超高精度隧道式硅微加速度计反馈控制电路设计*

　　隧道加速度计的制备和检测原理

　　典型隧道加速度计由隧尖、质量块、支承梁、驱动电极、隧尖对应电极以及相应的反馈控制电路组成，其基本结构图和工作原理框图如图1所示；图2显示的是北京大学微电子研究院微米纳米加工国家重点实验室使用MEMS标准工艺加工出来的基于电子隧道穿通的加速度计以及封装形式。

　　根据量子力学的隧道原理，当隧道针尖和对电极原子间的间距小到纳米量级时，电极和针尖中的电子都有一定的几率跨越隧道势垒到达对方的，在电极偏压的作用下，电子从隧道针尖到对电极的透射几率加强；同时，抑制了电子从电极到隧道针尖的电子透射几率。

　　起始状态下，隧尖与对应电极之间距离远大约为１mｍ，没有隧道电流产生，对系统加电后，在驱动力的作用下，隧尖与对应电极逐渐接近，此时驱动静电力和弹性回复力都相应增大。当距离达到1mm左右的时候，有可检测的隧道电流产生，随着距离的缩小，隧道电流呈指数增长，在反馈控制电路的作用下，驱动电压下降，静电驱动力相应下降，最终与弹性回复力达到平衡，此时系统处在闭环工作状态下。当有正向外界加速度使隧道间距缩小时，静电力迅速减小而弹性力基本不变，产生向上的回复力，将质量块拉回平衡位置，从而使质量块位置基本保持不动，当有负向外界加速度使隧道间距增大时，静电力朝相反方向变化，同样使质量块位置基本保持不动，通过反馈控制电压的大小即可读出外界加速度的大小。

　　在隧道式加速度计中，有三个引出电极，反馈电极、偏置电极和隧道针尖对电极，分别对应于反馈端、偏置电压端和隧道电流输出端，反馈端和偏置电压端是共地的，其所共的地是隧道电流端，隧道电流端的电压大小是在隧道式加速度计中，有三个引出电极，反馈电极、偏置电极和隧道针尖对电极，分别对应于反馈端、偏置电压端和隧道电流输出端，反馈端和偏置电压端是共地的，其所共的地是隧道电流端，隧道电流端的电压大小是由外接电路确定的，一般是将隧道电流经大电阻转换位mV级的电压，再进行后续的处理。

　　在电路图中，因表头的封装形式还未定，故用三个连接点表示。

　　2FK：2代表封装壳的2引脚，电气特性为反馈端；

　　3PZ：3代表封装壳的3引脚，电气特性为偏置电压端；

　　4TC：4代表封装壳的4引脚，电气特性为隧道电流端。

　　总体设计框图如图4所示。

　　I-V转换电路

　　因隧道电流的噪声本身所具有的1/f噪声和其它噪声，使隧道电流输出端的电压值本身存在mV级的噪声非常大的电压，以此作为反馈端和偏置端的参考地，势必影响整个隧道式加速度计的检测精度。故在本设计中，要尽量降低参考地的噪声和外界干扰。可利用运算放大器的虚短原理来实现，故前级放大电路设计成如图5形式。

　　通过反馈电阻R8将隧道电流转换为隧道电压。C10起缓冲输出的作用，C10和R8相并为高通滤波，其滤波频率为，所有高通频率的叠加为所需要的波形，C10的大小决定信号的灵敏度。通过选择较大容值的C10可滤除极低频的噪声。

　　同时，也对运放提出了较高的要求，要求偏置电流要小、噪声要低，故选用LTC6078AMS8,此运放的偏置电流和偏置电压都较小。

　　主放大电路

　　电阻R9前接在运放X1A后，同相放大；CKDY端为参考电压端，反相放大；电阻R13和电容C14，组成一级无源低通滤波器，来大致设定隧道式加速度计的频响范围。

　　因放大倍数较高，需要两极放大，

　　反馈电压

　　通过R19和C19串联，来缓冲反馈端的电压变化，使反馈端在上电时，反馈电极能在静电力的作用下，缓慢拉近到能产生隧道电流的间距。

　　隧道电流通过运放、电阻转化为对应的负相电压值，电压经过两极同相主放大后，经过电阻R17反馈回反馈电压端，来稳定隧尖在很小的范围内动态变化。添加反馈电压的大小与所受加速度的关系

　　稳压模块

　　为了能用同一的电池供电，故需要对电源进行升压和降压处理。稳压模块的噪声要小，尤其是低频噪声一定要小，选用开关型稳压源时，其高频噪声对电路的影响不大，可不加后续的直流稳压模块。升压到20V的芯片采用LT1615ES5。

　　因隧道式加速度计所需要的偏置电压和参考电压都只有几十mV，故直流降压后的电压越小越好，故选用能降压到1.2V的芯片，LT3020EMS8-1.2，其电路图示于图9。

　　此电路选用±2.5V电源供电。

　　所选用器件清单：

　　LT1615ES5                1片

　　LT3020EMS8-1.2           1片

　　LTC6078AMS8             2片

　　隧道加速度计的开环和闭环测试

　　图11呈现的是封装好的加速度计表头和控制电路实现信号连接后的情景，以及加电后，在静态-1g加速度输入下测量电压输出的情景。

　　图12显示的是在实验室环境下，手轻触桌面观测到的加速度信号。

　　静态标定

　　隧道加速度计表头与反馈控制电路联试成功后，在清华大学精密仪器系进行了静态标定和噪声测试，将加速度计固定在分度头上，在0°、20°、40°、50°、60°、70°、80°和90°分别记录反馈端电压的输出。输出电压与加速度的关系曲线如图14所示。在1g的量程范围内非线性为1%。反馈端电压灵敏度为811mV/g，驱动电压灵敏度约为200mV/g。

　　


　　噪声测试

　　完成静态标定后，采用HP35670A频谱测试分析仪对驱动电压的输出信号进行了噪声频谱测试，测试曲线如图15所示，电压噪声值除以相应的驱动电压灵敏度，即可得到加速度噪声频谱曲线，如图16所示。1.25-100Hz范围内，噪声幅值平均值为142μg/Hz1/2，最大值小于500μg/Hz1/2(忽略50Hz工频干扰)，因此，用参赛电路对加速度计进行伺服得到性能可以满足对0.5mg的加速度的测量，这个性能指标已经能够满足加速度计市场高端用户的需要，但是相对于隧道电流检测原理的测量理论值，即，可分辨0.001mg的加速度输入还有一定距离，因此，进一步工作还在进行中。