微谐振传感器同频干扰的建模与消除

硅微谐振式传感器是基于MEMS(微机械电子系统)工艺的基础上发展起来的新型传感器，具有体积小、重量轻、功耗低、测量精度高、以频率为输出信号、易于计算机连接等优点，成为微传感器的一个重要发展方向。微谐振式传感器多采取闭环自激振荡的方式，可以自动跟踪被测值的实时变化，因此得到广泛应用。但是在各种硅微谐振式传感器中均存在同频信号干扰的问题，给测量带来误差，如果干扰信号过大，器件的Q值会显著下降，增大了闭环检测的难度。因此同频干扰的消除成为谐振式硅微传感器的一个重要难题。

笔者以静电激励／电容拾振谐振式硅微加速度传感器为例，分析了同频干扰产生的原因并提出一种新的解决方法。

1、同频干扰的分析与建模

静电激励／电容拾振硅微谐振传感器的谐振梁敏感结构尺寸非常小，存在强烈的同频干扰信号。同频干扰主要有以下3个耦合途径(如图1所示)：

① 极板间耦合电容。由于激振极板与拾振极板距离较近，激振极板的交流电压信号可以通过耦合电容Coh1。作用在拾振极板上形成耦合干扰。

② 引线间耦合电容。激振极板的引线与拾振极板的引线之间存在耦合电容(Coh2)。主要是由于极板的引线较长，一般可以达到几毫米，所以激振信号通过Coh2耦合到拾振极板的引线上，形成同频干扰。

③ 感应电动势。由于拾振电路构成一个闭合回路，所以激振的交变信号会在拾振回路中产生感生电动势Vn，此电势也是一个同频干扰源。

图1 硅微谐振式传感器同频干扰模型

在此可得同频干扰电路等效模型，如图2所示，其中C为拾振电容，电阻R(取样电阻)两端的输出干扰电压Uo(I)为

考虑到谐振式传感器的拾振电容Coh1与耦合电容Coh1。和Coh2的数值均非常小(只有几个pF)，式(1)可以简化为

图2 同频干扰耦合的电路等效模型

2、同频干扰的消除

由上述分析可知，同频干扰主要是由耦合电容和感生电动势组成，由此提出两次差分的方法消除同频干扰，建立了图3所示的双端差分激励／双端差分检测的接口电路。

图3 双端差分激励／双端差分检测原理图

这是一种两端激励／双端检测对称结构，谐振梁有4块对称的激振极板和2块拾振极板，通过激振极板所加激励信号的相位区别实现第一次差分运算，通过双端拾差分检测振进行第二次差分运算，通过这种对称性设计来有效消除同频干扰。

其电路等效模型如图4所示，具体分析如下。

(1) 双端差分激励

在这里只对一侧的差分激励进行分析。谐振梁的一侧有2个激振极板，这2个极板上的激振信号相位相差180。，在忽略Vn的前提条件下[Vn将在第二次差分时消除]，取样电阻R上的输出干扰信号为

由于结构的对称性，所以Coh1≈C’oh1；Coh2≈C’oh2，Uo（t）≈0，可见双端差分激励的方式可以有效消除微传感器中由于耦合电容引起的同频干扰。

图4 双端差分激励／双端差分检测耦合干扰等效电路图

(2) 双端差分检测

本结构采用了双端拾振的方式，对输出信号进行双端差分检测，从而在放大有用信号的同时消除同频干扰。如图5所示，在上下2个拾振极板构成的2个检测回路中的感生电动势Vn1和Vn2近似相等(结构对称性)，使用差动运算可以将其消除。然而差动检测不仅可以消除同频干扰，对于测量过程中的各中噪声均可以有效的消除，进而显著提高信噪比。

图5 双端差分检测等效电路图

综上，使用双端差分激励的方式可以有效消除由于极板和引线的静电耦合引起的干扰，使用双端差分检测可以消除激振信号在拾振电路中形成的感生电动势，从而有效消除同频干扰。

这种设计不仅仅能够有效地消除同频干扰，与常规的设计相比还有以下的优点：

① 与单端激励、单端检测的硅微谐振式传感器相比，这种结构能够有效消除静电作用力中直流分量和二倍频分量带来的干扰。在静电力作用下谐振梁的受力为

其中，s为电容极板的正对面积；x为电容极板的间距；u为极板两端的压差；ε占为真空中的介电常数。当使用双端激励时，谐振梁的受力为

可见，使用双端激励的结构，可以消除直流分量和二倍频分量的影响。其中直流分量的存在会减少谐振梁的稳定性，而二倍频的分量的存在会带来二倍频的干扰信号。

② 与单梁结构双端激励双端检测的硅微谐振式传感器相比，这种结构在谐振梁上支出齿子来，可以显著提高拾振电容的面积，从而为微弱电容的检测提供了方便。

3、结束语

硅微谐振式传感器的干扰主要是同频干扰，这种干扰的存在不仅影响测量的精度，严重的会导致无法闭环，从而使传感器无法工作，笔者在分析同频干扰的各种耦合途径的基础上，提出同频干扰的等效模型和双端差分激励／双端差分检测的方法，通过两次差分来消除同频干扰，为硅微谐振式传感器成功闭环和高Q值的获取打下基础。