超高精度隧道式硅微加速度計(jì)反饋控制電路設(shè)計(jì)*

　　隧道加速度計(jì)的制備和檢測(cè)原理

　　典型隧道加速度計(jì)由隧尖、質(zhì)量塊、支承梁、驅(qū)動(dòng)電極、隧尖對(duì)應(yīng)電極以及相應(yīng)的反饋控制電路組成，其基本結(jié)構(gòu)圖和工作原理框圖如圖1所示；圖2顯示的是北京大學(xué)微電子研究院微米納米加工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝加工出來的基于電子隧道穿通的加速度計(jì)以及封裝形式。

　　根據(jù)量子力學(xué)的隧道原理，當(dāng)隧道針尖和對(duì)電極原子間的間距小到納米量級(jí)時(shí)，電極和針尖中的電子都有一定的幾率跨越隧道勢(shì)壘到達(dá)對(duì)方的，在電極偏壓的作用下，電子從隧道針尖到對(duì)電極的透射幾率加強(qiáng)；同時(shí)，抑制了電子從電極到隧道針尖的電子透射幾率。

　　起始狀態(tài)下，隧尖與對(duì)應(yīng)電極之間距離遠(yuǎn)大約為１mｍ，沒有隧道電流產(chǎn)生，對(duì)系統(tǒng)加電后，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，隧尖與對(duì)應(yīng)電極逐漸接近，此時(shí)驅(qū)動(dòng)靜電力和彈性回復(fù)力都相應(yīng)增大。當(dāng)距離達(dá)到1mm左右的時(shí)候，有可檢測(cè)的隧道電流產(chǎn)生，隨著距離的縮小，隧道電流呈指數(shù)增長，在反饋控制電路的作用下，驅(qū)動(dòng)電壓下降，靜電驅(qū)動(dòng)力相應(yīng)下降，最終與彈性回復(fù)力達(dá)到平衡，此時(shí)系統(tǒng)處在閉環(huán)工作狀態(tài)下。當(dāng)有正向外界加速度使隧道間距縮小時(shí)，靜電力迅速減小而彈性力基本不變，產(chǎn)生向上的回復(fù)力，將質(zhì)量塊拉回平衡位置，從而使質(zhì)量塊位置基本保持不動(dòng)，當(dāng)有負(fù)向外界加速度使隧道間距增大時(shí)，靜電力朝相反方向變化，同樣使質(zhì)量塊位置基本保持不動(dòng)，通過反饋控制電壓的大小即可讀出外界加速度的大小。

　　在隧道式加速度計(jì)中，有三個(gè)引出電極，反饋電極、偏置電極和隧道針尖對(duì)電極，分別對(duì)應(yīng)于反饋端、偏置電壓端和隧道電流輸出端，反饋端和偏置電壓端是共地的，其所共的地是隧道電流端，隧道電流端的電壓大小是在隧道式加速度計(jì)中，有三個(gè)引出電極，反饋電極、偏置電極和隧道針尖對(duì)電極，分別對(duì)應(yīng)于反饋端、偏置電壓端和隧道電流輸出端，反饋端和偏置電壓端是共地的，其所共的地是隧道電流端，隧道電流端的電壓大小是由外接電路確定的，一般是將隧道電流經(jīng)大電阻轉(zhuǎn)換位mV級(jí)的電壓，再進(jìn)行后續(xù)的處理。

　　在電路圖中，因表頭的封裝形式還未定，故用三個(gè)連接點(diǎn)表示。

　　2FK：2代表封裝殼的2引腳，電氣特性為反饋端；

　　3PZ：3代表封裝殼的3引腳，電氣特性為偏置電壓端；

　　4TC：4代表封裝殼的4引腳，電氣特性為隧道電流端。

　　總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

　　I-V轉(zhuǎn)換電路

　　因隧道電流的噪聲本身所具有的1/f噪聲和其它噪聲，使隧道電流輸出端的電壓值本身存在mV級(jí)的噪聲非常大的電壓，以此作為反饋端和偏置端的參考地，勢(shì)必影響整個(gè)隧道式加速度計(jì)的檢測(cè)精度。故在本設(shè)計(jì)中，要盡量降低參考地的噪聲和外界干擾?？衫眠\(yùn)算放大器的虛短原理來實(shí)現(xiàn)，故前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)成如圖5形式。

　　通過反饋電阻R8將隧道電流轉(zhuǎn)換為隧道電壓。C10起緩沖輸出的作用，C10和R8相并為高通濾波，其濾波頻率為，所有高通頻率的疊加為所需要的波形，C10的大小決定信號(hào)的靈敏度。通過選擇較大容值的C10可濾除極低頻的噪聲。

　　同時(shí)，也對(duì)運(yùn)放提出了較高的要求，要求偏置電流要小、噪聲要低，故選用LTC6078AMS8,此運(yùn)放的偏置電流和偏置電壓都較小。

　　主放大電路

　　電阻R9前接在運(yùn)放X1A后，同相放大；CKDY端為參考電壓端，反相放大；電阻R13和電容C14，組成一級(jí)無源低通濾波器，來大致設(shè)定隧道式加速度計(jì)的頻響范圍。

　　因放大倍數(shù)較高，需要兩極放大，

　　反饋電壓

　　通過R19和C19串聯(lián)，來緩沖反饋端的電壓變化，使反饋端在上電時(shí)，反饋電極能在靜電力的作用下，緩慢拉近到能產(chǎn)生隧道電流的間距。

　　隧道電流通過運(yùn)放、電阻轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的負(fù)相電壓值，電壓經(jīng)過兩極同相主放大后，經(jīng)過電阻R17反饋回反饋電壓端，來穩(wěn)定隧尖在很小的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。添加反饋電壓的大小與所受加速度的關(guān)系

　　穩(wěn)壓模塊

　　為了能用同一的電池供電，故需要對(duì)電源進(jìn)行升壓和降壓處理。穩(wěn)壓模塊的噪聲要小，尤其是低頻噪聲一定要小，選用開關(guān)型穩(wěn)壓源時(shí)，其高頻噪聲對(duì)電路的影響不大，可不加后續(xù)的直流穩(wěn)壓模塊。升壓到20V的芯片采用LT1615ES5。

　　因隧道式加速度計(jì)所需要的偏置電壓和參考電壓都只有幾十mV，故直流降壓后的電壓越小越好，故選用能降壓到1.2V的芯片，LT3020EMS8-1.2，其電路圖示于圖9。

　　此電路選用±2.5V電源供電。

　　所選用器件清單：

　　LT1615ES5                1片

　　LT3020EMS8-1.2           1片

　　LTC6078AMS8             2片

　　隧道加速度計(jì)的開環(huán)和閉環(huán)測(cè)試

　　圖11呈現(xiàn)的是封裝好的加速度計(jì)表頭和控制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接后的情景，以及加電后，在靜態(tài)-1g加速度輸入下測(cè)量電壓輸出的情景。

　　圖12顯示的是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，手輕觸桌面觀測(cè)到的加速度信號(hào)。

　　靜態(tài)標(biāo)定

　　隧道加速度計(jì)表頭與反饋控制電路聯(lián)試成功后，在清華大學(xué)精密儀器系進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定和噪聲測(cè)試，將加速度計(jì)固定在分度頭上，在0°、20°、40°、50°、60°、70°、80°和90°分別記錄反饋端電壓的輸出。輸出電壓與加速度的關(guān)系曲線如圖14所示。在1g的量程范圍內(nèi)非線性為1%。反饋端電壓靈敏度為811mV/g，驅(qū)動(dòng)電壓靈敏度約為200mV/g。

　　


　　噪聲測(cè)試

　　完成靜態(tài)標(biāo)定后，采用HP35670A頻譜測(cè)試分析儀對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的輸出信號(hào)進(jìn)行了噪聲頻譜測(cè)試，測(cè)試曲線如圖15所示，電壓噪聲值除以相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓靈敏度，即可得到加速度噪聲頻譜曲線，如圖16所示。1.25-100Hz范圍內(nèi)，噪聲幅值平均值為142μg/Hz1/2，最大值小于500μg/Hz1/2(忽略50Hz工頻干擾)，因此，用參賽電路對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行伺服得到性能可以滿足對(duì)0.5mg的加速度的測(cè)量，這個(gè)性能指標(biāo)已經(jīng)能夠滿足加速度計(jì)市場(chǎng)高端用戶的需要，但是相對(duì)于隧道電流檢測(cè)原理的測(cè)量理論值，即，可分辨0.001mg的加速度輸入還有一定距離，因此，進(jìn)一步工作還在進(jìn)行中。