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谐振式硅微结构压力传感器的开环特性测试 |
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作者：北京航空航天大学 樊尚春 汤章阳 来源：Ringer |
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在 1954年贝尔实验室Smith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。
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。
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
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。
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，直至精确搜索到谐振频率，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。
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进行矢量运算，即可同时获得该频率点的振幅和相位。该方法不仅提高了检测信噪比，而且能够将相位独立解算出来。图2（右）所示为近期传感器样件的谐振频率为57.5258 kHz，相位为8°，Q值约为3000。 
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）。
第二代开环特性测试仪的优点是扫频控制算法智能化，不仅能自动调整扫频范围和步长搜索到谐振频率，而且增加了对压力校验仪的控制接口和算法，能够对谐振式硅微机械压力传感器进行一系列基于开环特性的整体特性测试分析，如灵敏度、重复性、时漂和温漂等；测试界面友好，操作方便。它的缺点是只能针对电阻拾振的谐振式传感器。
第三代开环特性测试仪
为了拓宽仪器的适用范围，近期又在进一步开发第三代开环特性测试仪。该仪器采用板卡式电路体系结构设计，将压阻式、电容式、磁电式的拾振检测信号处理模块以板卡的形式集成到同一个测试平台上，使得仪器具有很好的开放性和灵活性。目前，针对压阻拾振的微弱信号处理技术又有了新的突破，提出了快速互相关检测方法并已初步实现，借助第一代开环特性测试仪的显示软件，对其进行了实验验证，如图3所示。该传感器的谐振频率为71.0402kHz，Q值约为3000。
图3、对某硅微结构谐振敏感元件快速互相关检测结果。
第三代开环特性测试仪的电容拾振模块和电磁检测模块尚未完成，但是压阻检测模块的检测精度提高到50nVp-p，比第一代开环特性测试仪有所提高，而单点测量时间降至10ms，缩短到第一代测试仪的1/12，大大提高了测试效率。
小结
本文介绍的开环特性测试仪为研究谐振式硅微机械传感器提供了必要的测试手段，然而，我国对于这类高性能的直接输出频率量的谐振式传感器研究仍然停留在实验室阶段，尚无产品推出。分析原因，除了国内加工工艺水平、信号调理电路设计和实现技术方面与国外尚有差距外，缺少对谐振器结构、机理、特性的深入理论研究和相对应的测试、评估手段也是重要原因之一。因此，在已有微弱信号检测技术和开环特性测试技术基础上，需要更进一步地开展专门针对谐振式硅微机械传感器的综合测试分析仪器的研究。
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(8/2/2010) |
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