微机械谐振器的快速测试方法

　　谐振式微传感器是基于谐振测量原理的传感器，当被测量作用到传感器上，会引起敏感元件谐振频率的变化，通过测量谐振频率的变化值，就可以得到被测量的值。谐振式微传感器具有体积小、重量轻、精度高、稳定性好的优良特性[1-2]。其中压阻检测的谐振式微传感器有体积小，结构简单，容易检测的优点，得到了广泛的应用[3-5]。但是对于微机械谐振器，其输出的信号幅度微弱，淹没在背景噪声中，需要采用微弱信号检测的方法。

　　现阶段一般采用的微弱信号检测方法大致分为两类[6]: 锁相放大的方法和互相关检测的方法，在微电子、无线传输、图像处理、光电检测等领域，得到了广泛的应用[7-11]。国内学者针对压阻检测的微机械谐振器，提出了专用微弱信号检测方法。文献[12]中提出了一种直接相关检测的方法，与传统的锁相放大器相比，提高了信噪比; 文献[13]中介绍了一种分时正交相关检测的方法，可以同时检测输出幅值和相位; 这两种方法有个共同的缺点: 测量时间长。由于被测对象本身存在着漂移，如果测量时间过长，会造成输出曲线失真。为了缩短测量时间，避免输出曲线失真，本文提出一种快速检测方法，减小了系统的等效输入噪声，缩短了测量时间，提高了测量效率。

　　1 测试方案

　　压阻检测的微机械谐振器检测原理是利用压阻效应将微谐振器的振动信号转化为检测电阻阻值的交变变化( 其瞬时电导也是交变信号) 。一般采用检测方法是给检测电阻加直流电源，将电阻阻值的变化转换成电压或者电流的变化，然后再将该电压或者电流送入乘法器中进行相敏检测。

　　本文提出的快速检测方法采用了文献[12]中提出的“欧姆鉴相”法。该方法以纯交流信号作为参考信号加到检测电阻上，根据欧姆定律，检测电阻输出的电压/电流信号就是参考信号与被测信号的乘积。检测电阻在将被测信号转化成电压/电流的同时，也完成了参考信号与被测信号的乘法运算。后面只需要低通滤波器或者积分器就可以提取出包含有用信号的直流分量。

　　与一般检测方法相比，“欧姆鉴相”方法与其他的乘法器相比，有输入动态范围大，抗干扰能力强、噪声水平低、不存在失调等优点，非常适合用于微谐振器的输出信号检测中[12]。

　　快速检测方法测量时采用频率扫描法[12-13]，即令参考信号和激励信号的频率从某一个频率开始，以一定的步长，到某一个频率结束。当设定的参考信号和激励信号的频率与谐振器的固有频率相同的时候，谐振器处于谐振状态，系统的输出值达到最大。当输出值达到最大时候的参考信号的频率即为谐振器的谐振频率。