一種硅諧振壓力傳感器敏感芯體的特性測(cè)試

王宏音，姚敏強(qiáng)，李拉兔

(航空工業(yè)太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

近年來微電子機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)快速發(fā)展，其加工工藝日趨成熟，基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)制作的硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器發(fā)展迅速。硅微結(jié)構(gòu)諧振式壓力傳感器除了具有一般諧振式傳感器具有的準(zhǔn)數(shù)字式輸出信號(hào)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[1]，同時(shí)也具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、精度高、響應(yīng)快、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好以及與大規(guī)模集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、氣象、石化等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用[2-3]，具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。英國(guó)Druck公司Greenwood等于20世紀(jì)80年代中后期開始這方面的研究，90年代初已有產(chǎn)品問世；日本橫河公司Ikeda等、荷蘭Lammerink等也做出了高精度諧振式壓力傳感器[4]。我國(guó)高精度諧振式壓力傳感器起步較晚,大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。航空工業(yè)太原航空儀表有限公司與中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院合作研制了某型硅諧振壓力傳感器，該傳感器為100%自主研發(fā)，主要用于測(cè)量大氣壓力，具有測(cè)壓范圍廣、測(cè)量精度高、工作溫度范圍廣、功耗低等特點(diǎn)。該傳感器的壓力敏感芯體是基于MEMS技術(shù)工藝的微傳感器，采用硅膜與玻璃的復(fù)合結(jié)構(gòu)制作而成[5]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該壓力敏感芯體采用諧振梁與感壓膜一體化的結(jié)構(gòu)，其靈敏度是梁膜分離結(jié)構(gòu)的靈敏度的2倍[6]。當(dāng)大氣壓力作用其上時(shí)，壓力敏感膜發(fā)生形變，形變?cè)谥C振器的兩個(gè)諧振梁上分別產(chǎn)生張應(yīng)力與壓應(yīng)力，工作原理示意圖如圖2所示。該張應(yīng)力與壓應(yīng)力會(huì)改變諧振梁的固有諧振頻率，該諧振頻率的改變可以通過測(cè)量壓力敏感芯體的幅頻響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。另外該壓力敏感芯體采用雙諧振器結(jié)構(gòu)配置，具有溫度自補(bǔ)償、提升線性度等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，使傳感器在寬溫度范圍內(nèi)保持高準(zhǔn)確度。

圖1 壓力敏感芯體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工作原理示意圖

諧振式壓力傳感器在閉環(huán)自激振蕩狀態(tài)下工作，要使傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自激振蕩，壓力敏感芯體與其驅(qū)動(dòng)電路之間必須滿足自激振蕩條件，后續(xù)部分對(duì)該條件進(jìn)行了詳細(xì)介紹。因而必須首先對(duì)壓力敏感芯體的關(guān)鍵特性進(jìn)行測(cè)試。常規(guī)諧振式壓力敏感體的測(cè)量模式如圖3所示，信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)信號(hào)源、示波器采集壓力敏感體的輸出信號(hào)，保持激勵(lì)信號(hào)源輸出正弦信號(hào)的峰峰值不變而頻率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，輸出信號(hào)峰峰值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為壓力敏感體在該壓力、溫度等條件下的諧振頻率。然而，硅諧振式微傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，信噪比很低，有用信號(hào)很難檢測(cè)，圖3所示系統(tǒng)無法產(chǎn)生與測(cè)量該微弱信號(hào)。因此必須設(shè)計(jì)、研制專用的開環(huán)特性測(cè)試系統(tǒng)[9-10]。為了在大噪聲條件下測(cè)量微弱的諧振信號(hào)，國(guó)內(nèi)外普遍采用基于鎖相放大器的原理搭建測(cè)試系統(tǒng)，例如北京航空航天大學(xué)微傳感器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研制的諧振式傳感器頻率特性測(cè)試系統(tǒng)[11]，通過鎖相放大器，采用頻域掃描的方法[12]，對(duì)敏感元件的諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行估算。但這些搭建的測(cè)試系統(tǒng)存在微弱信號(hào)在不同儀器之間的傳遞的現(xiàn)象，會(huì)引入環(huán)境噪聲與傳遞誤差等。為了克服該缺點(diǎn)，搭建了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)連接圖如圖4所示。圖4中，壓力基準(zhǔn)控制測(cè)試氣壓，由于該傳感器準(zhǔn)確度設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)于0.02%FS，本次測(cè)試應(yīng)用的壓力基準(zhǔn)精度為0.005%；穩(wěn)壓電源為壓力敏感芯體提供直流偏置，其紋波峰峰值小于2 mV；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供激勵(lì)信號(hào)并采集拾振端信號(hào)，其頻率分辨率為0.001 Hz、信號(hào)源穩(wěn)定度≤±7 ppm，滿足測(cè)試要求。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部集成了增益相位測(cè)量模塊，集成度高，微弱信號(hào)僅在儀器內(nèi)部傳遞，且測(cè)試前可以對(duì)測(cè)試電纜、夾具等進(jìn)行校準(zhǔn)以消除誤差。本次測(cè)試的壓力敏感芯體將感受到的大氣壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路電學(xué)信號(hào)—頻率F1與F2，難點(diǎn)在于頻率F1與F2的激振端與拾振端正弦信號(hào)的峰峰值分別為mV級(jí)與μV級(jí)，頻率較高且非常微弱。主要目的為搭建專用微弱信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)以測(cè)試壓力敏感芯體的固有關(guān)鍵特性，以對(duì)與其配套的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)、改進(jìn)，并為壓力敏感芯體后續(xù)的迭代設(shè)計(jì)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

圖3 常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)連接框圖

圖4 微弱信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)連接框圖

1 自激振蕩

諧振式壓力傳感器的工作過程可以看作是一個(gè)自激振蕩過程，兩者有很多相似之處。壓力敏感芯體自身存在一個(gè)固有的諧振頻率，該固有頻率會(huì)隨感受到的大氣壓力變化而變化，因此不能施加固定激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，只能讓其自身發(fā)生自激振蕩。

要實(shí)現(xiàn)自激振蕩必須滿足一系列條件。介紹自激振蕩的資料比較多，可參考楊建國(guó)老師的《新概念模擬電路》中介紹的自激振蕩[13]。圖5是利用自激振蕩原理產(chǎn)生正弦波的結(jié)構(gòu)圖。ALOOP被稱為環(huán)路增益，它是由選頻電路增益和放大電路增益相乘獲得。對(duì)不同頻率信號(hào)，ALOOP將有不同的模ALOOP和相移φLOOP。某個(gè)頻率f0下，如果滿足φLOOP=2nπ，即相移為360°的整數(shù)倍(相位條件)，且ALOOP≥1(幅度條件)，如果環(huán)路內(nèi)事先存在頻率為f0的正弦波，哪怕很微小(種子條件)，則輸出一定會(huì)出現(xiàn)頻率為f0的正弦波,且幅度或者越來越大或者維持不變，這種現(xiàn)象就是自激振蕩。

圖5 自激振蕩產(chǎn)生正弦波的結(jié)構(gòu)

相位條件、幅度條件和種子條件是發(fā)生自激振蕩的充分必要條件。對(duì)于任何一個(gè)形成環(huán)路的電路，種子條件都會(huì)滿足，因?yàn)樵肼暿菬o處不在的，且是廣譜的，包含任意頻率，雖然它們的幅值可能很小。選頻電路和放大電路的配合，可以實(shí)現(xiàn)如圖6所示的環(huán)路增益幅頻特性和相頻特性，它能保證在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，有且僅有一個(gè)頻率點(diǎn)能夠滿足相位條件和幅度條件，那么在輸出端就會(huì)出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一個(gè)頻率的正弦波波形。為了保證輸出正弦波具有足夠大的幅值，一般會(huì)設(shè)置環(huán)路增益大于1而不是等于1。這樣勢(shì)必造成波形幅度越來越大，最終正弦波幅值接近電源電壓時(shí)出現(xiàn)削波失真。此時(shí)穩(wěn)幅電路就會(huì)發(fā)生作用，當(dāng)輸出波形幅值大于規(guī)定值后，穩(wěn)幅電路會(huì)迫使放大電路的增益下降，形成一種負(fù)反饋，使輸出波形幅值穩(wěn)定于規(guī)定值。

圖6 環(huán)路增益的幅頻、相頻特性

2 壓力敏感芯體的關(guān)鍵特性測(cè)試

該硅諧振壓力傳感器中，壓力敏感芯體主要充當(dāng)了選頻電路的角色，且相比于一般的選頻電路或金屬諧振材料[14]，該壓力敏感芯體采用晶體硅材料，具有超高的Q值，Q值不僅會(huì)影響諧振傳感器的穩(wěn)定性，而且會(huì)進(jìn)一步影響傳感器的分辨率，高Q值會(huì)使傳感器的穩(wěn)定性與分辨率相應(yīng)提高。下面將對(duì)不同條件對(duì)壓力敏感芯體產(chǎn)生的影響進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量研究。

2.1 壓力敏感芯體的幅頻特性與相頻特性

本次測(cè)試的壓力敏感芯體的實(shí)物圖如圖7所示，測(cè)試樣品編號(hào)為2027004，按照?qǐng)D4所示的連接圖連接測(cè)試樣品與設(shè)備。首先設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在較寬頻率段測(cè)試其幅頻特性與相頻特性曲線，此次選取的掃頻范圍為10 Hz～1 MHz，測(cè)試發(fā)現(xiàn)第一路頻率F1與第二路頻率F2在該頻率范圍內(nèi)有且僅有一個(gè)諧振點(diǎn)。由于掃頻范圍太大時(shí)諧振點(diǎn)無法明顯測(cè)出，測(cè)試結(jié)果展示10～200 kHz頻率段，第一路頻率F1與第二路頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖8、圖9所示，其中上半部分為幅頻特性曲線，下半部分為相頻特性曲線。有且僅有一個(gè)諧振點(diǎn)非常有利于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，不用避開多個(gè)諧振點(diǎn)，能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，且提高傳感器的穩(wěn)定性與抗干擾能力，不會(huì)產(chǎn)生跳頻等故障。

圖7 壓力敏感芯體實(shí)物圖

圖8 寬掃頻范圍頻率F1的幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖

圖9 寬掃頻范圍頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖

為了更精確、詳細(xì)地研究壓力敏感芯體的幅頻特性與相頻特性，將掃頻中心設(shè)定在諧振點(diǎn)附近，掃頻寬度設(shè)定為200 Hz。測(cè)試結(jié)果中顯示了更多細(xì)節(jié)，諧振點(diǎn)附近第一路頻率F1與第二路頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線分別如圖10、圖11所示。

圖10 諧振點(diǎn)附近頻率F1的幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖

圖11 諧振點(diǎn)附近頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖

分析測(cè)試結(jié)果，第一路頻率F1與第二路頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線變化趨勢(shì)基本相同，僅僅數(shù)值存在差異。大體可將測(cè)試結(jié)果分成A、B、C三個(gè)階段。其中A階段以前的頻率段與C階段以后的頻率段壓力敏感芯體未發(fā)生諧振，幅頻響應(yīng)曲線與相頻響應(yīng)曲線基本為一條直線，沒有明顯的數(shù)值變化。B階段為壓力敏感芯體發(fā)生諧振的頻率段，傳感器在該頻率段中工作，是最受關(guān)注的頻率段。以第一路頻率F1為例，首先分析該階段的幅頻特性，幅頻響應(yīng)曲線隨頻率的升高先從-30 dB點(diǎn)緩慢上升到-19.5 dB點(diǎn)，接著下降到-42 dB點(diǎn)，然后緩慢回到-30 dB點(diǎn)，存在一個(gè)峰值點(diǎn)與一個(gè)谷值點(diǎn)，所搭建的微弱信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)靈敏度足夠高，可以測(cè)到該谷值點(diǎn)，如果應(yīng)用靈敏度低的測(cè)試系統(tǒng)，該谷值點(diǎn)可能淹沒在噪聲中，影響測(cè)試結(jié)果。峰值點(diǎn)即為傳感器工作最佳頻率點(diǎn)，該點(diǎn)傳感器發(fā)生諧振，振動(dòng)幅值最大，穩(wěn)定性最好。然后分析該階段的相頻特性，相頻響應(yīng)曲線隨頻率的升高先從0°降低到-120°左右，然后再上升到0°，幅頻響應(yīng)曲線峰值頻率與谷值頻率對(duì)應(yīng)相位均為62°，下降階段與上升階段基本對(duì)稱。

由自激振蕩理論部分分析可知，要使傳感器在諧振點(diǎn)頻率處(即幅頻特性曲線峰值對(duì)應(yīng)頻率處)工作，必須在該頻率點(diǎn)處滿足“相位條件”與“幅度條件”。以第一路頻率F1為例，即要求驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中在106.224949 kHz頻率處幅值增益大于等于19.482 dB，相位為62.041°。但是壓力敏感芯體相位為62.041°時(shí)會(huì)對(duì)應(yīng)兩個(gè)頻率點(diǎn)，因此電路設(shè)計(jì)時(shí)該頻率處幅值增益不能超過42 dB，以避免兩個(gè)頻率點(diǎn)都滿足自激振蕩條件從而使傳感器工作不穩(wěn)定產(chǎn)生跳頻。

2.2 壓力對(duì)敏感芯體特性的影響

在諧振式傳感器的設(shè)計(jì)中，首先需要考慮的是諧振元件本身必須對(duì)輸入的被測(cè)參量具有選擇敏感性，且其諧振頻率對(duì)該參量具有足夠的靈敏度。該壓力敏感芯體主要測(cè)量對(duì)象為氣壓，下面將使用壓力基準(zhǔn)施加不同壓力并在保持其他條件不變的情況下測(cè)試壓力敏感芯體的輸出情況，選取的壓力測(cè)試點(diǎn)為3.5 kPa、10 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、160 kPa、200 kPa、250 kPa。

分析測(cè)試結(jié)果表明，第一路頻率F1與第二路頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線變化趨勢(shì)與圖10、圖11所示結(jié)果基本一致，變化的僅是數(shù)值。將關(guān)鍵參數(shù)提取匯總形成表1、表2。

分析表1與表2可以發(fā)現(xiàn)，頻率F1與頻率F2與氣壓存在很強(qiáng)的相關(guān)性，有利于應(yīng)用函數(shù)擬合方式進(jìn)行非線性處理[15]，詳細(xì)的函數(shù)關(guān)系與擬合多項(xiàng)式有關(guān)。而增益、相位、Q值與氣壓沒有明顯相關(guān)性，這有利于簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)不用過多考慮氣壓因素，僅需保證在80～120 kHz頻帶內(nèi)保證增益略大于21 dB，而相位為50°～65°，同時(shí)設(shè)計(jì)好穩(wěn)幅電路即可。

表1 頻率F1各個(gè)壓力點(diǎn)下測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)匯總表

表2 頻率F2各個(gè)壓力點(diǎn)下測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)匯總表

2.3 偏置電壓對(duì)敏感芯體特性的影響

為使傳感器正常工作，需要為壓力敏感芯體提供一個(gè)直流偏置電壓，下面將使用直流電源施加不同直流偏置電壓并保持在其他條件不變的情況下測(cè)試壓力敏感芯體的輸出情況，選取的電壓測(cè)試點(diǎn)為25 V、22 V、19 V、16 V、13 V、10 V。

分析測(cè)試結(jié)果表明第一路頻率F1與第二路頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線變化趨勢(shì)與圖10、圖11所示結(jié)果基本一致，變化的僅是數(shù)值。將關(guān)鍵參數(shù)提取匯總形成表3、表4。

表3 頻率F1各個(gè)電壓點(diǎn)下測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)匯總表

表4 頻率F2各個(gè)電壓點(diǎn)下測(cè)試數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)匯總表

分析表3與表4可以發(fā)現(xiàn)，隨著直流偏置電壓的減小，諧振頻率F1與諧振頻率F2、諧振點(diǎn)增益、諧振點(diǎn)相位、Q值均存在較明顯變化，而且Q值減小速度越來越快?？梢钥闯鲋绷髌秒妷簩?duì)壓力敏感芯體各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)影響較大，增益與相位的影響可以通過電路設(shè)計(jì)進(jìn)行消減，但Q值的急劇降低會(huì)使傳感器的穩(wěn)定性與分辨率相應(yīng)降低，直接影響傳感器性能，所以將直流偏置電壓保持在一個(gè)穩(wěn)定的值比較重要，且從測(cè)試結(jié)果來看，該值越高Q值越好，但是直流偏置電壓過高會(huì)導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)更復(fù)雜、總體功耗增加，綜合考慮性能要求與電路實(shí)現(xiàn)難度，直流偏置電壓在20～25 V左右基本合適，而且要盡可能地減小紋波電壓。

3 結(jié)束語

壓力敏感芯體是傳感器的核心部件，其性能的好壞直接關(guān)系到最終傳感器所能達(dá)到的性能指標(biāo)。針對(duì)某100%自主可控的新型高精度硅諧振壓力傳感器，為了使該傳感器盡快達(dá)到大規(guī)模工程化應(yīng)用，必須對(duì)壓力敏感芯體的固有關(guān)鍵特性進(jìn)行精確測(cè)試。針對(duì)該需求搭建了高精度微弱信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，解決了高頻微弱信號(hào)測(cè)試中噪聲大、誤差高、難以準(zhǔn)確采集等問題，對(duì)不同條件下壓力敏感芯體的固有關(guān)鍵特性進(jìn)行了測(cè)試與分析。經(jīng)過第2節(jié)的具體測(cè)試與分析，確定了壓力敏感芯體的幅頻特性、相頻特性以及對(duì)氣壓、直流偏置電壓的響應(yīng)等固有特性。結(jié)合自激振蕩條件得出了與之配套的驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵指標(biāo)，如：電路主體為帶通放大器、通頻帶涵蓋80～120 kHz、80～120 kHz頻帶內(nèi)保證增益大于21 dB且需要設(shè)計(jì)穩(wěn)幅電路、80～120 kHz頻帶內(nèi)相移為50°～65°、直流偏置電壓在20～25 V范圍內(nèi)等指標(biāo)。詳細(xì)指導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，有助于更好地形成功能完備的傳感器并指導(dǎo)該傳感器更好、更高效、更穩(wěn)定地大批量工程化應(yīng)用，助力于0.02%FS級(jí)高精度大氣壓力傳感器的100%國(guó)產(chǎn)化實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還存在一些需要進(jìn)一步測(cè)試的問題，如壓力敏感芯體對(duì)正弦、階躍、脈沖等動(dòng)態(tài)壓力的響應(yīng)；對(duì)振動(dòng)、沖擊加速度、濕熱等環(huán)境因素的響應(yīng)；長(zhǎng)時(shí)間溫度交變、壓力循環(huán)等對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的影響等實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的各種因素對(duì)壓力敏感芯體的影響。