谐振式硅微结构压力传感器的开环特性测试.docVIP

谐振式硅微结构压力传感器的开环特性测试 ? ?作者：樊尚春，汤章阳，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院 ????????在 1954年贝尔实验室Smi t h发现了硅压阻效应，促使了微机电系统MEMS技术的诞生和迅速发展，并首先在硅微机械传感器的应用中获得成功，带来了传感器技术的新革命。 ????????压力传感器通过读取被测压力作用下膜的形变来实现测量。20世纪80年代初，采用低蠕变和低迟滞的单晶硅膜代替传统的金属膜，使得压力传感器取得突破，同时实现了小型化和批量化的目标。在众多硅微机械压力传感器中，直接输出频率量的谐振式硅微结构压力传感器具有最高的测量精度，成为压力传感器的主要发展方向。国内从20世纪90年代独立追踪这一国际先进技术，开始研究谐振式硅微机械压力传感器。 ???????? 图1、谐振式硅微结构传感器专用开环特性测试仪功能示意图 ????????谐振器是谐振式传感器的核心部件，其品质很大程度上决定了传感器整体精度的高低。要获得高品质的谐振器，一方面依赖于设计，另一方面依赖于加工。通常用机械品质因数（Q值）来表征谐振器的品质，它的定义是存储于振动中的总能量与每个周期消耗的能量之比。Q值不能直接测定，通常从恒定幅度正弦激励的谐振器稳态频率响应曲线中得出。此外，谐振式传感器必须工作在闭环自激状态来维持谐振，而闭环的设计也需要依据谐振器的幅频和相频特性进行。 ????????由于硅微机械谐振器的振幅非常微弱，且信噪比很低。通用的频谱分析仪检测不到，需要采用具有微弱信号处理功能的测量仪器才能获得其频率响应曲线。国际上通用的做法有两种，一是采用通用设备搭建，如信号发生器和锁定放大器，或者信号发生器和多普勒测振仪；二是采用网络分析仪进行测试。前者系统庞大，不方便携带；后者价格昂贵，且只用到其中一小部分功能，有些浪费。因此，研制谐振式硅微机械传感器的专用开环特性测试仪显得尤为必要。 ???????? ????????开环特性测试仪工作原理 ????????谐振式硅微机械传感器的专用开环特性测试仪采用单点稳态频率扫描的方法获得谐振器的频率响应特性，主要包括以下功能模块：激励信号发生单元、微弱信号处理单元、频率扫描控制单元、输出显示单元，如图1所示。其中，微弱信号处理单元是其核心部件。 ????????其工作过程为频率扫描控制单元发出控制指令给激励信号发生单元，使之产生某一频率的正弦激励信号，谐振器在该激励信号下受迫振动，待其达到稳态响应后，由微弱信号处理单元对该微弱振动输出信号进行检测和处理，然后送由输出显示单元绘制频率响应曲线，并计算相关参数，如Q值、谐振频率、谐振相位等。 ???????? 图2、第二代开环特性测试仪工作照片（左），某硅微结构谐振敏感元件测试结果（右）。 ???????? ????????第一代开环特性测试仪 ????????在谐振式硅微机械传感器开环特性测试中的微弱信号处理技术中，逐步取得了阶段性的突破和进步，基于每阶段的微弱信号处理技术，分别研制了三代开环特性测试仪。 ????????相关检测是一种在强噪声背景下提取微弱周期信号的有效手段，通常由乘法器和积分器组成。现有的模拟乘法器自身输入等效噪声大，且存在直流失调和非线性，无法直接用到谐振式硅微机械传感器的输出信号处理中。因此，基于相关检测原理，提出了基于欧姆鉴相的直接相关算法，利用欧姆定律，直接将拾振电阻作为乘法器，有效地克服了模拟乘法器的缺陷，成功突破了微弱信号检测的技术瓶颈。于1999年研制成功第一代开环特性测试仪，并针对自行研制的谐振式硅微机械压力传感器进行了开环特性测试，测试结果表明该早期传感器样件的谐振频率为71.5889kHz，Q值约为500。 ????????第一代开环特性测试仪的最小频率扫描步长为0.01Hz，弱信号测试精度为110nVp-p，具有友好的交互式图形界面，操作简单，结果直观；不足之处在于测量速度慢，每个点的测量时间需要120ms；此外，该测试仪不够智能化，需要手动调节扫频范围、扫描步长以及参考相位，直至精确有哪些信誉好的足球投注网站到谐振频率，且每次测量时需要手动调节初始参考相位直至曲线对称，无法直接获得谐振频率点处的相位信息。 ???????? 图3、对某硅微结构谐振敏感元件快速互相关检测结果。 ????????第二代开环特性测试仪 ????????在已有技术基础上，针对第一代开环特性的不足，经过改进和优化，于2005年研制了第二代开环特性测试仪，如图2所示。其中微弱信号检测方法沿用了基于欧姆鉴相的直接相关算法，但是提出了分时正交差动的概念，即分别在四个相邻时刻对拾振电阻施加相位相差90°的参考信号获得对应的输出，用两对反相信号进行差动，消除共模干扰，再将这一组差动后所得的正交信号