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微电容检测方案介绍

     在MMG检测技术中,利用电容传感器敏感试验质量片在哥氏力作用下的振动角位移,获取输入角速率信号。由于陀螺仪的尺寸微小,为了得到10°/h的中等精度,要求电容测量分辨率达到(0.01×10 -15)~(1×10 -18)法拉。因此,对于微机械加速度计和向机械陀螺仪来说,检测试验质量和基片之间的电容变化是一个关键技术。目前在MMG中采用的微电容检测方案有三种:开关电容前在MMG中采用的微电容检测方案有三种:开关电容电路、单位增益放大电路和电荷放大电路。

  2.1 开关电容电路

  其基本原理是利用电容的充放电将未知电容变化转换为电压输出。该测量电路包括一个电荷放大器、一个采样保持电路;以及控制开关的时序。

  在测量过程中,先将未知电容(C1、C2)充电至已知电压Vref,然后让其放电。充、放电过程由一定时序控制,不断重复,使未知电容总处于动态的充放电过程。C1、C2连续地放电,电流脉冲经过电荷放大器转换为电压。再经过采样保持器,得到输出Vc。将公式ΔC=2C0·x/d0代入,可得电容检测电路的传递函数为:

  Vc/x=-[2VrefC0/Cfd0]

  2.2 单位增益放大器电路

  AD公司与U.C.Berkeley联合开发的ADXL50(5g的微机械加速度计)采用了单位增益放大电路。

  是单位增益放大器的等效电路。图3中,Cp为分布电容,Cgs为前置级输入电容,Rgs为输入电阻。当载波频率在放大器的通频带以内时,前置级输入电阻可忽略不计。

  前置级有用信号输出为:

  (Vs-Vout)jω(C0+ΔC)+(-Vs-Vout)jω(C0-ΔC)

  =Voutjω(Cp+Cgs)+Vout/Rgs

  ∵ Rgs→∞

  ∴Vout=(2ΔC/2C0+Cp+Cgs)Vs

  分布电容Cp约为10pF,输入电容Cgs约为1~10pF,一般都大于传感器标称电容C0(1pF左右)。可以看出,它们的存在都极大地降低了电容检测灵敏度。要提高电路灵敏度,就必须消除Cp、Cgs的影响,通常采用的措施等电位屏蔽。

  2.3 电荷放大器电路

  电荷放大器电路如图4所示。它采用具有低输入阻抗的反相输入运算放大器。其中Cp表示分布电容,Cf为标准反馈电容,Rf用来为放大器提供直流通道,保持电路正常工作。应选取Rf,使时间常数RfCf远大于载波周期,以避免输出波形畸变。但Rf过大为今后电路集成带来不便。可以使用小阻值的电阻组成T型网络,替代大阻值电阻。

  若运算放大器具有足够的开环增益,反相输入端为很好的虚地,那么,两输入端点之间的电位差为零。因此,反相输入端对地的分布电容Cp和放大器的输入电容Cgs对电路测量不会造成影响。电荷放大电路相对于单位增益放大电路来说,结构要简单,不需考虑等电位屏蔽问题;只需将杂散电容的影响转化为对地的分布电容,即进行合理的对地屏蔽,就能获得较好的效果。

  尽管在电荷放大电路中,可以忽略掉输入电容及反相输入端对地的分布电容,但是在检测微小电容变化时,输出还是有很大的衰。这是由放大器输入输出端分布电容Cio造成的。当载波电压频率大于1/(2πRfCf)和小于放大器的截止频率时,输出电压Vout应该表示为:

  Vout=-[(C1-C2)/(Cio+Cf)]Vs=-[(2ΔC)/Cio+Cf]]Vs

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