基于硅谐振压力传感器的开环特性测试*

张志远，彭勇钢

(1.山西工程职业学院 机械工程系,山西 太原 030009;2.航空工业太原航空仪表有限公司,山西 太原 030006)

1 概述

硅谐振压力传感器具有精度高、产品可靠性高、动态响应速度快和便于大批量生产等特点,应用于航空、航天、军工、船舶、石化、煤碳、油田等领域。随着硅微加工工艺的成熟,其在飞机大气数据测量,中远程导弹非参测控、地球物理大气探测、无人气象站大气压力测量以及各类高精度压力测量设备等多方面的应用得到进一步拓展。硅谐振压力传感器主要是采用谐振式检测原理,即使用谐振梁的振动响应特性(振动频率fr)反映被测压力强度。但是,谐振频率fr正是谐振梁的内在固有属性,该频率稳定性的好坏是直接影响谐振式传感器性能优劣的关键因素[1]。

2 硅谐振压力传感器测量原理

硅谐振压力传感器的基本测量机理是通过硅机械谐振器与选频反相信号放大器组成一种正反馈振荡耦合系统,当谐振器受到外界压力影响时,其振动频谱会产生相应的变化,从而利用测量振荡谐振频率的变化实现了对压力的测量[1]。硅谐振式压力传感器的敏感模块由一次感压方膜片和二次敏感硅谐振梁组成。方膜片作为一次敏感元件直接感知被测压力,方膜上的硅谐振梁作为二次敏感器件,间接感受被测应力大小[2]。被测压力施加在方膜片,使方膜片和谐振梁同时产生变形,进而谐振梁的固有频率就随被测压力的变化而产生了变化。

谐振梁是硅谐振压力传感器的核心部件,其内在品质从很大程度上就决定了传感器整体精度等级的高低。一般采用频率稳定性(品质因数Q值)来表示谐振梁的性能,它可以很精确地定义为存储于振动过程中产生的总能量与每周期所耗费的能量之比[3]。Q值一般不能直接测定,通常需要从恒定幅度正弦激励的谐振梁稳态频率响应曲线中得出。硅谐振压力传感器一般是采用同一块单晶硅制造传递应力的膜片和真空密封的谐振梁,在两者结构连接处没有迟滞且蠕变小无漂移,振动也没有受到周围流体的直接干扰,Q值范围非常高,并具备较好的机械稳定性、重复性和高分辨率[4]。

由于谐振梁的结构是两端固定的,因此可以认为是机械振动学中的双端固定结构,其在无阻尼振动的自由振动方程为:

(1)

式中,ω(x,t)为谐振梁的振动扰度;σ为轴向应力(拉应力取正,压应力取负);I,A,E和ρ依次表示谐振梁横截面对中心轴的转动惯量、横截面积、材质的弹性模量和体密度系数。其中,I=bh3/12,A=bh,b是谐振梁的宽度,h是谐振梁的厚度。

(2)

式(1)中谐振梁的基模谐振频率可改写为:

(3)

展开上式可知,谐振梁的基模态固有振动频率与静态激励功率呈线性关系:

(4)

(5)

(6)

由此方程式可以得出,在保持静态热激励电压vr的情况下,谐振梁谐振频率与热激励电压vr的平方成正比,而负号则说明随激励电压增大,谐振频率降低。

3 谐振梁振动特性测试

由于谐振梁的振幅极其微小,且信噪比极低,一般只有几个μV的普通频谱分析仪往往会检测不到,要对这种微弱的谐振信号直接进行高效探测,就存在着很大的困难。正是基于上述问题,人们通过使用锁相放大器对微弱信号进行解调后,就能够实现对微弱谐振信号的高效探测。本文拟采用交流激励二倍频信号拾振的技术,对硅谐振梁式压力传感器的谐振信号进行开环测试[5]。图1是基于锁相放大器的间接相关检测设备系统框架图,由谐振器芯片、激励信号源、拾振恒流源、锁相放大器、计算机等组成。

图1 基于锁相放大器的开环测试系统框架

本测试系统选用SR830锁相放大器,通过RS232接口与上位机软件进行通信,使用该系统的输出VCO作为激励信号。直流恒流源为拾振电阻供电,将电阻交变信号转化为电压交变信号,由锁相放大器检测该交变信号的振幅及相位。通过计算机上位机软件控制频率扫描并进行数据采集处理,进而测得谐振梁的振动特性。开环测试系统的工作过程为计算机控制锁相放大器构成频率扫描控制单元,激励信号源根据接收到计算机的指令后产生某一固定频率的正弦激励信号,谐振梁在该频率激励信号下受迫振动,进而绘制幅频特性曲线。

4 开环测试结果及分析

4.1 不同温度环境下开环特性测试

4.1.1 常温常压环境下开环特性测试

在常温(23.5 ℃)常压环境下,可以采用不同的激励电压对谐振梁进行激励,所获得的激励电压有效值、谐振频率以及谐振峰值信号强度测试结果见表1,300 mV和800 mV激励时的振幅曲线如图2、图3所示。

表1 常温环境下开环测试结果

图2 300 mV激励时的幅频曲线

图3 800 mV激励时的幅频曲线

对测试结果进行分析,在常温条件下,硅谐振压力传感器的谐振频率是随激励电压的增大而变小,并且输出信号的幅度会随激励电压的增大而增大。

4.1.2 60 ℃常压环境下开环特性测试

在60 ℃常压环境下,可以采用不同的激励电压对谐振梁进行激励,所获得的激励电压有效值、谐振频率以及谐振峰值信号强度的测试结果见表2。

表2 60 ℃环境下开环测试结果

由以上数据分析可知,在60 ℃常压环境下,谐振梁的谐振频率随激励电压的增大而变小,并且输出信号的幅值随激励电压的增大而增大,这一规律与常温环境下反映出的激励电压、谐振频率及振幅之间的关系类似,但在相同电压激励条件下,谐振频率更小,振幅也更小。

4.1.3 125 ℃常压环境下开环特性测试

在125 ℃常压环境下,对谐振梁使用不同大小的激励电压进行激励,得到激励电压有效值、谐振频率以及谐振峰值信号强度的测试结构见表3,500 mV和800 mV激励时的振幅曲线如图4、图5所示。

表3 125℃环境下开环测试结果

图4 500 mV激励时的幅频曲线

图5 800 mV激励时的幅频曲线

4.2 测试分析

利用上述对硅谐振压力传感器谐振梁振动特性进行的开环测试,即可获得相同激励电压下频率-温度曲线,如图6所示。从图中可以看出,尽管所使用的激励电压有所不同,得到的频率-温度曲线也不同,但是基本平行,综合以上测试结果及初步分析,可得结论如下:

图6 同一激励电压下频率-温度曲线

1) 由于激励电压的增加及静态功率的增加使得谐振梁的平均温度加大,因热膨胀原因,谐振梁受到逐步增大的轴向压应力,使其谐振频率逐步变小;由于动态功率的加大使其谐振梁横向受迫振动的弯矩加大,输出信号的振幅也会相应增大;

2) 温度对谐振频率影响显著。随着温度的升高,传感器的谐振频率下降,同一压力下温差85 ℃的两个温度点处的频率差将近2386 Hz,即28 Hz/℃;

3) 在环境温度小于60 ℃的情况下,300 mV激励就可以产生谐振,且谐振峰值可以检测,但是在125 ℃时,由于谐振梁的平均温度过高且接近临界升温,激励引起的热分布不明显,造成需要足够大的激励(800 mV)才能有很好的幅频曲线。

5 结束语

通过对硅谐振压力传感器的开环特性测试,得到了不同温度、不同激励电压下谐振梁的幅频特性曲线即频率-温度曲线,据此分析得出了谐振梁的振动特性,给出了测试结论,为实现闭环自激电路提供可靠依据。