一种高精度制造技术

本发明专利技术涉及一种高精度

【技术实现步骤摘要】
一种高精度MEMS硅谐振压力传感器数字化调试装置及其调试方法


[0001]本专利技术涉及
MEMS
压力传感器
，具体是一种高精度
MEMS
硅谐振压力传感器数字化调试方法
。

技术介绍

[0002]压力传感器是将被测压力转换成电信号的一种传感器，其中
MEMS
硅谐振压力传感器是一种基于
MEMS
谐振器闭环控制原理，直接输出频率电信号表征待测压力的传感器
。MEMS
硅谐振压力传感器是目前综合精度最高的压力传感器，因其具有精度高
、
稳定性好
、
频率输出抗干扰能力强等优点，被广泛应用在航空大气数据测量系统
、
地面压力控制器和气象测量设备中
。
[0003]MEMS
硅谐振压力传感器一般由传感器敏感结构和接口电路两部分组成
。
在微纳制造
MEMS
硅谐振压力传感器敏感结构时，会难以避免出现加工误差，易造成敏感结构的谐振频率
、
灵敏度和温度特性存在偏差，以及输出非线性等非理想因素，导致传感器敏感结构的参数一致性不好，存在不同程度的个体差异
。
因此需要在压力传感器敏感结构和接口电路整表调试过程中，根据传感器敏感结构的参数特性，相应地调整传感器接口电路的电性能指标，使得敏感结构与接口电路参数设计匹配，从而实现整个硅谐振压力传感器闭环系统稳幅
‑
稳频控制
。r/>[0004]经过对现有专利检索，中国专利
《
一种硅谐振压力传感器的补偿方法
》(
公开号
CN106932125B)
，利用单片机定时器对硅谐振压力传感器进行同步频率测量，实现同步采集两个谐振器的频率，提高了压力传感器的测量精度，同时采用最小二乘支持向量机的非线性模型实现全温度全压力范围内的温度补偿
。
该方法用于传感器整表温度性能和非线性等标定补偿环节，属于后道调试工序；而本专利专利技术申请主要用于压力传感器敏感结构与接口电路的整表调试环节，可实现传感器敏感结构与接口电路之间的参数快速适配，属于前道调试工序
。
传统的传感器整表调试多采用反复更换接口电路中电阻器和电容器的方法，以实现参数的适配
。
该调试方法成本较高，并且调试效率较低，不适用于传感器大规模工程化生产环节
。
未见有其他与本申请专利类似的高精度
MEMS
硅谐振压力传感器整表调试方法
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种高精度
MEMS
硅谐振压力传感器数字化调试装置及调试方法，通过数字化方式调整接口电路的电性能参数指标，使其与传感器敏感结构参数匹配，同时完成接口电路电性能参数固化，以及修调系数的片上存储，从而实现整个硅谐振压力传感器闭环控制和稳定工作，大幅提升传感器敏感结构和接口电路的参数指标适配性
、
传感器整表的可调性和工程适用性，从而有效降低传感器整表调试时间和成本
。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
一
、
一种高精度
MEMS
硅谐振压力传感器数字化调试装置，其特征在于由硅谐振压力传感器敏感结构
、
单片接口电路
、
测量设备
、FPGA/MCU
控制板和上位机控制模块组成；所述上位机控制模块包括试写控制模块
、
读取控制模块和烧写控制模块三部分；所述单片接口电路由电容检测电路
、
峰值检测电路
、PI
控制电路
、
移相电路和驱动电路
、
高压电荷泵和温度传感器
、
滤波电路
、
方波信号电路
、
频率输出电路和齐纳击穿管修调单元阵列组成；电容检测电路将硅谐振压力传感器敏感结构电容变化量转化为正弦电压信号，正弦信号经过峰值检测电路与
PI
控制电路实现全波整流和稳幅控制，最终由移相电路和驱动电路产生静电激励电压信号，并将其反馈作用至硅谐振压力传感器敏感结构，实现整个谐振闭环的稳幅
‑
稳频控制；另一路正弦测信号通过滤波电路
、
方波信号电路和频率输出电路，将正弦信号转换为方波信号，输出表征传感器检测压力值大小的频率信号至测量设备；高压电荷泵和温度传感器提供了直流高电压和温度信息，用于提高和补偿压力传感器的检测灵敏度；齐纳击穿管修调单元阵列，由一组齐纳击穿管修调单元组成，可对单片接口电路中各个功能模块的参数指标进行修调，包括环路增益
、
环路相位补偿
、
滤波特性
、
激励电压幅值和比例积分系数；2）
、
所述齐纳击穿管修调单元，由试写模块
、
烧写模块和读取模块三部分组成：试写模块包括第1反相器和第2反相器
、
第3反相器和第4反相器分别组成状态锁存器，与第1开关管
~
第8开关管共同构成寄存器，其中第1反相器和第2反相器输入输出端互连，第1开关管的源极接地
、
漏极连接于第2开关管的源极，第2开关管的源极连接第1反相器的输入端，第1反相器的输出端连接第3开关管的源极，第3开关管的漏极连接第4开关管的源极，第4开关管的漏极接地，第
1、
第4开关管的栅极分别为数据输入
+
端和数据输入
–
端，第
2、
第3开关管的栅极分别为试写控制
A
；第3反相器和第4反相器输入输出端互连，第5开关管的源极接第3反相器的输入端
、
漏极连接于第6开关管的源极，第6开关管的漏极接地，第7开关管的源极接地
、
漏极接第8开关管的源极，第8开关管的漏极接第3反相器的输出端作为单元输出端，第
5、
第8开关的栅极分别为试写控制
B
，第
6、
第7开关管的栅极分别连接第1反相器的输入端和输出端；烧写模块由与门
、
第
14
开关管
、
齐纳击穿管
、
电阻器
、
第
13
开关管
、
大电流通道电源和逻辑电平电源组成，与门的一个输入端连接第3反相器的输出端
、
另一个输入端为烧写控制
Z
，与门的输出端连接第
14
开关管的栅极，第
14
开关管的漏极连接齐纳击穿管的阳极
、
源极接地，齐纳击穿管的阴极连接大电流通道电源和逻辑电平电源，电阻器的一端接第
14
开关管的漏极
、
另本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高精度
MEMS
硅谐振压力传感器数字化调试装置，其特征在于由硅谐振压力传感器敏感结构
、
单片接口电路
、
测量设备
、FPGA/MCU
控制板和上位机控制模块组成；所述上位机控制模块包括试写控制模块
、
读取控制模块和烧写控制模块三部分；所述单片接口电路由电容检测电路
、
峰值检测电路
、PI
控制电路
、
移相电路和驱动电路
、
高压电荷泵和温度传感器
、
滤波电路
、
方波信号电路
、
频率输出电路和齐纳击穿管修调单元阵列组成；电容检测电路将硅谐振压力传感器敏感结构电容变化量转化为正弦电压信号，正弦信号经过峰值检测电路与
PI
控制电路实现全波整流和稳幅控制，最终由移相电路和驱动电路产生静电激励电压信号，并将其反馈作用至硅谐振压力传感器敏感结构，实现整个谐振闭环的稳幅
‑
稳频控制；另一路正弦测信号通过滤波电路
、
方波信号电路和频率输出电路，将正弦信号转换为方波信号，输出表征传感器检测压力值大小的频率信号至测量设备；高压电荷泵和温度传感器提供了直流高电压和温度信息，用于提高和补偿压力传感器的检测灵敏度；齐纳击穿管修调单元阵列，由一组齐纳击穿管修调单元组成，可对单片接口电路中各个功能模块的参数指标进行修调，包括环路增益
、
环路相位补偿
、
滤波特性
、
激励电压幅值和比例积分系数，2）
、
所述齐纳击穿管修调单元，由试写模块
、
烧写模块和读取模块三部分组成；试写模块包括第1反相器和第2反相器
、
第3反相器和第4反相器分别组成状态锁存器，与第1开关管
~
第8开关管共同构成寄存器，其中第1反相器和第2反相器输入输出端互连，第1开关管的源极接地
、
漏极连接于第2开关管的源极，第2开关管的源极连接第1反相器的输入端，第1反相器的输出端连接第3开关管的源极，第3开关管的漏极连接第4开关管的源极，第4开关管的漏极接地，第
1、
第4开关管的栅极分别为数据输入
+
端和数据输入
–
端，第
2、
第3开关管的栅极分别为试写控制
A
；第3反相器和第4反相器输入输出端互连，第5开关管的源极接第3反相器的输入端
、
漏极连接于第6开关管的源极，第6开关管的漏极接地，第7开关管的源极接地
、
漏极接第8开关管的源极，第8开关管的漏极接第3反相器的输出端作为单元输出端，第
5、
第8开关的栅极分别为试写控制
B
，第
6、
第7开关管的栅极分别连接第1反相器的输入端和输出端；烧写模块由与门
、
第
14
开关管
、
齐纳击穿管
、
电阻器
、
第
13
开关管
、
大电流通道电源和逻辑电平电源组成，与门的一个输入端连接第3反相器的输出端
、
另一个输入端为烧写控制
Z
，与门的输出端连接第
14
开关管的栅极，第
14
开关管的漏极连接齐纳击穿管的阳极
、
源极接地，齐纳击穿管的阴极连接大电流通道电源和逻辑电平电源，电阻器的一端接第
14
开关管的漏极
、
另一端接第
13
开关管的栅极，第
13
开关管的漏极连接逻辑电平电源；读取模块包括首尾串连的第5反相器和第6反相器，还包括第9开关管
、
第
10
开关管
、
第
11
开关管
、
第
12
开关管，第9开关管开关管的源极连接第3反相器的输入端
、
漏极连接第
10
开关管开关管的源极，第
10
开关管开关管的栅极连接第5开关管反相器的输入端
、
漏极连接第
12
开关管开关管的漏极并接地，第
12
开关管的栅极连接第5开关管反相器的输出端
、
源极连接第
11
开关管开关管的漏极，第
11
开关管开关管的栅极连接第9开关管开关管的栅极作为读取控制
R2、
漏极连接第3开关管反相器的输出端；另外还设置了第
15
开关管
、
第
16
开关管，第
15
开关管开关管的漏极连接第
14
开关管开
关管的漏极，第
16
开关管的漏极连接第
13
开关管开关管的源极，第
15
开关管和第
16
开关管的栅极并联作为读取控制
R1
，第
15
开关管和第
16
开关管的源极接地；4）
、
所述齐纳击穿管修调单元阵列，由至少两个齐纳击穿管修调单元组成，每个齐纳击穿管修调单元均包括试写控制
A/B、
数据输入端
+/
‑
、
电源输出端
、
烧写...

【专利技术属性】
技术研发人员：马涛，郭靖静，赵鹏飞，
申请(专利权)人：华东光电集成器件研究所，
类型：发明
国别省市：