[發(fā)明專利]一種溫度自補(bǔ)償諧振式壓力傳感器控制電路及其實(shí)現(xiàn)方法

有效

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• 申請日: 2022-03-23
• 公開（公告）號: CN114646412B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯毓嵐;王軍波;陳德勇;商艷龍;謝波
• 申請（專利權(quán)）人: 山東中科思爾科技有限公司
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10
• 代理公司: 濟(jì)南知來知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37276
• 代理人: 曹麗

本發(fā)明提供了一種溫度自補(bǔ)償諧振式壓力傳感器控制電路及其實(shí)現(xiàn)方法，包括諧振器、前置處理模塊、增益調(diào)節(jié)模塊、峰值保持模塊、比較電路和衰減電路，諧振器的信號輸出端通過線路連接前置處理模塊，前置處理模塊的電壓輸出端通過線路連接增益調(diào)節(jié)模塊，增益調(diào)節(jié)模塊具有第一輸出端和第二輸出端，第一輸出端通過線路連接峰值保持模塊，峰值保持模塊具有直流信號輸出端，第二輸出端通過線路連接比較電路，比較電路具有頻率信號輸出端，比較電路通過衰減電路驅(qū)動連接諧振器。本發(fā)明采用恒定驅(qū)動方式，簡化了傳感器控制電路的復(fù)雜程度；解調(diào)出諧振器輸出電壓幅值信號與頻率信號，可以實(shí)現(xiàn)傳感器原位溫度自補(bǔ)償，提高傳感器的綜合精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種MEMS微傳感器，特別是一種溫度自補(bǔ)償諧振式壓力傳感器控制電路及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

諧振壓力傳感器的核心部件包括壓力敏感膜和通過錨點(diǎn)固定在敏感膜上的可動諧振器。諧振式壓力傳感器工作時(shí)是通過檢測諧振器諧振頻率的變化來間接測量壓力的一種壓力測量裝置，具備分辨率高、穩(wěn)定性好和綜合精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、工業(yè)控制等重要領(lǐng)域。

由于材料的熱力學(xué)特性，諧振式壓力傳感器的頻率輸出不僅與壓力相關(guān)，還受溫度影響。而通常諧振式壓力傳感器的工作溫度范圍較寬，如要保持高精度輸出，溫度補(bǔ)償無法避免。諧振式壓力傳感器的溫度補(bǔ)償目前采用兩種方式：第一種是在傳感器上添加或制作測溫元件，如技術(shù)發(fā)明“基于Si-Si-Si-玻璃晶圓鍵合技術(shù)的MEMS諧振壓力傳感器及制造工藝”(CN109485011 B)采用集成兩個(gè)體硅電阻溫度敏感結(jié)構(gòu)的方案，通過溫敏電阻獲得溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償；第二種是設(shè)計(jì)多諧振器結(jié)構(gòu)，如技術(shù)發(fā)明“諧振式壓力傳感器”(CN105203234 B)中采用雙諧振器設(shè)計(jì)，利用雙諧振器的差頻輸出表征傳感器的壓力特性，降低溫度影響。以上兩種方式不可避免地需要引入溫度傳感器或從傳感器結(jié)構(gòu)上做更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)，其電路結(jié)構(gòu)、制作工藝復(fù)雜，成本較高。

另一方面，諧振式壓力傳感器的控制電路目前普遍采的是等幅輸出方式，即通過引入?yún)⒖茧妷簛砜刂苽鞲衅鞯募?lì)大小，從而保證傳感器輸出信號與參考電壓相等。其基本原理如圖1所示，諧振器1的輸出信號經(jīng)過前置處理模塊2的放大后進(jìn)入相位調(diào)節(jié)模塊3，然后經(jīng)過增益調(diào)節(jié)模塊4后分成兩路，一路經(jīng)過增益調(diào)節(jié)模塊5輸出帶有頻率信號的電壓信號。該頻率信號通過比較器6與參考電壓7進(jìn)行比較輸出作為可變增益放大模塊8的控制信號，而可變增益放大模塊的輸入信號為增益調(diào)節(jié)模塊4的另一路輸出。然后可變增益放大模塊8的輸出信號經(jīng)過緩沖驅(qū)動模塊9用于驅(qū)動諧振器振動。在整個(gè)控制電路中，除了可變增益模塊9的增益倍數(shù)為可變之外，前置處理模塊2、相位調(diào)節(jié)模塊3、增益調(diào)節(jié)模塊4、增益調(diào)節(jié)模塊5的增益倍數(shù)不變，諧振器輸出信號1受參考電壓7與模塊2、3、4、5限制為一恒定值。閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于調(diào)整緩沖驅(qū)動模塊9的輸出信號大小以保證諧振器1輸出信號恒定。

如論文“電磁激勵(lì)諧振式MEMS壓力傳感器閉環(huán)控制研究”中基于自動增益控制技術(shù)設(shè)計(jì)了諧振式壓力傳感器的閉環(huán)控制電路。將傳感器的輸出信號經(jīng)過放大后與參考電壓進(jìn)行比較，形成傳感器驅(qū)動大小調(diào)節(jié)的控制信號，從而調(diào)整傳感器的正弦驅(qū)動信號，以保證傳感器的輸出信號經(jīng)放大后與參考電壓相等。發(fā)明“一種硅諧振壓力傳感器閉環(huán)控制電路及實(shí)現(xiàn)方法”(CN104764559 A)中提出的數(shù)字閉環(huán)控制方法，雖然利用數(shù)字化手段完成相位調(diào)節(jié)、誤差比較等環(huán)節(jié)，但依舊是利用負(fù)反饋誤差控制量調(diào)節(jié)傳感器的正弦驅(qū)動大小維持傳感器輸出信號經(jīng)放大后與參比數(shù)字信號相等。論文“硅微諧振式壓力傳感器閉環(huán)頻率跟蹤電路”中利用鎖相環(huán)電路進(jìn)行信號的無相差頻率跟蹤，最后將鎖相環(huán)輸出信號轉(zhuǎn)換為滿足傳感器驅(qū)動要求的正弦信號，同樣采用等幅輸出方式。以上技術(shù)手段中均采用等幅輸出的控制模式，利用交流信號驅(qū)動諧振器振動，因此不可避免地需要在閉環(huán)控制電路中引入一定的相位調(diào)節(jié)或鎖相環(huán)技術(shù)，從而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)試難度大，成本高。