超高精度隧道式硅微加速度計反饋控制電路設計*

　　隧道加速度計的制備和檢測原理

　　典型隧道加速度計由隧尖、質量塊、支承梁、驅動電極、隧尖對應電極以及相應的反饋控制電路組成，其基本結構圖和工作原理框圖如圖1所示；圖2顯示的是北京大學微電子研究院微米納米加工國家重點實驗室使用MEMS標準工藝加工出來的基于電子隧道穿通的加速度計以及封裝形式。

　　根據量子力學的隧道原理，當隧道針尖和對電極原子間的間距小到納米量級時，電極和針尖中的電子都有一定的幾率跨越隧道勢壘到達對方的，在電極偏壓的作用下，電子從隧道針尖到對電極的透射幾率加強；同時，抑制了電子從電極到隧道針尖的電子透射幾率。

　　起始狀態下，隧尖與對應電極之間距離遠大約為１mｍ，沒有隧道電流產生，對系統加電后，在驅動力的作用下，隧尖與對應電極逐漸接近，此時驅動靜電力和彈性回復力都相應增大。當距離達到1mm左右的時候，有可檢測的隧道電流產生，隨著距離的縮小，隧道電流呈指數增長，在反饋控制電路的作用下，驅動電壓下降，靜電驅動力相應下降，最終與彈性回復力達到平衡，此時系統處在閉環工作狀態下。當有正向外界加速度使隧道間距縮小時，靜電力迅速減小而彈性力基本不變，產生向上的回復力，將質量塊拉回平衡位置，從而使質量塊位置基本保持不動，當有負向外界加速度使隧道間距增大時，靜電力朝相反方向變化，同樣使質量塊位置基本保持不動，通過反饋控制電壓的大小即可讀出外界加速度的大小。

　　在隧道式加速度計中，有三個引出電極，反饋電極、偏置電極和隧道針尖對電極，分別對應于反饋端、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中，有三個引出電極，反饋電極、偏置電極和隧道針尖對電極，分別對應于反饋端、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大電阻轉換位mV級的電壓，再進行后續的處理。

　　在電路圖中，因表頭的封裝形式還未定，故用三個連接點表示。

　　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。

　　總體設計框圖如圖4所示。

　　I-V轉換電路

　　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，勢必影響整個隧道式加速度計的檢測精度。故在本設計中，要盡量降低參考地的噪聲和外界干擾。可利用運算放大器的虛短原理來實現，故前級放大電路設計成如圖5形式。

　　通過反饋電阻R8將隧道電流轉換為隧道電壓。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，也對運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，組成一級無源低通濾波器，來大致設定隧道式加速度計的頻響范圍。

　　因放大倍數較高，需要兩極放大，

　　反饋電壓

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

　　隧道電流通過運放、電阻轉化為對應的負相電壓值，電壓經過兩極同相主放大后，經過電阻R17反饋回反饋電壓端，來穩定隧尖在很小的范圍內動態變化。添加反饋電壓的大小與所受加速度的關系

　　穩壓模塊

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

　　因隧道式加速度計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

　　隧道加速度計的開環和閉環測試

　　圖11呈現的是封裝好的加速度計表頭和控制電路實現信號連接后的情景，以及加電后，在靜態-1g加速度輸入下測量電壓輸出的情景。

　　圖12顯示的是在實驗室環境下，手輕觸桌面觀測到的加速度信號。

　　靜態標定

　　隧道加速度計表頭與反饋控制電路聯試成功后，在清華大學精密儀器系進行了靜態標定和噪聲測試，將加速度計固定在分度頭上，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系曲線如圖14所示。在1g的量程范圍內非線性為1%。反饋端電壓靈敏度為811mV/g，驅動電壓靈敏度約為200mV/g。

　　


　　噪聲測試

　　完成靜態標定后，采用HP35670A頻譜測試分析儀對驅動電壓的輸出信號進行了噪聲頻譜測試，測試曲線如圖15所示，電壓噪聲值除以相應的驅動電壓靈敏度，即可得到加速度噪聲頻譜曲線，如圖16所示。1.25-100Hz范圍內，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，用參賽電路對加速度計進行伺服得到性能可以滿足對0.5mg的加速度的測量，這個性能指標已經能夠滿足加速度計市場高端用戶的需要，但是相對于隧道電流檢測原理的測量理論值，即，可分辨0.001mg的加速度輸入還有一定距離，因此，進一步工作還在進行中。