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1、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，北京航空航夭大学仪器科学与光电工程学院在1954年贝尔实齡室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.并首先在硅微机披传感器的应用中获得成功，带來了传感器技术的新革命。激励信号—►谐振器一►徴弱信号发生单元处理单元t頻率扫描输出显示控制单元单元图K谐振式硅微结构传感器专用开环特性测试仪功能示意图压力传感器通过读取被测压力作用下膜的形变来实现测邑。20世纪80年代初，采用低媼变和低迟滞的单晶硅膜代替传统的金属膜,
2、使得压力传感器取得突破,同时实现了小型化和批址化的目标。在众多硅徽机械压力传感器中，直接输出频率址的谐振式硅微结构压力传感器具有锻高的测虽精度.成为压力传感器的主耍发展方向。国内从20世纪90年代独立追踪这-•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）來表征谐振器的品质，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
3、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.需耍采用具有微弱俏号处理功能的测以仪器才能获得H频率响应曲线。国际上通用的做法冇两种，是采用通用设备播建，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，几只用到Kt-小部分功能，有些浪费「因
4、此，研制谐振式硅微机械传感器的专川开坏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持性，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，微弱倍号处理单元是其核心部件。其工作过程为频率扬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，待英达到稳态响应后，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
5、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。/it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图3、对某硅微结构谐振敏感元件快速互相关检测结果。图2、笫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）。破和进步,基丁每阶段的微弱信号处理技术,分别研制了三代开坏特性测试仪O相关检测是•种在强噪声背杲卞提微弱周期信号的仃效手段，通常由乘法器和枳分器组成。现仃的模拟乘法器门身输入等效噪声大
6、，11存在直流失调和IE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ii接相关算法，利用欧姆定律,££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,并针对白行研制的谐撮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.弱傳号测试精度为HOnVp
7、-p,具有友好的交互式图形界面，操作简啟，结果立观：不足Z处在于测虽速度慢，毎个点的测虽时间需要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，EL至精确搜索到谐振频率.11每次测虽时需要乎动调节初始参考相位直至曲线对称.无法克接获得谐振频率点处的相位信笫二代开环特性测试仪在己有技术基础上，针对第i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郴的宣接郴关算法，但是提出了分时正交差动的概念，即
8、分别在四个相邻时刻对拾振电阻施加相位相魁90。的参考信号获得对应的输出，用两对反相借号进行差动，消除共模干扰，再将这一组差动后所得的正交信号进行矢虽运算.即可同时获得该频率点的振幅和相位。该方法不仅捉高了检测信噪比，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撮频率为57.5258kHz,相位为8。，Q值约为3（X）0.,第二代开环特性测试仪的优点是频控制算法智能化，不仅能自动调整扫频范围和步长搜索到谐振频率，而11增加了对压力校验仪的
