Учебное пособие 800594
.pdfУДК 621.396.6-027.31
Г.И. Липатов
ОСОБЕННОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ЕМКОСТНЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ И ГИРОСКОПОВ МЭМС
Рассматриваются особенности интерфейсных схем для емкостных акселерометров и гироскопов.
Отличием в детектирорвании сигналов емкостных микроакселерометров и микрогироскопов является то, что акселерометр выдает емкостный сигнал на той же частоте, что и входное ускорение, а в вибрационном микрогироскопе емкостный сигнал соответствует амплитудно-модулированной информации об угловой скорости. Следовательно, в акселерометрах постоянное входное ускорение вызывает постоянный сдвиг в емкостных датчиках, который не может быть детектирован при использовании для считывания напряжения постоянного тока. В отличие от акселерометров, в вибрационных гироскопах постоянная входная угловая скорость генерирует емкостный сигнал на несущей частоте и тем самым имеет место некоторый сигнальный ток даже при простом постоянном напряжении на емкостном датчике. Эта особенность и значительно меньший емкостный сигнал микрогироскопа представляют основные различия между показаниями этих двух типов емкостных датчиков. Поскольку ускорение Кориолиса в вибрационном гироскопе и линейное ускорение в акселерометре детектируются с использованием общей структуры, которая в основном представляет собой микрорезонатор, типичные полосы интересующего сигнала также можно исследовать в частотной области. Частотная передаточная функция (ПФ) емкостного преобразователя силы HC/F, соответствующая резонансному усилителю с низкой добротностью, показана на рис. 1. Она определяется как отношение изображений входной силы, вызванной линейным ускорением или ускорением Кориолиса, и выходной емкости. Полоса сигнала гироскопа модулируется на несущей частоте и, следовательно, смещается в сторону от очень низких частот.
80
Рис. 1. Передаточная функция емкостного преобразователя силы (HC/F) и типичные полосы представляющих интерес сигналов
Используемая электроника для акселерометров и гироскопов часто похожа. Оба типа датчиков могут работать как без контура, так и с контуром обратной связи с использованием одинаковых конструкций, но с отличительными особенностями, связанными с типом датчика, для которого используется интерфейс.
Блок-схема емкостного датчика без контура обратной связи приведена на рис. 2. Внешний наблюдаемый сигнал, например ускорение, преобразуется в силу с усилением GT, которое равно инерционной массе датчика, то есть GT=m. Сигнал силового воздействия проходит резонатор (ПФ резонатора – HRES) и преобразуется в положение. Положение преобразуется в емкость с усилением GT2, а емкость считывается электронным интерфейсом (ПФ считывателя HR) и преобразуется в легко доступный формат, такой как напряжение или цифровое слово. Таким образом, общая передаточная функция от внешнего сигнала, представляющего интерес, к выходу датчика может быть записана как
Hs=GTHRESGT2HR. |
(1) |
Качество системы без контура обратной связи определяется худшим элементом системы, если не используются сложные методы калибровки и коррекции. Следовательно, например, улучшение схемотехники может помочь только до некоторой степени, определяемой сенсорным элементом данной конструкции. В этом случае, например, полоса пропускания элемента будет ограничивать полосу
81
пропускания сигнала без контура обратной связи. Дополнительные параметры, относящиеся к элементам, такие как линейность, полномасштабный диапазон сигнала или высокодобротные резонансы, также не могут контролироваться в конфигурации без контура обратной связи. С другой стороны, простая и часто малошумящая схема считывания является существенным преимуществом датчика без контура обратной связи.
Рис. 2. Блок-схема датчика без контура обратной связи, также изображающая основные физические сигналы
Считывания без контура обратной связи могут выполняться с использованием непрерывного (CT) или дискретного (DT) во времени методов с аналоговым или непосредственно цифровым выходом.
Непрерывное во вре ени детектирование е ко т ных и гна-
ов . Прежде чем выходной сигнал датчика будет преобразован в напряжение или цифровую информацию, сигнал емкостью преобразуется в заряд. Точнее действительная величина, представляющая интерес, представляет собой подвижный заряд, то есть ток, который дополнительно преобразуется в напряжение с помощью используемой электроники, подсоединенной к сенсорному элементу. Процедура создания токового сигнала изображена на рис. 3, где сенсорный элемент моделируется с использованием одного переменного конденсатора Cs. В случае рис. 3, а детектирующее напряжение Vdet предполагается постоянным или не зависящим от времени, так что
ненулевой токовый сигнал будет |
|
|
|
|
||
Is |
dQ |
Vdet |
dCs |
, |
(2) |
|
dt |
dt |
|||||
|
||||||
82
а) |
б) |
Рис. 3. Использование постоянного (а) и переменного (б) детектирующего напряжения для преобразования
емкостного сигнала в заряд/ток
только если Cs зависит от времени. Это предположение справедливо в вибрационных гироскопах, где постоянное напряжение Vdet может быть использовано для детектирования. Детектирование с использованием постоянного (dc) напряжения Vdet также можно назвать измерением по скорости изменения или измерением скорости. В акселерометрах Cs устанавливается в новое постоянное значение при приложении постоянного во времени ускорения, и, согласно (2), это даст нулевой ток для рис. 3, а. При замене Vdet детектирующим напряжением переменного тока Vdet ac, рис. 3, б, токовый сигнала можно записать в виде
Is dQ |
d(Vdet асCs ) . |
(3) |
dt |
dt |
|
Спектральные составляющие исходного емкостного сигнала и сигнала режима заряда изображены на рис. 4. Единственный случай, когда обнаруженный сигнал не требует демодуляции перед созданием конечного выходного сигнала датчика, соответствует немодулированному емкостному сигналу и детектирующему напряжению постоянного тока (Vdet). К сожалению, если частота сигнала fs равна нулю (постоянный во времени сигнал), токовый сигнал также равен нулю. Постоянный емкостный сигнал может быть надлежащим образом детектирован с использованием детектирующего напряжения переменного тока, которое эквивалентно амплитудной модуляции и соответствует произведению Vdet acCs в (3). Детектирование с использованием переменного напряжения Vdet ac также мож-
83
но назвать измерением смещения. В случае гироскопа, где исходный емкостный сигнал уже амплитудно-модулирован, сигнал режима заряда (тока) становится модулированным дважды, как видно на рис. 4.
Рис. 4. Типичные спектральные составляющие емкостного сигнала
переменного тока C и зарядового сигнала Q после детектирования с использованием детектирующего напряжения как переменного, так и постоянного тока в гироскопе и акселерометре. Частота сигнала fs, частота Vdet_ac равна fdet_ac. Емкостный сигнал в гироскопе модулируется на fc
Частота несущей или переменного напряжения детектирования является расчетным параметром, который определяется такими факторами, как энергопотребление, шум и характеристики, связанные с площадью микросхемы, которые применяются к схеме считывания. Например, влияние фликкер-шума (1/f-шум) обычно достаточно низко на примерно 100 кГц. Дальнейшее увеличение частоты позволяет использовать CT-схемы считывания с меньшими RC- постоянными времени и, следовательно, более компактные, по-
84
ɫɤɨɥɶɤɭ ɦɟɧɶɲɢɟ ɜɫɬɪɨɟɧɧɵɟ ɪɟɡɢɫɬɨɪɵ ɢ ɤɨɧɞɟɧɫɚɬɨɪɵ ɫɩɨɫɨɛ ɫɬɜɭɸɬ ɭɦɟɧɶɲɟɧɢɸ ɬɪɟɛɭɟɦɨɣ ɩɥɨɳɚɞɢ ɤɪɢɫɬɚɥɥɚ ɂɋ
Ɍɨɤɨɜɵɣ ɫɢɝɧɚɥ ɨɬ ɞɚɬɱɢɤɚ ɦɨɠɟɬ ɛɵɬɶ ɩɪɟɨɛɪɚɡɨɜɚɧ ɜ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɟ ɫ ɩɨɦɨɳɶɸɩɪɨɫɬɨɝɨ &7 ɛɭɮɟɪɚ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ ɉɪɢɦɟɪ ɛɭɮɟɪɚɩɨɤɚɡɚɧɧɚɪɢɫɚ ɇɚɪɢɫɭɧɤɟ&S ±ɩɚɪɚɡɢɬɧɚɹɟɦɤɨɫɬɶ ɨɛɪɚɡɭɟɦɚɹɧɚɩɪɢɦɟɪɦɟɠɫɨɟɞɢɧɟɧɢɹɦɢɢɛɭɮɟɪɧɵɦɭɫɢɥɢɬɟɥɟɦ Ɋɟɡɢɫɬɨɪ5ELDVɞɨɛɚɜɥɟɧ ɞɥɹ ɩɨɞɞɟɪɠɚɧɢɹ ɧɟɨɛɯɨɞɢɦɨɝɨ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɝɨ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ9ELDVɧɚ ɜɯɨɞɟ ɭɫɢɥɢɬɟɥɹ ɚ$9± ɤɨɷɮɮɢɰɢɟɧɬ ɭɫɢɥɟɧɢɹ ɩɨ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɸ ɛɭɮɟɪɧɨɝɨ ɭɫɢɥɢɬɟɥɹ
ɚ ɛ
Ɋɢɫ Ȼɭɮɟɪɵ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ ɢɫɩɨɥɶɡɭɟɦɵɟ ɞɥɹ ɞɟɬɟɤɬɢɪɨɜɚɧɢɹ ɟɦɤɨɫɬɧɵɯ ɫɢɝɧɚɥɨɜɚɫ ɤɨɦɛɢɧɚɰɢɟɣ ɞɟɬɟɤɬɢɪɭɸɳɟɝɨ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɝɨ ɬɨɤɚ9GHWɢ ɛɨɥɶɲɨɝɨ ɪɟɡɢɫɬɨɪɚ ɞɥɹ ɪɟɚɥɢɡɚɰɢɢ ɫɦɟɳɟɧɢɹ ɩɨ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɦɭ ɬɨɤɭ ɧɚ ɜɯɨɞɟ ɭɫɢɥɢɬɟɥɹɛɫ ɞɟɬɟɤɬɢɪɭɸɳɢɦ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɟɦ ɩɟɪɟɦɟɧɧɨɝɨ ɬɨɤɚ 9GHWBDFɢ ɩɟɪɢɨɞɢɱɟɫɤɢ ɨɛɧɨɜɥɹɟɦɵɦ ɫɦɟɳɟɧɢɟɦ ɩɨ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɦɭ ɬɨɤɭ
ȿɫɥɢ ɛɭɮɟɪ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɹ ɢɫɩɨɥɶɡɭɟɬɫɹ ɫ ɞɟɬɟɤɬɢɪɭɸɳɢɦ ɧɚɩɪɹɠɟɧɢɟɦ ɩɨɫɬɨɹɧɧɨɝɨ ɬɨɤɚ ɞɥɹ ɞɟɬɟɤɬɢɪɨɜɚɧɢɹ ɟɦɤɨɫɬɢ ɦɢɤɪɨ ɝɢɪɨɫɤɨɩɚ ɬɪɟɛɨɜɚɧɢɹ ɩɨ ɲɭɦɭ ɩɨɬɟɧɰɢɚɥɶɧɵɟ ɩɪɨɛɥɟɦɵ ɬɟɦɩɟɪɚ ɬɭɪɧɨɣ ɫɬɚɛɢɥɶɧɨɫɬɢ ɡɧɚɱɟɧɢɹ ɫɨɩɪɨɬɢɜɥɟɧɢɹ ɢ ɱɚɫɬɨɬɧɨ ɡɚɜɢɫɢɦɨɟ ɭɫɢɥɟɧɢɟ ɬɪɟɛɭɸɬ ɜɵɩɨɥɧɟɧɢɹ ɭɫɥɨɜɢɹ5ELDV!! > ΣIF ɋV &S@ ɗɬɨ ɬɪɟɛɨɜɚɧɢɟɨɛɵɱɧɨɭɫɬɚɧɚɜɥɢɜɚɟɬ ɫɨɩɪɨɬɢɜɥɟɧɢɟɪɚɜɧɵɦɧɟɫɤɨɥɶ ɤɢɦ ɝɢɝɚɨɦɚɦ ɱɬɨ ɞɟɥɚɟɬ ɧɟɜɨɡɦɨɠɧɵɦ ɢɫɩɨɥɶɡɨɜɚɧɢɟ ɩɨɥɢɤɪɟɦɧɢ ɟɜɨɝɨ ɪɟɡɢɫɬɨɪɚ Ⱦɥɹ ɢɫɤɥɸɱɟɧɢɹ ɜɵɫɨɤɨɣ ɩɚɪɚɡɢɬɧɨɣ ɟɦɤɨɫɬɢ ɫɨ ɡɞɚɜɚɟɦɨɣ ɨɱɟɧɶ ɛɨɥɶɲɢɦ ɩɨɥɢɤɪɟɦɧɢɟɜɵɦ ɪɟɡɢɫɬɨɪɨɦ ɪɟɡɢɫɬɨɪ ɦɨɠɟɬɛɵɬɶɡɚɦɟɧɟɧɞɢɨɞɨɦɫɨɛɪɚɬɧɵɦɫɦɟɳɟɧɢɟɦɢɥɢɩɨɥɟɜɵɦ ɆɈɉ ɬɪɚɧɡɢɫɬɨɪɨɦ ɪɚɛɨɬɚɸɳɢɦ ɜ ɩɨɞɩɨɪɨɝɨɜɨɣ ɨɛɥɚɫɬɢ
Если буфер напряжения используется с детектирующим напряжением переменного тока Vdet_ac и частота fdet ac выбирается достаточно высокой, Rbias может быть сконструирован так, чтобы быть меньше и реализован как поликремниевый резистор.
Другое решение для поддержания необходимого напряжения смещения заключается в периодическом сбросе напряжения на входе усилителя, как показано на рис. 5, б. Этот подход применяется для считывания с емкостного полномостового элемента акселерометра.
Для оценки общих динамических характеристик буфера напряжения емкость Cs сенсора может быть разделена на статическую часть C0 и сигнально-зависимую часть C. Напряжение на входе усилителя искажается при приближении величины C к величине C0, поскольку напряжение на емкостном сенсоре существенно
зависит от самого сигнала. Однако при C<<C0, детектирующее напряжение является приблизительно постоянным, и можно оценить линейное усиление слабого сигнала от сигнальной емкости до выходного напряжения.
Для рис. 5, a, когда детектирующее напряжение постоянного тока и частота сигнала fs (переменного) выше, чем угловая частота
1/[2 Rbias(Сs+Cp)], передаточная функция может быть записана как
Vout (s) |
AV |
Vm Vbias |
(4) |
C(s) |
C0 Cp . |
|
Детектирование на переменном токе на рис. 5, б приводит к амплитудно-модулированному выходному сигналу, когда переключатель сброса разомкнут. Выходное напряжение Vout на рис. 5, б может быть рассчитано во временной области как
|
Cp |
|
(5) |
|
Vout (t) AV (C0 Cp )2 C(t)Vm_ac sin( det_act). |
||||
|
||||
Из (4) можно заметить, что Vdet=Vm–Vbias и, следовательно, оба напряжения смещения, Vm и Vbias, влияют на усиление. В (5) коэффициент усиления не зависит от Vbias, задачей которого является
просто поддержание необходимого смещения усилителя. Кроме то-
86
го, в (4) и (5) коэффициент усиления пропорционален паразитной емкости, которая редко является точно определенным параметром. Также интересно отметить, что считывание величины отношения сигналов переменного тока достигается в его простейшей форме с использованием буферов напряжения. В частности, если дифферен-
циальный датчик используется на рис. 5 таким образом, что C0– C заменяет паразитную емкость Cp, выходное напряжение может рас-
считываться как прямо пропорциональное C без принятия какихлибо допущений о малости сигнала.
Четко определенный коэффициент усиления может быть достигнут с использованием трансимпедансного усилителя.
Интересующий исходный сигнал в случае инерциальных датчиков всегда представляет собой непрерывный во времени аналоговый сигнал, такой как ускорение или угловая скорость. Измеримая величина, емкость, которая пропорциональна представляющему интерес исходному сигналу, также является непрерывным во времени аналоговым сигналом. Когда емкостный сигнал преобразуется в напряжение с использованием схемы считывания выборки, сигнал больше не содержит исходную теоретически неограниченную полосу информации. Вместо этого, когда сигнал дискретизируется и обрабатывается в схеме считывания с дискретным во времени считыванием, информация отображается в диапазоне от 0 до 1/(2Tsa) или частоты Найквиста. Следовательно, частота дискретизации 1/Tsa = fsa устанавливает теоретическую максимальную ширину полосы сигнала для дискретно-временного считывания.
Наибольшее распространение для детектирования емкостей нашли усилители с переключаемыми конденсаторами (SCусилители) с коррелированной двойной выборкой (CDS) и стабилизацией прерыванием. Методика позволяет определять емкости сигнальных конденсаторов, сначала смещая их до известного напряжения, а затем перемещая заряд от сенсора к эталонному конденсатору, значение которого известно. Эта процедура позволяет преобразовать значение неизвестного емкостного сенсора в напряжение с четко определенным коэффициентом усиления.
Воронежский государственный технический университет
87
УДК 534.242
В.И. Митрохин, А.В. Чаплыгин*, А.А. Стёпкин, А.Д. Анисимов
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
В работе описаны топология и электрические характеристики полупроводникового фотоприёмника на основе встречно-штыревых преобразователей и проведено исследование эффекта импульсного оптического возбуждения поверхностных акустических волн в пластинах высокоомных монокристаллов арсенида галлия.
Вработах [1 - 3] описан способ приема оптических сигналов
спомощью полупроводникового резонатора на объемных акустических волнах. В настоящей работе представлен вариант полупроводникового резонансного фильтра оптических сигналов с использованием поверхностных акустических волн на подложке арсенида галлия пьезоактивного среза с использованием встречно-штыревых преобразователей (ВШП) и акустических отражателей.
Подложками для изготовления ВШП структур фотоприемников служили монокристаллические пластины нелегированного GaAs, выращенного методом Чохральского с жидкостной гермети-
зацией расплава (арсенид галлия типа LEC) с удельным сопротивлением 107 Ом∙см. Использовались пластины толщиной 0,4 мм с ориентацией плоскости {100}. ВШП структуры располагались на пластине таким образом, чтобы направление распространения звука совпадало с пьезоактивным направлением монокристаллической подложки – <110>. При такой ориентации пластины и ВШП структуры индуцируемая светом фото-ЭДС будет вызывать механическую деформацию за счет обратного пьезоэффекта, а возникшая поверхностная акустическая волна за счет прямого пьезоэффекта будет возбуждать электрический сигнал на металлических электродах.
С целью повышения оптической чувствительности и избирательности по частоте модуляции света был выбран вариант резонаторной ВШП структуры, общий вид которой был показан на рис. 1.
88
Рис. 1. Общий вид топологии ВПШ оптоакустического приемника
В центре рисунка расположен ВШП, по краям - акустические отражатели. Рисунок отражает общие контуры элементов и электрические выводы. Структура ВШП и отражателей с местными сечениями показана на рис. 2.
Рис. 2. Укрупненная топология ВПШ-резонаторов
89