根据实验鼠头部尺寸，设计胡须传感器传感阵列与信号放大电路

现有的胡须传感器主要应用于大型的轮式机器人，其传感的原理主要有霍尔效应[11]、电容麦克风[12]、应变计[13]、压电薄膜[14]、光纤布拉格光栅[15]等。由于机器鼠体积与实验鼠相近，头部空间有限，难以集成已有的胡须传感器，因此需要设计一款体积尽可能小、具有足够灵敏度的胡须传感器。胡须传感器的感知方式分为主动感知和被动感知[16]。主动感知（图4-12（a））是指通过驱动元件使胡须以特定角度转动扫过物体表面从而进行感知，这也是实验鼠在感知时的方式；被动感知（图4-12（b））是指胡须在机器鼠前进中胡须碰到物体，在外力作用下弯曲变形，从而进行感知的方式。由于机器鼠头部的空间有限，难以安装额外的电机，因此选用被动式的胡须传感器，利用MEMS技术制造胡须结构，从而减小胡须传感器的体积。

图4-12　胡须传感器的感知方式

（a）主动感知；（b）被动感知

负责传感的胡须可以有单根或者多根（阵列），与单根胡须传感器比较，阵列式胡须传感器的主要优点是在扫动物体的过程中可以收集更丰富的信息。此外，阵列式胡须传感器在形态上更接近实验鼠的胡须。根据实验鼠头部尺寸，将胡须传感器设计为由4个感知单元组成的传感阵列。

一、感知单元设计

根据第2章中对实验鼠胡须结构的分析可知，囊泡结构是实验鼠胡须的感知单元，可以测量胡须根部的弯曲力矩。为此，设计了如图4-13所示的仿生胡须感知单元，其中每个感知单元包含4根感知梁和1个中心连接体。4根感知梁布置为十字形结构，每根感知梁上布置有压敏电阻，中心连接体上粘连胡须。该胡须传感器的工作过程为当胡须受到外力发生弯曲时，胡须根部会将力传输到十字梁上，引起梁发生形变，进而引起压敏电阻的阻值变化。利用电阻的变化，通过一系列放大、滤波、转换等操作，就可以获知胡须所受的力（或者说变形），力（变形）的方向可以通过两个正交的梁的差值计算得出。

图4-13　感知单元的结构示意图

（a）三维结构示意图；（b）俯视图

由于梁的变形极小，梁上压敏电阻的阻值变化不大。因此，采用惠斯通电桥来测量梁上电阻的变化，其原理以及梁结构上压敏电阻的布置形式如图4-14中所示，其中压敏电阻的阻值关系为

图4-14　感知梁工作原理

（a）惠斯通电桥原理图；（b）压敏电阻在感知梁上的布置形式

感知梁的输出差分信号为

传感器的加工工艺为MEMS体硅微加工工艺，传感器加工工艺最为关键的内容是梁结构的制造，具体制造过程如下[17，18]。

（1）使用等离子气相沉积法将二氧化硅层沉积在器件层上，作为硼离子注入过程的掩模（图4-15（a））。

（2）通过光刻定义硼离子注入窗口的位置，接着对二氧化硅层进行刻蚀，完成后去除光敏抗蚀剂并注入硼（图4-15（b））。

（3）在注入硼激活过程中，设置退火温度为1 000℃，持续35 min，然后在晶片上沉积氮化硅钝化层（图4-15（c））。

（4）刻蚀氮化硅层，通过光刻工艺定义金属引线的位置，并沉积金属层钛和金，其中钛作为黏附层（图4-15（d））。

（5）最后将硅片背面对准，通过ICP刻蚀硅片背面的钝化层和氧化层，形成梁结构（图4-15（e））。

图4-15　传感器梁结构的制造过程（见彩插）

（a）准备硅片；（b）硼离子注入；（c）沉积钝化层；（d）沉积金属引线；（e）刻蚀

由于感知梁的基底为硅，脆性较大，易发生断裂，如果胡须使用刚度较大的材料，在胡须弯曲时末端较大的弯矩会压断传感器的梁结构。因此，在尝试过多种材料之后，最终采用人体头发作为传感器的纤毛，纤毛的参数如表4-3所示。

表4-3　纤毛的主要参数

二、外围电路设计

由于胡须传感器的输出信号非常微弱，而且信号的信噪比较低，因此需要将胡须传感器采集到的信号放大一定倍数，并通过低通滤波器过滤高频噪声，再经过A/D转换，发送到上位机进行处理。由于机器鼠内安装电路板的空间有限，因此需尽可能减小电路板的体积。为了方便电路板在机器鼠上的安装，将硬件电路分为两个模块，即放大滤波模块和主控模块。放大滤波模块包含前置放大电路和有源低通滤波器，实现对采集到的传感器信号的放大和过滤高频噪声。主控模块包含电源芯片和STM32芯片，对采集到的信号进行A/D转换和数据发送。放大滤波模块的原理图如图4-16所示。

图4-16　放大滤波模块原理图

（a）前置放大电路；（b）有源滤波器(www.xing528.com)

（一）前置放大电路

前置放大电路采用仪表放大器，是差分式放大电路的一种改良形式。其具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，并且具有很高的共模抑制比。因此，在噪声环境以及含有大共模信号的条件下能够保持较高准确性和增益精度，常用于放大微弱信号。这里选取的仪表放大器为双通道集成的AD8222，其双通道集成的封装有效减小了电路板的体积，便于后续的硬件集成。以传感器的其中一路差分信号为例，信号放大电路的设计方法如下。

一般将电容器与仪表放大器的输出端串联以实现交流耦合，这是一种隔离输入电压的直流分量的简单方法。但在高输入阻抗端口加电容耦合，而不为电流提供直流通路，会出现问题：输入偏置电流会持续为耦合的电容器充电，直到超过输入电路的共模电压的额定值。因此，在交流耦合仪表放大电路中应为偏置直流电流提供通向GND的回路，即需要将输入端的电容通过两个阻值相同的电阻R1、R2连接到GND。然而，值得注意的是，R1和R2会引入噪声，因此要在电路输入阻抗和引入的噪声之间进行折中，此处R1和R2的阻值选择为500 kΩ。

AD8222通过外接电阻RG的阻值调节放大倍数，可设置的放大倍数范围为1～10 000，放大倍数G满足关系式：

轻微拨动胡须传感器的纤毛，通过示波器直接测量传感器输出的差分信号，观察发现纤毛大变形时的输出峰值为95 mV左右。由于放大电路使用双电源5 V、-5 V供电，因此放大倍数选择5 V/0.095 V=52.6≈50倍，在参数选取方面，选择RG=1 kΩ，参考电压Vref=0。

（二）有源滤波器

这里的滤波电路主要用于过滤高频率的噪声。滤波电路采用巴特沃斯低通滤波器，其在衰减和相位之间取得了最佳折中。在通带和阻带都没有纹波，是以通带和阻带之间相对较宽的过渡带和瞬时特征为代价，换取最大平坦度。根据传感器输出信号的特点，选择截止频率fc=2 kHz，通带最大衰减δ1=3 dB，阻带下限截止频率fst=8 kHz，阻带最小衰减δ2=20 dB。

模拟巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数为

将性能指标带入此表达式，可得

联立式（4-13）和式（4-14）求解，可得

解出所需滤波器的阶数为

取大于1.624 5的整数N=2，根据巴特沃斯滤波器设计表，可得滤波器的归一化极点，滤波器参数如表4-4所示。

表4-4　滤波器参数

有源二阶滤波器选择最为常见的Sallen-Key结构，计算该二阶滤波器的传递函数为

其中，。

取Rf=R3=R4，，C6=2QCf，。

代入品质因数及截止频率，可得

R3=R4=5.6 kΩ,C5=8.2 nF,C6=18 nF

放大滤波模块实物图如图4-17所示。

图4-17　放大滤波模块（见彩插）

（a）仪表放大器；（b）运算放大器

（三）主控模块

主控模块如图4-18所示，其主要功能是通过STM32完成传感器输出信号的A/D转换，并通过串口发送数据，以及将电池的7 V电压通过稳压芯片转为5 V和-5 V，为放大滤波模块供电。由于其原理简单，在此不作进一步分析。

图4-18　主控模块（见彩插）