多鐵納米MEMS壓力傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馮春鵬，趙智增

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

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多鐵納米MEMS壓力傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馮春鵬，趙智增

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

摘要：針對(duì)近年來對(duì)微傳感器測(cè)試研究的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)一種基于多鐵納米MEMS壓力傳感器的性能測(cè)試系統(tǒng)，該性能測(cè)試裝置由3個(gè)部分組成：壓力容器泵體、測(cè)試接口電路和溫度磁場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制作出的多鐵納米MEMS壓力傳感器，利用該測(cè)試裝置在溫度可調(diào)、磁場(chǎng)可控的條件下進(jìn)行傳感器性能參數(shù)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步表明，該方案設(shè)計(jì)出的基于多鐵納米MEMS壓力傳感器的性能測(cè)試裝置是切實(shí)可用的，為以后更具體的測(cè)試工作提供理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多鐵性材料；MEMS壓力傳感器；性能測(cè)試；磁場(chǎng)可控

傳統(tǒng)的微壓力傳感器一般是在壓阻效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用壓電陶瓷材料結(jié)合微加工技術(shù)制造而成。本文所研究的多鐵納米MEMS壓力傳感器是一種基于多鐵納米纖維材料的新型微壓力傳感器，它利用多鐵纖維材料的鐵電、壓電、磁電等性能結(jié)合微電子技術(shù)制造而成的。相比于普通的微壓力傳感器，它具有更高的靈敏度、更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及準(zhǔn)確度好、易于微型化和集成化等顯著特點(diǎn)，是一種具有良好發(fā)展前景的微型傳感器。為了檢測(cè)其綜合性能指標(biāo)，對(duì)微壓力傳感器進(jìn)行性能測(cè)試，以確定該傳感器樣品是否合格。基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造的多鐵納米MEMS壓力傳感器，設(shè)計(jì)了該性能測(cè)試系統(tǒng)，在溫度大小可調(diào)節(jié)和磁場(chǎng)強(qiáng)度可控的條件下，通過改變不同的壓力值以及磁場(chǎng)的強(qiáng)度值，測(cè)試出該微傳感器的輸入輸出特性，以期達(dá)到合格的要求。

1多鐵MEMS壓力微傳感器

1.1多鐵材料

多鐵材料具有鐵電、壓電、鐵磁等性能，在一定的溫度下會(huì)同時(shí)具有極化有序和磁化有序特性。這些特性的存在引起的磁電耦合效應(yīng)使多鐵性材料具有在磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)下改變阻值特性的物理性質(zhì)。通過多鐵材料的磁電耦合，可以運(yùn)用外加電場(chǎng)來控制材料的磁化狀態(tài)，或者運(yùn)用外加磁場(chǎng)來控制材料的極化狀態(tài)。與薄膜相比，懸臂的多鐵納米復(fù)合纖維顯然具有更大的長徑比，可將由壓電效應(yīng)或者磁致伸縮效應(yīng)引起的位移放大，而且不受基底約束，從而顯著提高多鐵材料的磁電耦合響應(yīng)[1]。

1.2多鐵MEMS壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)

多鐵MEMS壓力微傳感器的綜合性能與其制造工藝和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)傳感器基本結(jié)構(gòu)需要考慮性能和工藝的可行性等因素，綜合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室的生產(chǎn)設(shè)備以及硬件條件，研究設(shè)計(jì)的微壓力傳感器采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。

1-多鐵納米復(fù)合纖維；2-二氧化硅薄膜；3-引出金屬電極；4-支撐硅襯底

如圖1所示的示意圖中，1為多鐵納米復(fù)合纖維材料，通過納米纖維的壓電效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)；2為與壓電材料相對(duì)應(yīng)的襯底間的絕緣隔離層，材料選用二氧化硅薄膜；3是傳感器輸出信號(hào)的電極；4為支撐硅襯底，采用的材料為硅襯底，它在傳感器的背面經(jīng)各向異性腐蝕制成壓力窗口。采用光刻和ICP刻蝕的微加工方法，在硅基底上加工出間距為幾十微米到幾百微米不等的平行溝槽，以此收集由靜電紡絲制備的一系列不同尺寸、不同成分的鐵電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和鐵磁尖晶石結(jié)構(gòu)的多鐵納米復(fù)合纖維。因此，要想加工出綜合性能良好的多鐵納米MEMS微壓力傳感器需要結(jié)合多鐵納米纖維橫向尺寸、排列方式、壓電特性的關(guān)系以及納米纖維在基底材料與電極間的搭接關(guān)系等[2]。

2測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

2.1測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)

如圖2所示的測(cè)試裝置。該裝置的外形設(shè)計(jì)為圓筒型，分為泵體主體和上蓋兩部分。裝置主體所用材料為造價(jià)低、易于加工的鑄鐵材料，強(qiáng)度完全可以滿足真空度要求。將實(shí)驗(yàn)室研制出的傳感器樣品用粘合劑粘貼在金屬墊片上，墊片下面則與內(nèi)置的加熱裝置相連接。通過改變溫控裝置輸入電流的大小，改變傳感器的實(shí)際工作溫度。測(cè)試裝置上蓋安裝有溫度傳感器與控制中心相連，由于傳感器所處的上部空間較小，只需一個(gè)18B20溫度傳感器單點(diǎn)測(cè)溫即可實(shí)時(shí)檢測(cè)出傳感器所處工作環(huán)境溫度，傳給上位機(jī)顯示。由于MEMS傳感器采用電阻絲墊片從底部向上加熱，受熱較為均勻；在裝置上蓋安裝有磁場(chǎng)控制裝置，通過改變線圈電流的大小來改變感生磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)溫度和磁場(chǎng)的耦合控制。壓力控制裝置通過閥門向容器內(nèi)抽入或抽出氣體使實(shí)驗(yàn)的傳感器樣品處于正負(fù)壓力下的兩種工作狀態(tài)。外部則與測(cè)試電路連接，用于采集輸出的測(cè)量信號(hào)。泵體上部具有保溫蓋與外界隔離，防止外界環(huán)境不穩(wěn)定因素影響測(cè)試結(jié)果。

圖2　測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2測(cè)試系統(tǒng)輸出電路

該部分是傳感器后級(jí)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)。當(dāng)泵體裝置內(nèi)有一定的壓力之后，傳感器會(huì)輸出模擬的電壓信號(hào)，經(jīng)過放大模塊的放大和AD芯片的轉(zhuǎn)換給單片機(jī)進(jìn)行處理。

1) 信號(hào)放大模塊。該模塊是將兩個(gè)集成運(yùn)放串聯(lián)一起組成差分比例運(yùn)算電路。此電路在選取電阻和結(jié)構(gòu)調(diào)整上比較方便，通過改變電阻大小即可實(shí)現(xiàn)不同的放大增益[3]。如圖3所示為放大模塊實(shí)物圖。

圖3　信號(hào)放大模塊實(shí)物圖

2) AD轉(zhuǎn)換模塊。選用AD7680轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換。AD7680芯片包含6路16位快速、低功耗、逐次逼近ADC，具有一個(gè)并行和一個(gè)高速串行接口。元件采用4.5 V～5.5 V電源供電，具有250 kSPS通過率特性[4]。芯片內(nèi)置低噪聲寬帶寬的保持放大器，能夠操作的輸入頻率達(dá)到8 MHz。

3) 單片機(jī)芯片的選擇。系統(tǒng)選用傳統(tǒng)的STM32F103作為控制主芯片，使用高性能的ARM32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，最高集成512 K的Flash存儲(chǔ)器，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。芯片的供電電壓2.0～3.6 V，能夠滿足一般低功耗應(yīng)用的要求[5]。

2.3溫度和磁場(chǎng)控制部分

2.3.1溫度采集和控制部分

溫度檢測(cè)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器。無需外圍元件，僅需要一個(gè)單線接口與微控制器進(jìn)行發(fā)送和接收信息，具有體積小，靈敏度較高，測(cè)量范圍較廣(-55 ℃～+125 ℃)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)部計(jì)數(shù)器原理，由單片機(jī)直接讀出所測(cè)試的溫度[6，7]。溫控系統(tǒng)設(shè)定溫度報(bào)警的上下限值，一旦測(cè)量環(huán)境溫度超過設(shè)定值，即可給出報(bào)警標(biāo)志。繼電器與單片機(jī)的I/O接口相連，將接收到的采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過PID算法計(jì)算出偏移量，向外部傳輸信號(hào)控制繼電器通斷。由程序控制功率放大器的繼電器導(dǎo)通時(shí)間長短和電流大小，控制加熱裝置的溫度，實(shí)時(shí)溫度則由上位機(jī)界面顯示。

2.3.2磁場(chǎng)強(qiáng)度控制部分

本部分由單片機(jī)、勵(lì)磁線圈及控制回路組成。要給所需測(cè)試的傳感器樣品周圍添加磁場(chǎng)時(shí)，單片機(jī)I/O接口連接繼電器，由電磁感應(yīng)原理，勵(lì)磁線圈中的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小由輸入電流的大小決定。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)工作流程圖

3上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)采用的是美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的LabVIEW軟件。軟件界面的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分，前面板框圖的設(shè)計(jì)和程序框圖的設(shè)計(jì)。

3.1上位機(jī)界面前面板的設(shè)計(jì)

用戶界面前面板能夠?qū)⒔?jīng)過單片機(jī)處理過的數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)顯示于波形圖表上。上位機(jī)界面的控制按鈕通過串口與單片機(jī)通訊：溫控按鈕能夠改變傳感器的工作溫度；磁場(chǎng)命令按鈕控制勵(lì)磁線圈電流導(dǎo)通，產(chǎn)生作用于傳感器的感生磁場(chǎng)。

波形圖表橫坐標(biāo)表示測(cè)試裝置內(nèi)的實(shí)際壓力；縱坐標(biāo)表示輸出的電壓信號(hào)。系統(tǒng)內(nèi)置的DS18B20傳感器實(shí)時(shí)測(cè)試出系統(tǒng)內(nèi)傳感器的工作溫度，由溫度顯示控件顯示在前面板上。前面板上設(shè)置好之后，將相應(yīng)的模塊連接，進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試工作[8，9]。上位機(jī)顯示界面如圖5所示。

圖5　上位機(jī)顯示界面

4測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研制出的多鐵MEMS壓力傳感器，選擇其中靜品相良好的作為實(shí)驗(yàn)樣品。實(shí)驗(yàn)溫度選擇在室溫20 ℃～70 ℃，壓力范圍在2～20 kPa范圍，橫向和縱向磁場(chǎng)的大小為0.5 T。放入測(cè)試裝置中進(jìn)行測(cè)試。表1為室溫下多鐵MEMS壓力傳感器在無磁場(chǎng)和加橫向及縱向磁場(chǎng)時(shí)的測(cè)量值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步可知，微傳感器樣品的輸出電壓與作用于其上的壓力值基本成正比。

表1　室溫下微壓力傳感器在有無磁場(chǎng)環(huán)境下輸出測(cè)量電壓值

表2　70 ℃下微壓力傳感器在有無磁場(chǎng)環(huán)境下輸出測(cè)量電壓值

實(shí)驗(yàn)在不同環(huán)境溫度及有無磁場(chǎng)環(huán)境下，測(cè)試得出多鐵納米MEMS壓力傳感器樣品的輸出電壓。由結(jié)果初步可知，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出的微壓力傳感器在相對(duì)高溫的情況下，輸出的電壓值也越高。

由兩個(gè)表格中可以得出：對(duì)于我們實(shí)驗(yàn)研究的傳感器樣品，工作環(huán)境溫度越高，其靈敏度相對(duì)越好；在測(cè)試環(huán)境中添加磁場(chǎng)后，多鐵纖維與磁場(chǎng)方向平行的傳感器樣品的電壓輸出值幾乎無改變，與其垂直的傳感器樣品電壓輸出值相對(duì)較大，線性度更好一些。

5結(jié)論

研究設(shè)計(jì)了一種基于多鐵納米纖維的MEMS壓力傳感器的性能測(cè)試系統(tǒng)，其中包括測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器外圍控制接口電路設(shè)計(jì)和溫度磁場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用該測(cè)試裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究制造出的多鐵納米MEMS壓力傳感器樣品進(jìn)行了初步的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了傳感器性能參數(shù)及線性度、靈敏度等傳感器的綜合參數(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，我們?cè)O(shè)計(jì)搭建的多鐵納米MEMS壓力傳感器的性能測(cè)試裝置是實(shí)際可用的，但溫度和磁場(chǎng)的耦合作用對(duì)多鐵納米材料的作用過程和機(jī)理都非常的復(fù)雜，還需要深入和廣泛的研究。

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The Test and Research on Multiferroic MEMS Pressure Sensor System

Feng Chunpeng, Zhao Zhizeng

(CollegeofElectromechanicalEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

Abstract:According to the development needs of micro sensor test research in recent years, this paper designs a performance testing system based on the Multiferroic MEMS pressure sensor, which is composed of three parts: the pressure vessel, the test circuit and the temperature and the magnetic field. The testing device can be used to test the performance of the Multiferroic MEMS sensor, and the environment can be adjusted and controlled by the magnetic field. It is feasible to verify the design of the test device, which provides a reference for the testing of the type of micro sensor.

Key words:multiferroic; MEMS pressure sensor; performance testing; controllable magnetic field

收稿日期：2016-02-26

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目：多鐵材料微器件的穩(wěn)健設(shè)計(jì)原理與方法研究(3122014)

作者簡(jiǎn)介：馮春鵬(1992- )，男，山東聊城人，在讀碩士，專業(yè)方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)03- 0017- 03

中圖分類號(hào)：TH16；TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A