在 1954年贝尔实验室Smith发清楚明了硅压阻效应，促使了微机电体系MEMS技巧的出生和敏捷成长，并起首在硅微机械传感器的应用中获获成功，带来了传感器技巧的新概绫屈。

压力传感器经由过程攫取被测压力感化下膜的形变来实现测量。20世纪80年代初，采取低蠕变和低迟滞的单晶硅膜代替传统的金属膜，使灯揭捉力传感器取得冲破，同时实现了小型化和批量化的目标。在浩瀚硅微机械压力传感器中，直接输出频率量的谐明示硅微构造压力传感器具有最高的测量精度，成钪抗力传感器的重要成长偏向。国内大年夜20世纪90年代自力追踪这一国际先特技巧，开端研究谐明示硅微机械压力传感器。

因为硅微机械谐振器的┞否幅异常微弱，且信噪比很低。通用的频谱分析仪检测不到，须要采取具有微弱旌旗灯号处理功能的测量仪器才能获得其频率响应曲线。国际上通用的做法有两种，一是采取通用设备搭建，如旌旗灯号产生器和锁定放大年夜器，或者旌旗灯号产生器和多普勒测振仪；二是采取收集分析仪进行测试。前者体系宏大年夜，不便利携带；后者价格昂贵，且只用到个一一小部分功能，有些浪费。是以，研制鹣锐式硅微机械传感器的专用开环特点测试仪显得尤为须要。
开环特点测试仪工作道理


谐明示硅微机械传感器的专用开环特点测试仪采取单点稳态频率扫描的办法获得谐振器的频率响应特点，重要包含以下功能模块：鼓励旌旗灯号产生单位、微弱旌旗灯号处理单位、频率扫描控制单位、输出显示单位，如图1所示。个中，微弱旌旗灯号处理单位是其核心部件。
谐振器是谐明示传感器的核心部件，其品德很大年夜程度上决定了传感器整体精度的高低。要获得高品德的谐振器，一方面依附于设计，另一方面依附于加工。平日用机械品德因数（Q值）来表征谐振器的品德，它的定义是存储于振动中的总能量与每个周期消费的能量之比。Q值不克不及直接测定，平日大年夜恒定幅度正弦鼓励的谐振器稳态频率响应曲线中得出。此外，谐明示传感器必须工作在闭环自激状况来保持谐振，而闭环的设计也须要根据谐振器的幅频和相频特点进行。

图1、谐明示硅微构造传感器专用开环特点测试仪功能示意图

其工作过程为频率扫描控制单位发出控制指令给鼓励旌旗灯号产生单位，使之产生某一频率的┞俘弦鼓励旌旗灯号，谐振器在该鼓励旌旗灯号下受迫振动，待其达到稳态响应后，由微弱旌旗灯号处理单位对该微弱振动输出旌旗灯号进行检测和处理，然后送由输出显示单位绘制频率响应曲线，并计算相干参数，如Q值、谐振频率、谐振相位等。

第一代开环特点测试仪

在谐明示硅微机械传感器开环特点测试中的微弱旌旗灯号处理技巧中，慢慢取得了阶段性的冲破和进步，基于每阶段的微弱旌旗灯号处理技巧，分别研制了三代开环特点测试仪。

相干检测是一种在强噪声背景下提取微弱周期旌旗灯号的有效手段，平日由乘法器和积分圃扉成。现有的模仿乘法器自身输入等效噪声大年夜，且存在直流掉祷赝非线性，无法直接用到谐明示硅微机械传感器的输出旌旗灯号处理中。是以沃森WSEN，基于相干检测道理，提出了基于欧姆鉴相的直接相干算法，应用欧姆定律，直接将拾振电阻作为乘法器，有效地克服了模仿乘法器的缺点，成功冲破了微弱旌旗灯号检测的技巧瓶颈。于1999年研制成功第一代开环特点测试仪，并针对自行研制的谐明示硅微机械压力传感器进行了开环特点测试，测试结不雅注解该早期传感器样件的谐振频率为71.5889kHz，Q值袈浼为500。


第一代开环特点测试仪的最小频率扫描步长为0.01Hz，弱旌旗灯号测试精度为110nVp-p，具有友爱的交互式图形界面，操作简单，结不雅直不雅；不足之处在于测量速度慢，每个点的测量时光须要120ms；此外，该测试仪不敷智能化，须要手动调节扫频范围、扫描步长以及参考相位，直至精确搜刮到谐振频率，且每次测量时须要手动调节初始参考相位直至曲线对称，无法直接获得谐振频率点处的相位信息。

第二代开环特点测试仪

在已有技巧基本上，针对第一代开环特点的不足，经由改进和优化，于2005年研制了第二代开环特点测试仪，如图2所示。个中微弱旌旗灯号检测办法沿用了基于欧姆鉴相的直接相干算法，然则提出了分时正交差动的概念，即分别在四个相邻时刻对拾振电阻施加相位相差90°的参考旌旗灯号获得对应的输出，用两对反信赖号进行差动，清除共模干扰，再将这一组差动后所得的┞俘交旌旗灯号进行矢量运算，即可同时获得该频率点的┞否幅和相位。该办法不仅进步了检测信噪比，并且可以或许将相位自力解算出来。图2（右）所示为近期传感器样件的谐振频率为57.5258 kHz，相位为8°，Q值袈浼为3000。

图2、第二代开环特点测试仪工作照片（左），某硅微构造谐振敏感元件测试结不雅（右）。

第二代开环特点测试仪的长处是扫频控制算法智能化，不仅能主动调剂扫频范围和步长搜刮到谐振频率，并且增长了对压力校验仪的┞菲握接口和算法，可以或许对谐明示硅微机械压力传感器进行一系列基于开环特点的┞符体特点测试分析，如灵敏度、反复性、时漂和温漂等；测试界面友爱，操作便利。它的缺点是只能针对电阻拾振的谐明示传感器。

第三代开环特点测试仪

为了拓宽仪器的实用范围，近期又在进一步开辟第三代开环特点测试仪。该仪器采取板卡式电路体系构造设计，将压阻式、电容式、磁电式的拾振检测旌旗灯号处理模块以板卡的情势集成到同一个测试平台上，使得仪器具有很好的开放性和灵活性。今朝，针对压阻拾振的微弱旌旗灯号处理技巧又有了新的冲破，提出了快速互相干检测办法并已初步实现，借助第一代开环特点测试仪的显示软件，对其进行了实验验证，如图3所示。该传感器的谐振频率为71.0402kHz，Q值袈浼为3000。

图3、对某硅微构造谐振敏感元件快速互相干检测结不雅。

第三代开环特点测试仪的电容拾振模块和电磁检测模块尚未完成，然则压阻检测模块的检测精度进步到50nVp-p，比第一代开环特点测试仪有所进步，而单点测量时光降至10ms，缩短到第一代测试仪的1/12，大年夜大年夜进步了测试效力。

小结

本文介绍的开环特点测试仪为研究谐明示硅微机械传感器供给了须要的测试手段，然而，我国对于这类高机能的直接输出频率量的谐明示传感器研究仍然逗留在实验室阶段，尚无产品推出。分析原因，除了国内加工工艺程度、旌旗灯号疗养电路设计和实现技巧方面与国外另有差距外，缺乏对谐振器构造、机理、特点的深刻理论研究和相对应的测试、评估手段也是重要原因之一。是以，在已有微弱旌旗灯号检陈技巧和开环特点测试技巧基本上，须要更进一步地开展专门针对谐明示硅微机械传感器的综合测试分析仪器的研究。