硅微机械谐振传感器稳幅式真空计的研究

　　1　引言

　　近年来,随着微电子技术及硅微机械加工技术的持续发展,促使许多新型传感器及测量技术相继诞生。硅微机械谐振真空传感器就是一种将机械元件和转换电路集成在一块硅片上的新型传感器。它的灵敏度高,稳定性好,易于批量生产,国内外都已开始大量投入进行研究和开发。目前,这方面的报导尚不多见,尤其是在对传感器的性能提高和深入研究应用起着重要作用的配套仪表方面的研究尚未见报导。文中根据我校研制成功的硅微机械谐振真空传感器的测试和分析,对其配套仪表———新型真空计进行了研究。

　　2　新型真空传感器机理

　　本文所依据的硅微机械谐振真空传感器是以在单晶硅片上通过各向异性腐蚀形成的悬臂梁作为谐振子,以悬臂梁自由端的质量块底面为上电极,以硅-硅直接键合的衬底硅片为下电极,组成静电激励器。振动的机电转换采用横向压阻器件。当在上下电极间加一交变电压时,将产生一交变电场力。当电场力的频率与悬臂梁的固有频率接近时,将产生共振。振动信号由在悬臂梁根部的横向压阻器件输出,其输出频率和品质因数与悬臂梁所处的环境气压有关。由于具有精密的微细结构,在一定的真空范围内(102~10-1Pa),该传感器具有较高的灵敏度。图1即为静电激励硅微机械谐振传感器的基本结构示意图。

　　3　真空计电路系统

　　适当的仪表电路与传感器相配套对于提高传感器的实用性能及指导传感器制造工艺的改进等深入研究都是至关重要的。为使硅微机械谐振传感器在较大测量范围内的各个气压值上都具有较好的灵敏度并能稳定工作,就必须使传感器硅悬臂梁的振幅处于某一最佳状态,这样还可避免因其振幅过大导致器件的损坏。在电路的设计中采用闭环测控的电子系统。具体是使用它激方式来激励传感器振荡,传感器上的压阻器件的输出信号经放大检波等电路后再去控制激励振荡电路的输出。当环境气压变化时,系统跟踪传感器的输出信号变化去控制激励传感器振荡的正弦波大小,以维持传感器的输出信号幅度基本不变,同时测量出激励信号的值以达到测量真空值的目的。仪器的系统框图如图2所示。

　　在具体电路的实现上可分成3个模块,即传感器闭环激励信号放大模块、A/D及显示模块、频率计模块。

　　3·1　传感器闭环激励信号放大模块

　　闭环激励及反馈模块的主要功能是提供传感器的激励信号,对传感器信号放大及跟踪。它是一闭环系统。主要电路有正弦波振荡器、VCA放大器、差分放大器、选频放大器及检波低通电路。电路原理模块图如图3所示。