MEMS光纖壓力傳感器檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

徐洋

摘? 要：分析MEMS光纖壓力傳感器特性，進(jìn)行檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析。在設(shè)計(jì)中主要通過(guò)STC89C52單片機(jī)作為檢測(cè)電路系統(tǒng)。光電轉(zhuǎn)換器件為OPT101，通過(guò)進(jìn)行處理可以有效地提升測(cè)試的精準(zhǔn)性。在測(cè)試中，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，在液晶屏上顯示結(jié)果，與電腦連接，輸入到信息。

關(guān)鍵詞：MEMS光纖壓力傳感器;檢測(cè)電路系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）16-0090-02

Abstract： The characteristics of MEMS optical fiber pressure sensor are analyzed， and the detection circuit system is designed and analyzed. In the design， the STC89C52 single chip microcomputer is mainly used as the detection circuit system. The photoelectric conversion device OPT101 can effectively improve the accuracy of the test through processing. In the test， it is processed by a single-chip microcomputer， the results are displayed on the LCD screen， connected with the computer， and the information is input.

Keywords： MEMS optical fiber pressure sensor; detection circuit system; design and analysis

石油化工生產(chǎn)企業(yè)中MEMS光纖壓力傳感器具有重要的作用。通過(guò)MEMS傳感器進(jìn)行研制生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)分析，進(jìn)行應(yīng)急救援用、在線監(jiān)測(cè)裝備管理，可以有效提升化工生產(chǎn)安全性。光纖是一種不帶電的導(dǎo)光介質(zhì)，對(duì)于電磁場(chǎng)、溫度、壓力等因素并不敏感，具有良好的光學(xué)、電學(xué)以及物理特性。光纖傳感器靈敏度較高，具有良好的抗電磁干擾特征，其安全可靠。

1 MEMS光纖壓力傳感器

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，通過(guò)多個(gè)微小型元器件共同構(gòu)成，是一種融合光學(xué)以及機(jī)械功能的綜合系統(tǒng)。MEMS是一種融合了MEMS工藝以及光學(xué)傳感器技術(shù)的新型光纖傳感器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及功耗低的特征，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的機(jī)制處理。

現(xiàn)階段進(jìn)行MEMS的光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)方式較多。其中一種就是（F-P）干涉型的MEMS壓力傳感器。在處理中，通過(guò)在玻璃上利用氫氟酸緩沖溶液進(jìn)行處理，則可以腐蝕出一個(gè)淺薄圓柱腔體，通過(guò)陽(yáng)極鍵合工藝進(jìn)行處理，則可以將單晶硅膜以及玻璃緊密的聯(lián)合起來(lái)，形成F-P腔。

第二種就是通過(guò)Pyrex玻璃晶圓片進(jìn)行腐蝕處理，形成一個(gè)圓形淺坑，在與單晶硅晶圓片有效融合，則可以在玻璃淺坑底面以及硅膜片中的表面形成一種F-P干涉腔。

這種類型的傳感器主要就是在雙光束干涉原理支持之下，通過(guò)對(duì)F-P腔在返回中產(chǎn)生的干涉光譜，分析波峰、波谷的變化確定腔長(zhǎng)變化，進(jìn)而獲得壓力。但是此種類型的傳感器在硅片、玻璃反射率低的作用之下，導(dǎo)致干涉光譜呈現(xiàn)顯著的正弦分布特征，因此在進(jìn)行波峰、波谷位置處理中具有一定的隨機(jī)性，在一些程度上限制了分辨率的測(cè)試。

2 石油化工企業(yè)MEMS光纖壓力傳感器的應(yīng)用

MEMS光纖壓力傳感器檢測(cè)在石油化工企業(yè)中具有重要的作用，在MEMS光纖壓力傳感器支持之下，可以實(shí)現(xiàn)智能化的管理。

第一，研制生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)用痕量氣體MEMS傳感器：開(kāi)發(fā)復(fù)合支撐薄膜的電調(diào)制紅外輻射源，研制單片電容式硅基微傳聲器，研究微孔粉塵過(guò)濾及低溫除濕技術(shù)、MEMS和IC集成工藝。

第二，應(yīng)急救援用工業(yè)級(jí)紅外光譜氣體分析儀：研制工業(yè)級(jí)長(zhǎng)光程氣體池及光路系統(tǒng)，集成優(yōu)化光源與檢測(cè)器，開(kāi)發(fā)儀器自動(dòng)操控軟件及可擴(kuò)充多氣體分析軟件。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)裝備的研發(fā)，形成一套完整的化工區(qū)域安全監(jiān)測(cè)及突發(fā)應(yīng)急救援系統(tǒng)。

3 MEMS光纖壓力傳感器檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

MEMS光纖壓力傳感器具有線性度高、廣泛的動(dòng)態(tài)測(cè)量以及測(cè)量精度高的特性優(yōu)勢(shì)。MEMS光纖壓力傳感器在化工企業(yè)中，在硅片通過(guò)與玻璃環(huán)的陽(yáng)極鍵作用之下形成感壓結(jié)構(gòu);在硅片上表面上作用壓力的時(shí)候，硅片則就會(huì)出現(xiàn)線彈性應(yīng)變。而在另一側(cè)面中，在激光光源的作用之下，光通過(guò)發(fā)射光纖在硅片下的表面中作用，在表面通過(guò)反射之后則可以接收光纖收取，再將其傳輸?shù)胶蠖穗娐钒逯小?/p>

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先利用光電傳感器轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，使得光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，進(jìn)行信號(hào)的衰減、濾波處理，通過(guò)真有效值進(jìn)行處理，提升電路信號(hào)的精度、增強(qiáng)穩(wěn)定性。利用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，采集直流電源，通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示處理，利用STC89C52集成串口控制器進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)串口通信。

通過(guò)計(jì)算機(jī)的上位機(jī)軟件顯示具體的測(cè)試信息。系統(tǒng)主要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器、衰減器以及濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)、顯示模塊以及單片機(jī)控制電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等相關(guān)零部件共同構(gòu)成。

3.2 核心硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電二極管具有良好的光電曲線線性度、溫度穩(wěn)定性良好的特征，適合長(zhǎng)期的運(yùn)行。通過(guò)OPT101作為系統(tǒng)的光電傳感器轉(zhuǎn)換器件，可以提示系統(tǒng)的性能。

OPT101芯片充分的集合了光電二極管、運(yùn)算放大器、其具有良好的暗電流性、抗干擾特征，在芯片接收到信號(hào)的施工，如果光信號(hào)的波長(zhǎng)以及光學(xué)的入射角一定的時(shí)候，輸出的電壓在光照強(qiáng)度的作用之下，線性呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

通過(guò)OPT101典型電路作為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，在芯片的內(nèi)部中，分別在2號(hào)、5號(hào)的引腳中加入1M？贅以及30pF的電容，形成一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)轉(zhuǎn)化處理之后，電信號(hào)會(huì)通過(guò)5號(hào)引腳進(jìn)行輸出處理，其線性度良好。通過(guò)在典型的電路基礎(chǔ)之上增加電位器。進(jìn)行增益大小的調(diào)節(jié)處理。

在測(cè)試中通過(guò)850nm的波長(zhǎng)作為激光光源，光源通過(guò)光纖進(jìn)行傳輸，垂直的在光電二極管的表面上照射。輸出的光電轉(zhuǎn)化效率在峰值中，可以有效提升系統(tǒng)靈敏度。

3.2.2 衰減濾波模塊

綜合系統(tǒng)輸出特征，進(jìn)行電阻分壓衰減電路的社交，通過(guò)將光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，對(duì)轉(zhuǎn)化之后的信號(hào)進(jìn)行分析，在電壓值衰減到后續(xù)的電器器件工作電壓的具體范圍中。

傳感器測(cè)量信號(hào)屬于一種低頻信號(hào)，在信號(hào)中設(shè)計(jì)到一些多余的高頻成分，為了有效的降低信號(hào)的干擾因素，不影響信號(hào)的分析，在處理中通過(guò)巴特沃斯二階有源濾波器進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)衰減之下的信號(hào)低通濾波處理，其截止頻率數(shù)值為300Hz，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行濾波處理，信號(hào)呈現(xiàn)平滑的狀態(tài)，可以有效提升信號(hào)的采集以及處理的效率。低通濾波電路如圖1。

3.2.3 真有效值轉(zhuǎn)換模塊

分析精度、寬帶、輸入信號(hào)等各項(xiàng)因素的影響，真有效值的轉(zhuǎn)換模塊中將AD637芯片作為核心器件。在系統(tǒng)中主要有緩沖器、整流器以及偏置電路、濾波電路等系統(tǒng)共同構(gòu)成。分析其特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際中AD637芯片的最佳頻率響應(yīng)在0.2～2V的范圍中。因此，可以通過(guò)衰減模塊進(jìn)行處理，將處理的電壓值控制在此范圍中，達(dá)到降低附加誤差的目的。

AD637外圍電路不多，主要通過(guò)C11作為外圍元件，其主要的功能就是進(jìn)行平均時(shí)間常數(shù)的設(shè)定分析，直接決定了輸出的穩(wěn)定性以及低頻精準(zhǔn)度。

通過(guò)可變電阻R32進(jìn)行處理，將其作為調(diào)節(jié)輸出電壓值，利用R33進(jìn)行線性度的調(diào)節(jié)處理，基于AD637的真有效值轉(zhuǎn)換電路具有穩(wěn)定性、高精度的特征，其測(cè)量速度較快?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)各種波形的信號(hào)處理、轉(zhuǎn)換，具有頻帶寬的特征。

3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

MEMS光學(xué)壓力傳感器在實(shí)際中應(yīng)用，具有變化量小的特征，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換模塊的分辨率要求嚴(yán)格。對(duì)此，通過(guò)16位Σ-Δ調(diào)制型的AD7705芯片作為關(guān)鍵器件，可以提升系統(tǒng)的分辨率。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Keil編程環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。通電之后，通過(guò)AD7705利用單通道進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集處理，啟動(dòng)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，在A/D轉(zhuǎn)換之后，利用SPI通信進(jìn)行處理，將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在單片機(jī)中讀入，基于指令，通過(guò)液晶顯示數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)中輸出。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)中通過(guò)測(cè)微頭提供應(yīng)用的輸入量位移，其結(jié)構(gòu)與螺旋千分尺尾端類似，利用旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)活動(dòng)桿的方式進(jìn)行前進(jìn)以及后退的處理，其最大的位移在25mm，精度為10μm。

在不對(duì)其施加壓力的狀態(tài)之下進(jìn)行靜態(tài)的標(biāo)定分析，利用旋轉(zhuǎn)測(cè)微頭的方式進(jìn)行光纖的移動(dòng)處理，對(duì)光纖的端面以及硅片之下的距離進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)50μm的變化量進(jìn)行處理，由0直至變化為1.8mm。通過(guò)分析在系統(tǒng)距離d增大的正形成以及減小的反形成中電路壓力的具體輸出測(cè)試特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)二者的曲線前坡、后坡前段基本的重合，誤差不大，表明了光纖側(cè)位移系統(tǒng)具有良好的遲滯性。

光纖壓力傳感器主要的目的就是進(jìn)行壓力的測(cè)量分析，間接的進(jìn)行距離變化量的分析。光強(qiáng)調(diào)制函數(shù)即輸入/輸出特性曲線主要就是其前坡、后坡2個(gè)線性范圍，在測(cè)量距離在傳感器前坡線性中的時(shí)候，才可以達(dá)到精簡(jiǎn)傳感器總體結(jié)構(gòu)的目的。對(duì)此，在進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)定分析，要對(duì)系統(tǒng)的測(cè)定系統(tǒng)輸入/輸出特性曲線進(jìn)行處理，確定前坡中良好的線性區(qū)間。通過(guò)分析靜態(tài)標(biāo)定曲線可以確定前坡比較好的線性區(qū)間，主要就是在300μm～500μm范圍中，因此10μm變化量在300μm～500μm的變化中，對(duì)正反量程數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量分析，獲得的擬合直線斜率就是為光纖壓力傳感器的靈敏度，數(shù)值為4.444×10-3V/μm。

4 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)行MEMS光纖壓力傳感器檢測(cè)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，要基于需求合理的分析，反射式傳感器在設(shè)計(jì)中具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的特征，其成本也較為低廉，體積小，在惡劣的環(huán)境中具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在石油化工企業(yè)應(yīng)用廣泛，可以充分提升施工作業(yè)的安全性。

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