一種硅諧振壓力傳感器敏感芯體的特性測試

王宏音，姚敏強，李拉兔

(航空工業太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006)

近年來微電子機械加工(MEMS)技術快速發展，其加工工藝日趨成熟，基于MEMS技術設計制作的硅微結構諧振式壓力傳感器發展迅速。硅微結構諧振式壓力傳感器除了具有一般諧振式傳感器具有的準數字式輸出信號的獨特優點[1]，同時也具有體積小、質量輕、功耗低、精度高、響應快、長期穩定性好以及與大規模集成電路工藝兼容等優點，已在航空航天、氣象、石化等領域得到了成功的應用[2-3]，具有廣闊的發展應用前景。英國Druck公司Greenwood等于20世紀80年代中后期開始這方面的研究，90年代初已有產品問世；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]。我國高精度諧振式壓力傳感器起步較晚,大部分尚處于實驗室研發階段。航空工業太原航空儀表有限公司與中國科學院空天信息創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，主要用于測量大氣壓力，具有測壓范圍廣、測量精度高、工作溫度范圍廣、功耗低等特點。該傳感器的壓力敏感芯體是基于MEMS技術工藝的微傳感器，采用硅膜與玻璃的復合結構制作而成[5]，其結構示意圖如圖1所示。該壓力敏感芯體采用諧振梁與感壓膜一體化的結構，其靈敏度是梁膜分離結構的靈敏度的2倍[6]。當大氣壓力作用其上時，壓力敏感膜發生形變，形變在諧振器的兩個諧振梁上分別產生張應力與壓應力，工作原理示意圖如圖2所示。該張應力與壓應力會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量壓力敏感芯體的幅頻響應進行測量。另外該壓力敏感芯體采用雙諧振器結構配置，具有溫度自補償、提升線性度等優點[7-8]，使傳感器在寬溫度范圍內保持高準確度。

圖1 壓力敏感芯體結構示意圖

圖2 工作原理示意圖

諧振式壓力傳感器在閉環自激振蕩狀態下工作，要使傳感器實現閉環自激振蕩，壓力敏感芯體與其驅動電路之間必須滿足自激振蕩條件，后續部分對該條件進行了詳細介紹。因而必須首先對壓力敏感芯體的關鍵特性進行測試。常規諧振式壓力敏感體的測量模式如圖3所示，信號發生器提供激勵信號源、示波器采集壓力敏感體的輸出信號，保持激勵信號源輸出正弦信號的峰峰值不變而頻率在一定范圍內進行頻率掃描，輸出信號峰峰值最大時對應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非常微弱，信噪比很低，有用信號很難檢測，圖3所示系統無法產生與測量該微弱信號。因此必須設計、研制專用的開環特性測試系統[9-10]。為了在大噪聲條件下測量微弱的諧振信號，國內外普遍采用基于鎖相放大器的原理搭建測試系統，例如北京航空航天大學微傳感器實驗室設計研制的諧振式傳感器頻率特性測試系統[11]，通過鎖相放大器，采用頻域掃描的方法[12]，對敏感元件的諧振頻率與品質因數進行估算。但這些搭建的測試系統存在微弱信號在不同儀器之間的傳遞的現象，會引入環境噪聲與傳遞誤差等。為了克服該缺點，搭建了基于矢量網絡分析儀的測試系統，系統連接圖如圖4所示。圖4中，壓力基準控制測試氣壓，由于該傳感器準確度設計指標優于0.02%FS，本次測試應用的壓力基準精度為0.005%；穩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；矢量網絡分析儀提供激勵信號并采集拾振端信號，其頻率分辨率為0.001 Hz、信號源穩定度≤±7 ppm，滿足測試要求。矢量網絡分析儀內部集成了增益相位測量模塊，集成度高，微弱信號僅在儀器內部傳遞，且測試前可以對測試電纜、夾具等進行校準以消除誤差。本次測試的壓力敏感芯體將感受到的大氣壓力信號轉換為兩路電學信號—頻率F1與F2，難點在于頻率F1與F2的激振端與拾振端正弦信號的峰峰值分別為mV級與μV級，頻率較高且非常微弱。主要目的為搭建專用微弱信號測試系統以測試壓力敏感芯體的固有關鍵特性，以對與其配套的驅動電路的設計進行指導、改進，并為壓力敏感芯體后續的迭代設計改進提供指導。

圖3 常規測試系統連接框圖

圖4 微弱信號測試系統連接框圖

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固有的諧振頻率，該固有頻率會隨感受到的大氣壓力變化而變化，因此不能施加固定激勵信號驅動，只能讓其自身發生自激振蕩。

要實現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生正弦波的結構圖。ALOOP被稱為環路增益，它是由選頻電路增益和放大電路增益相乘獲得。對不同頻率信號，ALOOP將有不同的模ALOOP和相移φLOOP。某個頻率f0下，如果滿足φLOOP=2nπ，即相移為360°的整數倍(相位條件)，且ALOOP≥1(幅度條件)，如果環路內事先存在頻率為f0的正弦波，哪怕很微小(種子條件)，則輸出一定會出現頻率為f0的正弦波,且幅度或者越來越大或者維持不變，這種現象就是自激振蕩。

圖5 自激振蕩產生正弦波的結構

相位條件、幅度條件和種子條件是發生自激振蕩的充分必要條件。對于任何一個形成環路的電路，種子條件都會滿足，因為噪聲是無處不在的，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，可以實現如圖6所示的環路增益幅頻特性和相頻特性，它能保證在整個頻率范圍內，有且僅有一個頻率點能夠滿足相位條件和幅度條件，那么在輸出端就會出現且僅出現一個頻率的正弦波波形。為了保證輸出正弦波具有足夠大的幅值，一般會設置環路增益大于1而不是等于1。這樣勢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出現削波失真。此時穩幅電路就會發生作用，當輸出波形幅值大于規定值后，穩幅電路會迫使放大電路的增益下降，形成一種負反饋，使輸出波形幅值穩定于規定值。

圖6 環路增益的幅頻、相頻特性

2 壓力敏感芯體的關鍵特性測試

該硅諧振壓力傳感器中，壓力敏感芯體主要充當了選頻電路的角色，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值不僅會影響諧振傳感器的穩定性，而且會進一步影響傳感器的分辨率，高Q值會使傳感器的穩定性與分辨率相應提高。下面將對不同條件對壓力敏感芯體產生的影響進行詳細測量研究。

2.1 壓力敏感芯體的幅頻特性與相頻特性

本次測試的壓力敏感芯體的實物圖如圖7所示，測試樣品編號為2027004，按照圖4所示的連接圖連接測試樣品與設備。首先設置矢量網絡分析儀在較寬頻率段測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，測試發現第一路頻率F1與第二路頻率F2在該頻率范圍內有且僅有一個諧振點。由于掃頻范圍太大時諧振點無法明顯測出，測試結果展示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。有且僅有一個諧振點非常有利于驅動電路的設計，不用避開多個諧振點，能簡化電路設計的復雜性，且提高傳感器的穩定性與抗干擾能力，不會產生跳頻等故障。

圖7 壓力敏感芯體實物圖

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，將掃頻中心設定在諧振點附近，掃頻寬度設定為200 Hz。測試結果中顯示了更多細節，諧振點附近第一路頻率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 諧振點附近頻率F2的幅頻特性曲線和相頻特性曲線圖

分析測試結果，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基本相同，僅僅數值存在差異。大體可將測試結果分成A、B、C三個階段。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生諧振，幅頻響應曲線與相頻響應曲線基本為一條直線，沒有明顯的數值變化。B階段為壓力敏感芯體發生諧振的頻率段，傳感器在該頻率段中工作，是最受關注的頻率段。以第一路頻率F1為例，首先分析該階段的幅頻特性，幅頻響應曲線隨頻率的升高先從-30 dB點緩慢上升到-19.5 dB點，接著下降到-42 dB點，然后緩慢回到-30 dB點，存在一個峰值點與一個谷值點，所搭建的微弱信號測試系統靈敏度足夠高，可以測到該谷值點，如果應用靈敏度低的測試系統，該谷值點可能淹沒在噪聲中，影響測試結果。峰值點即為傳感器工作最佳頻率點，該點傳感器發生諧振，振動幅值最大，穩定性最好。然后分析該階段的相頻特性，相頻響應曲線隨頻率的升高先從0°降低到-120°左右，然后再上升到0°，幅頻響應曲線峰值頻率與谷值頻率對應相位均為62°，下降階段與上升階段基本對稱。

由自激振蕩理論部分分析可知，要使傳感器在諧振點頻率處(即幅頻特性曲線峰值對應頻率處)工作，必須在該頻率點處滿足“相位條件”與“幅度條件”。以第一路頻率F1為例，即要求驅動電路設計中在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°時會對應兩個頻率點，因此電路設計時該頻率處幅值增益不能超過42 dB，以避免兩個頻率點都滿足自激振蕩條件從而使傳感器工作不穩定產生跳頻。

2.2 壓力對敏感芯體特性的影響

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

分析測試結果表明，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與圖10、圖11所示結果基本一致，變化的僅是數值。將關鍵參數提取匯總形成表1、表2。

分析表1與表2可以發現，頻率F1與頻率F2與氣壓存在很強的相關性，有利于應用函數擬合方式進行非線性處理[15]，詳細的函數關系與擬合多項式有關。而增益、相位、Q值與氣壓沒有明顯相關性，這有利于簡化驅動電路設計，設計驅動電路時不用過多考慮氣壓因素，僅需保證在80～120 kHz頻帶內保證增益略大于21 dB，而相位為50°～65°，同時設計好穩幅電路即可。

表1 頻率F1各個壓力點下測試數據關鍵參數匯總表

表2 頻率F2各個壓力點下測試數據關鍵參數匯總表

2.3 偏置電壓對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試壓力敏感芯體的輸出情況，選取的電壓測試點為25 V、22 V、19 V、16 V、13 V、10 V。

分析測試結果表明第一路頻率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與圖10、圖11所示結果基本一致，變化的僅是數值。將關鍵參數提取匯總形成表3、表4。

表3 頻率F1各個電壓點下測試數據關鍵參數匯總表

表4 頻率F2各個電壓點下測試數據關鍵參數匯總表

分析表3與表4可以發現，隨著直流偏置電壓的減小，諧振頻率F1與諧振頻率F2、諧振點增益、諧振點相位、Q值均存在較明顯變化，而且Q值減小速度越來越快。可以看出直流偏置電壓對壓力敏感芯體各項關鍵參數影響較大，增益與相位的影響可以通過電路設計進行消減，但Q值的急劇降低會使傳感器的穩定性與分辨率相應降低，直接影響傳感器性能，所以將直流偏置電壓保持在一個穩定的值比較重要，且從測試結果來看，該值越高Q值越好，但是直流偏置電壓過高會導致電路設計更復雜、總體功耗增加，綜合考慮性能要求與電路實現難度，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系到最終傳感器所能達到的性能指標。針對某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到大規模工程化應用，必須對壓力敏感芯體的固有關鍵特性進行精確測試。針對該需求搭建了高精度微弱信號測試系統，解決了高頻微弱信號測試中噪聲大、誤差高、難以準確采集等問題，對不同條件下壓力敏感芯體的固有關鍵特性進行了測試與分析。經過第2節的具體測試與分析，確定了壓力敏感芯體的幅頻特性、相頻特性以及對氣壓、直流偏置電壓的響應等固有特性。結合自激振蕩條件得出了與之配套的驅動電路的關鍵指標，如：電路主體為帶通放大器、通頻帶涵蓋80～120 kHz、80～120 kHz頻帶內保證增益大于21 dB且需要設計穩幅電路、80～120 kHz頻帶內相移為50°～65°、直流偏置電壓在20～25 V范圍內等指標。詳細指導了驅動電路的設計與改進，有助于更好地形成功能完備的傳感器并指導該傳感器更好、更高效、更穩定地大批量工程化應用，助力于0.02%FS級高精度大氣壓力傳感器的100%國產化實現。同時還存在一些需要進一步測試的問題，如壓力敏感芯體對正弦、階躍、脈沖等動態壓力的響應；對振動、沖擊加速度、濕熱等環境因素的響應；長時間溫度交變、壓力循環等對長期穩定性方面的影響等實際應用中可能遇到的各種因素對壓力敏感芯體的影響。