王宏音，姚敏强，李拉兔
(航空工业太原航空仪表有限公司，山西 太原 030006)
近年来微电子机械加工(MEMS)技术快速发展，其加工工艺日趋成熟，基于MEMS技术设计制作的硅微结构谐振式压力传感器发展迅速。硅微结构谐振式压力传感器除了具有一般谐振式传感器具有的准数字式输出信号的独特优点[1]，同时也具有体积小、质量轻、功耗低、精度高、响应快、长期稳定性好以及与大规模集成电路工艺兼容等优点，已在航空航天、气象、石化等领域得到了成功的应用[2-3]，具有广阔的发展应用前景。英国Druck公司Greenwood等于20世纪80年代中后期开始这方面的研究，90年代初已有产品问世；
日本横河公司Ikeda等、荷兰Lammerink等也做出了高精度谐振式压力传感器[4]。我国高精度谐振式压力传感器起步较晚,大部分尚处于实验室研发阶段。航空工业太原航空仪表有限公司与中国科学院空天信息创新研究院合作研制了某型硅谐振压力传感器，该传感器为100%自主研发，主要用于测量大气压力，具有测压范围广、测量精度高、工作温度范围广、功耗低等特点。该传感器的压力敏感芯体是基于MEMS技术工艺的微传感器，采用硅膜与玻璃的复合结构制作而成[5]，其结构示意图如图1所示。该压力敏感芯体采用谐振梁与感压膜一体化的结构，其灵敏度是梁膜分离结构的灵敏度的2倍[6]。当大气压力作用其上时，压力敏感膜发生形变，形变在谐振器的两个谐振梁上分别产生张应力与压应力，工作原理示意图如图2所示。该张应力与压应力会改变谐振梁的固有谐振频率，该谐振频率的改变可以通过测量压力敏感芯体的幅频响应进行测量。另外该压力敏感芯体采用双谐振器结构配置，具有温度自补偿、提升线性度等优点[7-8]，使传感器在宽温度范围内保持高准确度。
图1 压力敏感芯体结构示意图
图2 工作原理示意图
谐振式压力传感器在闭环自激振荡状态下工作，要使传感器实现闭环自激振荡，压力敏感芯体与其驱动电路之间必须满足自激振荡条件，后续部分对该条件进行了详细介绍。因而必须首先对压力敏感芯体的关键特性进行测试。常规谐振式压力敏感体的测量模式如图3所示，信号发生器提供激励信号源、示波器采集压力敏感体的输出信号，保持激励信号源输出正弦信号的峰峰值不变而频率在一定范围内进行频率扫描，输出信号峰峰值最大时对应的频率即为压力敏感体在该压力、温度等条件下的谐振频率。然而，硅谐振式微传感器的输出信号非常微弱，信噪比很低，有用信号很难检测，图3所示系统无法产生与测量该微弱信号。因此必须设计、研制专用的开环特性测试系统[9-10]。为了在大噪声条件下测量微弱的谐振信号，国内外普遍采用基于锁相放大器的原理搭建测试系统，例如北京航空航天大学微传感器实验室设计研制的谐振式传感器频率特性测试系统[11]，通过锁相放大器，采用频域扫描的方法[12]，对敏感元件的谐振频率与品质因数进行估算。但这些搭建的测试系统存在微弱信号在不同仪器之间的传递的现象，会引入环境噪声与传递误差等。为了克服该缺点，搭建了基于矢量网络分析仪的测试系统，系统连接图如图4所示。图4中，压力基准控制测试气压，由于该传感器准确度设计指标优于0.02%FS，本次测试应用的压力基准精度为0.005%；
稳压电源为压力敏感芯体提供直流偏置，其纹波峰峰值小于2 mV；
矢量网络分析仪提供激励信号并采集拾振端信号，其频率分辨率为0.001 Hz、信号源稳定度≤±7 ppm，满足测试要求。矢量网络分析仪内部集成了增益相位测量模块，集成度高，微弱信号仅在仪器内部传递，且测试前可以对测试电缆、夹具等进行校准以消除误差。本次测试的压力敏感芯体将感受到的大气压力信号转换为两路电学信号—频率F1与F2，难点在于频率F1与F2的激振端与拾振端正弦信号的峰峰值分别为mV级与μV级，频率较高且非常微弱。主要目的为搭建专用微弱信号测试系统以测试压力敏感芯体的固有关键特性，以对与其配套的驱动电路的设计进行指导、改进，并为压力敏感芯体后续的迭代设计改进提供指导。
图3 常规测试系统连接框图
图4 微弱信号测试系统连接框图
谐振式压力传感器的工作过程可以看作是一个自激振荡过程，两者有很多相似之处。压力敏感芯体自身存在一个固有的谐振频率，该固有频率会随感受到的大气压力变化而变化，因此不能施加固定激励信号驱动，只能让其自身发生自激振荡。
要实现自激振荡必须满足一系列条件。介绍自激振荡的资料比较多，可参考杨建国老师的《新概念模拟电路》中介绍的自激振荡[13]。图5是利用自激振荡原理产生正弦波的结构图。ALOOP被称为环路增益，它是由选频电路增益和放大电路增益相乘获得。对不同频率信号，ALOOP将有不同的模ALOOP和相移φLOOP。某个频率f0下，如果满足φLOOP=2nπ，即相移为360°的整数倍(相位条件)，且ALOOP≥1(幅度条件)，如果环路内事先存在频率为f0的正弦波，哪怕很微小(种子条件)，则输出一定会出现频率为f0的正弦波,且幅度或者越来越大或者维持不变，这种现象就是自激振荡。
图5 自激振荡产生正弦波的结构
相位条件、幅度条件和种子条件是发生自激振荡的充分必要条件。对于任何一个形成环路的电路，种子条件都会满足，因为噪声是无处不在的，且是广谱的，包含任意频率，虽然它们的幅值可能很小。选频电路和放大电路的配合，可以实现如图6所示的环路增益幅频特性和相频特性，它能保证在整个频率范围内，有且仅有一个频率点能够满足相位条件和幅度条件，那么在输出端就会出现且仅出现一个频率的正弦波波形。为了保证输出正弦波具有足够大的幅值，一般会设置环路增益大于1而不是等于1。这样势必造成波形幅度越来越大，最终正弦波幅值接近电源电压时出现削波失真。此时稳幅电路就会发生作用，当输出波形幅值大于规定值后，稳幅电路会迫使放大电路的增益下降，形成一种负反馈，使输出波形幅值稳定于规定值。
图6 环路增益的幅频、相频特性
该硅谐振压力传感器中，压力敏感芯体主要充当了选频电路的角色，且相比于一般的选频电路或金属谐振材料[14]，该压力敏感芯体采用晶体硅材料，具有超高的Q值，Q值不仅会影响谐振传感器的稳定性，而且会进一步影响传感器的分辨率，高Q值会使传感器的稳定性与分辨率相应提高。下面将对不同条件对压力敏感芯体产生的影响进行详细测量研究。
2.1 压力敏感芯体的幅频特性与相频特性
本次测试的压力敏感芯体的实物图如图7所示，测试样品编号为2027004，按照图4所示的连接图连接测试样品与设备。首先设置矢量网络分析仪在较宽频率段测试其幅频特性与相频特性曲线，此次选取的扫频范围为10 Hz～1 MHz，测试发现第一路频率F1与第二路频率F2在该频率范围内有且仅有一个谐振点。由于扫频范围太大时谐振点无法明显测出，测试结果展示10～200 kHz频率段，第一路频率F1与第二路频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图8、图9所示，其中上半部分为幅频特性曲线，下半部分为相频特性曲线。有且仅有一个谐振点非常有利于驱动电路的设计，不用避开多个谐振点，能简化电路设计的复杂性，且提高传感器的稳定性与抗干扰能力，不会产生跳频等故障。
图7 压力敏感芯体实物图
图8 宽扫频范围频率F1的幅频特性曲线和相频特性曲线图
图9 宽扫频范围频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线图
为了更精确、详细地研究压力敏感芯体的幅频特性与相频特性，将扫频中心设定在谐振点附近，扫频宽度设定为200 Hz。测试结果中显示了更多细节，谐振点附近第一路频率F1与第二路频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线分别如图10、图11所示。
图10 谐振点附近频率F1的幅频特性曲线和相频特性曲线图
图11 谐振点附近频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线图
分析测试结果，第一路频率F1与第二路频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线变化趋势基本相同，仅仅数值存在差异。大体可将测试结果分成A、B、C三个阶段。其中A阶段以前的频率段与C阶段以后的频率段压力敏感芯体未发生谐振，幅频响应曲线与相频响应曲线基本为一条直线，没有明显的数值变化。B阶段为压力敏感芯体发生谐振的频率段，传感器在该频率段中工作，是最受关注的频率段。以第一路频率F1为例，首先分析该阶段的幅频特性，幅频响应曲线随频率的升高先从-30 dB点缓慢上升到-19.5 dB点，接着下降到-42 dB点，然后缓慢回到-30 dB点，存在一个峰值点与一个谷值点，所搭建的微弱信号测试系统灵敏度足够高，可以测到该谷值点，如果应用灵敏度低的测试系统，该谷值点可能淹没在噪声中，影响测试结果。峰值点即为传感器工作最佳频率点，该点传感器发生谐振，振动幅值最大，稳定性最好。然后分析该阶段的相频特性，相频响应曲线随频率的升高先从0°降低到-120°左右，然后再上升到0°，幅频响应曲线峰值频率与谷值频率对应相位均为62°，下降阶段与上升阶段基本对称。
由自激振荡理论部分分析可知，要使传感器在谐振点频率处(即幅频特性曲线峰值对应频率处)工作，必须在该频率点处满足“相位条件”与“幅度条件”。以第一路频率F1为例，即要求驱动电路设计中在106.224949 kHz频率处幅值增益大于等于19.482 dB，相位为62.041°。但是压力敏感芯体相位为62.041°时会对应两个频率点，因此电路设计时该频率处幅值增益不能超过42 dB，以避免两个频率点都满足自激振荡条件从而使传感器工作不稳定产生跳频。
2.2 压力对敏感芯体特性的影响
在谐振式传感器的设计中，首先需要考虑的是谐振元件本身必须对输入的被测参量具有选择敏感性，且其谐振频率对该参量具有足够的灵敏度。该压力敏感芯体主要测量对象为气压，下面将使用压力基准施加不同压力并在保持其他条件不变的情况下测试压力敏感芯体的输出情况，选取的压力测试点为3.5 kPa、10 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、160 kPa、200 kPa、250 kPa。
分析测试结果表明，第一路频率F1与第二路频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线变化趋势与图10、图11所示结果基本一致，变化的仅是数值。将关键参数提取汇总形成表1、表2。
分析表1与表2可以发现，频率F1与频率F2与气压存在很强的相关性，有利于应用函数拟合方式进行非线性处理[15]，详细的函数关系与拟合多项式有关。而增益、相位、Q值与气压没有明显相关性，这有利于简化驱动电路设计，设计驱动电路时不用过多考虑气压因素，仅需保证在80～120 kHz频带内保证增益略大于21 dB，而相位为50°～65°，同时设计好稳幅电路即可。
表1 频率F1各个压力点下测试数据关键参数汇总表
表2 频率F2各个压力点下测试数据关键参数汇总表
2.3 偏置电压对敏感芯体特性的影响
为使传感器正常工作，需要为压力敏感芯体提供一个直流偏置电压，下面将使用直流电源施加不同直流偏置电压并保持在其他条件不变的情况下测试压力敏感芯体的输出情况，选取的电压测试点为25 V、22 V、19 V、16 V、13 V、10 V。
分析测试结果表明第一路频率F1与第二路频率F2的幅频特性曲线和相频特性曲线变化趋势与图10、图11所示结果基本一致，变化的仅是数值。将关键参数提取汇总形成表3、表4。
表3 频率F1各个电压点下测试数据关键参数汇总表
表4 频率F2各个电压点下测试数据关键参数汇总表
分析表3与表4可以发现，随着直流偏置电压的减小，谐振频率F1与谐振频率F2、谐振点增益、谐振点相位、Q值均存在较明显变化，而且Q值减小速度越来越快。可以看出直流偏置电压对压力敏感芯体各项关键参数影响较大，增益与相位的影响可以通过电路设计进行消减，但Q值的急剧降低会使传感器的稳定性与分辨率相应降低，直接影响传感器性能，所以将直流偏置电压保持在一个稳定的值比较重要，且从测试结果来看，该值越高Q值越好，但是直流偏置电压过高会导致电路设计更复杂、总体功耗增加，综合考虑性能要求与电路实现难度，直流偏置电压在20～25 V左右基本合适，而且要尽可能地减小纹波电压。
压力敏感芯体是传感器的核心部件，其性能的好坏直接关系到最终传感器所能达到的性能指标。针对某100%自主可控的新型高精度硅谐振压力传感器，为了使该传感器尽快达到大规模工程化应用，必须对压力敏感芯体的固有关键特性进行精确测试。针对该需求搭建了高精度微弱信号测试系统，解决了高频微弱信号测试中噪声大、误差高、难以准确采集等问题，对不同条件下压力敏感芯体的固有关键特性进行了测试与分析。经过第2节的具体测试与分析，确定了压力敏感芯体的幅频特性、相频特性以及对气压、直流偏置电压的响应等固有特性。结合自激振荡条件得出了与之配套的驱动电路的关键指标，如：电路主体为带通放大器、通频带涵盖80～120 kHz、80～120 kHz频带内保证增益大于21 dB且需要设计稳幅电路、80～120 kHz频带内相移为50°～65°、直流偏置电压在20～25 V范围内等指标。详细指导了驱动电路的设计与改进，有助于更好地形成功能完备的传感器并指导该传感器更好、更高效、更稳定地大批量工程化应用，助力于0.02%FS级高精度大气压力传感器的100%国产化实现。同时还存在一些需要进一步测试的问题，如压力敏感芯体对正弦、阶跃、脉冲等动态压力的响应；
对振动、冲击加速度、湿热等环境因素的响应；
长时间温度交变、压力循环等对长期稳定性方面的影响等实际应用中可能遇到的各种因素对压力敏感芯体的影响。