CN114646412B - 一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法，包括谐振器、前置处理模块、增益调节模块、峰值保持模块、比较电路和衰减电路，谐振器的信号输出端通过线路连接前置处理模块，前置处理模块的电压输出端通过线路连接增益调节模块，增益调节模块具有第一输出端和第二输出端，第一输出端通过线路连接峰值保持模块，峰值保持模块具有直流信号输出端，第二输出端通过线路连接比较电路，比较电路具有频率信号输出端，比较电路通过衰减电路驱动连接谐振器。本发明采用恒定驱动方式，简化了传感器控制电路的复杂程度；解调出谐振器输出电压幅值信号与频率信号，可以实现传感器原位温度自补偿，提高传感器的综合精度。

Description

一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及一种MEMS微传感器，特别是一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法。

背景技术

谐振压力传感器的核心部件包括压力敏感膜和通过锚点固定在敏感膜上的可动谐振器。谐振式压力传感器工作时是通过检测谐振器谐振频率的变化来间接测量压力的一种压力测量装置，具备分辨率高、稳定性好和综合精度高的特点，广泛应用在航空航天、工业控制等重要领域。

由于材料的热力学特性，谐振式压力传感器的频率输出不仅与压力相关，还受温度影响。而通常谐振式压力传感器的工作温度范围较宽，如要保持高精度输出，温度补偿无法避免。谐振式压力传感器的温度补偿目前采用两种方式：第一种是在传感器上添加或制作测温元件，如技术发明“基于Si-Si-Si-玻璃晶圆键合技术的MEMS谐振压力传感器及制造工艺”(CN109485011 B)采用集成两个体硅电阻温度敏感结构的方案，通过温敏电阻获得温度信息，从而实现传感器的温度补偿；第二种是设计多谐振器结构，如技术发明“谐振式压力传感器”(CN105203234 B)中采用双谐振器设计，利用双谐振器的差频输出表征传感器的压力特性，降低温度影响。以上两种方式不可避免地需要引入温度传感器或从传感器结构上做更加复杂的设计，其电路结构、制作工艺复杂，成本较高。

另一方面，谐振式压力传感器的控制电路目前普遍采的是等幅输出方式，即通过引入参考电压来控制传感器的激励大小，从而保证传感器输出信号与参考电压相等。其基本原理如图1所示，谐振器1的输出信号经过前置处理模块2的放大后进入相位调节模块3，然后经过增益调节模块4后分成两路，一路经过增益调节模块5输出带有频率信号的电压信号。该频率信号通过比较器6与参考电压7进行比较输出作为可变增益放大模块8的控制信号，而可变增益放大模块的输入信号为增益调节模块4的另一路输出。然后可变增益放大模块8的输出信号经过缓冲驱动模块9用于驱动谐振器振动。在整个控制电路中，除了可变增益模块9的增益倍数为可变之外，前置处理模块2、相位调节模块3、增益调节模块4、增益调节模块5的增益倍数不变，谐振器输出信号1受参考电压7与模块2、3、4、5限制为一恒定值。闭环控制的关键在于调整缓冲驱动模块9的输出信号大小以保证谐振器1输出信号恒定。

如论文“电磁激励谐振式MEMS压力传感器闭环控制研究”中基于自动增益控制技术设计了谐振式压力传感器的闭环控制电路。将传感器的输出信号经过放大后与参考电压进行比较，形成传感器驱动大小调节的控制信号，从而调整传感器的正弦驱动信号，以保证传感器的输出信号经放大后与参考电压相等。发明“一种硅谐振压力传感器闭环控制电路及实现方法”(CN104764559 A)中提出的数字闭环控制方法，虽然利用数字化手段完成相位调节、误差比较等环节，但依旧是利用负反馈误差控制量调节传感器的正弦驱动大小维持传感器输出信号经放大后与参比数字信号相等。论文“硅微谐振式压力传感器闭环频率跟踪电路”中利用锁相环电路进行信号的无相差频率跟踪，最后将锁相环输出信号转换为满足传感器驱动要求的正弦信号，同样采用等幅输出方式。以上技术手段中均采用等幅输出的控制模式，利用交流信号驱动谐振器振动，因此不可避免地需要在闭环控制电路中引入一定的相位调节或锁相环技术，从而结构较为复杂，调试难度大，成本高。

从以上分析中可以看出，现有传感器闭环控制电路仅能实现传感器的闭环控制，且存在传感器闭环控制电路复杂等问题。另外，为实现谐振式压力传感器温度补偿还需要再添加或制作温度传感器或增加谐振器的数量，一方面造成传感器结构的设计、制作复杂程度，另一方面也增大了电路的制作难度。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种具有原位温度自补偿特点，无需额外温度传感器或多谐振器进行温度补偿，简化闭环控制电路的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，包括谐振器、前置处理模块、增益调节模块、峰值保持模块、比较电路和衰减电路，所述谐振器的信号输出端通过线路连接所述前置处理模块，所述前置处理模块的电压输出端通过线路连接所述增益调节模块，所述增益调节模块具有第一输出端和第二输出端，所述第一输出端通过线路连接所述峰值保持模块，所述峰值保持模块具有直流信号输出端，所述第二输出端通过线路连接所述比较电路，所述比较电路具有频率信号输出端，所述比较电路通过所述衰减电路驱动连接所述谐振器。

在上述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路中，所述前置处理模块、增益调节模块和衰减电路的增益倍数恒定。

在上述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路中，所述比较电路的频率信号输出端具体为电源满轨方波信号端。

温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法，包括以下步骤：

(1)谐振器的输出信号经过前置处理模块处理后得到交流电压信号V₀；

(2)交流电压信号V₀经过增益调节模块处理后得到提升幅度的交流电压信号V₁；

(3)交流电压信号V₁分成两路，一路经过峰值保持模块输出直流电压信号V_T；

(4)交流电压信号V₁的另一路进入比较电路输出含频率信号的方波信号V_f；

(5)将得到的方波信号V_f与直流电压信号V_T，经过数学式变换得到压力/温度与V_f、V_T的函数关系。

在上述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法中，所述比较电路的输出经过所述衰减电路后直接驱动所述谐振器，由于所述衰减电路的增益倍数一定，由此所述谐振器的驱动信号始终相等。

在上述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法中，步骤(5)中，所述谐振器在恒定驱动的前提下，不同温度、压力条件下输出大小不同，由此经过所述前置处理模块、所述增益调节模块和所述峰值保持模块恒定增益处理后的直流电压信号V_T与温度相关；所述比较电路输出的方波信号V_f与所受的压力及所处的温度相关；

因此，建立以下关系：

经过数学式变换，通过V_f、V_T反算出压力和温度，即压力和温度可表示为V_f和V_T的二元函数如下：

在上述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法中，步骤(4)中，所述比较电路输出的方波信号V_f具体为方波信号。

与现有技术相比，本温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法具有以下有益效果：

(1)采用恒定驱动方式，简化了传感器控制电路的复杂程度；

即无需相位补偿模块、无需引入参考电压，极大程度上降低了谐振式压力传感器的控制电路复杂程度。

(2)解调出谐振器输出电压幅值信号与频率信号，可以实现传感器原位温度自补偿，提高传感器的综合精度；

即无需额外的温度传感器或多谐振器设计进行温度补偿，通过恒驱动方式利用谐振器不同温度压力条件下谐振器的输出特性解调出谐振器输出电压幅值信号，具有原位温度自补偿的效果。

附图说明

图1是现有技术方案的电路原理图。

图2是本发明技术方案的电路原理图。

图中，1、谐振器；2、前置处理模块；3、增益调节模块；4、峰值保持模块；5、比较电路；6、衰减电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图2所示，本温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，包括谐振器1、前置处理模块2、增益调节模块3、峰值保持模块4、比较电路5和衰减电路6，谐振器1的信号输出端通过线路连接前置处理模块2，前置处理模块2的电压输出端通过线路连接增益调节模块3，增益调节模块3具有第一输出端和第二输出端，第一输出端通过线路连接峰值保持模块4，峰值保持模块4具有直流信号输出端，第二输出端通过线路连接比较电路5，比较电路5具有频率信号输出端，比较电路5通过衰减电路6驱动连接谐振器1。

前置处理模块2、增益调节模块3和衰减电路6的增益倍数恒定。

比较电路5的频率信号输出端具体为方波信号端。

本温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，利用该控制电路本身可以无需额外温度传感器或多谐振器1方案实现传感器的温度补偿，同时降低现有闭环控制电路的复杂程度。

温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法，包括以下步骤：

(1)谐振器1的输出信号经过前置处理模块2处理后得到交流电压信号V₀；

(2)交流电压信号V₀经过增益调节模块3处理后得到提升幅度的交流电压信号V₁；

(3)交流电压信号V₁分成两路，一路经过峰值保持模块4输出直流电压信号V_T；

(4)交流电压信号V₁的另一路进入比较电路5输出含频率信号的方波信号V_f；

(5)将得到的方波信号V_f与直流电压信号V_T，经过数学式变换得到压力/温度与V_f、V_T的函数关系。

比较电路5的输出经过衰减电路6后直接驱动谐振器1，由于衰减电路6的增益倍数一定，由此谐振器1的驱动信号始终相等。

步骤(5)中，谐振器1在恒定驱动的前提下，不同温度、压力条件下输出大小不同，由此经过前置处理模块2、增益调节模块3和峰值保持模块4恒定增益处理后的直流电压信号V_T与温度相关；比较电路5输出的方波信号V_f与所受的压力及所处的温度相关；

因此，建立以下关系：

经过数学式变换，通过V_f、V_T反算出压力和温度，即压力和温度可表示为V_f和V_T的二元函数如下：

步骤(4)中，比较电路5输出的方波信号V_f具体为方波信号。

与现有技术相比，本温度自补偿谐振式压力传感器控制电路及其实现方法具有以下有益效果：

(1)采用恒定驱动方式，简化了传感器控制电路的复杂程度；

即无需相位补偿模块、无需引入参考电压，极大程度上降低了谐振式压力传感器的控制电路复杂程度。

(2)解调出谐振器1输出电压幅值信号与频率信号，可以实现传感器原位温度自补偿，提高传感器的综合精度；

即无需额外的温度传感器或多谐振器1设计进行温度补偿，通过恒驱动方式利用谐振器1不同温度压力条件下谐振器的输出特性解调出谐振器输出电压幅值信号，具有原位温度自补偿的效果。

需要说明的是：

(1)本技术方案不针对某种特定驱动/检测方式的谐振式压力传感器控制电路设计、适用于目前本领域专业技术人员惯用驱动/检测方式包括但不限于静电驱动/电容检测、静电驱动/压阻检测、电磁驱动/电磁检测、电磁驱动/压阻检测、电热激励/压阻检测等。

(2)本技术方案可以拓展到谐振式传感器控制电路设计，包括但不限于谐振式加速度传感器、陀螺仪等。

(3)本技术方案中峰值保持模块4可以通过添加电压-频率转换模块输出方波信号，比较电路5可以通过添加频率-电压转换模块输出电压信号。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

尽管本文较多地使用了谐振器1；前置处理模块2；增益调节模块3；峰值保持模块4；比较电路5；衰减电路6等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，其特征在于，包括谐振器、前置处理模块、增益调节模块、峰值保持模块、比较电路和衰减电路，其特征在于，所述谐振器的信号输出端通过线路连接所述前置处理模块，所述前置处理模块的电压输出端通过线路连接所述增益调节模块，所述增益调节模块具有第一输出端和第二输出端，所述第一输出端通过线路连接所述峰值保持模块，所述峰值保持模块具有直流信号输出端，所述第二输出端通过线路连接所述比较电路，所述比较电路具有频率信号输出端，所述比较电路通过所述衰减电路驱动连接所述谐振器；

所述前置处理模块、增益调节模块和衰减电路的增益倍数恒定；

所述比较电路的输出经过所述衰减电路后直接驱动所述谐振器，由于所述衰减电路的增益倍数一定，由此所述谐振器的驱动信号始终相等；

所述谐振器在恒定驱动的前提下，不同温度、压力条件下输出大小不同。

2.如权利要求1所述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，其特征在于，所述比较电路的频率信号输出端具体为方波信号端。

3.如权利要求1所述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）谐振器的输出信号经过前置处理模块处理后得到交流电压信号V ₀ ；

（2）交流电压信号V ₀ 经过增益调节模块处理后得到提升幅度的交流电压信号V ₁ ；

（3）交流电压信号V ₁ 分成两路，一路经过峰值保持模块输出直流电压信号V _T ；

（4）交流电压信号V ₁ 的另一路进入比较电路输出含频率信号的方波信号V _f ；

（5）将得到的方波信号V _f 与直流电压信号V _T ，经过数学式变换得到压力/温度与V _f 、V _T 的函数关系。

4.如权利要求3所述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，其特征在于，步骤（5）中，经过所述前置处理模块、所述增益调节模块和所述峰值保持模块恒定增益处理后的直流电压信号V _T与温度相关；所述比较电路输出的方波信号V _f 与所受的压力及所处的温度相关；

因此，建立以下关系：

；

经过数学式变换，通过V _f 、V _T 反算出压力和温度，即压力和温度可表示为V _f 和V _T 的二元函数如下：

。

5.如权利要求3所述的温度自补偿谐振式压力传感器控制电路，其特征在于，步骤（4）中，所述比较电路输出的方波信号V _f 具体为方波信号。

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