CN102507050A - 激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器 - Google Patents

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Abstract

激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器，包括感压膜片、双端固支谐振梁、激励-拾振电阻和锁相闭环电路。被测压力直接作用于感压膜片的下表面并使其发生变形。感压膜片的变形引起固定于感压膜片上表面的双端固支谐振梁内应力发生变化，进而改变其一阶固有频率。跟踪谐振梁一阶固有频率的变化即可实现对被测压力的测量。本发明将激励电阻和拾振电阻合并为一个“激励-拾振”电阻，不仅简化了传感器结构，而且拾振信号频率为激励信号频率的三倍，拾振信号和激励信号在频域中相互分离，很好的解决了上述同频电容耦合干扰问题；同时大幅降低了电阻电热效应引起的谐振梁固有频率漂移。

Description

激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器。
背景技术
硅微谐振式压力传感器由于分辨力、稳定性、重复性优异和便于与计算机接口等优点广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域，尤其适用于航空大气压力测试系统。图1为一种典型的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构示意图，主要包括感压膜片1、双端固支谐振梁2、激励电阻5和拾振电阻6。被测压力作用于感压膜片1并使其发生变形，感压膜片1的变形引起固定于感压膜片1上表面的双端固支谐振梁2的内应力发生变化，进而改变谐振梁2的一阶固有频率。谐振梁2中部的热激励电阻5引起的材料热膨胀效应激励谐振梁2以一阶模态振动；谐振梁根部的拾振电阻6通过压阻效应拾取谐振梁2的振动信号，根据谐振梁2的固有振动频率即可换算出被测压力值。该电热激励-压阻拾振方法的优点在于激励电阻5和拾振电阻6的加工工艺与硅微机械加工工艺完全兼容、传感器结构简单、加工成本低。然而，激励信号通过激励电阻5和拾振电阻6间的分布电容耦合到输出端的同频电容耦合干扰成为微弱拾振信号最主要的干扰源之一，极大增加了信号检测难度。此外，电阻电热效应使谐振梁2温度升高，由此产生的热应力使谐振梁2的固有频率发生漂移，降低了传感器测量精度。
为降低同频电容耦合干扰，发表在《航空学报》上的文献《硅谐振压力微传感器开环测试中的信号处理技术》提出一种对称激励方法：将激励电阻5和拾振电阻6理想化为“点电荷”，在激励电阻5的两端施加幅度相同、相位相反的对称激励信号。然而，一方面将激励电阻5和拾振电阻6理想化为点电荷存在一定理论误差；另一方面受反相器性能影响，加在激励电阻5两端的激励信号不可能完全对称，影响了消除电容耦合干扰的效果。另外，为消除电容耦合干扰还可参考文献T.Corman，et al，“Burst”Technology withFeedback-Loop Control for Capacitive Detection and Electrostatic Excitation ofResonant Silicon Sensors，IEEE Transactions on Electron Devices，2000，47(11)：2228-2235中提出的间歇(Burst)激励方法，拾取谐振梁2振动信号时断开激励信号，使激励信号和拾振信号在时间上分离，从而消除激励电阻5对拾振电阻6的电容耦合干扰。然而激励信号断开后谐振梁2自由振动的振幅按指数规律迅速衰减，增加了信号检测难度，控制电路也较复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为解决现有电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器中激励电阻对拾振电阻的同频电容耦合干扰问题和减轻电阻电热效应引起的谐振梁固有频率漂移，而将激励电阻和拾振电阻合并，提出一种激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器。
本发明的技术解决方案：激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器包括：感压膜片1、双端固支谐振梁2、激励-拾振电阻3和锁相闭环电路4；双端固支谐振梁2固定于感压膜片1的上表面，被测压力直接作用于感压膜片1的下表面并使感压膜片1发生变形，感压膜片1的变形引起双端固支谐振梁2的内应力发生变化，进而改变其固有频率，检测并跟踪谐振梁2的固有频率即可得到被测压力值。所述检测并跟踪谐振梁2固有频率的实现方法为：将频率为ω的正弦电压信号ue(t)施加于激励-拾振电阻3，一方面ue(t)起到激励作用，激励-拾振电阻3产生的交变热功率引起的材料热膨胀效应驱动谐振梁2以频率2ω振动，由于压阻效应，激励-拾振电阻3的阻值也以频率2ω随谐振梁2振动而变化；另一方面ue(t)起到调制作用，使激励-拾振电阻3中产生频率为3ω的电流分量，该交变电流分量包含谐振梁2振动的相位信息，锁相闭环电路4利用谐振梁2振动的相位信息将谐振梁2的振动频率锁定于固有频率，实现了对固有频率的跟踪和检测。
所述激励-拾振电阻3通过微机械加工工艺制作于谐振梁2的根部。
所述感压膜片1和双端固支谐振梁2均采用硅作为材料。
本发明的原理：现有典型的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器中，谐振梁的激励和谐振梁振动信号的拾取分别采用激励电阻和拾振电阻两个电阻实现，激励电阻对拾振电阻的同频电容耦合干扰是激励信号通过两电阻之间的分布电容直接耦合到拾振电阻端产生的。为此，本发明从电阻热激励和压敏电阻检测的机理入手，将激励电阻和拾振电阻合并，利用激励-拾振电阻中电流的三次谐波分量拾取谐振梁振动，拾振信号和激励信号在频域上分离，解决了同频电容耦合干扰问题。
引起谐振梁固有频率漂移的电阻电热效应的强弱与电阻静态热功率大小和电阻在谐振梁上的位置有关。本发明将激励和拾振电阻合并，降低了电阻产生的静态热功率。又由于合并后的激励-拾振电阻位于谐振梁根部，有利于热量向外界传播。所以本发明可大幅降低热效应引起的谐振梁固有频率漂移。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明解决了现有电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器中激励信号对拾振信号的同频电容耦合干扰；
(2)本发明可显著降低电阻电热效应引起的谐振梁固有频率漂移，提高传感器测量精度；
(3)本发明将激励电阻和拾振电阻合并，简化了传感器结构。
附图说明
图1为典型的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构示意图；
图2为本发明提出的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构示意图；
图3为本发明提出的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构分解示意图；
图4为本发明采用的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器锁相闭环系统示意图；
图5为本发明锁相闭环系统中三倍频器原理框图。
具体实施方式
如图2所示，本发明涉及的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构采用硅作为材料，主要包括感压膜片1、双端固支谐振梁2、激励-拾振电阻3和锁相闭环电路4；双端固支谐振梁2固定于感压膜片1的上表面，被测压力直接作用于感压膜片1的下表面并使感压膜片1发生变形，感压膜片1的变形引起双端固支谐振梁2的内应力发生变化，进而改变其固有频率，跟踪检测谐振梁2的固有频率即可换算出被测压力值。
所述的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构可采用光刻、腐蚀及硅-硅键合等微机械加工工艺进行制作，先采用光刻和腐蚀将上下两片N型硅晶片分别加工成图3所示形状；然后采用硅-硅键合工艺将两者熔接成一整体；再以上晶片表面作为基准面，抛光、蚀刻到需要的厚度，就得到双端固支的谐振梁2。随后，采用微机械加工工艺将激励-拾振电阻3制作于谐振梁2根部。一方面，电热激励通过材料的热膨胀效应激励谐振梁振动，属于一种“应变激励”。谐振梁2按一阶模态振动时，其根部的轴向应变最大，因此将激励-拾振电阻3制作于谐振梁2根部可获得较高的对谐振梁一阶振动模态的激励效率。另一方面，谐振梁2按一阶模态振动时，其根部的轴向应力最大，因此将激励-拾振电阻3制作于谐振梁2根部有利于利用压阻效应拾取谐振梁2的振动信号。最后，在下晶片背面刻蚀槽，形成感压膜片1，膜片1的厚度视被测压力量程而定。这为本领域公知技术。
如图4所示为本发明用于跟踪谐振梁2一阶固有频率的锁相闭环电路原理框图。压控振荡器输出频率为ω的正弦电压信号
Figure BDA0000097594510000041
其中Uvco和
Figure BDA0000097594510000051
分别为正弦电压信号幅度和初始相位。uvco经激励信号放大器放大后可表示为其中Ae和
Figure BDA0000097594510000053
分别为激励信号放大器增益和相移。将信号ue施加于激励-拾振电阻3，信号ue具有激励信号和参考信号双重作用。
ue作为激励谐振梁2振动的激励信号，在激励-拾振电阻3上产生的交变热功率为
Figure BDA0000097594510000054
其中R为激励-拾振电阻3阻值。交变热功率pe在谐振梁2厚度方向产生温度梯度，由此引起的热弯矩驱动谐振梁2以频率2ω垂直其厚度方向振动。谐振梁2振动过程中激励-拾振电阻3交替受拉和受压，电阻阻值由于压阻效应以频率2ω随谐振梁2振动而变化：
Figure BDA0000097594510000055
其中ε为谐振梁2振动时激励-拾振电阻3阻值变化率，ε的值远小于1并与谐振梁2振幅成正比；
Figure BDA0000097594510000056
为谐振梁2振动的相位延迟。
ue作为拾取谐振梁2振动的参考信号，其在激励-拾振电阻3中产生的电流可根据欧姆定律计算：
Figure BDA0000097594510000057
忽略ε的高阶小量可知，频率为3ω的交变电流分量为
Figure BDA0000097594510000058
i3(t)经前置放大器转换为电压信号并进行放大后为
Figure BDA0000097594510000059
其中Ap和
Figure BDA00000975945100000510
分别为前置放大器增益和相移。图4中三倍频器可采用乘法器和高通滤波器实现，其原理框图如图5所示，三倍频器输出为
Figure BDA00000975945100000511
u3和uref经过乘法鉴相器后输出到环路滤波器的信号u4包含直流分量和频率为6ω的交变分量。环路滤波器采用低通滤波器和积分器实现，滤除u4中的交流分量并对直流分量进行积分后的输出为
Figure BDA00000975945100000512
取
Figure BDA00000975945100000513
则有
Figure BDA00000975945100000514
谐振梁振动相位延迟
Figure BDA00000975945100000515
只有当
Figure BDA0000097594510000061
时，uc才是一个恒定值，此时压控振荡器输出信号的频率才稳定。又因谐振梁2相位延迟对应于谐振梁2一阶固有频率，因此锁相闭环电路实现了对谐振梁2一阶固有频率的跟踪，根据固有频率即可换算出被测压力值。
总之，本发明提出的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器，利用同一个激励-拾振电阻实现对谐振梁振动的激励和振动信号的拾取，并且拾振信号频率为激励信号频率的三倍，拾振信号与激励信号在频域上相互分离，因此解决了激励电阻对拾振电阻的同频电容耦合干扰，而且谐振梁处于连续受激状态，不会产生间歇激励方式造成的谐振梁振幅衰减；另外，电阻数量的减少减轻了电阻电热效应导致的谐振梁固有频率漂移问题，并简化了传感器结构。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器，包括：感压膜片(1)、双端固支谐振梁(2)、激励-拾振电阻(3)和锁相闭环电路(4)；双端固支谐振梁(2)固定于感压膜片(1)的上表面，被测压力直接作用于感压膜片(1)的下表面并使感压膜片(1)发生变形，感压膜片(1)的变形引起双端固支谐振梁(2)的内应力发生变化，进而改变其固有频率，检测并跟踪谐振梁(2)的固有频率变化即可换算出被测压力值；其特征在于：所述检测并跟踪谐振梁(2)固有频率的实现为：将频率为ω的正弦电压信号ue(t)施加于激励-拾振电阻(3)，一方面ue(t)起到激励作用，激励-拾振电阻(3)产生的交变热功率引起的材料热膨胀效应驱动谐振梁(2)以频率2ω振动，由于压阻效应，激励-拾振电阻(3)的阻值也以频率2ω随谐振梁(2)振动而变化；另一方面ue(t)起到调制作用，在激励-拾振电阻(3)中产生频率为3ω的电流分量，该交变电流分量包含谐振梁(2)振动的相位信息，锁相闭环电路(4)利用谐振梁(2)振动的相位信息将谐振梁(2)的振动频率锁定于固有频率，实现了对固有频率的检测和跟踪。
2.根据权利要求1所述的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器，其特征在于：所述激励-拾振电阻(3)通过微机械加工工艺制作于谐振梁(2)的根部。
3.根据权利要求1所述的激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器，其特征在于：所述感压膜片(1)和双端固支谐振梁(2)均采用硅作为材料。
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