波器的最大区别.其次，提高电容式振动传感器的谐波失真测试精度一直是一个国际上的难题.目
前国内的低频标准振动台的谐波失真(约-60 dB)远远高于电容式振动传感器的谐波失真(理论值-100 dB以下)，无法对电容式振动传感器的谐波失真参数进行准确标定.美国IO公司SYSTEM FOUR数字检波器、法国SERSEL公司的DSU3数字检
波器的最低谐波失真皆为-90 dB，其主要原因是标定用的高质量振动台自身产生
的谐波失真就接近-100 dB，限制了对电容式振动传感器谐波失真的检测能力[9-10].
本文在上述背景下，针对电容式振动传感器设计出一种开关电容接口ASIC芯片，并对振动传感器敏感表头中杂散电容在传感器谐波失真参数引起的影响进行了理论分析，提出采用电容阵列补偿、闭环静电力平衡方法进行谐波失真抑制.针对谐波
失真参数难以标定的现状，提出一种新的静电力谐波失真检测方法.该方法无需精
密振动台即可进行电容式振动传感器的谐波失真自检测分析，实际测试结果显示：谐波失真测量可达到-83 dB.
1 工作原理
图1是振动传感器敏感表头结构，该结构由3层半导体材料组成.上下两层镀有金
属电极，中间为质量体，其表面也有金属电极，上中下3层构成两个电容器CS1、CS2，其中CP1、CP2为电极间的杂散电容.当外界加速度ain发生变化时，中间
质量块将垂直与上下盖板产生位移，从而导致电容CS1、CS2发生变化，通过检
测上述两电容的变化，可以间接测量出外界加速度信号.上下电极分别施加正负电
源电压+VS、-VS，通过电容检测电路将中间质量块的位移转换为电压输出Vf，同时将Vf反馈到质量块上，其闭环工作原理如图2所示.图2中d为电容两极板间距；ε为机械电容的介电系数；A为机械电容极板面积；Cf为电荷敏感放大器的电荷敏感电容；AV为接口电路的开环放大倍数.
图1 闭环振动传感器敏感表头结构
图2 闭环振动传感器静电力反馈原理框图
当系统稳定时，在质量块上施加的反馈静电力近似等于输入加速度ain与质量块质量M的乘积，即
(1)
当系统的开环增益较大时，质量块的位移可以近似为零.近似认为CS1=CS2=CS，从而闭环电容振动传感器的刻度因子为
(2)
式中：CS为静态电容；VS为电源电压.
2 电容式振动传感器谐波失真原理分析
2.1 电容式振动传感器开环模式谐波失真分析
电容式振动传感器接口电路原理如图3所示.当开关S7始终断开时，传感器为开环
模式，得到开环检测电压输出为
(3)
式中：VOS为极板间非对称杂散电容导致的输出失调电压；Δd为振动信号输入引起的质量块位移；A0为开环增益.由于上下极板与中间质量块间存在非对称的杂散电容，导致位置敏感电压输出产生失调，如式(3)所示.当输入加速度信号较小时，即Δd较小时，可以近似认为Δd≈ainM/k.当输入ain为aINcos ωt时，三次谐波失真为
(4)
式中：k为传感器刚度；ωn为传感器无阻尼固有谐振频率.由式(4)可见，开环模式下传感器输出的谐波失真与寄生电容影响无关.然而高动态范围的电容式振动传感器通常情况下采用高灵敏度的机械表头，即相同加速度信号输入时质量块位移Δd较大，导致位移Δd与ain呈非线性关系，使谐波失真加剧.由于上述原因，高动态范围的振动传感器采用闭环工作模式.
图3 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理框图
2.2 电容式振动传感器静电力闭环谐波失真分析
当模拟开关S7工作时，传感器为闭环工作模式.振动传感器通过闭环静电力减小了质量块的位移Δd，提高了位移Δd与ain的线性度，降低了传感器的谐波失真.机械敏感电容的中间质量块相对中间位置发生位移时，其产生的反馈静电力为
(5)
式中：af为反馈等效加速度.将式(3)代入式(5)，由于传感器工作于闭环模式，因此Δd<<d，近似忽略高次项，可以近似认为Δd≈aeM/k，其中ae为反馈静电力等
效的质量块加速度值，得到反馈等效加速度信号为
(6)
式中对af采用了泰勒展开，由于传感器为闭环结构，ae较小，因此忽略了ae的
高阶项.
闭环振动传感器的非线性输出反馈原理如图4(a)所示，当系统失调c0相对较小时，闭环反馈系统的输出计算函数(将af表示为ain的级数形式，并忽略高次项，结合模型1并利用系数对比)可以得到
(7)
根据式(3)、式(7)及图4(b)原理，得到输出电压为
Vf≈γ0+γ1(aIN-af)=
(8)
根据图2所示的电容式闭环振动传感器工作原理，若输入信号为aINcos ωt，根
据式(2)、式(8)及表1的振动传感器表头和电路参数，得出二次谐波失真为
(9)
三次谐波失真为
(10)
式中CP为寄生电容|CP1-CP2|(见图1).将表1参数代入式(9)和式(10)可知：传感器输出的三次谐波失真与传感器的寄生电容无关，当输入加速度幅值aIN小于
±0.2g(g为重力加速度，g=9.8 m/s2)时，三次谐波失真将小于-100 dB.传感器输出的二次谐波失真与传感器的寄生电容有关，由于开环增益A0过大导致稳定性问题，电源电压受集成电路工艺限制，因此消除二次谐波失真最简单的方法是减小VOS，即消除极板间的非对称杂散电容CP.当采用电容阵列补偿方法(该方法详细描述见第3.2节)将杂散电容CP匹配至小于0.001CS时，其电容式振动传感器的二次谐波失真理论上将小于-120 dB.
图4 电容式闭环振动传感器非线性反馈原理
表1 电容式振动传感器表头及电路参数物理量数值静态电容CS/pF150质量块质量M/mg40传感器刚度k/(N·m-1)4000极板间距d/μm2电荷放大器反馈电容Cf/pF5位移电压转换系数A0200电源电压VS/V5
3 谐波失真自检测ASIC芯片设计
3.1 电容式振动传感器接口ASIC芯片原理设计
电容式振动传感器接口ASIC芯片原理如图3所示.电路采用调制解调、分时复用检测电极方式完成静电力平衡电容振动传感器的工作过程.电容检测电路采用CMOS开关电容检测方式有效提高电荷检测能力，利用大面积输入P管、相关双采样等电路结构降低电荷放大器的1/f低频噪声；利用PID反馈控制结构提高系统稳定性.其模拟开关的工作时序如图5所示，各个开关周而复始地执行该工作时序，完成电容式振动传感器的闭环工作过程.芯片整个工作周期T包括4个时间相位：放大器误差拾取相位(P1)、电荷放大器准备相位(P2)、电荷采样相位(P3)和静
电力闭环反馈相位(P4).
图5 闭环振动传感器ASIC芯片工作时序
不同相位下的电路结构如图6所示.在相位P1，电荷放大器将失调电压与低频噪声电压(通称为误差电压Vn)施加于节点Vx，此时该节点的电荷量为
Qx=(Vx-VS)CS1+(Vx+VS)CS2
(11)
在相位P2，开关S6断开，电荷放大器处于电荷检测准备状态，其节点Vx的电荷量与相位P1时相同.在相位P3，机械敏感电容CS1、CS2的驱动端接地，节点Vx 的电荷量保持不变，此时节点Vx的电荷总量满足方程
Vn(CS1+CS2)+(Vn-VOUT)Cf=
(Vn-VS)CS1+(Vn+VS)CS2
(12)
此时电荷放大器输出电压Vout被保持到采样电容CH，则Vout电压幅值为
(13)
在时钟相位P3，电路完成振动传感器机械表头电容量变化的检测.在时钟相位P4，开关S5、SH断开、S7闭合，电路结构如图6(d)所示，采样保持电压Vhold通过PID电路反馈至机械表头质量块Vx处，从而实现静电力反馈.然后，时序从时钟相位P1重新开始，并无限循环下去.本方案对机械表头质量块采用分时复用(检测、
反馈分时)原理，减小电容检测、静电力反馈之间的馈通现象，实现振动传感器的
静电力闭环反馈工作.
图6 ASIC芯片中模拟开关工作原理
3.2 电容阵列失调补偿工作原理
考虑电容式振动传感器的寄生电容时，实际电路如图7所示.当输入加速度信号为
0时，开关SA1、SA2断开，CS1=CS2，CP1-CP2=CP≠0时，电容敏感检测电路输出产生失调电压，由于反馈是通过PID电路进行的，积分器的作用将迫使电压节点Vhold = 0，即静电力反馈将迫使质量块位置发生变化Δd，使得CS2-CS1= CP，当Δd较小时，可以近似认为Δd≈afM/k.此时电路节点Vf的输出失调为
(14)
此时的VOS造成了式(9)所示的传感器输出二次谐波失真.为消除寄生电容造成的二次谐波失真，采用电容阵列进行补偿，即将阵列CA1或阵列CA2并列连接于CS1或CS2上，使得当输入aIN为0时，CS1+CP1+CA1=CS2+CP2+CA2，消除电容振动传感器的输出失调VOS.
3.3 谐波失真自检测工作原理
采用周期施加静电力的方法等效输入加速度信号，从而进行电容式振动传感器的谐波失真检测，该方法可以避免高精度振动台的使用，其检测原理如图3所示，在接口电路的PID反馈控制结构Vin处施加自检测电压VT，该信号经PI电路传输至模拟开关S7输入端，模拟开关按数字时序分别闭合S5、S7，分别进行质量块位置检测、静电力平衡负反馈、自检测静电力施加功能，整个周期T小于100
μs(采样频率fs大于10 kHz).其自检测电压为低频正弦电压信号(信号频率fs<100 Hz).中间电极对输入自检测信号的采样结果为
(15)
式中τ为模拟开关S7在单位周期T内闭合的时间.对式(15)进行傅里叶变换，结果为
(16)
式中ωs=2πfs.根据工作时序图5，为常数并不引入失真项.此外，根据抽样原理，电路采样频率fs远大于奈奎斯特采样频率，不会出现频谱混叠现象，并可重现输入信号的频谱特性.传感器开环工作时，在量程范围内Δd<0.05d，系统环路增益>5，因此传感器闭环工作时Δd<0.01d，其施加自检测静电力近似为
(17)
图7 电容阵列失调补偿工作原理
由电路原理(图3)可知，反馈结构采用的是PID反馈结构，因此节点Vhold的直流电压应为0，可近似认为
(18)
将式(18)带入式(17)，得到自检测等效输入加速度幅值aIN及电压输出Vhold分别为
(19)
(20)
式中L为传感器的环路增益，其传感器输出Vhold二次谐波失真为
(21)
该方法产生的等效加速度信号如式(19)所示，由于所施加的自检测电压信号与等效
加速度信号呈非线性关系，因此该自检测信号本身就存在谐波失真，影响最终测试精度.且由式(21)可知：自检测静电力的二次谐波与输入自检测电压VT、杂散电容CP成正比，三次谐波可近似忽略.根据式(19)～式(21)，要提高传感器谐波失真的自检测精度，可通过提高电源电压VS，或采用电容阵列补偿杂散电容CP来实现.
4 测试结果与分析
电容式振动传感器接口ASIC芯片采用2 μm模拟CMOS工艺，实际芯片照片如图8所示，芯片面积为4.2 mm×3.8 mm.
电容式振动传感器的混合封装如图9所示，机械敏感部分采用瑞士COLIBRYS公司SF1500传感器的真空封装电容式机械表头.
图8 电容式振动传感器接口ASIC芯片照片
图9 电容式振动传感器混合封装测试照片
4.1 电容式振动传感器性能测试
电容式振动传感器在实验室条件下的性能测试结果如表2所示.测试噪声时，将振动传感器悬挂并处于0g状态进行减震，并采用动态分析仪HP35670A进行噪声频谱测试，其噪声频谱如图10所示.
表2 电容式振动传感器测试结果静态功耗/mW刻度因子/(V·g-1)噪声密度/Hz-12量程401.23×10-6g±2g
图10 电容式振动传感器噪声频谱
4.2 谐波失真自检测功能测试
在实验室测试环境下，采用动态分析仪HP35670A进行传感器谐波失真测试，电容传感器电源采用±5 V，传感器实际使用时的量程为±0.2g，对应输出电压为
±240 mV.利用HP35670A的信号源输出40 Hz、480 mVpp正弦电压信号(等效0.4gpp加速度输入信号)，该信号源的谐波失真为-90 dB，将该信号输出施加于电容式振动传感器自检测输入端，其传感器输出频谱如图11所示.图11(a)和图
11(b)分别对应敏感电容偏差2%、20%时传感器输出谐波失真.由图11可知，二
次谐波清晰可见，且电容偏差较大时，二次谐波也较大，其中三次谐波已被传感器输出噪声所淹没，对传感器谐波失真影响较小，可近似忽略，符合第3.3节的分析.表3描述了不同电容偏差导致的二次谐波理论值(据式(21)计算所得)与实测值的对比，由于信号源的谐波失真为0.003%，导致传感器实测值略高于理论值0.006%，而二次谐波与电容偏差呈线性关系且斜率相同，符合式(21)的分析.
图11 电容失调导致的电容传感器谐波失真测试结果
图12为不同幅值加速度信号输入的传感器输出频谱，输入幅值分别为240 mVpp、480 mVpp，对应输入等效加速度信号为0.1g、0.2g.谐波失真测试结果分别为-
83 dB、-79 dB，二次谐波为主要谐波分量，输入信号幅值增加一倍，二次谐波失真约增加一倍，说明传感器二次谐波与输入幅值呈线性关系，符合式(21)的分析.
表3 不同电容偏差下二次谐波理论值和实测值对比电容偏差CP/CSHD2理论值/%HD2实测值
/%0.010.00150.0070.020.0030.0090.040.0060.0120.060.0090.0150.200.0300 .042
图12 电容式振动传感器谐波失真测试频谱
根据上述测试结果可知：
(1)针对电容式振动传感器表头设计出一种基于静电力平衡原理的开关电容式接口ASIC芯片，该芯片对传感器表头中间检测电极分时进行静电力反馈、质量块位置
检测功能.整体ASIC芯片采用自动清零、相关双取样、闭环反馈等方式抑制CMOS芯片噪声，最终与表头匹配后的噪声密度为3×10-6g/.
(2)利用静电力自检测原理可以完成传感器谐波失真自检测，该方法无需精密振动台，通过周期施加静电力、并调整电容阵列的原理，谐波失真检测精度达到-83 dB，与理论分析基本相符.
5 结语
对闭环电容式振动传感器的谐波失真进行了理论分析，认为电容敏感结构间的杂散电容将导致位置检测输出失调，从而出现谐波失真现象.设计了一种电容式振动传感器接口ASIC芯片，芯片采用2 μm CMOS工艺实现，测试结果表明，与真空封装电容表头匹配后，刻度因子为1.2 V/g，噪声密度为3×10-6g /.芯片采用电容阵列、闭环结构进行谐波失真抑制，理论分析谐波失真可降至-120 dB.利用静电力原理，提出一种电容式振动传感器谐波失真自检测方法，提供了理论分析结果.在等效输入信号为0.4gpp时，检测精度达到-83 dB，与理论分析结果相符.
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