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。
3·1·1 正弦波振荡器
由于激励正弦波信号频率较低,为2~6kHz,因此采用改进型的文氏电桥振荡器,如图3a.其特点是用一串联电位器即可方便实现频率改变。取A1反相端a为断点,A2反相端o为虚地。正反馈通道由R、C元件(Z1、Z2)组成,正反馈系数为
由式(6)知,改变R1即可改变f0,且不破坏振荡条件,频率调节方便。
3·1·2 VCA放大器
根据系统要求,为维持传感器输出信号幅度不变,要控制系统输出激励正弦波的幅度,故在文氏振荡器后加入一VCA(电压控制增益)放大器。通常VCA放大器用JFET作压控器件,利用JFET在小信号情况下的压控电阻特性,将其作为一可变电阻RJ接入反馈支路中,改变栅极偏压即可改变增益,如图3b.放大器增益为
3·1·3 带通滤波器
其电路如图3c.此滤波器的选频回路与文氏电桥振荡器十分相似,而文氏振荡器的振荡条件为
在信号输入后,只有位于电桥中心频率的信号才被放大,其它频率信号都被衰减,实现带通滤波。
3·1·4 差分放大器
采用三运放构成的改进型差分放大器,其总差动增益取为1000。
3·1·5 检波器
把硅二极管接入运放反馈环路中,如图3d所示,以实现精密检波。检波器转移特性为
在对该模块单元电路分析的基础上,针对闭环系统整体,运用信号与系统的有关知识,根据反馈理论,通过计算和尝试,从电路结构上消除了不稳定极点的存在,使得闭环系统实现稳定控制〔1〕。
3·2 A/D转换及译码显示模块
A/D转换部分采用INTERSIL的ICL7109作为A/D转换器件,它是双积分型12位二进制码的ADC.经7109进行A/D转换成的二进制码仅表示系统输出激励正弦波幅度的大小。要实现测量,必须把二进制码转换成可显示的气压值。为此,系统中采用一个E-PROM来译码,同时附加扫描显示器件。电路如图4。
由7109输出端的12根数码线送至27128的A3~A13作为地址,进行二进制码到气压值的译码。同时振荡分频器4060的Q4、Q6接入27128的A0、A1作为扫描译码,2~4译码器4555将4060的Q4、Q6译码后经三极管驱动数码管的公共端。其工作原理如下:A/D转换结束后,12根数据线作为高位地址经27128译码,27128输出作为BCD码驱动数码管显示数据。同时4060不断振荡,使EPROM的低二位地址线不断重复变换,使输出数据不断变成显示的高低位。4555将低二位地址译码后,驱动相应数码管点亮,使输出数据与数码管相对应,从而显示完整的气压值。
3·3 数字频率计模块
6位数字频率计采用已成熟的设计思路,主要用数字模块电路来实现。
4 结果
试制成功的真空仪的电源为220V~,功率为8W,测量范围接近102~10-1Pa,对气压变化反应灵敏,响应速度为十几毫秒。图5为激励信号电压峰峰值VP-P与气压值P之间的关系曲线。
在理论分析基础上,研制成功配合于硅微机械谐振式悬臂梁传感器的新型稳幅式闭环真空测量仪。该测量仪工作稳定,有利于保护传感器;测量精度较高,测量范围接近102~10-1Pa.随着传感器性能的提高,其测量范围还有望进一步扩大。
参考文献
1 (美)A. V.奥本海姆等著.钱忠良,徐建勋,陈孝榕等译.信号与系统.杭州:浙江科学技术出版社, 1991:536~572.
本文作者：金心宇 张 昱 周绮敏 王跃林
