諧振式硅微結構壓力傳感器的開(kāi)環(huán)特性測試
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壓力傳感器通過(guò)讀取被測壓力作用下膜的形變來(lái)實(shí)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傳統的金屬膜，使得壓力傳感器取得突破，同時(shí)實(shí)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(jìn)技術(shù)，開(kāi)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(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(lài)于設計，另一方面依賴(lài)于加工。通常用機械品質(zhì)因數（Q值）來(lái)表征諧振器的品質(zhì)，它的定義是存儲于振動(dòng)中的總能量與每個(gè)周期消耗的能量之比。Q值不能直接測定，通常從恒定幅度正弦激勵的諧振器穩態(tài)頻率響應曲線(xiàn)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)的設計也需要依據諧振器的幅頻和相頻特性進(jìn)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?jì)x器才能獲得其頻率響應曲線(xiàn)。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(wǎng)絡(luò )分析儀進(jìn)行測試。前者系統龐大，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。因此，研制諧振式硅微機械傳感器的專(zhuān)用開(kāi)環(huán)特性測試儀顯得尤為必要。
開(kāi)環(huán)特性測試儀工作原理
諧振式硅微機械傳感器的專(zhuān)用開(kāi)環(huán)特性測試儀采用單點(diǎn)穩態(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(zhuān)用開(kāi)環(huán)特性測試儀功能示意圖
第一代開(kāi)環(huán)特性測試儀
在諧振式硅微機械傳感器開(kāi)環(huán)特性測試中的微弱信號處理技術(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處理技術(shù)，分別研制了三代開(kāi)環(huán)特性測試儀。
相關(guān)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(xiàn)性，無(wú)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(guān)檢測原理，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檢測的技術(shù)瓶頸。于1999年研制成功第一代開(kāi)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(jìn)行了開(kāi)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(kāi)環(huán)特性測試儀的最小頻率掃描步長(cháng)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(jiǎn)單，結果直觀(guān)；不足之處在于測量速度慢，每個(gè)點(diǎn)的測量時(shí)間需要120ms；此外，該測試儀不夠智能化，需要手動(dòng)調節掃頻范圍、掃描步長(cháng)以及參考相位，直至精確搜索到諧振頻率，且每次測量時(shí)需要手動(dòng)調節初始參考相位直至曲線(xiàn)對稱(chēng)，無(wú)法直接獲得諧振頻率點(diǎn)處的相位信息。
第二代開(kāi)環(huán)特性測試儀
在已有技術(shù)基礎上，針對第一代開(kāi)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(kāi)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(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(jìn)行差動(dòng)，消除共模干擾，再將這一組差動(dòng)后所得的正交信號進(jìn)行矢量運算，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信噪比，而且能夠將相位獨立解算出來(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(kāi)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）。
第三代開(kāi)環(huán)特性測試儀
為了拓寬儀器的適用范圍，近期又在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)第三代開(kāi)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(gè)測試平臺上，使得儀器具有很好的開(kāi)放性和靈活性。目前，針對壓阻拾振的微弱信號處理技術(shù)又有了新的突破，提出了快速互相關(guān)檢測方法并已初步實(shí)現，借助第一代開(kāi)環(huán)特性測試儀的顯示軟件，對其進(jìn)行了實(shí)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(guān)檢測結果。
小結
本文介紹的開(kāi)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(lèi)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)驗室階段，尚無(wú)產(chǎn)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(shí)現技術(shù)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(shù)和開(kāi)環(huán)特性測試技術(shù)基礎上，需要更進(jìn)一步地開(kāi)展專(zhuān)門(mén)針對諧振式硅微機械傳感器的綜合測試分析儀器的研究。
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