CN104535251B - 双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式。该温度自补偿方法包括：在预设温度范围内，选定m个温度标定点；在预设压力范围内，选定n个压力标定点；分别在每个温度标定点、每个压力标定点下测量两谐振器的频率，分别测试得到第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂，共得到m×n组标定数据；以及利用上述m×n组标定数据，采用二元函数拟合法得到双谐振器压力传感器的压力函数G₁的表达式，即p＝G₁(f₁，f₂)。本发明通过测量两个谐振梁的频率进行温度自补偿，无需外部温度敏感元件，可以克服温度场分布不确定导致的温度测量不准确的问题，提高补偿精度。

Description

双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式。

背景技术

微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)是一种在融合多种微细加工技术，利用从半导体技术中发展而来的成熟技术，MEMS器件可进行大批量、低成本生产。另外，MEMS器件普遍具有体积小，稳定性好等特点，在航空航天、汽车制造等多个领域中广泛应用。谐振式微机械压力传感器的输出检测信号由谐振器的振动频率信号直接转换而成，相对于电容式、电阻式和压电式等输出的幅度信号(主要是电压幅值)，频率信号具有更高的稳定性和抗干扰能力。

本申请的申请人在2013年提交了基于SOI工艺的电磁激励电磁检测的高精度硅微谐振式气压传感器的专利申请(201310429703.1)。该专利申请的全部内容纳入本发明中作为参考。

如图1所示，该高精度硅微谐振式气压传感器包括：传感器芯片1、应力隔离层2、金属管座3、管帽4和磁铁5。其中，传感器芯片1通过应力隔离层2固定在金属管座3上；金属管座3置有八个管针6，通过金丝球焊的引线7与传感器芯片1上引线孔8中的金属电极相连，起到电信号引出的作用；磁铁5固定在带有导气孔的管帽4上，管帽4盖在金属管座3上，其下端与金属管座3周缘密封固接。

传感器芯片1由SOI硅片9和硼硅玻璃盖片10组成。SOI硅片9上有两个H型谐振器11、八个支撑锚点12、气压敏感膜13、八个引线端14和真空密封框15；硼硅玻璃盖片10上制作了引线孔8和真空密封腔16，通过阳极键合的方法与SOI硅片9紧密地结合在一起，形成真空参考腔16，使得两个H型谐振器11被密封在真空参考腔16内。

H型谐振器11由两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁构成，两根梁的中心部位用一个厚度与梁一样的矩形块连接，这样能确保两根梁在低阶频率时能够同时同相同频振动。其中两个H型谐振器11悬空，两个H型谐振器11中每一个的四个端点各自通过八个支撑锚点12固支于气压敏感膜13上。H型谐振器11的单根梁与支撑其的相应两个支撑锚点12和两个引线端14构成驱动电流(或检测电流)的通路。

H型谐振器11采用电磁激励检测的方式实现传感器的信号检测和输出，当H型谐振器11的单根梁通过交变电流时，由于磁铁提供了垂直于纸面方向的磁场，H型谐振器11受到平行于纸面的安培力。当通过的交变电流频率与谐振器的固有频率一致时，谐振器振动幅度最大，另一根单梁由于切割磁感线产生了交变电动势，因此会对外输出电信号，而此电信号频率与H型谐振器11固有频率相同。由于气压敏感膜13的一侧为真空参考腔16，当有Z轴方向气体压力作用在气压敏感膜13的另一侧，气压敏感膜13将会发生形变。使得放置在气压敏感膜13边缘的H型谐振器11(如图1所示的左边的H型谐振器)受到压应力，而另一个谐振器11受到拉应力。两个H型谐振器所受到的弯曲应力会导致其固有频率的变化，因此谐振器固有频率的大小能表征气压的大小。

由于谐振式微机械压力传感器具有极高的压力灵敏度，它对环境温度也非常敏感，环境温度带来的谐振梁内应力等变化将导致较大的压力输出，使得器件的温度稳定性变差。因此谐振式微机械压力传感器的温度补偿技术成为了影响传感器综合精度的重要因素。

传统的温度补偿方法是通过外置温度传感器来实现温度补偿，但这种方法存在温度场分布不确定以及热传导延迟等问题。温度自补偿是指利用传感器自身性质，而不需要额外的温度敏感元件来实现的温度补偿。清华大学王劲松等人在《石英谐振式力传感器的温度特性及其自补偿》一文中提出一种利用谐振器基频振动与三次谐波振动温度特性不同的方法来实现温度自补偿，但这就使得谐振器无法连续稳定地工作在某一频率下，导致测量精度偏低。

此外，采用一元补偿方式时，是在一个标准的载荷下，测量传感器的温度特性，然后认为在其他的载荷条件下器件的温度特性不变，并依此进行补偿。这就使得补偿仅在标准载荷下精度较高，而传感器量程内的其他载荷下精度较低。最终使得器件难以在满量程压力载荷下达到满意的补偿效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式，以提高双谐振器压力传感器的测量精度。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法。所述双谐振器压力传感器为利用第一谐振器和第二谐振器的频率计算压力的传感器。该温度自补偿方法包括：在预设温度范围内，选定m个温度标定点；在预设压力范围内，选定n个压力标定点；分别在每个温度标定点、每个压力标定点下测量两谐振器的频率，分别测试得到第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂，共得到m×n组标定数据；以及利用上述m×n组标定数据，采用二元函数拟合法得到所述双谐振器压力传感器的压力函数G₁的表达式，即p＝G₁(f₁，f₂)。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种双谐振器压力传感器的测量方式。该测量方式包括：获取第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂；将第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂代入压力函数G₁的表达式中，计算当前压力，其中，所述压力函数G₁为：p＝G₁(f₁，f₂)。

(三)有益效果

本发明通过测量两个谐振梁的频率进行温度自补偿，无需外部温度敏感元件，可以克服温度场分布不确定导致的温度测量不准确的问题，提高补偿精度。并且无需额外测量其他物理量，可降低测量的复杂度。此外，本发明采用二元数据拟合的方法，可以做到在满压力量程、全温度范围内的补偿，提高在满量程内的补偿效果。

附图说明

图1为现有技术硅微谐振式气压传感器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例双谐振器压力传感器的温度自补偿方法的示意图；

图3为根据本发明实施例双谐振器压力传感器温度自补偿的测量方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用所设计的谐振式微机械压力传感器的双谐振梁结构，实现了满量程内的温度自补偿，无需测量其他额外的物理量，仅需要测量两个谐振器的谐振频率，并通过二元数据拟合的方法计算补偿后的压力，达到了较好的温度补偿效果。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法，用于对图1所示硅微谐振式气压传感器进行温度自补偿。为下文描述方便起见，将图1所示硅微谐振式气压传感器中的两个谐振器命名第一谐振器和第二谐振器。

图2为根据本发明实施例双谐振器压力传感器的温度自补偿方法的示意图。如图2所示，本实施例双谐振器压力传感器的温度自补偿方法包括：

步骤S202：在双谐振器压力传感器的全温度范围内(如-40～70℃)，选定m个温度标定点，其中，m≥3；

步骤S204：在双谐振器压力传感器的满量程压力范围内(如0-110kPa)，选定n个压力标定点，其中，n≥3；

步骤S206：分别在每个温度标定点、每个压力标定点下测量两谐振器的频率，分别测试得到第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂，f₁和f₂与谐振式微机械压力传感器的温度和压力有关，共得到m×n组标定数据；

其中，每一组标定数据中具有4个数据，分别为：温度、压力、第一谐振器的频率f₁、第二谐振器的频率f₂。

步骤S208：利用上述m×n组标定数据，采用二元函数拟合法得到双谐振器压力传感器的压力函数G₁的表达式，即p＝G₁(f₂，f₂)。

谐振梁的频率主要由温度和压力决定，即谐振频率是温度(T)和压力(p)的二元函数，即：

联立上述两式，便可通过f₁、f₂反算出压力和温度，即压力和温度均可表示为f₁和f₂的二元函数，即：

本实施例中，采用二元三次多项式拟合法对压力函数G₁进行拟合，得到温度自补偿后的压力函数G₁：

其中，压力函数中的系数a_n，n＝0，1，2，...，9使用最小二乘原理获得。其中，m×n至少应等于该压力函数G₁中系数的数目，才可以将压力函数G₁中系数全部解出。

需要说明的是，本步骤的二元三次多项式拟合法可采用其他非线性二元拟合法替代，如二元高次多项式拟合法，二元支持向量拟合法等。

至此，本实施例双谐振器压力传感器的温度自补偿方法介绍完毕。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种双谐振器压力传感器的测量方式。

图3为根据本发明实施例双谐振器压力传感器温度自补偿的测量方式的示意图。如图3所示，本实施例双谐振器压力传感器的测量方式包括：

步骤S302：获取第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂；

步骤S304：将第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂代入压力函数G₁的表达式中，计算当前压力，得到温度自补偿后的压力输出。

其中，该压力函数G₁采用第一实施例的温度自补偿方法获得。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)上文两实施例均以图1所示的双谐振器压力传感器为例进行说明，但本发明的方法可以应用于任何利用两谐振器的输出频率计算压力的双谐振器压力传感器，例如参考文献1(Electrostatically driven and capacitively detected differential lateralresonant pressure microsensor，Hailong Jiao etc，Micro&Nano Letters，2013)中介绍的差分结构的压力传感器；

(2)在温度自补偿方法的实施例中，为了全面起见，采用了双谐振器压力传感器的全温度范围和满量程压力范围，但这并不是实现本发明所必须的，在本发明其他实施例中，也可以在满足测试要求的情况下将上述两范围适当缩小，同样能够实现本发明。

综上所述，本发明克服了传统双谐振器压力传感器采用温度传感器补偿时温度场分布的不确定性和热传导延迟给补偿结果带来较大误差的缺陷，克服了传统在单一载荷标定后在其他载荷下使用时因温度特性改变带来较大偏差的缺陷，实现了满量程全温度范围的高精度温度补偿，提高了双谐振器压力传感器的温度稳定性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法，其特征在于，所述双谐振器压力传感器为利用第一谐振器和第二谐振器的频率计算压力的传感器，该温度自补偿方法包括：

在预设温度范围内，选定m个温度标定点；

在预设压力范围内，选定n个压力标定点；

分别在每个温度标定点、每个压力标定点下测量两谐振器的频率，分别测试得到第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂，共得到m×n组标定数据；以及

利用上述m×n组标定数据，采用二元函数拟合法得到所述双谐振器压力传感器的压力函数G₁的表达式，即p＝G₁(f₁,f₂)。

2.根据权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征在于：

所述预设温度范围为所述双谐振器压力传感器的全温度范围内；和/或

所述预设压力范围为所述双谐振器压力传感器的满量程压力范围。

3.根据权利要求1所述的温度自补偿方法，其特征在于，m×n大于或等于压力函数G₁中系数的数目。

4.根据权利要求3所述的温度自补偿方法，其特征在于，所述二元函数拟合法为二元三次多项式拟合法、二元高次多项式拟合法或二元支持向量拟合法。

5.根据权利要求4所述的温度自补偿方法，其特征在于，所述二元函数拟合法为二元三次多项式拟合法，所述压力函数G₁为：

p＝a₀+a₁f₁+a₂f₂+a₃f₁ ²+a₄f₁f₂+a₅f₂ ²+a₆f₁ ³+a₇f₁ ²f₂+a₈f₁f₂ ²+a₉f₂ ³

其中，系数a_n，n＝0,1,2,…,9使用最小二乘原理获得。

6.根据权利要求5所述的温度自补偿方法，其特征在于，所述m≥3，n≥3。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的温度自补偿方法，其特征在于，所述双谐振器压力传感器包括：传感器芯片、应力隔离层、金属管座、管帽和磁铁；传感器芯片通过应力隔离层固定在金属管座上；磁铁固定在带有导气孔的管帽上，管帽盖在金属管座上，其下端与金属管座周缘密封固接；

传感器芯片由SOI硅片和玻璃盖片组成，SOI硅片上有所述第一谐振器、第二谐振器和真空密封框；玻璃盖片通过阳极键合的方法与SOI硅片紧密地结合在一起，形成真空参考腔，第一谐振器和第二谐振器被密封在真空参考腔内；

第一谐振器和第二谐振器为相同的H型谐振器，两者均采用电磁激励检测的方式实现传感器的信号检测和输出，两个H型谐振器中每一个的四个端点各自通过支撑锚点固支于气压敏感膜上，H型谐振器的单根梁与支撑其的相应支撑锚点和引线端构成驱动电流或检测电流的通路。

8.一种双谐振器压力传感器的测量方式，其特征在于，包括：

获取第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂；

将第一谐振器的频率f₁和第二谐振器的频率f₂代入压力函数G₁的表达式中，计算当前压力，其中，所述压力函数G₁为：p＝G₁(f₁,f₂)；

其中，所述压力函数G₁采用权利要求1至6中任一项所述的温度自补偿方法给出。

9.根据权利要求8所述的测量方式，其特征在于，所述双谐振器压力传感器包括：传感器芯片、应力隔离层、金属管座、管帽和磁铁；传感器芯片通过应力隔离层固定在金属管座上；磁铁固定在带有导气孔的管帽上，管帽盖在金属管座上，其下端与金属管座周缘密封固接；

传感器芯片由SOI硅片和玻璃盖片组成，SOI硅片上有所述第一谐振器、第二谐振器和真空密封框；玻璃盖片通过阳极键合的方法与SOI硅片紧密地结合在一起，形成真空参考腔，第一谐振器和第二谐振器被密封在真空参考腔内；

第一谐振器和第二谐振器为相同的H型谐振器，两者均采用电磁激励检测的方式实现传感器的信号检测和输出，两个H型谐振器中每一个的四个端点各自通过支撑锚点固支于气压敏感膜上，H型谐振器的单根梁与支撑其的相应支撑锚点和引线端构成驱动电流或检测电流的通路。