硅微机械谐振式加速度计集成测控装置的制作方法

本发明属于加速度测量技术领域，特别是一种专门用于硅微机械谐振式加速度计的自激振荡式集成测控装置。

背景技术：

基于硅微机械加工工艺的谐振式加速度计体积小、可批量加工、测量精度高、动态范围大，目前零偏稳定性已经能够实现惯性导航水平，标度因数稳定性达到1ppm以下。

如图1所示为硅微机械谐振式加速度计内部设置的敏感结构。其为相对轴线106对称的结构。包括：质量块101、质量块弹性支撑梁102，110，111，112、微杠杆103，109、微机械振动梁谐振器104，107、锚点105，108，110，112，113，114，115。如图2所示为其中微机械振动梁谐振器104，107的内部结构，包括可动谐振梁201、固定驱动电极202，204、固定检测电极203，205、梳齿电容206，207，208，209。当于图示y轴方向加载加速度时，质量块101产生的惯性力经微杠杆103，109放大并作用在微机械振动梁谐振器104，107上。其中一个受到压力，谐振频率降低，另一个受到拉力，谐振频率升高。通过测量谐振器104，107的频率差，可以计算出所加载的加速度值。

为完成加速度测量，首先需要振荡控制电路来控制机械梁，使其处于谐振状态，其次还需要频率测量电路读出振荡信号的频率作为加速度计的输出。

中国发明专利申请“一种硅微谐振式加速度计电路控制系统”(申请号：201410080864.9，公开日：2014.6.18)公开了一种采用FPGA数字电路与分立器件模拟电路混合的硅微谐振式加速度计电路控制系统。其采用数字锁相环生成的方波信号来驱动谐振器振动，接口电路采用高频载波与环形二极管解调的方案，模数转换器将检波电路输出信号进行数字化。

该系统体积大，功耗高，更加适合于作为研究平台而不是传感器的实用电路。锁相环的相位控制方式在大带宽的情况下存在失锁以及造成整个器件失效的隐患。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅微机械谐振式加速度计集成测控装置，体积小、功耗低、噪声小。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种硅微机械谐振式加速度计集成测控装置，其包括第一振荡电路、第二振荡电路、第一频率测量电路、第二频率测量电路和SPI数字接口；所述第一频率测量电路的输入端与第一振荡电路的输出端相连，其输出端与SPI数字接口的第一输入端相连，所述第一振荡电路的输入端用于与硅微机械谐振式加速度计的一个微机械谐振器电连接，所述第二频率测量电路的输入端与第二振荡电路的输出端相连，其输出端与SPI数字接口的第二输入端相连，所述第二振荡电路的输入端用于与硅微机械谐振式加速度计的另一个微机械谐振器电连接，所述SPI数字接口的输出端用于与嵌入式处理器电连接；

所述第一振荡电路、第二振荡电路，用于通过静电驱动、电容检测的方式控制微机械谐振梁在其谐振频率按照设定的位移保持等幅振动，

所述第一频率测量电路、第二频率测量电路，用于测量振荡电路输出的模拟振荡信号的频率并以数字信号输出；

所述SPI数字接口，用于向嵌入式处理器传输两路频率测量数字信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、体积小：电路基于0.35μmCMOS工艺设计与加工，电路中包含两套完整的振荡电路与频率测量电路，每一路都能够独立工作。加速度结果通过SPI数字接口输出，与嵌入式处理器相兼容，可以直接嵌入导航或控制系统，体积小；

2、功耗低：通过设置低功耗频率测量电路，在满足测量精度的前提下，大幅度降低了功耗；

3、噪声小：本发明设置差分型前置放大电路，对电流信号提供了带通频率特性；利用两级放大的方式能够同时提供反映机械梁振动的速度信号与位移信号。相比较跨阻式等传统前置放大电路具有更低的噪声；采用开关调制的方式，将低频幅值信号调制到较高的频率上，减小了CMOS电路固有的1/f噪声的影响。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有技术硅微机械谐振式加速度计的微机械敏感结构的示意图。

图2为图1中微机械谐振器的结构示意图。

图3为本发明硅微机械谐振式加速度计集成测控装置的电原理框图。

图4为图3中振荡电路的电原理框图。

图5为图4中自动增益控制电路的电路示意图。

图6为图4中差分型前置放大电路的电路示意图。

图7为图4中可变增益放大器的电路示意图。

图8为图4中减法电路及比例积分滤波电路的原理图。

图9为图4中整流电路的电路示意图。

图10为图4中斩波器的电路示意图。

图11为图3中频率测量电路的电原理框图。

图12为图11中比较器的电路示意图。

图13为图11中锁相环的电路示意图。

图14为图13中压控振荡器的电路示意图。

图15为图13中电荷泵及滤波器的电路示意图。

图16为图13中电平转换器的电路示意图。

具体实施方式

如图3所示，本发明硅微机械谐振式加速度计集成测控装置，

包括第一振荡电路302、第二振荡电路303、第一频率测量电路304、第二频率测量电路305和SPI数字接口306；

所述第一频率测量电路304的输入端与第一振荡电路302的输出端相连，其输出端与SPI数字接口306的第一输入端相连，所述第一振荡电路302的输入端用于与硅微机械谐振式加速度计301的一个微机械谐振器电连接，

所述第二频率测量电路305的输入端与第二振荡电路303的输出端相连，其输出端与SPI数字接口306的第二输入端相连，所述第二振荡电路303的输入端用于与硅微机械谐振式加速度计301的另一个微机械谐振器电连接，

所述SPI数字接口306的输出端用于与嵌入式处理器307电连接；

所述第一振荡电路302、第二振荡电路303，用于通过静电驱动、电容检测的方式控制微机械谐振梁在其谐振频率按照设定的位移保持等幅振动，

所述第一频率测量电路304、第二频率测量电路305，用于测量振荡电路输出的模拟振荡信号的频率并以数字信号输出；

所述SPI数字接口306，用于向嵌入式处理器307传输两路频率测量数字信号。

所述第一振荡电路302、第二振荡电路303、第一频率测量电路304、第二频率测量电路305和SPI数字接口306集成在单片CMOS电路上。

电路基于0.35μmCMOS工艺设计与加工，电路中包含两套完整的振荡电路与频率测量电路，每一路都能够独立工作。加速度结果通过SPI数字接口输出，与嵌入式处理器相兼容，可以直接嵌入导航或控制系统。体积小，功耗低。

所述第一振荡电路302与第二振荡电路303内部结构相同。

所述第一频率测量电路304与第二频率测量电路305内部结构相同。

如图4所示，所述第一振荡电路302包括差分型前置放大电路402、自动增益控制电路410、可变增益放大器407和差分转单端电路408；

所述差分型前置放大电路402的输入端用于与硅微机械谐振式加速度计301的微机械谐振器电连接，其第一输出端与可变增益放大器407的信号输入端连接，其第二输出端与差分转单端电路408连接，所述自动增益控制电路410的输入端也与差分型前置放大电路402的第二输出端相连，其输出端与可变增益放大器407的控制输入端相连，所述可变增益放大器407的信号输出端用于与硅微机械谐振式加速度计301的微机械谐振器电连接。

加速度计敏感结构401在振荡电路中用作频率选择器。在其谐振梁201上加载直流电压。在驱动电极202，204上加载交流电压，产生静电力驱动谐振梁振动。差分型前置放大电路402连接加速度计敏感结构401的检测电极，当谐振梁201振动时，检测电容207，209按照同频反相的规律变化，差分型前置放大电路402将电容变化产生的电流转换成反映电容运动位移与速度的电压信号。其中速度电压信号以差分的形式输入可变增益放大器407中，位移电压信号以差分的形式输入到自动增益控制电路410中。

在自动增益控制电路410中，整流器403提取位移电压信号的幅值，经减法器404与设定幅值相减得到差之后，再由比例积分滤波器406来生成幅值控制信号。针对CMOS电路低频1/f噪声较大的特点，对输入位移信号进行了斩波处理。共设置4个斩波器，其中斩波器411将位移电压信号调制到高频，斩波器412将基准电压与共模电压调制到高频，斩波器405将高频信号再调制回低频。

差分型前置放大器402输出的速度电压信号经过可变增益放大器407根据自动增益控制电路401输出的控制信号调节，生成驱动信号，连接到驱动电极202，204上。

如图4、图5所示，所述自动增益控制电路410包括整流电路403、减法电路404、比例积分滤波电路406、第一斩波电路405、第二斩波电路411、第三斩波电路412；

所述整流电路403的输入端通过第二斩波电路411与差分型前置放大电路402的第二输出端相连，其输出端与减法电路404的第一输入端相连，所述减法电路404的第二输入端通过第三斩波电路412接基准电压和共模电压，其输出端通过第一斩波电路405与比例积分滤波电路406的输入端相连，所述比例积分滤波电路406的输入端与可变增益放大器407的控制输入端相连。

图5是自动增益控制电路410的电路图。自动增益控制电路由整流电路、减法电路、比例积分滤波电路及斩波电路组成。整流电路提取加速度计驱动位移的振荡幅度，减法电路将该幅度信号与设置的基准电压进行比较，比较误差经过比例积分滤波器后产生幅度控制电压用来调节振荡电路的环路增益实现稳幅振荡。斩波器利用信号调制原理消除整流电路及减法电路中的闪频噪声对驱动幅度控制精度的影响。

电阻516及517用来提取驱动位移信号的共模电压作为斩波器的一个基准，斩波器518、519实现对输入信号的调制。整流电路由一对二选一电压跟随器520和521构成差分结构与输入斩波器相兼容。整流电路520、521输出的驱动位移幅度信号通过减法电路与预设的基准幅度进行比较。斩波器522将基准电压同样调制到高频，电压/电流转换电路523、524将减法器输入信号由电压域转化至电流域进行相减比较，斩波器525将误差电流信号解调至低频域后通过比例积分滤波电路526转化为幅度控制电压对振荡器环路增益进行调节。

如图6所示，所述差分型前置放大电路402包括第一差分运算放大器508、第二差分运算放大器516、第一反馈电容507、第二反馈电容509、第一偏值电阻505、第二偏值电阻506、第一反馈电阻513、第二反馈电阻514、第一补偿电容512与第二补偿电容515；

所述第一反馈电容507与第一偏值电阻505并联后连接在第一差分运算放大器508的正输入端与负输出端之间，所述第二反馈电容509与第二偏值电阻506并联后连接在第一差分运算放大器508的负输入端与正输出端之间，

所述第一反馈电阻513与第一补偿电容512并联后连接在第二差分运算放大器516的正输入端与负输出端之间，所述第二反馈电阻514与第二补偿电容515并联后连接在第二差分运算放大器516的负输入端与正输出端之间，

所述第二差分运算放大器516的正输入端与第一差分运算放大器508的负输出端之间设有第一前置电容510，第二差分运算放大器516的负输入端与第一差分运算放大器508的正输出端之间设有第二前置电容511，

所述第一差分运算放大器508的正输入端接硅微机械谐振式加速度计301微机械谐振器的一个检测梳齿电容501，其负输入端接另一个检测梳齿电容502，

所述第一差分运算放大器508的正输入端还通过第一寄生电容503接地，其负输入端通过第二寄生电容504接地。

在如图6所示的差分型前置放大电路402中，电压Vp连接到谐振梁201，可变电容501与502代表加速度计敏感结构中的检测梳齿电容203，205。当谐振梁振动时，电容501，502以正弦规律变化，变化幅值相等，相位相反。第一级放大电路的幅频曲线呈低通特性，内部包括差分运算放大器508，反馈电容507，509，偏值电阻505，506，寄生电容503，504，其输出信号为与电容501，502振动位移同相的信号。第二级放大电路的幅频曲线呈高通特性，内部包括差分运算放大器516，前置电容510，5111，反馈电阻513，514，补偿电容512与515,其输出信号与电容501，502振动速度同相。差分型前置放大电路整体表现出带通特性，在以振梁谐振频率为中心较大频率范围内的具有平坦的幅度相应曲线和相位相应曲线。

如图7所示，所述可变增益放大器407包括2个PMOS管553、554、8个NMOS管555、556、557、558、559、560、561、562，

所述2个PMOS管553、554的源极互连后接电源VDD，其栅极互连，

所述第一NMOS管555与第三NMOS管557的漏极互连后接第一PMOS管553的漏极，所述第五NMOS管559与第七NMOS管561的漏极互连后接第二PMOS管554的漏极，第三NMOS管557与第五NMOS管559的栅极互连，

所述第二NMOS管556的漏极与第一NMOS管555的源极相连，所述第四NMOS管558的漏极与第三NMOS管557的源极相连，所述第二NMOS管556与第四NMOS管558的源极互连后接地，

所述第六NMOS管560的漏极与第五NMOS管559的源相连，所述第八NMOS管562的漏与第七NMOS管561的源相连，所述第六NMOS管560与第八NMOS管562的源互连后接地，

所述第一PMOS管553的漏极作为输出驱动电压正端，第二PMOS管554的漏作为输出驱动电压负端，用于与硅微机械谐振式加速度计301的微机械谐振器电连接；

所述第一NMOS管555和第七NMOS管561的栅极作为驱动速度信号的正端，第三NMOS管557和第五NMOS管559的栅极驱动速度信号的负端，与差分型前置放大电路402相连，

所述第二NMOS管556和第六NMOS管560的栅极作为幅度控制信号的正端，第四NMOS管558和第八NMOS管562的栅极作为幅度控制信号的负端，与自动增益控制电路410相连。

图8是减法电路及比例积分滤波电路的原理图。减法电路的输入级537、538将幅度及基准输入电压转化为电流输入。在电压/电流转换电路中利用电阻534、535代替了尾电流源晶体管，消除了该部分电路闪频噪声的干扰，同时在输入晶体管532、533前增加了放大器531及反馈电阻网络527-530，降低了电压/电流转换电路增益随532、533跨导变化的影响，因此该电压/电流转化电路从根源上消除了来自偏置电流闪频噪声的干扰。共模反馈电路539为减法电路提供必要的共模电平，斩波器540将误差电流信号解调至低频并经过比例积分滤波器541产生幅度控制电压。

图9是整流电路的原理图。电阻542、543提取驱动速度的共模电平做为斩波器544、545的参考输入。546、547为二选一电压跟随器，其输出只跟随信号较大输入端的输入信号，因此可实现整流功能。同时546、547中的晶体管均偏置在亚阈值区，因此该整流电路具有低功耗的优点。由于采用了差分结构，该整流电路还可较好的抑制温度对其幅度提取精度的影响。

图10是斩波器的原理图。斩波器两对互补型MOS开关构成，斩波控制信号通过控制开关阵列的导通顺序实现对输入信号的频率调制。每对MOS开关由NMOS549、551与PMOS550、552组成，互补型结构有利于降低MOS开关的导通电阻，改善其动态特性。

如图11所示，所述第一频率测量电路304包括比较器599、锁相环600、10位计数器601、边沿触发器602、D触发器603、第一寄存器604、第二寄存器605及减法器606，

所述锁相环600的输入端接比较器599的输出端，其输出端接边沿触发器602的数据输入端，所述边沿触发器602的控制数端接计时时钟，其输出端分别接D触发器603、第一寄存器604和第二寄存器605的控制端，

所述D触发器603的数据输入端通过计数器601与计时时钟相连，其输出端接第一寄存器604的数据输入端，所述第二寄存器605的数据输入端接第一寄存器604的数据输出端，其数据输出端接减法器606的第一数据输入端，所述减法器606的第二数据输入端接第一寄存器604的数据输出端，

所述比较器599的输入端接振荡电路302，减法器606的输出端接SPI数字接口306。

计数器601不间断的对计数时钟进行计数，输入信号经过比较器599整形及锁相环600倍频后通过边沿触发器602控制D触发器603的使能端，决定寄存器1、2的更新速率为每个输入信号周期更新一次。减法器606计算当前输入信号周期内的计数值与前一个信号周期计数值的差，利用该差值反映输入信号的频率信息可实现对计数器量化噪声的一阶整形，有利于提高频率测量电路的精度。

如图12所示为比较器的电路图。比较器电路的输入晶体管593、594将输入电压信号转化为电流，经过交叉耦合对管595、596后实现对输入信号的整形，经过两级非门592后实现方波输出。597、598决定比较器的滞回效应大小，同时591为比较器提供必要的偏置电流。

如图13所示为锁相环的电路图。该电路由鉴相器、电荷泵、滤波器、缓冲器、压控振荡器及分频器组成。鉴相器由D触发器563、564及复位电路565构成的，该电路将锁相环输入信号与反馈信号的相位差转化为脉冲宽度与之呈正比的脉冲信号，该脉冲信号控制电荷泵的电流源566、567对滤波器568的充电时间，进而将相位差转化为电压信号。滤波器输出的电压信号经过缓冲器569后控制压控振荡器571的振荡频率，电平转换电路570将压控振荡器的输出调整至电源电压后经分频器572反馈至鉴相器形成对输入信号的相位锁定及倍频功能。

如图14所示，压控振荡器电路由五个串联的非门573-577构成，通过控制非门的电源电压大小实现对其振荡频率的调节。

如图15所示，电荷泵电路的原理与MOS开关类似，晶体管578-580为NMOS开关581及PMOS开关582提供偏置电流，鉴相器的输出控制581及582的通断时间，并通过滤波器583将鉴相器的输出相位误差转化为电压信号。

图16为图13中电平转换器的电路图。电平转换电路(570)将压控振荡器的输出调整至电源电压后经分频器(572)反馈至鉴相器形成对输入信号的相位锁定及倍频功能。压控振荡器的输出通过电平转换电路中工作在低电源电压的非门(584、590)控制输入晶体管585、589的通断，通过交叉耦合对586、587的正反馈效应及工作在高电源电压的非门(588)将低电源电压的输入信号转化至高电源电压，满足分频器(572)的逻辑电平要求。