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電熱激勵揩振式硅微梁E+E壓力傳感器特性研究
微結(jié)構(gòu)諧振式E+E壓力傳感器是一種用頻率變化來反映外界壓力變化的傳感器件，因其尺寸小、精度高、易于與數(shù)字設(shè)備接口而具有廣闊的應(yīng)用前景。對電熱激勵諧振式硅微梁E+E壓力傳感器的開環(huán)／閉環(huán)特性、測試方法及便攜式壓力測試儀的設(shè)計和研制進(jìn)行了深入研究。

電熱激勵揩振式硅微梁E+E壓力傳感器特性研究
通過對固支硅梁物理和數(shù)學(xué)模型的理論分析，得出了固支硅梁在一階振動模態(tài)下的振動方程；應(yīng)用彈性力學(xué)理論，深入討論了固支硅梁對軸向應(yīng)力和熱激振源的敏感特性作，分析了硅梁的非線性振動與諧振頻率的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了硅梁測試系統(tǒng)的激振-拾振模型。應(yīng)用鎖相放大技術(shù)，建立了傳感器開環(huán)測試系統(tǒng)。利用鎖相放大器分頻段掃描，對傳感器的幅頻特性、激勵信號敏感特性和非線性振動進(jìn)行了測試。利用正反饋?zhàn)约ぶC振原理，采用偏置交流激振、一倍頻拾振的方法，設(shè)計并制作了傳感器的閉環(huán)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從噪聲中提取微弱拾振信號并對壓力調(diào)制的諧振頻率進(jìn)行自動跟蹤，測試了傳感器輸出頻率與外加壓力和環(huán)境溫度的關(guān)系。針對電熱激勵硅諧振梁的特點(diǎn)，從激勵信號和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩個方面分析了傳感器的溫度特性，應(yīng)用有限元分析軟件對傳感器結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值計算，與閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析；由此提出了采用軟件插值方法對傳感器溫漂進(jìn)行補(bǔ)償，與閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)了溫度自動補(bǔ)償?shù)墓δ埽箿囟纫鸬南到y(tǒng)輸出相對誤差由28％減小至0.2％。zui后，采用電熱激勵諧振式微梁E+E壓力傳感器為敏感器件，自主設(shè)計和研制了便攜式壓力測試儀。針對傳感器閉環(huán)自激信號的特點(diǎn)設(shè)計了高精度頻率／溫度信號采集電路。采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號的后處理，實(shí)現(xiàn)了在便攜設(shè)備上對傳感器輸出信號的自動線性化、溫度補(bǔ)償、實(shí)時顯示和與PC通信的功能。配合傳感器，測試儀量程可達(dá)0kPa～600kPa。

電熱激勵揩振式硅微梁E+E壓力傳感器特性研究
采用標(biāo)準(zhǔn)壓力計，對該測試儀在100KPa～450KPa量程內(nèi)的性能指標(biāo)進(jìn)行了測試：壓力測量誤差小于0.5％，測量精度±2kPa，適用溫度范圍0℃～60℃。該測試儀的研制初步實(shí)現(xiàn)了傳感器應(yīng)用系統(tǒng)的小型化和自動化。