隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展,，基于該工藝的微型器件得到了廣泛的應(yīng)用,其中最為代表性的是微機械加速度計及微機械陀螺的快速發(fā)展。由于微機械陀螺具有體積小,、成本低,、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點，因此許多科研院所公司對其進行了研究開發(fā),，本實驗室針對當(dāng)前高速旋轉(zhuǎn)彈的特點提出了一種利用彈體旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動的陀螺,。該MEMS陀螺通過檢測運動過程中電容的變化來實現(xiàn)對載體角速率的測量。然而由于MEMS器件電容都比較小,，工作工程中其變化范圍就更小,，所以對微小電容的精確檢測是實現(xiàn)三軸角速率提取正確的基礎(chǔ),。
　    本文針對這一情況提出一種可用于檢測微小電容變化的檢測電路。該檢測電路具有精度高,、分辨率高等優(yōu)點,，能夠滿足現(xiàn)有MEMS陀螺微小電容的檢測，在MEMS器件及其他電容式傳感器測試中具有廣闊的應(yīng)用前景,。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 陀螺工作原理
   針對旋轉(zhuǎn)彈的特點設(shè)計了利用其自身旋轉(zhuǎn)作為驅(qū)動的三軸MEMS陀螺,，該陀螺與傳統(tǒng)MEMS陀螺相比，在結(jié)構(gòu)上省去了驅(qū)動部分,，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計,，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

   其工作原理為：將陀螺捷聯(lián)安裝在彈體內(nèi)部,，當(dāng)彈體旋轉(zhuǎn)時帶動內(nèi)部質(zhì)量塊產(chǎn)生切線方向的速度vr,，進而當(dāng)彈體姿態(tài)發(fā)生變化時，亦即當(dāng)其偏航角速率和俯仰角速率發(fā)生變化時導(dǎo)致其投影在x軸上的速度發(fā)生變化,，在這兩個速度的作用下，進而產(chǎn)生哥氏加速度,。隨著彈體姿態(tài)的變化,，質(zhì)量塊受到的哥氏力也不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致質(zhì)量塊上下振動,，此時質(zhì)量塊與極板間的電容也發(fā)生變化,。通過檢測質(zhì)量塊與極板間電容的變化來實現(xiàn)對彈體三軸角速率的測量。根據(jù)陀螺結(jié)構(gòu)及相關(guān)理論可得,，其電容變化范圍為-1.066 pF~1.066 pF,，且最小變化量僅為1.95 fF。
1.2 電容檢測系統(tǒng)工作原理
    該系統(tǒng)首先利用AD7747對所測電容進行檢測,，然后通過I2C總線與單片機進行通信,，經(jīng)過單片機對所轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行解算，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳至上位機進行顯示或者將數(shù)據(jù)存儲在單片機的內(nèi)部Flash中,，其總體框圖如圖2所示,。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計
2.1 硬件電路設(shè)計
    該系統(tǒng)硬件電路比較簡單，主要包括STM32F405外圍電路的設(shè)計,、與AD7747的通信接口電路設(shè)計以及其與上位機通信的接口電路設(shè)計,。
2.1.1 AD7747相關(guān)簡述
    AD7747是一款低成本、高分辨率的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，其電容轉(zhuǎn)換位數(shù)可達(dá)24位,。其既可測量差分電容，也可實現(xiàn)單端電容的測量,。差分測量范圍為±8 pF,，單端測量時最大可以測量25 pF的電容,。
    本文所設(shè)計陀螺采用差分電容結(jié)構(gòu)，所以利用AD7747的差分測量來對其進行檢測,。在檢測過程中,，陀螺其中一個極板共地，另外兩個極板分別與芯片的CIN(+),、CIN(-)連接,，同時為減小干擾，在連接線外面套上屏蔽線,，將其與AD7747的SHLD端連接,，以減少導(dǎo)線的干擾。然后AD7747通過內(nèi)部的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的配置來進行容值的測量,，并通過I2C總線將所測容值傳給單片機進行處理,。
2.1.2 單片機外圍電路設(shè)計
    本文所設(shè)計的電容檢測系統(tǒng)采用ST公司生產(chǎn)的STM32F405單片機。該單片機是一款32位基于CortexTM-M4內(nèi)核的ARM芯片,，內(nèi)部Flash高達(dá)1 MB,，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間測試數(shù)據(jù)的存儲，且其開發(fā)簡便,，能夠大大節(jié)省開發(fā)時間,。所以本文選取該單片機作為該系統(tǒng)的控制中樞，其主要包括I2C數(shù)據(jù)傳輸,、單片機與上位機的傳輸以及對AD7747及串口通信的基本配置,。
    此外，當(dāng)單片機與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸時,，由于電平的不同,，需要利用電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換，本文采用MAX232EUE及相應(yīng)的外圍電路來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換,。其原理圖如圖3所示,。

2.2 軟件設(shè)計
　該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三個部分：系統(tǒng)總體設(shè)計、AD7747與單片機STM32F405的I2C通信設(shè)計和單片機與上位機的串口通信設(shè)計,。
2.2.1 總體程序設(shè)計
    該系統(tǒng)的主程序是整個系統(tǒng)的核心,，用以完成器件的初始化、AD7747與單片機的通信控制,、數(shù)據(jù)的上傳等,，其具體流程圖如圖4所示。

2.2.2 I2C通信模塊設(shè)計
    AD7747數(shù)據(jù)發(fā)送/接收模塊是基于I2C通信協(xié)議的,。I2C總線是由PHILIPS公司提出的一種兩線串行總線協(xié)議,，其具有接線少、協(xié)議簡單、誤碼率低和通信速率較高等特點,。I2C協(xié)議是通過一根時鐘總線進行發(fā)送機與接收機時間同步,，使用一根數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸。圖5是I2C協(xié)議起始信號和終止信號的定義,，這使得發(fā)送機和接收機很容易識別有用信號的開始和結(jié)束,。圖6是AD7747給出的I2C總線傳輸序列。
    實現(xiàn)AD7747與STM32單片機的通信比較簡單,，只需選取合適的I/O口,，然后對其正確配置即可實現(xiàn)正常通信。其具體配置為：
    #define  GPIO_Pin_SCL  GPIO_Pin_2,；
    #define  GPIO_Pin_SDA  GPIO_Pin_3,；
　   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_SDA | GPIO_Pin_SCL；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode _OUT,；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed _50MHz,；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_OType=GPIO_OType_PP；
　    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd _UP,；
2.2.3 串口通信模塊設(shè)計
    該模塊主要是將處理完的數(shù)據(jù)通過串口傳到上位機進行實時顯示,。該模塊需要上位機和下位機協(xié)調(diào)工作，所以該模塊包含兩部分,。下位機部分主要是通過對STM32單片機進行合理的配置來實現(xiàn)串口的正確傳輸,；上位機部分采用VC++進行編寫，通過發(fā)送相應(yīng)的指令來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示及存儲,。
3 實驗驗證
3.1 陀螺容值精度測試
    對于陀螺電容值的測量,首先利用4284阻抗分析儀分別對3個陀螺兩端的電容值進行測量，獲得各陀螺相應(yīng)的容值,然后利用該電容檢測系統(tǒng)測量其差分值,，并與4284測量結(jié)果進行對比,，其對比結(jié)果如表1所示。

    通過所測數(shù)據(jù)分析可得：該檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對差分電容的準(zhǔn)確測量,，因此該系統(tǒng)能夠滿足電容式MEMS器件的信號檢測,。
3.2 重復(fù)性及分辨率的測試

　該部分主要是利用三軸角速率轉(zhuǎn)臺來控制陀螺，使得質(zhì)量塊在不同位置時與極板間的間距發(fā)生變化,，進而電容產(chǎn)生變化,，具體測試方法是轉(zhuǎn)臺按位置方式工作，其變化范圍為0°~90°~0°,，變化幅度為10°,。通過陀螺變化電容的測試對該系統(tǒng)的重復(fù)性及分辨率進行測試。以2號陀螺為例,，其測試結(jié)果如圖7所示,。
    將所采集數(shù)據(jù)進行取點分析可得數(shù)據(jù)如表2所示。

    通過表2可以看出，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對陀螺變化電容的準(zhǔn)確測量,，且能夠敏感1.6 fF容值的變化,。對陀螺同一位置的兩次測量可以看出，兩次測量結(jié)果基本一致,，說明該系統(tǒng)的測量重復(fù)性良好,。因此可得該檢測系統(tǒng)具有較高的測量精度，同時能夠敏感fF級電容的變化,，在MEMS領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。
    本文設(shè)計了基于AD7747和STM32F405的微小電容檢測系統(tǒng)，分別對其硬件電路及軟件設(shè)計進行介紹,，并對其性能進行測試,。通過實驗可得，該系統(tǒng)測量的最小分辨率為1.6 fF,，且測量精度高,，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)計陀螺信號的正確測量。因此其也可應(yīng)用于其他電容式MEMS器件的信號測量,，具有廣闊的應(yīng)用范圍,。
參考文獻
[1] 盛陽,趙美蓉,劉明,等.超微力發(fā)生系統(tǒng)及其電容采集模塊的設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(10):1505-1509.
[2] TAKEUCHI M, LI Q, YANG B, et al. Use of a capacitance measurement device for surrogate noncontact conductance measurement[J]. Talanta, 2008,76(3):617-620.
[3] HE M, LIU R, LI Y, et al. Tactile probing system based  on micro-fabricated capacitive sensor[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2013.
[4] ZHAO Z, SHIN M, GALLMAN J M, et al. A microfabricated shear sensor array on a chip with pressure gradient calibration[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2014(205):133-142.
[5] 王海濤, 林玉池,付魯華,等. 微小力測量系統(tǒng)的實驗研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2009,28(11):8-11.
[6] 王海濤.超微力測量方案的探索實驗研究[D].天津:天津大學(xué), 2009.