諧振式硅微結構壓力傳感器的開環(huán)特性測試

在 1954年貝爾實驗室Smith發(fā)現了硅壓阻效應，促使了微機電系統MEMS技術的誕生和迅速發(fā)展，并首先在硅微機械傳感器的應用中獲得成功，帶來了傳感器技術的新革命。

壓力傳感器通過讀取被測壓力作用下膜的形變來實現測量。20世紀80年代初，采用低蠕變和低遲滯的單晶硅膜代替?zhèn)鹘y的金屬膜，使得壓力傳感器取得突破，同時實現了小型化和批量化的目標。在眾多硅微機械壓力傳感器中，直接輸出頻率量的諧振式硅微結構壓力傳感器具有最高的測量精度，成為壓力傳感器的主要發(fā)展方向。國內從20世紀90年代獨立追蹤這一國際先進技術，開始研究諧振式硅微機械壓力傳感器。

諧振器是諧振式傳感器的核心部件，其品質很大程度上決定了傳感器整體精度的高低。要獲得高品質的諧振器，一方面依賴于設計，另一方面依賴于加工。通常用機械品質因數（Q值）來表征諧振器的品質，它的定義是存儲于振動中的總能量與每個周期消耗的能量之比。Q值不能直接測定，通常從恒定幅度正弦激勵的諧振器穩(wěn)態(tài)頻率響應曲線中得出。此外，諧振式傳感器必須工作在閉環(huán)自激狀態(tài)來維持諧振，而閉環(huán)的設計也需要依據諧振器的幅頻和相頻特性進行。

由于硅微機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不到，需要采用具有微弱信號處理功能的測量儀器才能獲得其頻率響應曲線。國際上通用的做法有兩種，一是采用通用設備搭建，如信號發(fā)生器和鎖定放大器，或者信號發(fā)生器和多普勒測振儀；二是采用網絡分析儀進行測試。前者系統龐大，不方便攜帶；后者價格昂貴，且只用到其中一小部分功能，有些浪費。因此，研制諧振式硅微機械傳感器的專用開環(huán)特性測試儀顯得尤為必要。

開環(huán)特性測試儀工作原理

諧振式硅微機械傳感器的專用開環(huán)特性測試儀采用單點穩(wěn)態(tài)頻率掃描的方法獲得諧振器的頻率響應特性，主要包括以下功能模塊：激勵信號發(fā)生單元、微弱信號處理單元、頻率掃描控制單元、輸出顯示單元，如圖1所示。其中，微弱信號處理單元是其核心部件。

圖1、諧振式硅微結構傳感器專用開環(huán)特性測試儀功能示意圖

其工作過程為頻率掃描控制單元發(fā)出控制指令給激勵信號發(fā)生單元，使之產生某一頻率的正弦激勵信號，諧振器在該激勵信號下受迫振動，待其達到穩(wěn)態(tài)響應后，由微弱信號處理單元對該微弱振動輸出信號進行檢測和處理，然后送由輸出顯示單元繪制頻率響應曲線，并計算相關參數，如Q值、諧振頻率、諧振相位等。

第一代開環(huán)特性測試儀

在諧振式硅微機械傳感器開環(huán)特性測試中的微弱信號處理技術中，逐步取得了階段性的突破和進步，基于每階段的微弱信號處理技術，分別研制了三代開環(huán)特性測試儀。

相關檢測是一種在強噪聲背景下提取微弱周期信號的有效手段，通常由乘法器和積分器組成?，F有的模擬乘法器自身輸入等效噪聲大，且存在直流失調和非線性，無法直接用到諧振式硅微機械傳感器的輸出信號處理中。因此，基于相關檢測原理，提出了基于歐姆鑒相的直接相關算法，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檢測的技術瓶頸。于1999年研制成功第一代開環(huán)特性測試儀，并針對自行研制的諧振式硅微機械壓力傳感器進行了開環(huán)特性測試，測試結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)特性測試儀的最小頻率掃描步長為0.01Hz，弱信號測試精度為110nVp-p，具有友好的交互式圖形界面，操作簡單，結果直觀；不足之處在于測量速度慢，每個點的測量時間需要120ms；此外，該測試儀不夠智能化，需要手動調節(jié)掃頻范圍、掃描步長以及參考相位，直至精確搜索到諧振頻率，且每次測量時需要手動調節(jié)初始參考相位直至曲線對稱，無法直接獲得諧振頻率點處的相位信息。

第二代開環(huán)特性測試儀

在已有技術基礎上，針對第一代開環(huán)特性的不足，經過改進和優(yōu)化，于2005年研制了第二代開環(huán)特性測試儀，如圖2所示。其中微弱信號檢測方法沿用了基于歐姆鑒相的直接相關算法，但是提出了分時正交差動的概念，即分別在四個相鄰時刻對拾振電阻施加相位相差90°的參考信號獲得對應的輸出，用兩對反相信號進行差動，消除共模干擾，再將這一組差動后所得的正交信號進行矢量運算，即可同時獲得該頻率點的振幅和相位。該方法不僅提高了檢測信噪比，而且能夠將相位獨立解算出來。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)特性測試儀工作照片（左），某硅微結構諧振敏感元件測試結果（右）。

第二代開環(huán)特性測試儀的優(yōu)點是掃頻控制算法智能化，不僅能自動調整掃頻范圍和步長搜索到諧振頻率，而且增加了對壓力校驗儀的控制接口和算法，能夠對諧振式硅微機械壓力傳感器進行一系列基于開環(huán)特性的整體特性測試分析，如靈敏度、重復性、時漂和溫漂等；測試界面友好，操作方便。它的缺點是只能針對電阻拾振的諧振式傳感器。

第三代開環(huán)特性測試儀

為了拓寬儀器的適用范圍，近期又在進一步開發(fā)第三代開環(huán)特性測試儀。該儀器采用板卡式電路體系結構設計，將壓阻式、電容式、磁電式的拾振檢測信號處理模塊以板卡的形式集成到同一個測試平臺上，使得儀器具有很好的開放性和靈活性。目前，針對壓阻拾振的微弱信號處理技術又有了新的突破，提出了快速互相關檢測方法并已初步實現，借助第一代開環(huán)特性測試儀的顯示軟件，對其進行了實驗驗證，如圖3所示。該傳感器的諧振頻率為71.0402kHz，Q值約為3000。

圖3、對某硅微結構諧振敏感元件快速互相關檢測結果。

第三代開環(huán)特性測試儀的電容拾振模塊和電磁檢測模塊尚未完成，但是壓阻檢測模塊的檢測精度提高到50nVp-p，比第一代開環(huán)特性測試儀有所提高，而單點測量時間降至10ms，縮短到第一代測試儀的1/12，大大提高了測試效率。

小結

本文介紹的開環(huán)特性測試儀為研究諧振式硅微機械傳感器提供了必要的測試手段，然而，我國對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驗室階段，尚無產品推出。分析原因，除了國內加工工藝水平、信號調理電路設計和實現技術方面與國外尚有差距外，缺少對諧振器結構、機理、特性的深入理論研究和相對應的測試、評估手段也是重要原因之一。因此，在已有微弱信號檢測技術和開環(huán)特性測試技術基礎上，需要更進一步地開展專門針對諧振式硅微機械傳感器的綜合測試分析儀器的研究。