專利名稱：具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種以壓阻網絡為輔助敏感單元，以壓阻效應為輔助敏感效應的諧振式硅微機械傳感器的性能改進方法。
背景技術：
目前，現有的諧振式硅微機械傳感器由一次敏感結構1和諧振梁4構成傳統的諧振式硅微機械傳感器，被測量q通過一次敏感結構1映射為諧振梁4的諧振頻率fr，信號處理單元3檢測諧振梁4輸出的拾取信號vs并向諧振梁4輸出激勵信號vx構成閉環自激振蕩系統以維持其諧振狀態，同時由vs計算諧振頻率fr并由fr求解q。這種諧振式硅微機械傳感器通常面臨三個關鍵技術問題微弱振動拾取信號的檢測問題——硅微機械傳感器輸出的振動拾取信號通常不到微伏(μV)量級；動態響應問題——頻率信號的精確檢測需要一定時間；閉環自激系統的可靠性問題——閉環系統環節較多，工作條件要求較苛刻，可靠性不如開環的硅壓阻傳感器。尤其是當技術條件還不足以實現敏感結構與處理電路的單片集成的時候，這三個問題更為突出。
發明內容
本發明解決的技術問題為解決上述微弱信號檢測、動態響應和可靠性問題，提出一種以壓阻效應為輔助敏感效應，利用組合敏感原理改善相關性能的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器。
本發明的技術解決方案具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，包括一次敏感結構、諧振梁、作為輔助敏感單元的壓阻網絡和信號處理單元；一次敏感結構和諧振梁構成傳統的諧振式硅微機械傳感器，被測量q通過一次敏感結構映射為諧振梁的諧振頻率fr，信號處理單元檢測諧振梁輸出的拾取信號vs并向諧振梁輸出激勵信號vx構成閉環自激振蕩系統以維持其諧振狀態，同時由vs計算諧振頻率fr并由fr求解q；在傳統的諧振式硅微機械傳感器結構上新增壓阻網絡作為輔助敏感單元，被測量q通過一次敏感結構1映射為壓阻網絡各電阻阻值R，信號處理單元檢測各電阻阻值R并據此求解諧振梁諧振頻率估計值fr*；諧振頻率估計值fr*用于輔助拾取信號vs的檢測、諧振頻率fr的計算和激勵信號vx的產生，從而有效解決微弱信號檢測問題，并改善傳感器系統的動態響應和可靠性。
本發明的原理本發明核心思想為冗余信息原理，即設法獲得額外的輔助信息從而改善對于目標信息的處理，這比任何僅針對目標信息本身的處理技術都更加有效，因為對于任何一個信息處理系統，有效的信息來源越多，其處理結果便越可信，而且只要方法適當，處理過程也可以加快。
但只有適當的冗余信息才具有上述優化作用。對于諧振式傳感器，最重要的工作參數就是諧振頻率fr。如果能不依賴閉環系統而“提前”獲得關于fr的冗余信息，對于后續的信號檢測和閉環反饋的實現，將是非常有利的。具體到本發明，就是在諧振式硅微機械傳感器原有結構上增加簡單的輔助敏感單元(壓阻網絡)，利用其壓阻效應估測fr，得到其估計值fr*。
獲得fr*的具體方法為根據有關理論，可以分別建立壓阻效應敏感模型(R與σ的映射關系)、一次敏感結構敏感模型(σ與一次敏感結構1彈性變形的映射關系)、諧振梁敏感模型(一次敏感結構1彈性變形與fr的映射關系)，聯合這三個敏感模型即可推導出R與fr的映射關系，此即輔助敏感效應模型(因電阻的溫度特性，模型中通常還包含溫度參數T)。理論上檢測出R即可根據輔助敏感效應模型求出fr。實踐中由于器件參數的誤差與漂移，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，即諧振頻率估計值fr*。
fr*的誤差量級是可以估計的。通過分析可以估計模型的誤差量級(如建模過程中忽略的高階小量的量級，及線性假設帶來的最大誤差)，根據有關設計要求及工藝條件(如所用加工設備的性能指標)也可估計器件參數的誤差范圍，綜合二者即可得到fr*的相對于fr的最大相對誤差ξmax。
根據fr*和ξmax可確定諧振頻率fr的最大可能區間F=[frmin,frmax]=[fr*·(1-ξmax),fr*·(1+ξmax)]]]>現有技術條件下可以做到ξmax≤1％(市售硅壓阻傳感器產品精度已經可以達到0.2％量級)，故F⋐
.]]>fr*、ξmax及F在本發明的不同實施方式中都具有重要作用。
利用F可以有效解決微弱振動拾取信號vs的檢測問題。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vref的頻率掃描范圍，對vref和vs進行互相關運算，從而利用互相關原理在最短時間內完成vs的檢測。由于互相關函數的固有性質，在完成vs的檢測的同時即可得到其頻率，從而省去單獨的頻率測量過程。
當以線性調頻信號為激勵信號時，以F為線性調頻信號的頻率范圍，可以在確保實現激勵的前提下最大限度縮短激勵過程。
通過比較fr及fr*，可以及時判斷閉環自激振蕩系統的失效狀態并發出報警信息。
通過繼續實時計算fr*，利用失效前的fr與fr*之差修正fr*，得到fr的更精確的估計值并代替fr以求解被測量q，從而在一段時間內維持有效的輸出結果，從而提高系統的可靠性。
本發明與現有技術相比的優點本發明以輔助敏感單元(壓阻網絡)獲取冗余信息，改善對于目標信息的處理，使微弱信號的檢測更容易，處理結果更可信，處理過程也得以加快。從工藝角度，硅微機械傳感器采用MEMS技術，在芯片上增加幾個電阻元件的成本相當低，并且，所針對的硅微機械傳感器有時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幾個窗口，由于光刻腐蝕技術的特點，此時所需輔助信息根本不增加成本。
圖1為本發明的基本原理框圖；圖2為本發明應用于諧振式硅微機械壓力傳感器的實施例；圖3為本發明的直接閉環方式的原理框圖；圖4為互相關函數與參考頻率關系曲線；圖5為本發明的頻率掃描方式的原理框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，一次敏感結構1和諧振梁4構成傳統的諧振式硅微機械傳感器，被測量q通過一次敏感結構1映射為諧振梁4的諧振頻率fr，信號處理單元3檢測諧振梁4輸出的拾取信號vs并向諧振梁4輸出激勵信號vx構成閉環自激振蕩系統以維持其諧振狀態。
本發明屬于對已有的諧振式硅微機械傳感器的改進，故一次敏感結構1和諧振梁4仍保持原有的設計，不再進行贅述。本發明的關鍵在于在原有結構上增加輔助敏感單元，即壓阻網絡5。
具體實施中，需考慮如下幾個方面的問題。
一、輔助敏感單元——壓阻網絡5的實施方式關于壓阻網絡5的設計，關鍵在于將各電阻布置在一次敏感結構1表面應力集中處以獲得較大靈敏度，并設法使這些電阻分為阻值變化極性相反的兩組從而實現差動檢測。設計中所需的彈性力學理論，包括彈性膜片和彈性梁等理論，都已經很成熟；設計過程可借助擁有豐富素材庫的計算機輔助設計軟件工具(如ANSYS、CoventorWare等)實現。并且，本發明中的壓阻網絡5的工作原理與硅壓阻式壓力傳感器(擴散硅壓力傳感器)的基本敏感原理非常相似，后者經過40余年的發展，已經形成了一整套成熟的設計方法并積累了大量經驗。采用本發明方法進行具體產品設計的技術人員應當有能力參考借鑒這些技術積累，實現壓阻網絡5的優化設計。
圖2為典型的諧振式硅微機械壓力傳感器結構，當本發明內容應用于該傳感器時，需在原有結構的彈性膜片邊緣增加兩個互相垂直的細長電阻Rx和Ry，并在結構上的零應力區設置溫度補償電阻RT。在彈性膜片應力場σ作用下，Rx和Ry均發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。利用輔助敏感效應模型可分別列出Rx和Ry與fr的關系方程(包含溫度參數T)，利用擴散電阻溫度特性可列出RT與T關系方程，聯合這幾個方程求解，即可得到fr的估計值fr*。若Rx和Ry各有一對，則4個電阻可構成電橋，簡化檢測電路的設計。
關于壓阻網絡5的制造工藝，可以采用擴散電阻或金屬薄膜電阻。如果諧振式硅微機械傳感器原先就已經具有電阻元件，則新增的壓阻網絡應采用與之相同的工藝，從而避免增加新的工藝步驟，此時因增加輔助敏感單元而帶來的附加成本為零。
二、信號處理單元3的公共環節信號處理單元3的不同實施方式具有共同的環節-前置放大器10和諧振頻率估計器6。
前置放大器10對諧振梁4輸出的微弱的拾取信號vs進行初步放大。前置放大器10應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中的噪聲。低噪聲放大電路的實現屬于本領域相對獨立的專門技術，此處不再贅述。
諧振頻率估計器6的功能為檢測R，并根據輔助敏感效應模型，由R和RT求解fr*。R的檢測采用常規的恒流法，即在電阻中通過標準恒定電流，并測量其兩端電壓，或在電阻電橋中通過標準恒定電流，并測量其差動輸出電壓。fr*的求解也無需復雜的計算，可采用常規的查表法根據輔助敏感效應模型建立合適的R-fr*關系數據表格，并保存在ROM中，計算時根據所測得R數值從表格中取出合適數據點并進行插值即可得到對應fr*。
實踐中所用的輔助敏感效應模型并不采用前文所述理論推導方法獲得，而是采用實測標定方法獲得以校驗儀器對傳感器施加標準輸入，以標準儀器測量各輸入下的R與fr數據，對各數據點進行曲線擬合，即可得到R-fr關系。對大量實驗數據進行誤差分析還可得到ξmax。理論模型的真正意義在于為實驗提供方向性指導R與fr之間存在確定對應關系，由R可估計fr，且估計誤差也是可控制的。
三、信號處理單元3的直接閉環方式信號處理單元3中的閉環系統有兩種典型實施方式直接閉環方式和頻率掃描方式。
直接閉環方式采用經典的閉環自激原理，此時，信號處理單元3由諧振頻率估計器6、反饋電路7、頻率檢測器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、可變增益放大器(VGA)13組成，如圖3所示。反饋電路7與諧振梁4構成閉環系統，諧振梁4輸出的拾取信號vs經反饋電路7處理后產生激勵信號vx反饋至諧振梁4vs經前置放大器10放大得到信號v1，v1經跟蹤帶通濾波器11濾波降噪得到信號v2，v2經移相器12調節相位得到信號v3，v3經VGA13調節幅度得到激勵信號vx。由于移相器12和VGA13的調節作用，閉環系統滿足眾所周知的“相位條件”和“幅度條件”，因而能維持閉環自激狀態，使諧振梁4處于諧振狀態。
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)，為保證有用信號通過，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可滿足上述fC-fB≤fmin和。fC+fB≥fmax條件，且fB相當窄。例如對于ξmax≤1％有2fB≤0.02fC，本專業技術人員應該清楚，此通帶寬度可以實現相當可觀的SNIR(信噪比改善)指標。
跟蹤帶通濾波器11的實現，可采用開關電容濾波器或基于OTA(跨導運算放大器)的可控濾波器，這些都屬于相關領域的常用成熟技術。
頻率檢測器8采用在若干信號周期內對標準參考時鐘計數的方法測量激勵信號頻率，及諧振頻率，輸出至綜合處理器12。
綜合處理器12根據放大濾波后的拾取信號v2，的幅度計算并輸出幅度控制信號，調節VGA13的增益，實現信號幅度的負反饋控制，使vs的幅度保持穩定；綜合處理器12還根據傳感器的特性曲線(通過實測標定獲得的諧振頻率-被測量關系曲線)由諧振頻率計算被測量并輸出測量結果；綜合處理器12還對fr*、fr和v2幅度進行綜合分析，以判斷傳感器的工作狀態是否正常；當閉環系統失效，綜合處理器12利用下文所述的“外推方法”由fr*繼續計算被測量，以改善可靠性。
四、信號處理單元3的頻率掃描方式頻率掃描方式采用穩態頻率掃描和互相關檢測原理，即以線性調頻信號為激勵信號vx使諧振梁振動，并以穩態頻率掃描信號vref為參考信號與拾取信號vs(實際采用放大的拾取信號)進行互相關運算。由于互相關函數的基本性質互相關運算的輸出為反映與vref與vs的頻率相位關系的直流電壓信號，隨機噪聲的影響則被有效抑制，從而實現了噪聲背景下微弱信號的檢測。
通常，對于頻率未知的被測信號vs，為了利用互相關原理，必須在其最大可能頻率區間[fsmin，fsmax]內進行穩態頻率掃描，即令參考信號vref的頻率fi以極細小步長Δf從fsmin逐步遞增到fsmax
fi＝fsmin＋i·Δf，i＝0..N-1其中N＝(fsmax-fsmin)/Δfi，并在每個頻率fi下穩定一段時間，完成互相關運算ri＝Γ(vs，vref)，i＝0..N-1其中Γ表示互相關函數。因此可得到數據點序列{(ri，fi)|i＝0..N-1)，對該數據點序列進行擬合即可得到ri-fi關系曲線，如圖4。由該曲線極值點(rp，fp)即可獲得vs的幅度信息(vref幅度一定時，rp與vs成正比)和頻率信息fp，其中fp即微機械諧振子的諧振頻率fp＝fr。
微機械諧振子品質因數很高，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，掃描點數必將很多，掃描時間之長也可想而知。而在本發明中，已經利用輔助敏感單元獲得了諧振頻率fr的最大可能區間F，以F＝[frmin，frmax]為頻率掃描區間可保證發現fr，且區間寬度為frmax-frmin=fr*·2ξmax≤0.02fr*]]>顯然掃描時間得到了有效控制。
由上述過程還可看出，由于采用頻率掃描互相關運算，在檢測vs的同時已經得到諧振頻率fr，故可省去頻率測量環節。
為實現上述工作原理，信號處理單元3由諧振頻率估計器6、前置放大器10、相關運算器14、波形發生器15和綜合處理器16組成，如圖5所示。vs經前置放大器10放大得到信號vl；波形發生器15在控制信號控制下產生vref；相關運算器14對vref與vl進行互相關運算，得到二者的互相關函數；波形發生器15同時輸出激勵信號vx使諧振梁產生振動；綜合處理器16輸出控制信號，產生具有一系列頻率fi的vref，檢測相關運算器14的運算結果ri，獲得ri-fi關系曲線，由曲線極值點(rp，fp)計算諧振頻率fr，并采用前述方法由fr計算被測量；綜合處理器16還對fr*、fr和rp進行綜合分析，以判斷傳感器的工作狀態是否正常；當閉環系統失效，綜合處理器16利用下文所述的“外推方法”由fr*繼續計算被測量，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，顯然應有fr∈F。但為防誤判可適當放寬范圍，例如取G=
]]>并以fr∈G作為閉環自激系統正常工作的標志，一旦發現frG(fr<0.95fr*]]>或fr>1.05fr*]]>)，即可確定閉環自激系統失效。通常閉環自激系統失效時都會發生停振(fr＝0)或明顯的頻率變化，故此判據是相當靈敏的。
當fr∈G，信號處理單元3只需根據拾取信號vs計算諧振頻率fr并求解被測量q。
當frG，信號處理單元3向上層系統發出報警信息，并以fr*代替fr繼續求解被測量q。但通常諧振式傳感器測量精度可達0.01％～0.1％量級，而fr*精度僅為優于1％，故采用“外推方法”對fr*進行補償(1)設失效時刻為t0，取t0-ε時刻的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為一個很小的但保證t0-ε時刻未失效的時間間隔；(2)對于失效后的時間段(t0，t0+Tk]，繼續利用輔助敏感單元(壓阻網絡)實時獲取fr*(t)，t∈(t0，t0+Tk]；(3)以初始誤差δ(t0-ε)補償fr*(t)，即以fr*(t)+δ(t0-ε)代替fr(t)繼續求解被測量q(t)，t∈(t0，t0+Tk)。
其原理為假設閉環自激系統未失效，由于諧振式敏感機理的固有特性，fr(t)是相當穩定性；雖然fr*精度較低，但只要材料工藝適當，fr*(t)可在短期內保持較高穩定性；因此，二者之差δ(t)=fr(t)-fr*(t)]]>也將在短期內保持較高穩定性，故在時間段(t0，t0+Tk)內有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“假設閉環自激系統未失效時的諧振頻率fr(t)”用于求解被測量q，并保持較高精度。
綜上，由于輔助信息fr*的存在，即使閉環自激系統永久或暫時失效，傳感器自身也能立即做出判別，并在一段時間內利用fr*(t)繼續輸出精度略微降低的有效結果，上層系統或用戶可利用這段時間及時進行故障排除或切換到備用傳感器，從而確保整個上層系統的連續正常運轉。
六、本發明所適用的具體場合本發明對傳感器的具體敏感機理未做限制，至少可用于目前常用的幾種諧振式測量器件諧振式硅微機械壓力傳感器、諧振式硅微機械加速度計、諧振式硅微機械陀螺。這幾種器件的關鍵區別在于將被測量q轉變為諧振子諧振頻率fr的過程不同，而這個過程對于本發明的實施并無實質性影響。
權利要求
1.具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于由一次敏感結構(1)、諧振梁(4)、作為輔助敏感單元的壓阻網絡(5)和信號處理單元(3)組成，被測量q通過一次敏感結構(1)映射為諧振梁(4)的諧振頻率fr，信號處理單元(3)檢測諧振梁(4)輸出的拾取信號vs并向諧振梁(4)輸出激勵信號vx構成閉環自激振蕩系統以維持其諧振狀態，并由vs計算諧振頻率fr，根據一次敏感結構1和諧振梁4模型由fr求解q；被測量q通過一次敏感結構1同時映射為壓阻網絡(5)各電阻阻值R，信號處理單元(3)檢測各電阻阻值R的變化并據此求解諧振梁(4)諧振頻率估計值fr*；諧振頻率估計值fr*用于輔助拾取信號Vs的檢測、諧振頻率fr的計算和激勵信號vx的產生，從而有效解決微弱信號檢測問題，并改善傳感器系統的動態響應和可靠性。
2.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的壓阻網絡(5)為一組電阻，這些電阻布置在一次敏感結構1表面應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現差動檢測。
3.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述被測量映射為壓阻網絡(5)阻值和諧振梁(4)諧振頻率的過程為一次敏感結構1在被測量q作用下產生相應彈性變形，其應力場σ作用于壓阻網絡，產生壓阻效應使R變化，其應變場ε改變諧振梁(4)的軸向應力從而改變fr。
4.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的信號處理單元3根據各電阻阻值R求解諧振頻率估計值fr*的方法為根據R與σ的對應關系、σ與一次敏感結構1彈性變形的對應關系，及一次敏感結構1彈性變形與fr的對應關系建立R與fr的對應關系，根據此關系即可由R推算fr的估計值fr*。
5.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計值輔助拾取信號的檢測的一種方法為根據諧振頻率估計值fr*及其誤差限確定fr的可能范圍F＝[frmin，frmax]，根據F確定跟蹤帶通濾波器的最佳通帶，在不妨礙有用信號的前提下使通帶最小化，以此跟蹤帶通濾波器對拾取信號vs進行濾波可獲得相當高的信噪改善比SNIR。
6.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計值輔助拾取信號的檢測的另一種方法為信號處理單元(3)利用互相關原理檢測拾取信號vs，即采用掃頻參考信號vref與vs進行互相關運算從而實現微弱信號檢測，此時以F＝[frmin，frmax]為頻率掃描范圍，從而有效控制掃描時間，保證測量過程的動態響應。
7.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計值還可輔助諧振頻率的計算利用互相關原理，在檢測vs的同時還可得到vs頻率。
8.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的諧振頻率估計值還可輔助激勵信號的產生信號處理單元(3)利用互相關原理檢測拾取信號vs時，激勵信號vx采用線性調頻信號，此時以F＝[frmin，frmax]為線性調頻信號的頻率范圍，從而最大限度縮短激勵過程，保證測量過程的動態響應。
9.根據權利要求1所述的具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，其特征在于所述的信號處理單元(3)利用fr及fr*之差及時判斷閉環自激振蕩系統的失效狀態并發出報警信息，同時繼續實時計算fr*，利用失效前的fr與fr*之差修正fr*，得到fr的更精確的估計值并代替fr以求解被測量q，從而在一段時間內維持有效的輸出結果，提高可靠性。
全文摘要
具有輔助敏感單元的諧振式硅微機械傳感器，由一次敏感結構、諧振梁、作為輔助敏感單元的壓阻網絡和信號處理單元組成，被測量通過一次敏感結構映射為諧振梁的諧振頻率，信號處理單元檢測諧振梁輸出的拾取信號并向諧振梁輸出激勵信號構成閉環系統以維持其諧振狀態，由拾取信號計算諧振頻率，根據一次敏感結構和諧振梁模型由諧振頻率求解被測量；同時被測量通過一次敏感結構映射為壓阻網絡各電阻阻值，信號處理單元檢測各電阻阻值并據此求解諧振梁諧振頻率估計值；諧振頻率估計值用于輔助拾取信號的檢測、諧振頻率的計算和激勵信號的產生，從而有效解決微弱信號檢測問題，并改善傳感器系統的動態響應和可靠性。
文檔編號G01H11/08GK1987364SQ20061016557
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者樊尚春, 邢維巍, 蔡晨光, 莊海涵 申請人:北京航空航天大學