【摘 要】
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封装和测试是研制谐振式MEMS压力传感器的两个重要环节,决定着传感器能否最终成为一个完整的功能器件。本文对电磁激励谐振式MEMS压力传感器的真空封装、应力隔离、闭环控制
【出 处】
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中国科学院研究生院 中国科学院大学
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封装和测试是研制谐振式MEMS压力传感器的两个重要环节,决定着传感器能否最终成为一个完整的功能器件。本文对电磁激励谐振式MEMS压力传感器的真空封装、应力隔离、闭环控制电路、测试系统及压力测试仪表的设计和研制进行了研究。
通过对双端固支谐振梁的理论分析,得出了电磁激励谐振式MEMS传感器检测振动速度的谐振频率,具有无相移、无频差的优点。推导了电磁激励的激振.拾振模型,同时分析了谐振器非线性振动特性和基于压力膜敏感特性的差频检测原理。最后介绍了双端固支“H”型谐振梁的传感器结构。
利用有限元方法,系统地分析和优化了传感器真空密封结构和机械支撑结构。提出了基于硅片缓冲层的应力隔离方案,并仿真计算了传感器的温度特性。
在采用开环测试分析传感器非线性振动特性的基础上,设计了具有自动增益控制功能的传感器闭环自激电路,使得传感器在变阻尼的环境下可以实现恒幅振动,从而避免了非线性振动。设计了基于模拟乘法器的差频检测电路和基于单稳态触发器的频压转换电路。
利用自主搭建的传感器测试平台,系统地测试了传感器各项性能参数。测试结果表明传感器系统具有较高的性能:真空密封性良好,长时间观察传感器输出,未见明显漂移;传感器非线性度优于0.07%;两小时内,传感器零位输出漂移低于0.00012F.S.;传感器的温度漂移低于0.0005F.S.,该数值与理论计算的温漂基本吻合,经过温度补偿后的传感器温漂进一步降低;传感器具有较好的抗振动和抗冲击能力。
采用电磁激励谐振式MEMS压力传感器为敏感器件,初步设计和研制了压力测试仪。利用嵌入式系统实现了在便携设备上对传感器输出信号的温度补偿、实时显示和与PC通信的功能。初步实现了传感器应用系统的小型化和自动化。
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