張志遠(yuǎn)，彭勇鋼

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系,山西 太原 030009;2.航空工業(yè)太原航空儀表有限公司,山西 太原 030006)

1 概述

硅諧振壓力傳感器具有精度高、產(chǎn)品可靠性高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快和便于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn),應(yīng)用于航空、航天、軍工、船舶、石化、煤碳、油田等領(lǐng)域。隨著硅微加工工藝的成熟,其在飛機(jī)大氣數(shù)據(jù)測量,中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈非參測控、地球物理大氣探測、無人氣象站大氣壓力測量以及各類高精度壓力測量設(shè)備等多方面的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。硅諧振壓力傳感器主要是采用諧振式檢測原理,即使用諧振梁的振動(dòng)響應(yīng)特性(振動(dòng)頻率fr)反映被測壓力強(qiáng)度。但是,諧振頻率fr正是諧振梁的內(nèi)在固有屬性,該頻率穩(wěn)定性的好壞是直接影響諧振式傳感器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素[1]。

2 硅諧振壓力傳感器測量原理

硅諧振壓力傳感器的基本測量機(jī)理是通過硅機(jī)械諧振器與選頻反相信號(hào)放大器組成一種正反饋振蕩耦合系統(tǒng),當(dāng)諧振器受到外界壓力影響時(shí),其振動(dòng)頻譜會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,從而利用測量振蕩諧振頻率的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力的測量[1]。硅諧振式壓力傳感器的敏感模塊由一次感壓方膜片和二次敏感硅諧振梁組成。方膜片作為一次敏感元件直接感知被測壓力,方膜上的硅諧振梁作為二次敏感器件,間接感受被測應(yīng)力大小[2]。被測壓力施加在方膜片,使方膜片和諧振梁同時(shí)產(chǎn)生變形,進(jìn)而諧振梁的固有頻率就隨被測壓力的變化而產(chǎn)生了變化。

諧振梁是硅諧振壓力傳感器的核心部件,其內(nèi)在品質(zhì)從很大程度上就決定了傳感器整體精度等級(jí)的高低。一般采用頻率穩(wěn)定性(品質(zhì)因數(shù)Q值)來表示諧振梁的性能,它可以很精確地定義為存儲(chǔ)于振動(dòng)過程中產(chǎn)生的總能量與每周期所耗費(fèi)的能量之比[3]。Q值一般不能直接測定,通常需要從恒定幅度正弦激勵(lì)的諧振梁穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)曲線中得出。硅諧振壓力傳感器一般是采用同一塊單晶硅制造傳遞應(yīng)力的膜片和真空密封的諧振梁,在兩者結(jié)構(gòu)連接處沒有遲滯且蠕變小無漂移,振動(dòng)也沒有受到周圍流體的直接干擾,Q值范圍非常高,并具備較好的機(jī)械穩(wěn)定性、重復(fù)性和高分辨率[4]。

由于諧振梁的結(jié)構(gòu)是兩端固定的,因此可以認(rèn)為是機(jī)械振動(dòng)學(xué)中的雙端固定結(jié)構(gòu),其在無阻尼振動(dòng)的自由振動(dòng)方程為:

(1)

式中,ω(x,t)為諧振梁的振動(dòng)擾度;σ為軸向應(yīng)力(拉應(yīng)力取正,壓應(yīng)力取負(fù));I,A,E和ρ依次表示諧振梁橫截面對(duì)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、橫截面積、材質(zhì)的彈性模量和體密度系數(shù)。其中,I=bh3/12,A=bh,b是諧振梁的寬度,h是諧振梁的厚度。

(2)

式(1)中諧振梁的基模諧振頻率可改寫為:

(3)

展開上式可知,諧振梁的基模態(tài)固有振動(dòng)頻率與靜態(tài)激勵(lì)功率呈線性關(guān)系:

(4)

(5)

(6)

由此方程式可以得出,在保持靜態(tài)熱激勵(lì)電壓vr的情況下,諧振梁諧振頻率與熱激勵(lì)電壓vr的平方成正比,而負(fù)號(hào)則說明隨激勵(lì)電壓增大,諧振頻率降低。

3 諧振梁振動(dòng)特性測試

由于諧振梁的振幅極其微小,且信噪比極低,一般只有幾個(gè)μV的普通頻譜分析儀往往會(huì)檢測不到,要對(duì)這種微弱的諧振信號(hào)直接進(jìn)行高效探測,就存在著很大的困難。正是基于上述問題,人們通過使用鎖相放大器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后,就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱諧振信號(hào)的高效探測。本文擬采用交流激勵(lì)二倍頻信號(hào)拾振的技術(shù),對(duì)硅諧振梁式壓力傳感器的諧振信號(hào)進(jìn)行開環(huán)測試[5]。圖1是基于鎖相放大器的間接相關(guān)檢測設(shè)備系統(tǒng)框架圖,由諧振器芯片、激勵(lì)信號(hào)源、拾振恒流源、鎖相放大器、計(jì)算機(jī)等組成。

圖1 基于鎖相放大器的開環(huán)測試系統(tǒng)框架

本測試系統(tǒng)選用SR830鎖相放大器,通過RS232接口與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信,使用該系統(tǒng)的輸出VCO作為激勵(lì)信號(hào)。直流恒流源為拾振電阻供電,將電阻交變信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓交變信號(hào),由鎖相放大器檢測該交變信號(hào)的振幅及相位。通過計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件控制頻率掃描并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理,進(jìn)而測得諧振梁的振動(dòng)特性。開環(huán)測試系統(tǒng)的工作過程為計(jì)算機(jī)控制鎖相放大器構(gòu)成頻率掃描控制單元,激勵(lì)信號(hào)源根據(jù)接收到計(jì)算機(jī)的指令后產(chǎn)生某一固定頻率的正弦激勵(lì)信號(hào),諧振梁在該頻率激勵(lì)信號(hào)下受迫振動(dòng),進(jìn)而繪制幅頻特性曲線。

4 開環(huán)測試結(jié)果及分析

4.1 不同溫度環(huán)境下開環(huán)特性測試

4.1.1 常溫常壓環(huán)境下開環(huán)特性測試

在常溫(23.5 ℃)常壓環(huán)境下,可以采用不同的激勵(lì)電壓對(duì)諧振梁進(jìn)行激勵(lì),所獲得的激勵(lì)電壓有效值、諧振頻率以及諧振峰值信號(hào)強(qiáng)度測試結(jié)果見表1,300 mV和800 mV激勵(lì)時(shí)的振幅曲線如圖2、圖3所示。

表1 常溫環(huán)境下開環(huán)測試結(jié)果

圖2 300 mV激勵(lì)時(shí)的幅頻曲線

圖3 800 mV激勵(lì)時(shí)的幅頻曲線

對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析,在常溫條件下,硅諧振壓力傳感器的諧振頻率是隨激勵(lì)電壓的增大而變小,并且輸出信號(hào)的幅度會(huì)隨激勵(lì)電壓的增大而增大。

4.1.2 60 ℃常壓環(huán)境下開環(huán)特性測試

在60 ℃常壓環(huán)境下,可以采用不同的激勵(lì)電壓對(duì)諧振梁進(jìn)行激勵(lì),所獲得的激勵(lì)電壓有效值、諧振頻率以及諧振峰值信號(hào)強(qiáng)度的測試結(jié)果見表2。

表2 60 ℃環(huán)境下開環(huán)測試結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)分析可知,在60 ℃常壓環(huán)境下,諧振梁的諧振頻率隨激勵(lì)電壓的增大而變小,并且輸出信號(hào)的幅值隨激勵(lì)電壓的增大而增大,這一規(guī)律與常溫環(huán)境下反映出的激勵(lì)電壓、諧振頻率及振幅之間的關(guān)系類似,但在相同電壓激勵(lì)條件下,諧振頻率更小,振幅也更小。

4.1.3 125 ℃常壓環(huán)境下開環(huán)特性測試

在125 ℃常壓環(huán)境下,對(duì)諧振梁使用不同大小的激勵(lì)電壓進(jìn)行激勵(lì),得到激勵(lì)電壓有效值、諧振頻率以及諧振峰值信號(hào)強(qiáng)度的測試結(jié)構(gòu)見表3,500 mV和800 mV激勵(lì)時(shí)的振幅曲線如圖4、圖5所示。

表3 125℃環(huán)境下開環(huán)測試結(jié)果

圖4 500 mV激勵(lì)時(shí)的幅頻曲線

圖5 800 mV激勵(lì)時(shí)的幅頻曲線

4.2 測試分析

利用上述對(duì)硅諧振壓力傳感器諧振梁振動(dòng)特性進(jìn)行的開環(huán)測試,即可獲得相同激勵(lì)電壓下頻率-溫度曲線,如圖6所示。從圖中可以看出,盡管所使用的激勵(lì)電壓有所不同,得到的頻率-溫度曲線也不同,但是基本平行,綜合以上測試結(jié)果及初步分析,可得結(jié)論如下:

圖6 同一激勵(lì)電壓下頻率-溫度曲線

1) 由于激勵(lì)電壓的增加及靜態(tài)功率的增加使得諧振梁的平均溫度加大,因熱膨脹原因,諧振梁受到逐步增大的軸向壓應(yīng)力,使其諧振頻率逐步變小;由于動(dòng)態(tài)功率的加大使其諧振梁橫向受迫振動(dòng)的彎矩加大,輸出信號(hào)的振幅也會(huì)相應(yīng)增大;

2) 溫度對(duì)諧振頻率影響顯著。隨著溫度的升高,傳感器的諧振頻率下降,同一壓力下溫差85 ℃的兩個(gè)溫度點(diǎn)處的頻率差將近2386 Hz,即28 Hz/℃;

3) 在環(huán)境溫度小于60 ℃的情況下,300 mV激勵(lì)就可以產(chǎn)生諧振,且諧振峰值可以檢測,但是在125 ℃時(shí),由于諧振梁的平均溫度過高且接近臨界升溫,激勵(lì)引起的熱分布不明顯,造成需要足夠大的激勵(lì)(800 mV)才能有很好的幅頻曲線。

5 結(jié)束語

通過對(duì)硅諧振壓力傳感器的開環(huán)特性測試,得到了不同溫度、不同激勵(lì)電壓下諧振梁的幅頻特性曲線即頻率-溫度曲線,據(jù)此分析得出了諧振梁的振動(dòng)特性,給出了測試結(jié)論,為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自激電路提供可靠依據(jù)。