【学习笔记】传感器技术（7）：基于MXT9030的微电容加速度计系统搭建
2015年电子技术应用第2期
作者： 姚庭伟，陈祥发，柴宏玉
摘 要： 阐述了三明治式电容微加速度计的工作原理，并在此基础上介绍了一种具体的三明治式微加速度计的设计：采用一种通用的电容读取电路MXT9030实现对电容式微加速度传感器的信号检测，通过微控制器的控制，调节MXT9030电路的内部参数，使加速度计系统具有良好的线性度及灵敏度。实验结果表明，该设计可满足较大范围内的电容差分信号输入，并具有良好的检测灵敏度和线性度。
0 引言
加速度计又称比力传感器，是一种以牛顿惯性定律为理论基础的惯性器件，用来测量运载体的加速度值。加速度计作为惯导系统的关键元件之一，在军事、航空、航天等多个方面得到了广泛的应用。
MEMS器件以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域越来越突显出广阔的应用前景，尤其是近些年来随着航天和武器装备技术的不断发展，更加要求电子系统小型化、低成本和高可靠。
电容式加速度计是一种典型的MEMS器件，主要由敏感质量块和检测电路两部分组成。敏感质量块所承受的加速度能使其产生位移，导致电容大小发生变化，检测电路能将检测到的电容变化转换成电压变化，从而将被测非电学的加速度信号转换成电信号。由于微加速度计结构的微型化，其电容总量一般在几十个皮法内，电容变化量则更小，因此要求检测电路必须具有非常高的灵敏度才能准确地检测出该信号。本文所述的一种电容式微加速度计具有典型的三明治结构（如图1），采用北京时代民芯科技有限公司的电容检测芯片MXT9030作为检测电路的主要组成部分，并使用微控制器配合来实现对该芯片的内部参数的调节和配置，使加速度计整体系统能够达到最佳工作状态。
1 差分电容检测原理
如图1所示，在微加速度计中，M是面积为S敏感质量块，与上、下固定电极构成差分电容。
当外部加速度为0时，质量块位于中间平衡位置，与上、下极板间的原始距离均为d0，块-板间电容C1=C2=C0=0S/d0；当有加速度作用于加速度计时，敏感质量块偏离平衡位置，产生位移?驻d，C1≠C2。假设产生向上的位移，则有：
由于结构应力和静电力反馈，质量块位移较小，?驻d远远小于d0，忽略高次项可得：
通过式（3）检测出差分电容C，就可得到加速度信号的大小和方向。
为检测加速度，通常在上、下固定极板上分别施加互补（相位相差180°）的高频方波信号VS，Vout1、Vout2分别表示上、下极板与M间的输出信号，综合以上几个公式，可得知上、下极板间输出的交流感应信号Vout：
接口电路将敏感质量块上的交流电压信号放大，经解调电路解调后，由滤波电路输出一个与加速度一致的电压信号。
2 微弱电容信号检测电路
本文设计的微弱电容信号检测电路的功能框图如图2所示。
MXT9030是一种高精度的电容-电压转换电路，对输入信号可进行数字可编程调节与补偿。该电路主要用于差分电容传感器、微机械压力传感器、流体传感与控制、便携式传感器等传感器应用领域。
MXT9030是一种适用于差分电容传感器的可编程信号转换器件，模拟信号通道对传感器信号进行放大，并为零位、跨距、零位漂移、跨距漂移和传感器线性误差提供数字校正，通过设置芯片上的寄存器值实现。MXT9030的内部工作原理图如图3所示。
从图3中可以看到，电容CS1、CS2的电荷量依靠C-V转换器进行读出，具体过程是通过发送方波到C1和C2上作为驱动，然后读出从CM中转移出来的电荷量以进行下一步处理。引脚REF在默认情况下与输出放大器相连接，产生的VREF作为内部参考，它的值必须接近（VDD+VSS）/2。
具体工作流程如下：MXT9030是基于模拟信号通道并通过数字控制来实现电容信号到电压信号的转换，通过电路中的配置参数实现对非线性和偏置等误差的调整补偿。电容到电压的转换由两个阶段完成，第一个阶段是电容-电压的转换阶段，系统通过对寄存器COFF、CCOMP的设置来实现偏置的补偿，通过寄存器CNOM、CDEN实现非线性的补偿；第二阶段是增益放大阶段，其中增益的设置通过寄存器GAINH，GAINL来控制，并通过对寄存器ROFF的设置实现精细偏置校准。当CS1=CS2时，输出电压等于内部参考电压VREF(VOFF为0)。因此可以依据VOUT-VREF的值来检测CS1，CS2是否相等。此外，MXT9030提供一个两线数字接口用于对其内部寄存器的读与写。该接口为双向的，MXT9030总是从属设备。SCK引脚用于时钟，SDA引脚是双向引脚用于传输数据。在开始传输数据之前有一个开始条件(读和写命令)，即当SCK总是高电平时，SDA有一个从高电平到低电平的下降沿。
3 微控制器
微控制器选择的是北京时代民芯科技有限公司的MXT430电路，其原理如图4所示。微控制器采用低功耗设计和16位精简指令结构，具有5种低功耗模式；CPU内置16位寄存器及常数发生器，能够实现最高的代码效率；锁频环 FLL+和数控振荡器使得微处理器能在6微秒内从低功耗模式快速切换到工作模式；该微控制器配置有两个内置16位定时器、一个比较器、一个SCAN接口模块、96段LCD驱动器和48个I/O引脚。
MXT430可与传感器构成数据采集系统，捕获模拟信号并转换为数字信号，处理数字信号并传送到主系统中。
4 应用分析
本电路输出电压与待测电容的关系为：
将传感器电容值和微控制器配置参数代入以上公式，即可求出电路的最终输出。其中，VM为C-V转换后得到的电压输出，VOFF为偏置电压，VREF为参考电压，CCOMP为非线性补偿电容。
本文搭建的加速度计系统进行了两方面的测试，一是在静态条件下，MEMS传感器受到加速度为0 g，通过改变MXT9030电路的寄存器参数配置，查看电路输出值，结果显示各配置字有效地调节了电路参数，电路功能正常；二是对量程为±60 g的加速度计系统进行动态测试，测试仪器为离心机，在不同加速度条件下测量电路输出值，然后对数据进行处理，得到各阶系数及残差，如表1所示。
该实验表明，MXT9030电路用于电容差分信号检测，可检测电容范围大，可调整参数多，能对传感器误差进行较大程度的补偿，而且电路转换精度高，可靠性强。
5 结论
本文采用高精度电容读取电路MXT9030对差分电容信号进行检测，微控制器MXT430对其寄存器进行配置，前端为量程±60 g的三明治式电容MEMS加速度传感器。实验结果表明，MXT9030电路输入范围大，可调余地广，性能稳定，与电容性MEMS传感器的适配性强。