專(zhuān)利名稱(chēng)：具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以壓阻網(wǎng)絡(luò)為輔助敏感單元，以壓阻效應(yīng)為輔助敏感效應(yīng)的諧振式硅微機(jī)械傳感器的性能改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有的諧振式硅微機(jī)械傳感器由一次敏感結(jié)構(gòu)1和諧振梁4構(gòu)成傳統(tǒng)的諧振式硅微機(jī)械傳感器，被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)1映射為諧振梁4的諧振頻率fr，信號(hào)處理單元3檢測(cè)諧振梁4輸出的拾取信號(hào)vs并向諧振梁4輸出激勵(lì)信號(hào)vx構(gòu)成閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)以維持其諧振狀態(tài)，同時(shí)由vs計(jì)算諧振頻率fr并由fr求解q。這種諧振式硅微機(jī)械傳感器通常面臨三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題微弱振動(dòng)拾取信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題——硅微機(jī)械傳感器輸出的振動(dòng)拾取信號(hào)通常不到微伏(μV)量級(jí)；動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題——頻率信號(hào)的精確檢測(cè)需要一定時(shí)間；閉環(huán)自激系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題——閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，工作條件要求較苛刻，可靠性不如開(kāi)環(huán)的硅壓阻傳感器。尤其是當(dāng)技術(shù)條件還不足以實(shí)現(xiàn)敏感結(jié)構(gòu)與處理電路的單片集成的時(shí)候，這三個(gè)問(wèn)題更為突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為解決上述微弱信號(hào)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性問(wèn)題，提出一種以壓阻效應(yīng)為輔助敏感效應(yīng)，利用組合敏感原理改善相關(guān)性能的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，包括一次敏感結(jié)構(gòu)、諧振梁、作為輔助敏感單元的壓阻網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)處理單元；一次敏感結(jié)構(gòu)和諧振梁構(gòu)成傳統(tǒng)的諧振式硅微機(jī)械傳感器，被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)映射為諧振梁的諧振頻率fr，信號(hào)處理單元檢測(cè)諧振梁輸出的拾取信號(hào)vs并向諧振梁輸出激勵(lì)信號(hào)vx構(gòu)成閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)以維持其諧振狀態(tài)，同時(shí)由vs計(jì)算諧振頻率fr并由fr求解q；在傳統(tǒng)的諧振式硅微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)上新增壓阻網(wǎng)絡(luò)作為輔助敏感單元，被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)1映射為壓阻網(wǎng)絡(luò)各電阻阻值R，信號(hào)處理單元檢測(cè)各電阻阻值R并據(jù)此求解諧振梁諧振頻率估計(jì)值fr*；諧振頻率估計(jì)值fr*用于輔助拾取信號(hào)vs的檢測(cè)、諧振頻率fr的計(jì)算和激勵(lì)信號(hào)vx的產(chǎn)生，從而有效解決微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，并改善傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性。
本發(fā)明的原理本發(fā)明核心思想為冗余信息原理，即設(shè)法獲得額外的輔助信息從而改善對(duì)于目標(biāo)信息的處理，這比任何僅針對(duì)目標(biāo)信息本身的處理技術(shù)都更加有效，因?yàn)閷?duì)于任何一個(gè)信息處理系統(tǒng)，有效的信息來(lái)源越多，其處理結(jié)果便越可信，而且只要方法適當(dāng)，處理過(guò)程也可以加快。
但只有適當(dāng)?shù)娜哂嘈畔⒉啪哂猩鲜鰞?yōu)化作用。對(duì)于諧振式傳感器，最重要的工作參數(shù)就是諧振頻率fr。如果能不依賴(lài)閉環(huán)系統(tǒng)而“提前”獲得關(guān)于fr的冗余信息，對(duì)于后續(xù)的信號(hào)檢測(cè)和閉環(huán)反饋的實(shí)現(xiàn)，將是非常有利的。具體到本發(fā)明，就是在諧振式硅微機(jī)械傳感器原有結(jié)構(gòu)上增加簡(jiǎn)單的輔助敏感單元(壓阻網(wǎng)絡(luò))，利用其壓阻效應(yīng)估測(cè)fr，得到其估計(jì)值fr*。
獲得fr*的具體方法為根據(jù)有關(guān)理論，可以分別建立壓阻效應(yīng)敏感模型(R與σ的映射關(guān)系)、一次敏感結(jié)構(gòu)敏感模型(σ與一次敏感結(jié)構(gòu)1彈性變形的映射關(guān)系)、諧振梁敏感模型(一次敏感結(jié)構(gòu)1彈性變形與fr的映射關(guān)系)，聯(lián)合這三個(gè)敏感模型即可推導(dǎo)出R與fr的映射關(guān)系，此即輔助敏感效應(yīng)模型(因電阻的溫度特性，模型中通常還包含溫度參數(shù)T)。理論上檢測(cè)出R即可根據(jù)輔助敏感效應(yīng)模型求出fr。實(shí)踐中由于器件參數(shù)的誤差與漂移，及模型本身的近似性，此方法只能獲得具有一定誤差的近似值，即諧振頻率估計(jì)值fr*。
fr*的誤差量級(jí)是可以估計(jì)的。通過(guò)分析可以估計(jì)模型的誤差量級(jí)(如建模過(guò)程中忽略的高階小量的量級(jí)，及線(xiàn)性假設(shè)帶來(lái)的最大誤差)，根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)要求及工藝條件(如所用加工設(shè)備的性能指標(biāo))也可估計(jì)器件參數(shù)的誤差范圍，綜合二者即可得到fr*的相對(duì)于fr的最大相對(duì)誤差ξmax。
根據(jù)fr*和ξmax可確定諧振頻率fr的最大可能區(qū)間F=[frmin,frmax]=[fr*·(1-ξmax),fr*·(1+ξmax)]]]>現(xiàn)有技術(shù)條件下可以做到ξmax≤1％(市售硅壓阻傳感器產(chǎn)品精度已經(jīng)可以達(dá)到0.2％量級(jí))，故F⋐
.]]>fr*、ξmax及F在本發(fā)明的不同實(shí)施方式中都具有重要作用。
利用F可以有效解決微弱振動(dòng)拾取信號(hào)vs的檢測(cè)問(wèn)題。例如，利用F確定跟蹤帶通濾波器的最佳通帶，在不妨礙有用信號(hào)的前提下使通帶最小化，從而從最大限度提高信噪改善比SNIR；或利用F確定掃頻參考信號(hào)vref的頻率掃描范圍，對(duì)vref和vs進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，從而利用互相關(guān)原理在最短時(shí)間內(nèi)完成vs的檢測(cè)。由于互相關(guān)函數(shù)的固有性質(zhì)，在完成vs的檢測(cè)的同時(shí)即可得到其頻率，從而省去單獨(dú)的頻率測(cè)量過(guò)程。
當(dāng)以線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)時(shí)，以F為線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍，可以在確保實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的前提下最大限度縮短激勵(lì)過(guò)程。
通過(guò)比較fr及fr*，可以及時(shí)判斷閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)的失效狀態(tài)并發(fā)出報(bào)警信息。
通過(guò)繼續(xù)實(shí)時(shí)計(jì)算fr*，利用失效前的fr與fr*之差修正fr*，得到fr的更精確的估計(jì)值并代替fr以求解被測(cè)量q，從而在一段時(shí)間內(nèi)維持有效的輸出結(jié)果，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明以輔助敏感單元(壓阻網(wǎng)絡(luò))獲取冗余信息，改善對(duì)于目標(biāo)信息的處理，使微弱信號(hào)的檢測(cè)更容易，處理結(jié)果更可信，處理過(guò)程也得以加快。從工藝角度，硅微機(jī)械傳感器采用MEMS技術(shù)，在芯片上增加幾個(gè)電阻元件的成本相當(dāng)?shù)?，并且，所針?duì)的硅微機(jī)械傳感器有時(shí)原本就具有電阻元件，因此所增加電阻可能只需在原有掩模板上增開(kāi)幾個(gè)窗口，由于光刻腐蝕技術(shù)的特點(diǎn)，此時(shí)所需輔助信息根本不增加成本。


圖1為本發(fā)明的基本原理框圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用于諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器的實(shí)施例；圖3為本發(fā)明的直接閉環(huán)方式的原理框圖；圖4為互相關(guān)函數(shù)與參考頻率關(guān)系曲線(xiàn)；圖5為本發(fā)明的頻率掃描方式的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，一次敏感結(jié)構(gòu)1和諧振梁4構(gòu)成傳統(tǒng)的諧振式硅微機(jī)械傳感器，被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)1映射為諧振梁4的諧振頻率fr，信號(hào)處理單元3檢測(cè)諧振梁4輸出的拾取信號(hào)vs并向諧振梁4輸出激勵(lì)信號(hào)vx構(gòu)成閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)以維持其諧振狀態(tài)。
本發(fā)明屬于對(duì)已有的諧振式硅微機(jī)械傳感器的改進(jìn)，故一次敏感結(jié)構(gòu)1和諧振梁4仍保持原有的設(shè)計(jì)，不再進(jìn)行贅述。本發(fā)明的關(guān)鍵在于在原有結(jié)構(gòu)上增加輔助敏感單元，即壓阻網(wǎng)絡(luò)5。
具體實(shí)施中，需考慮如下幾個(gè)方面的問(wèn)題。
一、輔助敏感單元——壓阻網(wǎng)絡(luò)5的實(shí)施方式關(guān)于壓阻網(wǎng)絡(luò)5的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于將各電阻布置在一次敏感結(jié)構(gòu)1表面應(yīng)力集中處以獲得較大靈敏度，并設(shè)法使這些電阻分為阻值變化極性相反的兩組從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)檢測(cè)。設(shè)計(jì)中所需的彈性力學(xué)理論，包括彈性膜片和彈性梁等理論，都已經(jīng)很成熟；設(shè)計(jì)過(guò)程可借助擁有豐富素材庫(kù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件工具(如ANSYS、CoventorWare等)實(shí)現(xiàn)。并且，本發(fā)明中的壓阻網(wǎng)絡(luò)5的工作原理與硅壓阻式壓力傳感器(擴(kuò)散硅壓力傳感器)的基本敏感原理非常相似，后者經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一整套成熟的設(shè)計(jì)方法并積累了大量經(jīng)驗(yàn)。采用本發(fā)明方法進(jìn)行具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)有能力參考借鑒這些技術(shù)積累，實(shí)現(xiàn)壓阻網(wǎng)絡(luò)5的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖2為典型的諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器結(jié)構(gòu)，當(dāng)本發(fā)明內(nèi)容應(yīng)用于該傳感器時(shí)，需在原有結(jié)構(gòu)的彈性膜片邊緣增加兩個(gè)互相垂直的細(xì)長(zhǎng)電阻Rx和Ry，并在結(jié)構(gòu)上的零應(yīng)力區(qū)設(shè)置溫度補(bǔ)償電阻RT。在彈性膜片應(yīng)力場(chǎng)σ作用下，Rx和Ry均發(fā)生變化但變化極性相反，Rx增大，Ry減小，而RT不隨σ變化，只隨溫度變化。利用輔助敏感效應(yīng)模型可分別列出Rx和Ry與fr的關(guān)系方程(包含溫度參數(shù)T)，利用擴(kuò)散電阻溫度特性可列出RT與T關(guān)系方程，聯(lián)合這幾個(gè)方程求解，即可得到fr的估計(jì)值fr*。若Rx和Ry各有一對(duì)，則4個(gè)電阻可構(gòu)成電橋，簡(jiǎn)化檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。
關(guān)于壓阻網(wǎng)絡(luò)5的制造工藝，可以采用擴(kuò)散電阻或金屬薄膜電阻。如果諧振式硅微機(jī)械傳感器原先就已經(jīng)具有電阻元件，則新增的壓阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用與之相同的工藝，從而避免增加新的工藝步驟，此時(shí)因增加輔助敏感單元而帶來(lái)的附加成本為零。
二、信號(hào)處理單元3的公共環(huán)節(jié)信號(hào)處理單元3的不同實(shí)施方式具有共同的環(huán)節(jié)-前置放大器10和諧振頻率估計(jì)器6。
前置放大器10對(duì)諧振梁4輸出的微弱的拾取信號(hào)vs進(jìn)行初步放大。前置放大器10應(yīng)采用低噪聲放大電路，并具有寬帶帶通濾波特性，以初步抑制原始信號(hào)中的噪聲。低噪聲放大電路的實(shí)現(xiàn)屬于本領(lǐng)域相對(duì)獨(dú)立的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，此處不再贅述。
諧振頻率估計(jì)器6的功能為檢測(cè)R，并根據(jù)輔助敏感效應(yīng)模型，由R和RT求解fr*。R的檢測(cè)采用常規(guī)的恒流法，即在電阻中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)恒定電流，并測(cè)量其兩端電壓，或在電阻電橋中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)恒定電流，并測(cè)量其差動(dòng)輸出電壓。fr*的求解也無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算，可采用常規(guī)的查表法根據(jù)輔助敏感效應(yīng)模型建立合適的R-fr*關(guān)系數(shù)據(jù)表格，并保存在ROM中，計(jì)算時(shí)根據(jù)所測(cè)得R數(shù)值從表格中取出合適數(shù)據(jù)點(diǎn)并進(jìn)行插值即可得到對(duì)應(yīng)fr*。
實(shí)踐中所用的輔助敏感效應(yīng)模型并不采用前文所述理論推導(dǎo)方法獲得，而是采用實(shí)測(cè)標(biāo)定方法獲得以校驗(yàn)儀器對(duì)傳感器施加標(biāo)準(zhǔn)輸入，以標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量各輸入下的R與fr數(shù)據(jù)，對(duì)各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，即可得到R-fr關(guān)系。對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析還可得到ξmax。理論模型的真正意義在于為實(shí)驗(yàn)提供方向性指導(dǎo)R與fr之間存在確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，由R可估計(jì)fr，且估計(jì)誤差也是可控制的。
三、信號(hào)處理單元3的直接閉環(huán)方式信號(hào)處理單元3中的閉環(huán)系統(tǒng)有兩種典型實(shí)施方式直接閉環(huán)方式和頻率掃描方式。
直接閉環(huán)方式采用經(jīng)典的閉環(huán)自激原理，此時(shí)，信號(hào)處理單元3由諧振頻率估計(jì)器6、反饋電路7、頻率檢測(cè)器8和綜合處理器9組成，反饋電路7由前置放大器10、跟蹤帶通濾波器11、移相器12、可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)13組成，如圖3所示。反饋電路7與諧振梁4構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，諧振梁4輸出的拾取信號(hào)vs經(jīng)反饋電路7處理后產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)vx反饋至諧振梁4vs經(jīng)前置放大器10放大得到信號(hào)v1，v1經(jīng)跟蹤帶通濾波器11濾波降噪得到信號(hào)v2，v2經(jīng)移相器12調(diào)節(jié)相位得到信號(hào)v3，v3經(jīng)VGA13調(diào)節(jié)幅度得到激勵(lì)信號(hào)vx。由于移相器12和VGA13的調(diào)節(jié)作用，閉環(huán)系統(tǒng)滿(mǎn)足眾所周知的“相位條件”和“幅度條件”，因而能維持閉環(huán)自激狀態(tài)，使諧振梁4處于諧振狀態(tài)。
跟蹤帶通濾波器11的作用是抑制噪聲，改善信噪比。由于諧振頻率fr隨被測(cè)量變化，通常至少為fr0±5％，fr0為中心頻率，若采用固定BPF(帶通濾波器)，為保證有用信號(hào)通過(guò)，BPF通帶[fC-fB，fc+fB]必須覆蓋fr的全部變化范圍fC-fB≤frmin≤0.95fr0fC+fB≥frmax≥1.05fr0這從根本上決定了固定BPF的通帶寬度2fB不可能很窄(2fB≥0.1fr0)，噪聲抑制效果也有限。因此采用中心頻率fC跟蹤fr變化的跟蹤帶通濾波器11，并根據(jù)F信息以如下公式確定中心頻率fC和半帶寬fBfC=(fmin+frmax)/2=fr*]]>fB=(frmax-frmin)/2=fr*·ξmax]]>顯然此fC和fB可滿(mǎn)足上述fC-fB≤fmin和。fC+fB≥fmax條件，且fB相當(dāng)窄。例如對(duì)于ξmax≤1％有2fB≤0.02fC，本專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員應(yīng)該清楚，此通帶寬度可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)可觀的SNIR(信噪比改善)指標(biāo)。
跟蹤帶通濾波器11的實(shí)現(xiàn)，可采用開(kāi)關(guān)電容濾波器或基于OTA(跨導(dǎo)運(yùn)算放大器)的可控濾波器，這些都屬于相關(guān)領(lǐng)域的常用成熟技術(shù)。
頻率檢測(cè)器8采用在若干信號(hào)周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)的方法測(cè)量激勵(lì)信號(hào)頻率，及諧振頻率，輸出至綜合處理器12。
綜合處理器12根據(jù)放大濾波后的拾取信號(hào)v2，的幅度計(jì)算并輸出幅度控制信號(hào)，調(diào)節(jié)VGA13的增益，實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的負(fù)反饋控制，使vs的幅度保持穩(wěn)定；綜合處理器12還根據(jù)傳感器的特性曲線(xiàn)(通過(guò)實(shí)測(cè)標(biāo)定獲得的諧振頻率-被測(cè)量關(guān)系曲線(xiàn))由諧振頻率計(jì)算被測(cè)量并輸出測(cè)量結(jié)果；綜合處理器12還對(duì)fr*、fr和v2幅度進(jìn)行綜合分析，以判斷傳感器的工作狀態(tài)是否正常；當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)失效，綜合處理器12利用下文所述的“外推方法”由fr*繼續(xù)計(jì)算被測(cè)量，以改善可靠性。
四、信號(hào)處理單元3的頻率掃描方式頻率掃描方式采用穩(wěn)態(tài)頻率掃描和互相關(guān)檢測(cè)原理，即以線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)vx使諧振梁振動(dòng)，并以穩(wěn)態(tài)頻率掃描信號(hào)vref為參考信號(hào)與拾取信號(hào)vs(實(shí)際采用放大的拾取信號(hào))進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算。由于互相關(guān)函數(shù)的基本性質(zhì)互相關(guān)運(yùn)算的輸出為反映與vref與vs的頻率相位關(guān)系的直流電壓信號(hào)，隨機(jī)噪聲的影響則被有效抑制，從而實(shí)現(xiàn)了噪聲背景下微弱信號(hào)的檢測(cè)。
通常，對(duì)于頻率未知的被測(cè)信號(hào)vs，為了利用互相關(guān)原理，必須在其最大可能頻率區(qū)間[fsmin，fsmax]內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)頻率掃描，即令參考信號(hào)vref的頻率fi以極細(xì)小步長(zhǎng)Δf從fsmin逐步遞增到fsmax
fi＝fsmin＋i·Δf，i＝0..N-1其中N＝(fsmax-fsmin)/Δfi，并在每個(gè)頻率fi下穩(wěn)定一段時(shí)間，完成互相關(guān)運(yùn)算ri＝Γ(vs，vref)，i＝0..N-1其中Γ表示互相關(guān)函數(shù)。因此可得到數(shù)據(jù)點(diǎn)序列{(ri，fi)|i＝0..N-1)，對(duì)該數(shù)據(jù)點(diǎn)序列進(jìn)行擬合即可得到ri-fi關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4。由該曲線(xiàn)極值點(diǎn)(rp，fp)即可獲得vs的幅度信息(vref幅度一定時(shí)，rp與vs成正比)和頻率信息fp，其中fp即微機(jī)械諧振子的諧振頻率fp＝fr。
微機(jī)械諧振子品質(zhì)因數(shù)很高，諧振峰寬度很窄，而Δf必須小于諧振峰寬度，如果掃描頻率范圍很寬，掃描點(diǎn)數(shù)必將很多，掃描時(shí)間之長(zhǎng)也可想而知。而在本發(fā)明中，已經(jīng)利用輔助敏感單元獲得了諧振頻率fr的最大可能區(qū)間F，以F＝[frmin，frmax]為頻率掃描區(qū)間可保證發(fā)現(xiàn)fr，且區(qū)間寬度為frmax-frmin=fr*·2ξmax≤0.02fr*]]>顯然掃描時(shí)間得到了有效控制。
由上述過(guò)程還可看出，由于采用頻率掃描互相關(guān)運(yùn)算，在檢測(cè)vs的同時(shí)已經(jīng)得到諧振頻率fr，故可省去頻率測(cè)量環(huán)節(jié)。
為實(shí)現(xiàn)上述工作原理，信號(hào)處理單元3由諧振頻率估計(jì)器6、前置放大器10、相關(guān)運(yùn)算器14、波形發(fā)生器15和綜合處理器16組成，如圖5所示。vs經(jīng)前置放大器10放大得到信號(hào)vl；波形發(fā)生器15在控制信號(hào)控制下產(chǎn)生vref；相關(guān)運(yùn)算器14對(duì)vref與vl進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到二者的互相關(guān)函數(shù)；波形發(fā)生器15同時(shí)輸出激勵(lì)信號(hào)vx使諧振梁產(chǎn)生振動(dòng)；綜合處理器16輸出控制信號(hào)，產(chǎn)生具有一系列頻率fi的vref，檢測(cè)相關(guān)運(yùn)算器14的運(yùn)算結(jié)果ri，獲得ri-fi關(guān)系曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)極值點(diǎn)(rp，fp)計(jì)算諧振頻率fr，并采用前述方法由fr計(jì)算被測(cè)量；綜合處理器16還對(duì)fr*、fr和rp進(jìn)行綜合分析，以判斷傳感器的工作狀態(tài)是否正常；當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)失效，綜合處理器16利用下文所述的“外推方法”由fr*繼續(xù)計(jì)算被測(cè)量，以改善可靠性。
五、如何利用輔助敏感單元改善可靠性正常工作時(shí)，顯然應(yīng)有fr∈F。但為防誤判可適當(dāng)放寬范圍，例如取G=
]]>并以fr∈G作為閉環(huán)自激系統(tǒng)正常工作的標(biāo)志，一旦發(fā)現(xiàn)frG(fr<0.95fr*]]>或fr>1.05fr*]]>)，即可確定閉環(huán)自激系統(tǒng)失效。通常閉環(huán)自激系統(tǒng)失效時(shí)都會(huì)發(fā)生停振(fr＝0)或明顯的頻率變化，故此判據(jù)是相當(dāng)靈敏的。
當(dāng)fr∈G，信號(hào)處理單元3只需根據(jù)拾取信號(hào)vs計(jì)算諧振頻率fr并求解被測(cè)量q。
當(dāng)frG，信號(hào)處理單元3向上層系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，并以fr*代替fr繼續(xù)求解被測(cè)量q。但通常諧振式傳感器測(cè)量精度可達(dá)0.01％～0.1％量級(jí)，而fr*精度僅為優(yōu)于1％，故采用“外推方法”對(duì)fr*進(jìn)行補(bǔ)償(1)設(shè)失效時(shí)刻為t0，取t0-ε時(shí)刻的fr(t0-ε)及fr*(t0-ε)，求二者之差，即初始誤差δ(t0-ϵ)=fr(t0-ϵ)-fr*(t0-ϵ)]]>，其中ε為一個(gè)很小的但保證t0-ε時(shí)刻未失效的時(shí)間間隔；(2)對(duì)于失效后的時(shí)間段(t0，t0+Tk]，繼續(xù)利用輔助敏感單元(壓阻網(wǎng)絡(luò))實(shí)時(shí)獲取fr*(t)，t∈(t0，t0+Tk]；(3)以初始誤差δ(t0-ε)補(bǔ)償fr*(t)，即以fr*(t)+δ(t0-ε)代替fr(t)繼續(xù)求解被測(cè)量q(t)，t∈(t0，t0+Tk)。
其原理為假設(shè)閉環(huán)自激系統(tǒng)未失效，由于諧振式敏感機(jī)理的固有特性，fr(t)是相當(dāng)穩(wěn)定性；雖然fr*精度較低，但只要材料工藝適當(dāng)，fr*(t)可在短期內(nèi)保持較高穩(wěn)定性；因此，二者之差δ(t)=fr(t)-fr*(t)]]>也將在短期內(nèi)保持較高穩(wěn)定性，故在時(shí)間段(t0，t0+Tk)內(nèi)有δ(t)≈δ(t0-ε)，t∈(t0，t0+Tk)，故fr(t)=fr*(t)+δ(t)≈fr*(t)+δ(t0-ϵ),t∈(t0,t0+Tk).]]>因此fr*(t)+δ(t0-ε)可作為“假設(shè)閉環(huán)自激系統(tǒng)未失效時(shí)的諧振頻率fr(t)”用于求解被測(cè)量q，并保持較高精度。
綜上，由于輔助信息fr*的存在，即使閉環(huán)自激系統(tǒng)永久或暫時(shí)失效，傳感器自身也能立即做出判別，并在一段時(shí)間內(nèi)利用fr*(t)繼續(xù)輸出精度略微降低的有效結(jié)果，上層系統(tǒng)或用戶(hù)可利用這段時(shí)間及時(shí)進(jìn)行故障排除或切換到備用傳感器，從而確保整個(gè)上層系統(tǒng)的連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
六、本發(fā)明所適用的具體場(chǎng)合本發(fā)明對(duì)傳感器的具體敏感機(jī)理未做限制，至少可用于目前常用的幾種諧振式測(cè)量器件諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器、諧振式硅微機(jī)械加速度計(jì)、諧振式硅微機(jī)械陀螺。這幾種器件的關(guān)鍵區(qū)別在于將被測(cè)量q轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振子諧振頻率fr的過(guò)程不同，而這個(gè)過(guò)程對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施并無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。
權(quán)利要求
1.具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于由一次敏感結(jié)構(gòu)(1)、諧振梁(4)、作為輔助敏感單元的壓阻網(wǎng)絡(luò)(5)和信號(hào)處理單元(3)組成，被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)(1)映射為諧振梁(4)的諧振頻率fr，信號(hào)處理單元(3)檢測(cè)諧振梁(4)輸出的拾取信號(hào)vs并向諧振梁(4)輸出激勵(lì)信號(hào)vx構(gòu)成閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)以維持其諧振狀態(tài)，并由vs計(jì)算諧振頻率fr，根據(jù)一次敏感結(jié)構(gòu)1和諧振梁4模型由fr求解q；被測(cè)量q通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)1同時(shí)映射為壓阻網(wǎng)絡(luò)(5)各電阻阻值R，信號(hào)處理單元(3)檢測(cè)各電阻阻值R的變化并據(jù)此求解諧振梁(4)諧振頻率估計(jì)值fr*；諧振頻率估計(jì)值fr*用于輔助拾取信號(hào)Vs的檢測(cè)、諧振頻率fr的計(jì)算和激勵(lì)信號(hào)vx的產(chǎn)生，從而有效解決微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，并改善傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的壓阻網(wǎng)絡(luò)(5)為一組電阻，這些電阻布置在一次敏感結(jié)構(gòu)1表面應(yīng)力集中處以獲得較大靈敏度，并分為阻值變化極性相反的兩組從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述被測(cè)量映射為壓阻網(wǎng)絡(luò)(5)阻值和諧振梁(4)諧振頻率的過(guò)程為一次敏感結(jié)構(gòu)1在被測(cè)量q作用下產(chǎn)生相應(yīng)彈性變形，其應(yīng)力場(chǎng)σ作用于壓阻網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生壓阻效應(yīng)使R變化，其應(yīng)變場(chǎng)ε改變諧振梁(4)的軸向應(yīng)力從而改變fr。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的信號(hào)處理單元3根據(jù)各電阻阻值R求解諧振頻率估計(jì)值fr*的方法為根據(jù)R與σ的對(duì)應(yīng)關(guān)系、σ與一次敏感結(jié)構(gòu)1彈性變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，及一次敏感結(jié)構(gòu)1彈性變形與fr的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立R與fr的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系即可由R推算fr的估計(jì)值fr*。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計(jì)值輔助拾取信號(hào)的檢測(cè)的一種方法為根據(jù)諧振頻率估計(jì)值fr*及其誤差限確定fr的可能范圍F＝[frmin，frmax]，根據(jù)F確定跟蹤帶通濾波器的最佳通帶，在不妨礙有用信號(hào)的前提下使通帶最小化，以此跟蹤帶通濾波器對(duì)拾取信號(hào)vs進(jìn)行濾波可獲得相當(dāng)高的信噪改善比SNIR。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計(jì)值輔助拾取信號(hào)的檢測(cè)的另一種方法為信號(hào)處理單元(3)利用互相關(guān)原理檢測(cè)拾取信號(hào)vs，即采用掃頻參考信號(hào)vref與vs進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算從而實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)，此時(shí)以F＝[frmin，frmax]為頻率掃描范圍，從而有效控制掃描時(shí)間，保證測(cè)量過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計(jì)值還可輔助諧振頻率的計(jì)算利用互相關(guān)原理，在檢測(cè)vs的同時(shí)還可得到vs頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計(jì)值還可輔助激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)處理單元(3)利用互相關(guān)原理檢測(cè)拾取信號(hào)vs時(shí)，激勵(lì)信號(hào)vx采用線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)，此時(shí)以F＝[frmin，frmax]為線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍，從而最大限度縮短激勵(lì)過(guò)程，保證測(cè)量過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，其特征在于所述的信號(hào)處理單元(3)利用fr及fr*之差及時(shí)判斷閉環(huán)自激振蕩系統(tǒng)的失效狀態(tài)并發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)繼續(xù)實(shí)時(shí)計(jì)算fr*，利用失效前的fr與fr*之差修正fr*，得到fr的更精確的估計(jì)值并代替fr以求解被測(cè)量q，從而在一段時(shí)間內(nèi)維持有效的輸出結(jié)果，提高可靠性。
全文摘要
具有輔助敏感單元的諧振式硅微機(jī)械傳感器，由一次敏感結(jié)構(gòu)、諧振梁、作為輔助敏感單元的壓阻網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)處理單元組成，被測(cè)量通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)映射為諧振梁的諧振頻率，信號(hào)處理單元檢測(cè)諧振梁輸出的拾取信號(hào)并向諧振梁輸出激勵(lì)信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)以維持其諧振狀態(tài)，由拾取信號(hào)計(jì)算諧振頻率，根據(jù)一次敏感結(jié)構(gòu)和諧振梁模型由諧振頻率求解被測(cè)量；同時(shí)被測(cè)量通過(guò)一次敏感結(jié)構(gòu)映射為壓阻網(wǎng)絡(luò)各電阻阻值，信號(hào)處理單元檢測(cè)各電阻阻值并據(jù)此求解諧振梁諧振頻率估計(jì)值；諧振頻率估計(jì)值用于輔助拾取信號(hào)的檢測(cè)、諧振頻率的計(jì)算和激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生，從而有效解決微弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題，并改善傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性。
文檔編號(hào)G01H11/08GK1987364SQ20061016557
公開(kāi)日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者樊尚春, 邢維巍, 蔡晨光, 莊海涵 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)