CN102564695A

CN102564695A - 一种半导体微气压传感器测试系统

Info

Publication number: CN102564695A
Application number: CN2011104458015A
Authority: CN
Inventors: 金仁成; 刘光; 王晓东; 郭文泰; 唐祯安
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种半导体微气压传感器测试系统，包括微机控制部分和真空获取部分。微机控制部分包括控制主机、程控电源、驱动电路、测试电路、A/D卡和D/A卡，主机控制程控电源，待测器件的响应信号通过测试电路和A/D卡传递到控制主机；真空获取部分包括真空腔室、泵组、质量流量控制器和真空计，真空腔室分别与质量流量控制器和泵组相连，气体从质量流量控制器流入，从泵组流出，质量流量控制器与D/A卡相连，通过模糊PID控制算法，维持真空腔室内气压平衡，真空计用作待测传感器标定基准。采用本发明可产生纯净气体的动态平衡真空环境，提高了测试过程的稳定性和抗干扰性，并为待测器件提供四种工作电路，便于半导体微气压传感器的标定与测试。

Description

一种半导体微气压传感器测试系统

技术领域

本发明涉及一种传感器测试系统，尤其涉及一种半导体微气压传感器测试系统。

背景技术

微气压传感器是用于近大气压和真空范围的绝对气压测量的压力传感器。压力传感器技术发展较快，现已由传统的结构设计和生产转向以微电子、微处理和加工为基础的微结构设计。半导体微气压传感器即是这种技术的产物，它利用半导体材料的各种敏感机理，发展成压阻式、谐振式和加热式等多种半导体微气压传感器。

如果要使半导体微气压传感器有良好的工作性能，则需要对其进行高精度高稳定性的标定与测试。根据半导体微气压传感器的自身特点，其测试系统需要满足以下要求：1.测试系统需要提供多种气体的测试环境，气体组分保持稳定；2.气压测试范围较宽；3.气压可以程控，产生静态或动态恒压环境；4.环境温度和环境湿度保持稳定；5.传感器工作温度稳定；6.环境气流稳定可控。

发明内容

本发明主要解决原有气压传感器测试系统难以实现真空动态平衡、真空气体组分不稳定和测试电路单一的技术问题；提供一种适用于半导体微气压传感器的真空测试系统，其真空腔室内气体组分稳定，气压测试范围较宽，程序控制实现气压动态平衡。同时，本发明能够为待测器件提供四种驱动电路，能够满足多种加热式半导体微气压传感器的测试要求。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括微机控制部分和真空获取部分。微机控制部分包括控制主机、程控电源、驱动电路、测试电路、A/D卡和D/A卡，控制主机控制程控电源，将电压或电流加载到驱动电路，为待测器件提供四种工作模式，待测器件的响应信号通过测试电路和A/D卡传递到控制主机；真空获取部分包括真空腔室、泵组、质量流量控制器和真空计，真空腔室分别与质量流量控制器和泵组相连，组分稳定的气体从质量流量控制器流入，从泵组流出，质量流量控制器与D/A卡相连，通过模糊PID控制算法，维持真空腔室内气压平衡，真空计用作传感器标定基准。为了保证测试环境的温湿度稳定，测试过程可以在具有温湿度控制的超净实验室中进行。

在所述真空腔室内，气体的动态平衡由以下方法实现：设定好测试所需的气压值后，所述泵组开始工作，将真空腔室内气体抽出，组分稳定的气体通过MFC流入真空腔室，电离真空计显示真空腔室内的当前气压值；控制主机计算设定气压值与当前气压值的偏差及其变化趋势，通过D/A卡控制MFC的进气量；所述控制算法为模糊PID控制算法，即在大偏差范围内利用模糊推理的方法进行控制，而在小偏差范围内转变成PID控制，可加快响应速度并减小稳态误差。

作为优选，在所述微机控制部分中，所述驱动电路包括选择开关、恒压电路、恒流电路、恒温电路和恒功率电路，可以为半导体微气压传感器提供四种工作模式，尤其适用于加热式半导体微气压传感器；所述测试电路包括通道选择开关、程控放大器、滤波器、单片机和电源管理模块，用于采集处理待测器件的响应信号；所述程控电源通过控制主机RS232串口控制，为待测器件提供恒定电流及电压输出。

作为优选，在所述真空获取部分中，所述真空腔室为圆筒形，内置平台放置待测器件，前门设有观察窗；所述泵组由机械泵和扩散泵组成，分别用于产生低真空环境和高真空环境；所述真空计为电离真空计，测量范围10^-6Pa～10⁵Pa，用作测试系统中的气压标定基准。

本发明的有益效果：

1.所述半导体微气压传感器测试系统通过MFC连接多种进气源，保证真空腔室内的气体组分稳定；同时，MFC流量均匀，有利于保持真空腔室内气流稳定。

2.所述半导体微气压传感器测试系统采用模糊PID控制算法，可加快系统响应速度，提高控制精度，实现真空腔室气压的动态平衡。

3.所述半导体微气压测试系统为待测器件提供恒流、恒压、恒温和恒功率四种驱动电路，尤其适用于加热式半导体微气压传感器的标定与测试。

附图说明

图1是半导体微气压传感器测试系统示意图，图中黑色箭头表示气流方向，白色箭头表示电路连接关系。

图2是半导体微气压传感器测试系统真空获取部分示意图。附图标记说明：低真空阀1、真空腔室2、手动球阀3、一号质量流量控制器4、二号质量流量控制器5、高真空阀6、扩散泵7、前级阀8、机械泵9。

图3是半导体微气压传感器测试系统微机控制部分驱动电路结构图。

图4是半导体微气压传感器测试系统微机控制部分测试电路示意图。

图5是半导体微气压传感器测试系统模糊PID控制算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：本实施例的一种半导体微气压传感器测试系统，如图1所示，包括微机控制部分和真空获取部分。微机控制部分包括控制主机、程控电源、驱动电路、测试电路、A/D卡和D/A卡，控制主机控制程控电源，将电压或电流加载到驱动电路，为待测器件提供四种工作模式，待测器件的响应信号通过测试电路和A/D卡传递到控制主机；真空获取部分包括真空腔室、泵组、质量流量控制器(MFC)和真空计，真空腔室分别与质量流量控制器和泵组相连，组分稳定的气体从质量流量控制器流入，从泵组流出，质量流量控制器与D/A卡相连，通过模糊PID控制算法，维持真空腔室内气压平衡，真空计用作待测传感器的标定基准。

本发明微机控制部分包括控制主机、A/D卡、D/A卡、程控电源、测试电路和驱动电路，如图1、图2和图3所示。本发明选用Keithley2400型电源，其主要技术特点：最大输出功率20W；输出电流±50pA～±1.05A，精度0.035％；输出电压±5μV～±210V，精度0.015％。本发明采用PC-6340型12位高速A/D卡，采用PCI-8322型12位高速D/A卡。

本发明微机控制部分的驱动电路如图3所示，包括选择开关、恒电流电路、恒电压电路、恒温电路和恒功率电路，尤其适用于加热式半导体微气压传感器的测试。程控电源输出的电压电流信号通过选择开关被加载到四种工作电路，驱动待测器件。其中，恒流电路主要由电压跟随器和运算放大器构成，传感器测试时通过待测器件电流恒定；恒压电路主要由测试电桥和运算放大器组成，待测器件测试时施加在待测器件两端的电压恒定；恒温电路主要由比较器和反馈电阻组成，待测器件测试时电路自动调节使比较器两端电压相等，通过恒温电路使得待测器件加热电阻的温度保持不变；恒功率电路主要由运算放大器构成，恒功率模式是保持加热电阻所消耗的加热功率不变。

本发明微机控制部分的测试电路如图4所示，包括通道选择开关、程控放大器、滤波器、单片机和电源管理模块。其中，电源管理模块用于产生1.8V、3.3V和5V电压，供应给相应器件；通道选择开关与前级工作电路构成采样电路，通道选择开关由单片进行控制；程控放大器和滤波器构成信号调理电路，由于测试条件的改变会引起待测器件输出信号从微伏级到伏级变化，因此放大器的放大倍数由单片机自动控制。

本发明真空获取部分如图2所示，包括低真空阀、真空腔室、手动球阀、一号质量流量控制器、二号质量流量控制器、高真空阀、扩散泵、前级阀和机械泵。其中，扩散泵和机械泵构成泵组，扩散泵作为主泵，其工作原理是通过加热高真空扩散泵用油，通过油气扩散形成负压将真空腔内气体分子抽出；真空腔室容积75升，以减小气流和缓冲气压，其主要材质为1Cr18Ni9Ti，能够满足真空强度要求及微正压要求。

真空获取部分的具体操作流程：首先从质量流量控制器接入单纯气体(如O₂、N₂、CO₂等测试用气)或者其混合气体，保证气路、油路和水路畅通，并打开手动球阀；然后打开真空腔室前门，将待测器件接入测试电路，关闭真空腔室前门；如果需产生低真空环境，应同时打开前级阀和低真空阀，并启动机械泵；如果需产生高真空环境，应在预热一小时后，打开高真空阀并启动扩散泵。

本发明的气压动态平衡控制过程为：在真空腔室内，真空泵以恒定转速连续抽取真空室内的气体，同时进气源均匀地向真空腔室注入气体，进气量的大小由D/A输出控制执行机构MFC来调节。系统采用的控制算法如图5所示，图中r表示设定值，e表示当前气压值与设定气压值的偏差，ec表示偏差的变化趋势，e₀表示算法切换阈值，u表示被控量(即MFC的进气量)，y表示当前气压值。模糊PID控制算法的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量，而在小偏差范围内转变成PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。采用这种算法，既可以加快系统响应速度，又可以减小系统稳态误差。

Claims

1.一种半导体微气压传感器测试系统，其特征在于系统包括微机控制部分和真空获取部分；微机控制部分包括控制主机、程控电源、驱动电路、测试电路、A/D卡和D/A卡；真空获取部分包括真空腔室、泵组、质量流量控制器和真空计；

控制主机控制程控电源，将电压或电流加载到驱动电路，为待测器件提供四种工作模式，待测器件的响应信号通过测试电路和A/D卡传递到控制主机；真空获取部分包括真空腔室、泵组、质量流量控制器和真空计，真空腔室分别与质量流量控制器和泵组相连，气体从质量流量控制器流入，从泵组流出，质量流量控制器与D/A卡相连，通过模糊PID控制算法维持真空腔室内气压平衡，真空计是待测传感器标定基准；

所述驱动电路包括选择开关、恒压电路、恒流电路、恒温电路和恒功率电路，利用程控电源提供的恒定电流及恒定电压，为半导体微气压传感器提供恒压、恒流、恒温和恒功率四种工作模式；

所述测试电路包括通道选择开关、程控放大器、滤波器、单片机和电源管理模块；

所述真空腔室为圆筒型，内置测试平台，腔室前门具有观察窗；

所述泵组由机械泵和扩散泵组成，机械泵产生10Pa以上的低真空环境，扩散泵产生10Pa以下的高真空环境；

测试系统采用模糊PID控制算法进行气压控制，在大偏差范围内利用模糊推理的方法进行控制，小偏差范围内转变成PID控制。