超低谐振频率MEMS 具有非谐振的重力计闭环控制--系统设计

所提出的系统的框图如图1所示。这个原型重力仪是为了检测水平方向上的重力加速度而设计的，同时也可以用作倾角传感器。如图1所示，采用了两个闭环控制系统。每个闭环控制的作用如下所述。

图1.系统框图。驱动力施加于质量上，根据振幅，CTRL1调节k_E。质量位置的直流分量用于CTRL2和Actuator抵消位移。

A. 共振频率的非共鸣控制

该系统的质量受到力的驱动。质量的位置x可以从电容差C1-C2中得到。通过对C1-C2进行同步解调，可以检测到频率为

f_d的振幅A。基于A的值，电路块CTRL1生成一个电压，用于调节电力势k_E。通过这种方式，总劲度k=k_M+k_E受控制，使得A成为A_T。应该观察到，在频率f_d处的振幅A远小于谐振频率处的振幅。此外，振幅A必须大于噪声水平。原则上，可以通过增加驱动力F_d的大小来增加振幅A。不幸的是，大的F_d可能会引起静电致动器的拉入。因此，我们需要优化频率f_d和驱动力F_d。在本研究中，我们使用仿真来完成此任务。

B.力平衡系统

小的劲度k可以降低传感器的冲击稳健性并减少动态范围。为了防止这种情况发生，我们采用一种力平衡系统来抵消质量位移。在我们的系统中，质量位置x的直流分量用于力平衡系统。这是有道理的，因为我们只对重力信号的低频成分感兴趣。如图4所示，通过对电容差C1-C2应用低通滤波器，可以获得x的直流分量。基于该值，电路块CTRL2生成一个电压

V_FB。该电压供给给致动器，抵消质量位移。重力加速度的值反映在电压VFB中。请注意，交流驱动力不会影响x的直流分量，因为驱动频率f_d远大于这个机械系统的共振频率。