● 摘要
针对目前谐振式硅微结构敏感元件研究过程中存在的加工误差大、周期长和成本高的问题，提出一种谐振式硅微结构传感器研究的新途径：采用具有谐振敏感元件特性的模拟器用于传感器的研究。该模拟器具有参数灵活可控的特点，可以为传感器分析测试仪器的性能自检，以及传感器闭环系统的研究提供准确可控的谐振特性。为此，本文基于敏感元件的数学模型，设计硬件电路来模拟谐振敏感元件特性，外加激励信号，用微处理器和模拟电路控制电路输出微小的交变电阻信号。 1、根据谐振敏感元件的工作原理，建立了谐振敏感元件特性的数学模型，通过实验分析，确定了数学模型中的参数取值范围；并制定了模拟器的总体方案。 2、基于差分电路跨导系数可变的原理，设计压阻变换电路，实现了电压对电阻量交流输出部分在毫欧量级的精确、线性控制，解决了微小的压控交变电阻信号输出的难题。在此基础上，分析了压阻变换电路的噪声和频率特性，并重点针对频率特性提出了简化镜像电流源、开环补偿和闭环补偿三种改进措施，最终采用开环补偿的方法将带宽从70kHz拓展到200kHz。 3、对压阻变换电路进行实验测试，证明其具有模拟压阻拾振的功能；通过对原理样机的开环特性测试，及与实际敏感元件特性的比较，验证了其模拟谐振敏感元件特性的有性。 原理样机实现了对谐振式敏感元件稳态特性的模拟，可感应压力（模拟值）、Q值、基频系数等参数变化，压阻变换电路输出电阻的交变量约为30m，线性度为0.26%，带宽大于200kHz；实验结果表明该原理样机可以实现对综合测试仪器的功能验证和初步性能检测。