諧振式硅微結(jié)構(gòu)壓力傳感器的開環(huán)特性測(cè)試
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壓力傳感器通過(guò)讀取被測(cè)壓力作用下膜的形變來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。20世紀(jì)80年代初，采用低蠕變和低遲滯的單晶硅膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬膜，使得壓力傳感器取得突破，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小型化和批量化的目標(biāo)。在眾多硅微機(jī)械壓力傳感器中，直接輸出頻率量的諧振式硅微結(jié)構(gòu)壓力傳感器具有最高的測(cè)量精度，成為壓力傳感器的主要發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代獨(dú)立追蹤這一國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，開始研究諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器。
諧振器是諧振式傳感器的核心部件，其品質(zhì)很大程度上決定了傳感器整體精度的高低。要獲得高品質(zhì)的諧振器，一方面依賴于設(shè)計(jì)，另一方面依賴于加工。通常用機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（Q值）來(lái)表征諧振器的品質(zhì)，它的定義是存儲(chǔ)于振動(dòng)中的總能量與每個(gè)周期消耗的能量之比。Q值不能直接測(cè)定，通常從恒定幅度正弦激勵(lì)的諧振器穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)曲線中得出。此外，諧振式傳感器必須工作在閉環(huán)自激狀態(tài)來(lái)維持諧振，而閉環(huán)的設(shè)計(jì)也需要依據(jù)諧振器的幅頻和相頻特性進(jìn)行。
由于硅微機(jī)械諧振器的振幅非常微弱，且信噪比很低。通用的頻譜分析儀檢測(cè)不到，需要采用具有微弱信號(hào)處理功能的測(cè)量?jī)x器才能獲得其頻率響應(yīng)曲線。國(guó)際上通用的做法有兩種，一是采用通用設(shè)備搭建，如信號(hào)發(fā)生器和鎖定放大器，或者信號(hào)發(fā)生器和多普勒測(cè)振儀；二是采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。前者系統(tǒng)龐大，不方便攜帶；后者價(jià)格昂貴，且只用到其中一小部分功能，有些浪費(fèi)。因此，研制諧振式硅微機(jī)械傳感器的專用開環(huán)特性測(cè)試儀顯得尤為必要。
開環(huán)特性測(cè)試儀工作原理
諧振式硅微機(jī)械傳感器的專用開環(huán)特性測(cè)試儀采用單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)頻率掃描的方法獲得諧振器的頻率響應(yīng)特性，主要包括以下功能模塊：激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元、微弱信號(hào)處理單元、頻率掃描控制單元、輸出顯示單元，如圖1所示。其中，微弱信號(hào)處理單元是其核心部件。
圖1、諧振式硅微結(jié)構(gòu)傳感器專用開環(huán)特性測(cè)試儀功能示意圖
第一代開環(huán)特性測(cè)試儀
在諧振式硅微機(jī)械傳感器開環(huán)特性測(cè)試中的微弱信號(hào)處理技術(shù)中，逐步取得了階段性的突破和進(jìn)步，基于每階段的微弱信號(hào)處理技術(shù)，分別研制了三代開環(huán)特性測(cè)試儀。
相關(guān)檢測(cè)是一種在強(qiáng)噪聲背景下提取微弱周期信號(hào)的有效手段，通常由乘法器和積分器組成。現(xiàn)有的模擬乘法器自身輸入等效噪聲大，且存在直流失調(diào)和非線性，無(wú)法直接用到諧振式硅微機(jī)械傳感器的輸出信號(hào)處理中。因此，基于相關(guān)檢測(cè)原理，提出了基于歐姆鑒相的直接相關(guān)算法，利用歐姆定律，直接將拾振電阻作為乘法器，有效地克服了模擬乘法器的缺陷，成功突破了微弱信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)瓶頸。于1999年研制成功第一代開環(huán)特性測(cè)試儀，并針對(duì)自行研制的諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器進(jìn)行了開環(huán)特性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該早期傳感器樣件的諧振頻率為71.5889kHz，Q值約為500。
第一代開環(huán)特性測(cè)試儀的最小頻率掃描步長(zhǎng)為0.01Hz，弱信號(hào)測(cè)試精度為110nVp-p，具有友好的交互式圖形界面，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀；不足之處在于測(cè)量速度慢，每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間需要120ms；此外，該測(cè)試儀不夠智能化，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)掃頻范圍、掃描步長(zhǎng)以及參考相位，直至精確搜索到諧振頻率，且每次測(cè)量時(shí)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)初始參考相位直至曲線對(duì)稱，無(wú)法直接獲得諧振頻率點(diǎn)處的相位信息。
第二代開環(huán)特性測(cè)試儀
在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)第一代開環(huán)特性的不足，經(jīng)過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化，于2005年研制了第二代開環(huán)特性測(cè)試儀，如圖2所示。其中微弱信號(hào)檢測(cè)方法沿用了基于歐姆鑒相的直接相關(guān)算法，但是提出了分時(shí)正交差動(dòng)的概念，即分別在四個(gè)相鄰時(shí)刻對(duì)拾振電阻施加相位相差90°的參考信號(hào)獲得對(duì)應(yīng)的輸出，用兩對(duì)反相信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)，消除共模干擾，再將這一組差動(dòng)后所得的正交信號(hào)進(jìn)行矢量運(yùn)算，即可同時(shí)獲得該頻率點(diǎn)的振幅和相位。該方法不僅提高了檢測(cè)信噪比，而且能夠?qū)⑾辔华?dú)立解算出來(lái)。圖2（右）所示為近期傳感器樣件的諧振頻率為57.5258 kHz，相位為8°，Q值約為3000。
圖2、第二代開環(huán)特性測(cè)試儀工作照片（左），某硅微結(jié)構(gòu)諧振敏感元件測(cè)試結(jié)果（右）。
第三代開環(huán)特性測(cè)試儀
為了拓寬儀器的適用范圍，近期又在進(jìn)一步開發(fā)第三代開環(huán)特性測(cè)試儀。該儀器采用板卡式電路體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將壓阻式、電容式、磁電式的拾振檢測(cè)信號(hào)處理模塊以板卡的形式集成到同一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上，使得儀器具有很好的開放性和靈活性。目前，針對(duì)壓阻拾振的微弱信號(hào)處理技術(shù)又有了新的突破，提出了快速互相關(guān)檢測(cè)方法并已初步實(shí)現(xiàn)，借助第一代開環(huán)特性測(cè)試儀的顯示軟件，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖3所示。該傳感器的諧振頻率為71.0402kHz，Q值約為3000。
圖3、對(duì)某硅微結(jié)構(gòu)諧振敏感元件快速互相關(guān)檢測(cè)結(jié)果。
小結(jié)
本文介紹的開環(huán)特性測(cè)試儀為研究諧振式硅微機(jī)械傳感器提供了必要的測(cè)試手段，然而，我國(guó)對(duì)于這類高性能的直接輸出頻率量的諧振式傳感器研究仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚無(wú)產(chǎn)品推出。分析原因，除了國(guó)內(nèi)加工工藝水平、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面與國(guó)外尚有差距外，缺少對(duì)諧振器結(jié)構(gòu)、機(jī)理、特性的深入理論研究和相對(duì)應(yīng)的測(cè)試、評(píng)估手段也是重要原因之一。因此，在已有微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)和開環(huán)特性測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上，需要更進(jìn)一步地開展專門針對(duì)諧振式硅微機(jī)械傳感器的綜合測(cè)試分析儀器的研究。
評(píng)論