一种新型高性能IEPE加速度传感器

2021-09-18徐宝峰

电子测试 2021年16期

关键词：频率响应栅极偏置

徐宝峰

(江苏联能电子技术有限公司，江苏扬州，225007)

1 工作原理

该IEPE 加速度传感器由压电传感器、电荷放大电路、电压放大电路三部分组成。电荷放大电路部分是将压电陶瓷的高输出阻抗的电荷信号转换成低阻抗的电压信号。电压放大电路部分产生偏置电压Vbias，电荷放大电路与电压放大电路通过电容耦合。

1.1 偏置电阻产生的噪声

IEPE 电路中，MOS 管的偏置电阻Rb与反馈电容Cf并联。偏置电阻噪声除了与Rb之外，还与电路的放大倍数相关。

从上述公式可以得到，增大Rb和Cp的值，可以减小偏置电阻噪声。R b通常是GΩ 级别的阻值，本电路中，R b取1GΩ。在1Hz 的频率下，nR约为

1.2 栅极电流噪声

理想的状态下，MOS 管的栅极是没有电流流过的，但是实际却有nA 级别的栅极漏电流IGSS存在，这就是栅极电流噪声的来源。由于输入端是高阻抗的容性负载，则可得：

从上述公式可以得到,MOS 管的栅极漏电流IGSS对于栅极电流噪声有很大的比重。因此在选择MOS 管型号的时候，必须选择超低IGSS。本设计方案选择的是BSS84,其IGSS在常温下为10nA,在众多小信号处理的MOS 管中是非常小的。在1Hz 的频率下，n l约为

1.3 传感器电路总噪声

结合PE 传感器与电路部分的噪声，IEPE 加速度传感器的总噪声可表达为:

图1 IEPE 传感器的原理框图

2 频率响应

IEPE 类加速度传感器的频率响应的优劣主要取决于压电陶瓷的组装结构及与外壳的组装方式。该传感器采用三角剪切的组装结构，具有很好的频率响应特性。除此之外，三角剪切的组装结构还拥有低基座应变灵敏度、低热释电效应灵敏度和良好的温度稳定性。图3.1 为该结构的结构形式图。

图2 三角剪切组装结构示意图（自制）

为了拓展PE 传感器的高频上限频率，电荷放大器的输入端采用低通滤波器(R1、C1)来与PE 传感器的频率响应曲线拟合出最终的IEPE 传感器的频率响应曲线。

电路的高频上限频率点：

式中，R1取47KΩ，C1取180pF。由此可以计算出fh=18,822Hz。

电路的低频下限频率点：

式中，Rb取1GΩ，R2取1MΩ，R3取75KΩ，Cf取330pF。由此可以计算出fl=0.03Hz。图3 为实际测试的频率响应数据。在20KHz 时，增益为+0.8dB。有效的拓宽了传感器的频带宽度，提高了高频上限转折频率。

图3 IEPE 传感器频率响应

3 温度性能

3.1 偏置电压Vbias

普通工业类IEPE 传感器的工作温度-40～85℃，偏置电压Vbias为8～14VDC。一些高温场合，比如鼓风机、电机等高温场合，这就要求传感器24h 不间断工作在80～110℃，偏置电压Vbias的稳定性尤其重要。倘若偏置电压Vbias降低到8V 以下，传感器的输出将不稳定。

影响偏置电压最关键的是MOS 管的栅极-源极之间的漏电流IGSS。环境温度20℃时，IGSS约10nA 左右，随着温度的身高升高，IGSS将会成指数级增长。当温度达到150℃时，达到0.1uA 左右，这导致栅极漏极的的电流GSSI可被忽略。IGSS的存在流过偏置电阻Rb，那么MOS 管的有效工作电压VTG将会变小，MOS 管将由饱和区变成可变电阻区，最终导致偏置电压Vbias降低。如果Vbias降低到阈值，那么Q3 的VTG将会低于0.8V，进一步恶化传感器电路的直流静态工作点。其中VTG为

式中，VGS：偏置电压Vbias给前级电荷电路Q3 的栅极提供的直流静态电压。

VGS(th)：MOS 管的栅源开启阈值电压，通常在0.8V～1.5V。

倘若偏置电阻Rb减小一个数量级，那么偏置电压Vbias在高温下将会明显改善，但是将会影响传感器的低频下限lf。针对这种矛盾，设计出了前级电荷型+后级电压型电路方案。既可以做到高温下传感器135℃稳定工作，同时也能兼顾到超低频0.05Hz。

图4 偏置电压Vbias 随温度变化曲线图

3.2 灵敏度S

除了电路，影响IEPE 压电传感器灵敏度的另一个核心单元就是压电转换元件。当前主流的压电材料有石英晶体、PZT(锆钛酸铅)、BST(钛酸锶钡)。

PZT(锆钛酸铅)晶体工作温度能够达到280℃左右。PZT 晶体相比石英晶体，电荷灵敏度Qp高很多，适合使用在高灵敏度输出的IEPE 传感器中。PZT 晶体电荷灵敏度Qp的温度特性在120℃的条件下，电荷灵敏度Qp变化6%左右。结合这三种材料的优缺点和本传感器的特点，我们选用PZT(锆钛酸铅)作为压电转换元件。

普通工业类IEPE 传感器的灵敏度-40～85℃范围内，变化±10%。该传感器在-55～135℃范围内，灵敏度变化±5%，性能优异。图5 为在高低温试验箱中监测传感器灵敏度的数据。