摘要
MEMS谐振类传感器以频率变化作为输出，具备抗干扰能力强的特点。为了实现对频率信号的高精度测量，同时保证一定的输出速率满足后续的需要，需要设计一套实时频率测量电路。该电路基于FPGA或CPLD等可编程器件实现，要求能够实时的实现对频率测量和数据通信。通过测频电路可以实现将MEMS谐振式传感器的振荡信号转换为数字频率信号，可以直接与后续处理单元通信。
关键词：MEMS谐振类传感器 频率测量电路 FPGA 信号转换
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- 课题研究背景
由于数字集成电路技术，微机械加工技术，微电子技术的快速发展，微机械传感器已经在仪表化测量，自动控制，微机械制造等领域得到了广泛的发展和应用[1]。
硅微机械式加速度计是一种典型的MEMS(Micro-Electro-Mechanical system，微机电系统)惯性传感器，其加工工艺与微电子加工技术兼容，可实现批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高、易于智能化和数字化、可满足恶劣环境应用等优点，是当今加速度计发展的热点方向之一，广泛地运用于航空航天、汽车工业、工业自动化及机器人等领域[2]。常见的硅微机械加速度计按敏感原理的不同可分为：压阻式、压电式、隧道效应式、电容式以及热敏式等；按照工艺方法又可分为体硅工艺微加速度计和表面硅工艺微加速度计[3]。
本课题研究的硅微谐振式加速度计是一种具有潜在高精度特性的微型加速度计[4]。它的原理是谐振梁的固有共振频率会随着外力的变化而变化，通过频率变化则可得到加速度计受到的加速度信息。一旦稳定在共振状态的加速度计，受到外界加速度时，则会产生共振频率的变化，可以由频率的微小变化检测到的加速度的信息[5]。为了保证谐振式加速度计正常工作，驱动电路的高可靠性是一个先决条件，它具有闭环控制系统自动调整的能力和外围检测电路具有动态或静态
的频率信号反馈系统以保证加速度计的稳定性和抗干扰性。由于传统的加速度计是根据微小电容来检测加速度且信号非常微弱，容易受到干扰。同时，在MEMS谐振加速度计的频率变化最终表达的振动频率在工作正常时电路的绝对相位差为零，谐振电路必须始终维持一个相对稳定持续的跟踪频率信号来共振[6]。因此，本课题研究的高精度频率检测电路是MEMS谐振加速度计工作的重要保证，只有研究设计了一种高精度稳定的频率检测电路，才有可能使MEMS谐振式加速度计正常高效地工作运行起来。
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国内外研究现状
- 国外研究现状
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国内外研究现状
国外对硅微谐振式加速度计的研究起步较早，从上世纪九十年代中期就开始了相关技术的研究工作。90年代后期，美国加州大学伯克利分校传感器与执行器研究中心、CSDL及霍尼韦尔(Honeywell)公司相继开展了硅微谐振式加速度计输出的研究，这种加速度计将被测加速度信号转换成谐振器的频率变化，直接输出数字信号，避免了微电容检测的弊端[7]。
Honeywell公司在1996年开始了硅微谐振式加速度计的研究，其设计的传感器包括上下真空腔封盖、质量块和谐振梁，如图1所示[8]。谐振梁采用静电驱动，压阻检测。加工结合了体硅微机械加工工艺和表面硅微机械加工工艺，实现真空封装，其品质因数超过20000。设计有10g、20g和50g三种量程。在量程为20g时，谐振梁空载谐振频率为555kHz，标度因数高达743Hz/g。相对于谐振器的空载谐振频率，短期偏置稳定性达到0.1ppm，本底噪声低于0.05Hz。
