專利名稱：三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由微機械諧振梁結(jié)構(gòu)和電路構(gòu)成的諧振系統(tǒng)，該諧振系統(tǒng)主要用作諧振式傳感器，屬于物理參數(shù)和慣性參數(shù)測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧振梁是MEMS器件中的基本測量部件之一，將被測物理量q轉(zhuǎn)化為諧振梁的固有頻率fn并測量fn即可獲得q。為了測量fn，必須讓諧振梁處于諧振狀態(tài)，并檢測其諧振頻率fr。為維持諧振狀態(tài)，諧振梁必須具有振動激勵(激振)和振動檢測(拾振)功能，并與控制電路構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。具有激振和拾振功能的諧振梁和控制電路是實現(xiàn)諧振梁式測量原理的兩要素。
為避免在諧振梁上另外加工激振器或拾振器，一種較理想的激振和拾振方案為采用磁場中的導電諧振梁，利用交流電磁力實現(xiàn)激振，并利用電磁感應實現(xiàn)拾振。但拾振信號(感應電壓)非常微弱，若以一個諧振梁同時進行激振與拾振，則拾振信號必將被激振信號淹沒而難以檢測。解決途徑可參考Thierry Corman等人在論文《“Burst”Technology with Feedback-LoopControl for Capacitive Detection and Electrostatic Excitation of ResonantSilicon Sensors》中提出的間歇式(Burst)原理，但該文只是采用了間歇式激振信號，傳感器仍工作于連續(xù)振蕩狀態(tài)，因此屬于“間歇激勵”原理。由于傳感器輸出信號很微弱，且相位信息對噪聲敏感，維持連續(xù)振蕩實際較困難，相應電路也較復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、功耗低，可實現(xiàn)間歇閉環(huán)控制的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案本發(fā)明由敏感結(jié)構(gòu)和控制電路構(gòu)成，敏感結(jié)構(gòu)的主體為置于恒定磁場中的導電的雙端固支諧振梁，諧振梁兩端與控制電路相連；控制電路向諧振梁輸出間歇式激振信號(交流激振電流)，檢測諧振梁自由振動階段產(chǎn)生的拾振信號(交流感應電壓)，解算其振動信息以調(diào)節(jié)激振信號，并重復此過程以跟蹤諧振梁的固有頻率；激振信號采用線性調(diào)頻信號，以有效激勵未知的固有頻率；每次完成檢測后，控制電路還利用電磁阻尼效應使諧振梁快速停止，使其工作于間歇振動狀態(tài)，以降低功耗并提高抗干擾能力。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點采用間歇振動原理，抗干擾能力強且電路簡單；采用線性調(diào)頻信號實現(xiàn)了給定固有頻率范圍的有效激勵；利用電磁阻尼效應實現(xiàn)了高Q值諧振梁的快速停振；利用互相關(guān)運算有效解決了微弱信號檢測和快速頻率解算。


圖1為本發(fā)明所要實現(xiàn)的間歇振動原理的時序示意圖；圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)的基本框圖；圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)的原理框圖；圖4為說明本發(fā)明工作原理的時序圖；圖5為本發(fā)明的放大器的原理框圖；圖6為本發(fā)明的信號源的原理框圖；圖7為本發(fā)明的FC和GC皆為模擬信號時控制器的框圖；圖8為本發(fā)明的FC和GC皆為數(shù)字接口時控制器的框圖；圖9為本發(fā)明的間歇振動控制算法的簡化流程圖；圖10為互相關(guān)函數(shù)與參考信號頻率關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明使諧振梁真正工作于間歇式振動狀態(tài)，即“間歇振動”原理。基本時序如圖1所示。在激振狀態(tài)，電路輸出激振信號，使諧振梁起振；在拾振狀態(tài)，關(guān)閉激振信號，諧振梁進入自由振動狀態(tài)，振幅逐漸衰減但仍能保持一段時間，檢測電路利用這段時間進行拾振信號的檢測和放大；待諧振梁接近停振狀態(tài)，電路再次輸出激振信號，使諧振梁再次起振，如此重復。
如圖2、3所示，本發(fā)明由敏感結(jié)構(gòu)1和控制電路2構(gòu)成，敏感結(jié)構(gòu)1的主體為置于恒定磁場中的導電的雙端固支諧振梁3，諧振梁3兩端與控制電路2相連；控制電路2向諧振梁3輸出間歇式激振信號(交流激振電流)，檢測諧振梁3自由振動階段產(chǎn)生的拾振信號(交流感應電壓)，解算其振動信息以調(diào)節(jié)激振信號，并重復此過程以跟蹤諧振梁3的固有頻率；激振信號采用線性調(diào)頻信號，以有效激勵未知的固有頻率；每次完成檢測后，控制電路2還利用電磁阻尼效應使諧振梁3快速停止，使其工作于間歇振動狀態(tài)，以降低功耗并提高抗干擾能力。
如圖3所示，控制電路2包括放大器11、控制器12、信號源13和阻尼器14，為實現(xiàn)間歇控制，還具有3個電子開關(guān)S1、S2、S3，其中S1由信號SC1控制，S2由信號SC2控制，S3由信號SC3控制。其工作原理如圖4的時序圖所示。激勵階段，SC1有效，S1導通，信號源13產(chǎn)生的激振信號(交流激振電流ix)流過諧振梁3，使諧振梁3起振；經(jīng)短暫過渡階段后進入檢測階段，SC1無效，S1斷開，信號源13與諧振梁3斷開，諧振梁3保持自由振動狀態(tài)，并在兩端產(chǎn)生拾振信號(交流感應電壓vi)，此時SC2有效，S2導通，將vi耦合至放大器11，放大器11對vi進行放大、降噪和穩(wěn)幅，得到滿足A/D技術(shù)要求的輸出信號vo，并耦合至控制器12的A/D輸入端；因諧振梁Q值相當高(一般過萬)，自由振動衰減過程很慢，使控制器12有充足的時間完成互相關(guān)運算，從噪聲背景中檢測出微弱的vi并解算出本階段的振動頻率(即固有頻率fn)，據(jù)此調(diào)節(jié)下一個激勵階段將要輸出的激振信號；完成檢測后，SC3有效，S3導通，諧振梁3連通阻尼器14(實際就是一個電阻器)，產(chǎn)生電磁阻尼效應，使其快速停振；然后進入下一個激勵階段……如此重復，以持續(xù)跟蹤諧振梁3的固有頻率，實現(xiàn)連續(xù)測量。
電子開關(guān)S1、S2、S3選用CMOS模擬開關(guān)。設計或選型依據(jù)為開關(guān)時間(tON、tOFF)、信號串擾(Crosstalk)和隔離度(Off-Isolation)等指標。為實現(xiàn)信號的過零點切換，tON、tOFF應低于80ns；由于諧振梁感應電壓非常微弱，300kHz下應有Crosstalk＜-80dB，Off-Isolation＜-60dB。CMOS模擬開關(guān)設計為IC設計領(lǐng)域通用技術(shù)。也可采用分立芯片，如MAX4653。
放大器11由前級21、降噪級22和穩(wěn)幅級23組成，如圖5所示。顯然，前級21的交流輸入阻抗ri不僅會降低vi幅度(使其低于感應電動勢)，而且會與諧振梁3構(gòu)成電流回路，產(chǎn)生電磁阻尼效應，加快諧振梁3的振動衰減，這對于信號檢測是不利的，故前級21采用同相形式，保證ri＞100kΩ以避免電磁阻尼。
拾振信號vi幅度約為0.1～10μV，頻率可達300kHz量級，故前級21應選用低噪聲型寬帶運算運算放大器。又諧振梁3屬于低阻抗信號源，故應選擇低噪聲電壓型(而非低噪聲電流型)器件，如LT1028。
降噪級22一般采用帶通濾波器(BPF)即可，BPF的通帶必須包含固有頻率的整個范圍，在此前提下應足夠窄，以提高噪聲抑制能力，可采用橢圓濾波器或切比雪夫濾波器以獲得陡峭的過渡帶。
由于vi幅度可能在較大范圍內(nèi)變化，穩(wěn)幅級23采用可變增益放大器(程控放大器PGA或壓控放大器VCA)，在GC接口控制下實現(xiàn)自動增益控制(AGC)，壓縮vo動態(tài)范圍使之與A/D輸入范圍匹配。
信號源13為交流恒流源，即激振信號為電流形式，保證激勵相位不受回路阻抗的影響。交流恒流源通常由交流電壓源24和交流V/I(電壓-電流變換器)25組成，其中交流電壓源可采用DDS(直接數(shù)字合成)或VCO(壓控振蕩器)，如圖6所示。DDS或VCO輸出電壓形式的激振信號vx，再由交流V/I將其變換為電流形式的激振信號ix。
信號源13的另一個關(guān)鍵問題為如何使諧振梁3有效起振，這主要取決于激振信號的頻譜，激振信號在fn附近的頻帶內(nèi)應集中足夠的功率，而無關(guān)頻帶內(nèi)的功率則應足夠低，符合這一原則的信號形式為線性調(diào)頻波。線性調(diào)頻波在起始頻率fs和終止頻率ft范圍內(nèi)即[fs，ft]區(qū)間內(nèi)的頻譜近似平坦，在[fs，ft]外幾乎全為零。只要滿fn∈[fs，ft]，且信號具有一定幅度，就能夠使諧振梁3起振。fs和ft由控制器12計算并通過FC接口提供。
綜合考慮性能、成本、功耗和體積，控制器12采用低端微控制器(MCU)，如各種8051增強系列(8位)，或MSP430系列(16位，并優(yōu)先采用片內(nèi)集成A/D、D/A的型號(有時稱作混合信號處理系統(tǒng))。
若穩(wěn)幅級23采用VCA，則GC為模擬信號，若交流電壓源24采用VCO，則FC亦為模擬信號，此時采用圖7方案，MCU通過A/D采集來自放大器的輸出信號vo，通過D/A產(chǎn)生頻率控制信號FC及增益控制信號GC，通過通用I/O接口(GPIO)產(chǎn)生電子開關(guān)S1、S2、S3的控制信號SC1、SC2、SC3。
若FC或GC為數(shù)字接口(如SPI、I2C)，則采用圖8方案，MCU通過A/D采集來自放大器的輸出信號vo，以MCU提供的SPI/I2C接口，或以GPIO模擬SPI/I2C接口，產(chǎn)生FC和GC控制信號，通過GPIO產(chǎn)生電子開關(guān)S1、S2、S3的控制信號SC1、SC2、SC3。
若本發(fā)明的電路被嵌入更復雜的目標系統(tǒng)，可借用目標系統(tǒng)中的DSP、ARM或FPGA，省去單獨的MCU。
對于控制器12的軟件部分，關(guān)鍵在于間歇振動控制算法。若將頻率而非電路中的瞬時電壓視為控制對象，本發(fā)明的敏感結(jié)構(gòu)和電路事實上也構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，而且是時域離散化的負反饋系統(tǒng)。其輸入為諧振梁3當前固有頻率fn(由vo求出)，輸出則為標量對(fs，ft)或(fc，fb)，其中fc為中心頻率，fb為頻帶半寬fs＝fc-fb，ft＝fc+fb。通常頻帶半寬fb可根據(jù)諧振梁3特性取固定值，故間歇振動控制算法為以fc序列為控制變量的離散時間控制系統(tǒng)。圖9為間歇振動控制算法的簡化流程圖i.根據(jù)諧振梁3實際諧振頻率可能的最大變化范圍[fmin，fmax]設定中心頻率fc初始值及帶寬fb，確保所對應的頻率范圍[fs，ft]包含[fmin，fmax]；(fmin和fmax來自產(chǎn)品出廠前的測試標定環(huán)節(jié))；ii.令SC1＝ON，信號源13與諧振梁3接通；iii.令信號源13開始輸出頻率范圍[fs，ft]的線性調(diào)頻信號；iv.延時直至線性調(diào)頻信號達到終止頻率ft；v.令SC1＝OFF，信號源13與諧振梁3斷開；vi.令SC2＝ON，諧振梁3與放大器11接通；vii.略作延時直至放大器穩(wěn)定(建立過程結(jié)束)；viii.檢測放大器輸出信號vo，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，計算此時的振動頻率，即固有頻率fn；ix.令SC2＝OFF，諧振梁3與放大器11斷開；x.令SC3＝ON，諧振梁3與阻尼器14接通，使振蕩快速衰減；xi.延時直至諧振梁3停振，令SC3＝OFF，諧振梁3與阻尼器14斷開；xii.以固有頻率fn為新的中心頻率fcfc＝fn，回到第ii步重復。
具體算法設計及參數(shù)設定時還必須考慮測量對象特性和系統(tǒng)自身特性(切換周期、敏感結(jié)構(gòu)物理模型、信號檢測的延時、MCU運算速度等)。
控制器的另一個關(guān)鍵問題為如何根據(jù)vo的解算振動頻率fn。vo雖然已經(jīng)經(jīng)過放大和降噪，但其中依然可能包含較嚴重的噪聲。本發(fā)明采用互相關(guān)原理解決噪聲背景下微弱信號的檢測。由于檢測前vo的具體頻率未知，故采用掃描互相關(guān)方法，即以[fs，ft]范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)掃頻數(shù)字信號序列Si＝cos2πfit為參考信號(其中參考信號頻率fi＝fs+iΔf，i＝0..N-1，N＝fb/Δf)，分別與經(jīng)A/D采集并存儲在MCU的RAM內(nèi)的vo信號的數(shù)字化序列Vo進行數(shù)字互相關(guān)運算，得到互相關(guān)函數(shù)的序列ri＝R(Vo，Si)，i＝0..N-1，以fi為橫坐標，以ri為縱坐標，并進行曲線擬合，即可得到互相關(guān)函數(shù)與參考信號頻率關(guān)系曲線，如圖10所示，根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，互相關(guān)函數(shù)極值，即ri-fi曲線峰值rmax所對應的頻率即為振動頻率fn。因此，掃描互相關(guān)方法不僅可以有效解決噪聲背景下的微弱信號檢測問題，而且可以直接準確解算信號頻率。
上述實施方式中所用到的BPF、PGA、VCA、AGC、DDS、VCO、V/I、離散時間控制系統(tǒng)、互相關(guān)原理等在各自領(lǐng)域皆有成熟公開的設計理論或?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，如AGC和離散時間控制系統(tǒng)可采用離散PID控制和/或模糊控制，PGA、VCA、DDS和VCO均有通用集成芯片，交流V/I可采用Cascode電路和電流鏡構(gòu)成等。
權(quán)利要求
1.三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于由敏感結(jié)構(gòu)(1)和控制電路(2)構(gòu)成，敏感結(jié)構(gòu)(1)的主體為置于恒定磁場中的導電的雙端固支諧振梁(3)，諧振梁(3)兩端與控制電路(2)相連；控制電路(2)向諧振梁(3)輸出間歇式激振信號，檢測諧振梁(3)自由振動階段產(chǎn)生的拾振信號，解算其振動信息以調(diào)節(jié)激振信號，并重復此過程以跟蹤諧振梁(3)的固有頻率，每次完成檢測后，控制電路(2)還利用電磁阻尼效應使諧振梁(3)快速停止，使其工作于間歇振動狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的間歇式激振信號為線性調(diào)頻信號，以有效激勵未知的固有頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的線性調(diào)頻信號以固有頻率范圍為起止頻率，以提高激勵效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的控制電路(2)包括放大器(11)、控制器(12)、信號源(13)和阻尼器(14)及電子開關(guān)(S1、S2、S3)，信號源(13)輸出的交流激振電流ix經(jīng)電子開關(guān)(S1)耦合至諧振梁(3)信號端，諧振梁(3)的信號端經(jīng)電子開關(guān)(S3)耦合至阻尼器(14)，諧振梁(3)的信號端同時經(jīng)電子開關(guān)(S2)耦合至放大器(11)的輸入端，放大器(11)的輸出信號vo耦合至控制器(12)的A/D輸入端，控制器(12)輸出的增益控制信號GC耦合至放大器(11)的增益控制信號輸入端，控制器(12)輸出的頻率控制信號FC耦合至信號源(13)的頻率控制信號輸入端，控制器(12)輸出控制信號(SC1)控制電子開關(guān)(S1)的通斷，輸出控制信號(SC2)控制(S2)的通斷，輸出控制信號(SC3)控制(S3)的通斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于激勵階段，輸出控制信號(SC1)有效，電子開關(guān)(S1)導通，交流激振電流ix流過諧振梁(3)，使諧振梁(3)起振；檢測階段，輸出控制信號(SC1)無效，電子開關(guān)(S1)斷開，信號源(13)與諧振梁(3)斷開，諧振梁(3)處于自由振動狀態(tài)，并在兩端產(chǎn)生拾振信號，即交流感應電壓vi，此時輸出控制信號(SC2)有效，電子開關(guān)(S2)導通，將vi耦合至放大器(11)，放大器(11)對vi進行放大、降噪和穩(wěn)幅，得到滿足A/D要求的輸出信號vo，并耦合至控制器(12)的A/D輸入端；因諧振梁Q值相當高，自由振動衰減過程很慢，使控制器(12)可采集較長時間的序列，從噪聲背景中檢測出微弱的被測信號并解算出本階段的振動頻率，即固有頻率fn，據(jù)此調(diào)節(jié)下一個激勵階段將要輸出的激振信號；完成檢測后，輸出控制信號(SC3)有效，電子開關(guān)(S3)導通，諧振梁(3)連通阻尼器(14)，產(chǎn)生電磁阻尼效應，使其快速停振；然后進入下一個激勵階段，如此重復，以持續(xù)跟蹤諧振梁(3)的固有頻率，實現(xiàn)連續(xù)測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的信號源(13)由交流電壓源(24)和交流電壓-電流變換器(25)組成，采用交流電壓源(24)產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，并以交流電壓-電流變換器(25)將其變換為電流形式以消除回路阻抗對相位的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的交流電壓源(24)采用直接數(shù)字合成DDS或壓控振蕩器VCO。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的放大器(11)為低噪聲的放大器，以寬帶低噪聲交流放大器為前級，以通帶略寬于固有頻率范圍的帶通濾波器初步抑制噪聲，并具有自動增益控制環(huán)節(jié)以適應輸入電平的動態(tài)范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述的控制器(4)的由片內(nèi)集成A/D和D/A的8位或16位微控制器MCU構(gòu)成，采用掃描互相關(guān)方法有效抑制噪聲并檢測微弱有用信號，并從vo中快速準確解算諧振梁(3)的振動頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，其特征在于所述掃描互相關(guān)方法即以穩(wěn)態(tài)掃頻數(shù)字信號序列為參考信號，與保存在RAM中的數(shù)字化的被測信號vo分別進行互相關(guān)運算，互相關(guān)函數(shù)極值所對應的參考信號頻率，即為被測信號頻率fn。
全文摘要
三位一體式微機械諧振梁系統(tǒng)，用于微機械器件中的應力或位移測量，利用諧振梁的固有頻率計算被測量，由敏感結(jié)構(gòu)和控制電路構(gòu)成，敏感結(jié)構(gòu)主體為置于恒定磁場中的導電的雙端固支諧振梁，諧振梁兩端與控制電路相連；控制電路向諧振梁輸出間歇式激振信號，檢測諧振梁自由振動階段產(chǎn)生的拾振信號，采用掃描互相關(guān)方法解算其振動信息，根據(jù)振動信息調(diào)節(jié)激振信號，并重復此過程以跟蹤諧振梁固有頻率；激振信號采用線性調(diào)頻信號，以有效激勵未知的固有頻率；每次完成檢測后，控制電路還利用電磁阻尼效應使諧振梁快速停止，使其工作于間歇振動狀態(tài)，以降低功耗并提高抗干擾能力。本發(fā)明使一個簡單諧振梁同時實現(xiàn)諧振器、激勵器和檢測器三種功能，可有效簡化敏感結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01H11/00GK1945216SQ20061011427
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者樊尚春, 邢維巍, 蔡晨光 申請人:北京航空航天大學