CN1945215A - 电磁－压阻式微机械谐振梁传感器 - Google Patents

Abstract

电磁－压阻式微机械谐振梁传感器，两端固支单梁谐振子被置于沿其宽度方向的磁场中，其谐振频率受被测物理量控制；控制电路向谐振子表面的压阻薄膜输出交流激励电流并检测其两端电压，激励电流产生电磁力使单梁谐振子振动；压阻薄膜对谐振子一阶模态敏感，产生相应交流电阻分量；激励电流与交流电阻分量相乘得到调制的拾振信号，经低通滤波即得到反映谐振子谐振频率变化趋势的直流信号，相应调整激励信号频率，使之持续跟踪谐振子谐振频率，即可实现被测物理量的连续测量；相乘和低通滤波的组合同时实现了互相关检测，有效解决了强干扰背景下微弱拾振信号的检测。

Description

电磁-压阻式微机械谐振梁传感器

技术领域

本发明涉及一种基于微机械单梁谐振子的传感器的信号检测与闭环***原理。

背景技术

谐振梁是MEMS器件中的基本测量部件之一，将被测物理量q转化为谐振梁的固有频率f_n并测量f_n即可获得q。为了测量f_n，谐振梁必须具有振动激励(激振)和振动拾取(拾振)功能，并与控制电路构成闭环***，使谐振梁处于谐振状态，由于谐振频率f_r与f_n可视为相等，测量f_r即可获得f_n。因此，具有激振和拾振功能的谐振梁和控制电路是实现谐振梁式测量原理的两要素。

对于采用单梁谐振子的方案，为避免在梁上另外加工激振器或拾振器对梁机械性能的不利影响，可采用电磁-压阻式结构，即利用梁表面全长的压阻薄膜同时实现电磁激振和压阻拾振：一方面将其当作导线，通过交流激励电流i_e(t)＝I_ecos2πf_et并将其置于磁场中，利用所产生的分布式交变电磁力(安培力)ψ_e(x，t)＝Ψ_e(x)cos2πf_et激励梁的振动(x指梁长度方向上的坐标)；另一方面将其当作压阻元件，利用其阻值在梁表面的交变应力场作用下变化而产生的交流电阻分量r_s＝R_scos(2πf_et+_s)拾取梁的振动。对于r_s的检测，按常规方法为在压阻薄膜中通过常值参考电流I_REF，将r_s变换为交流拾振电压v_s＝I_REF·r_s。

但交流激励电流i_e在压阻薄膜的常值电阻分量R_S上产生很强的干扰信号v_e＝i_e·R_S，梁在磁场中的振动同时在两端产生感应电动势e_i。v_e、e_i和v_s频率均为f_e，v_d＝v_e+e_i称为同频干扰，其幅度一般为100mV以上，而v_s为μV量级，显然v_s将被v_d淹没而难以检测，必须解决这个问题使电磁-压阻式结构真正获得实用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：解决上述的强激励干扰条件下压阻薄膜的交流电阻分量r_s的检测问题，提供一种能够有效解决强干扰背景下微弱拾振信号的检测的电磁-压阻式微机械谐振梁传感器。

本发明的技术解决方案：电磁-压阻式微机械谐振梁传感器，其特点在于：两端固支单梁谐振子被置于沿其宽度方向的磁场中，其谐振频率f_r受被测物理量q控制；控制电路由控制器、信号源和低通滤波器LPF组成、控制电路中的信号源向单梁谐振子表面的压阻薄膜输出交流激励电流i_e并检测其两端电压，i_e产生电磁力使单梁谐振子振动；压阻薄膜对单梁谐振子一阶模态敏感，产生相应交流电阻分量r_s；i_e与r_s相乘得到调制的拾振信号v_s，经低通滤波器LPF得到直流信号V_S，根据V_S调整i_e频率f_e，使之持续跟踪f_r，即可实现q的连续测量。上述信号调制过程v_s＝i_e·r_s已经构成相敏检测器PSD，而PSD和后续的LPF即构成锁定放大器LIA(基于互相关检测原理)实现了互相关检测，可有效解决强干扰背景下微弱拾振信号v_s的检测。

本发明的原理：对于周期交流信号，最根本的特征是频率，若有用信号和噪声频率相同，从原理上即无法区分。因此必须设法使v_s和v_d具有不同频率。本发明的关键改进之一即在于采用频率为f_ref的交流参考电流i_ref而非直流参考电流I_REF，从而实现信号调制，得到频率非f_e的v_s＝i_ref·r_s：根据信号调制原理，乘积i_ref·r_s为两个边频f_ref-f_e和f_ref+f_e之和。

然而，这种方法需要额外的i_ref信号源，电路较复杂；需要将i_e和i_ref同时施加到压阻薄膜11上，增大了电阻热效应；并且i_ref同样会产生电磁激励力，可能干扰梁的振动状态。本发明的关键改进之二即在于将i_e和i_ref合而为一，将i_e＝I_ecos2πf_et同时当作参考信号。由于f_ref＝f_e，此时两个边频分别为0Hz(直流)和2f_e(二倍频)。

当谐振子处于谐振状态即Δf＝f_e-f_r＝0时，不仅振幅达到最大，根据振动学原理还有激励力ψe与其瞬时速度z&同相；根据压阻效应原理，r_s与瞬时位移z同相；而i_e与ψ_e同相，z&超前z 90°，故i_e超前r_s90°，即_s＝_s0＝-90°。因此可得v_s＝i_e·r_s＝0.5I_eR_ssin2π(2f_e)t，即v_s只包含2f_e边频，直流分量为V_S＝0。当f_r随q变化使得谐振子1暂时脱离谐振状态(Δf≠0)时，由于谐振子1及压阻薄膜11均为线性***，故r_s频率仍为f_e：r_s＝R_scos(2πf_et+_s)；但r_s相对i_e的相位_s不再是_s0＝-90°。由谐振子1传递函数

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{A\ω}}_n^2}{s^2+{2\mathrm{\ξ\ω}}_{n}s+{\mathrm{\ω}}_n^2}$

可知： 由信号调制原理容易得出：

显然：

因此可将传递函数G(s)、信号调制运算i_ref·r_s和LPF构成的整体视为以f_r为正输入端、以f_e为负输入端、以V_S为输出端的“频率比较器”，如图2所示。其输出-输入特性为非线性，如图3所示。

控制电路2采用如下负反馈控制律保持谐振子1的谐振状态：根据V_S判断Δf极性，并依此实时调整f_e：若V_S＞0则提高f_e，若V_S＜0则降低f_e，如此重复，直至Δf→0。

于是，频率比较器和上述负反馈控制律(即谐振子1与控制电路2)构成了以f_r为输入、以f_e为输出的负反馈控制***，如图4所示，其控制目标为Δf＝f_e-f_r→0，因此属于跟随***。

上述信号调制过程v_s＝i_e·r_s已经构成相敏检测器PSD，而PSD和后续的LPF即构成锁定放大器LIA(基于互相关检测原理)，如图5。LIA不仅可彻底抑制同频干扰v_d，而且可有效抑制电路中的随机噪声。而且，与传统技术不同的是，本发明的关键改进之三在于利用“电流i_e乘以电阻r_s得到电压v_s”的原理实现乘法运算，即以欧姆定律为“虚拟乘法器”。由于无需实际器件(模拟乘法器或模拟开关)，因而电路简单，且根本不存在实际器件的性能限制(噪声、失调、饱和、漏电流等)，在处理极微弱(100nV量级)及极低信噪比(＜-100dB)的信号时具有独到的优势。

本发明与现有技术相比的优点：采用交流的参考信号，彻底解决了强激励干扰背景下微弱拾振信号的检测问题；以激励信号兼作参考信号，有效简化了电路并避免了参考信号的不利影响；以欧姆定律为“虚拟乘法器”实现相敏检测器和锁相放大器，电路简单，性能优越。

附图说明

图1为本发明的组成框图；

图2为本发明的频率比较器的示意图；

图3为本发明的频率比较器的输出-输入特性示意图；

图4为本发明的负反馈控制***的原理框图；

图5为本发明的锁定放大器的原理框图；

图6为本发明所支持的典型敏感结构的结构示意图；

图7为本发明的信号源原理框图；

图8为本发明的具体实施的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的电磁-压阻式微机械谐振梁传感器的两端固支单梁谐振子1被置于沿其宽度方向的磁场中，其谐振频率f_r受被测物理量q控制；控制电路2由控制器3、信号源4和低通滤波器LPF5组成、控制电路2中的信号源4向单梁谐振子1表面的压阻薄膜11输出交流激励电流i_e并检测其两端电压，i_e产生电磁力使单梁谐振子1振动；压阻薄膜11对单梁谐振子1一阶模态敏感，产生相应交流电阻分量r_s；i_e与r_s相乘得到调制的拾振信号v_s，经低通滤波器LPF5得到直流信号V_S，根据V_S调整i_e频率f_e，使之持续跟踪f_r，即可实现q的连续测量；相乘和LPF的组合同时实现了互相关检测，可有效解决强干扰背景下微弱拾振信号v_s的检测。

本发明支持如图6所示的典型敏感结构，该结构为基于SOI晶圆和外延技术加工而成的单晶硅整体结构。单晶硅单梁谐振子1两端固支于弹性基体30上，被测物理量q控制弹性基体30形变进而控制单梁1的谐振频率。谐振子1表面覆盖有完整的掺杂外延膜31，掺杂外延膜31的中段表面覆盖有低电阻率的导电层32。由于掺杂半导体材料的压阻效应和导电层32的旁路作用，及谐振子1表面交变应力的分布规律，两端的电极33之间的总电阻随谐振子1一阶模态振动而变化。谐振子1的典型结构尺寸数据为长×宽×厚≈800×80×8μm³。

但本发明不限于该尺寸，也不限于该结构。任何将两端固支谐振梁结构置于磁场中、谐振梁上具有全长的压阻元件(可为整体加工的结构，亦可为单独的导线与压阻元件的串联网络)、压阻元件两端仅有两个引出电极，并通过这两个电极进行电磁激振和压阻拾振的敏感结构，均为本发明所支持的目标结构。

本发明的控制电路2包括三个主要部分：控制器3、信号源4和LPF 5，如图1所示。控制器3实现上述负反馈控制律，即根据V_S判断Δf极性，并依此实时调整f_e：若V_S＞0，则提高f_e，若V_S＜0，则降低f_e，如此重复，直至Δf→0，信号源4产生所需的激振信号i_e；LPF 5与“虚拟乘法器”PSD配合构成LIA。

控制器3可采用纯模拟技术或数模混合技术，考虑到本发明的控制律并不十分复杂，较合理的实施方式为采用模拟电路和8/16-bit MCU结合的数模混合技术，以实现性能、功耗、体积和成本的平衡。

如图7所示，信号源4可采用压控振荡器VCO或直接数字合成DDS。VCO或DDS在控制器3输出的控制信号FC控制下产生相应频率的交流信号v_e。若采用DDS，则意味着控制器3部分必须具有数字控制器件。为将v_e变换为电流形式的激振信号i_e，还需要V-I(电压-电流转换)电路，与VCO或DDS构成交流恒流源。

LPF 5采用普通有源低通滤波器电路即可。

如图8所示，为本发明的具体实施原理图，该图功能并不完善，但简单明了地说明了本发明的工作原理。控制器3采用了积分环节，以消除静态误差；由于积分环节同时也具有低通滤波作用，省略了LPF，故仅用一个积分环节即实现了LPF和控制器两个环节；考虑到激振信号i_e电流形式，增加了同相前级放大器，以避免因放大器输入阻抗降低信号源等效输出阻抗；由于采用了VCO，控制器3输出的频率控制信号FC具体化为控制电压V_f；为构成负反馈，V_f应为负极性，即V_f提高时VCO输出频率降低。该积分环节既可采用模拟积分电路，也可采用数字积分算法；采用模拟积分电路，整个电路的主体可以完全用模拟技术实现，电路整体简单可靠；采用数字积分算法，因数字积分算法更易解决积分运算的的直流失调和漂移问题，易于实现限幅运算，可以获得较好的稳定性。

Claims (3)

1、电磁-压阻式微机械谐振梁传感器，其特征在于：两端固支单梁谐振子(1)被置于沿其宽度方向的磁场中，其谐振频率f_r受被测物理量q控制；控制电路(2)由控制器(3)、信号源(4)和低通滤波器LPF(5)组成、控制电路(2)中的信号源(4)向单梁谐振子(1)表面的压阻薄膜(11)输出交流激励电流i_e并检测其两端电压，i_e产生电磁力使单梁谐振子(1)振动；压阻薄膜(11)对单梁谐振子(1)一阶模态敏感，产生相应拾振信号，即交流电阻分量r_s；i_e与r_s相乘得到调制的拾振信号v_s，经低通滤波器LPF(5)得到直流信号V_S；控制电路2以激励频率f_e与谐振频率f_r之差Δf＝f_e-f_r为控制对象，并以V_S极性作为Δf极性的判据，并采用负反馈控制律调整激励频率，即i_e的频率f_e，使之持续跟踪f_r，以实现q的连续测量。

2、根据权利要求1所述的电磁-压阻式微机械谐振梁传感器，其特征在于：所述的负反馈控制律为：若V_S＞0，则Δf＜0，此时提高f_e，直至V_S→0；若V_S＜0，则Δf＜0，此时降低f_e，直至V_S→0；如此重复以保持V_S→0，从而维持Δf→0或f_e→f_r，即保持激励频率跟踪谐振频率。

3、根据权利要求1所述的电磁-压阻式微机械谐振梁传感器，其特征在于：所述的信号源(4)采用压控振荡器VCO或直接数字合成DDS。

Images