引 言

串联谐振式液位传感器的基本上原理是借助工作压力光敏电阻器感受到工作压力，使与之关联的谐振器的串联谐振产生变化，根据精确测量谐振器頻率的转变来检验工作压力。与一般的例如压阻式和电容器式压测力传感器对比，串联谐振式工作压力感应器体型小、功能损耗低；以次数为最终输出量的特性使其具备更好的精密度和可靠性，非常容易和规模性集成电路芯片兼容。

近年来伴随着微机械设备生产加工技术性的提高及其很弱信号检测技术性的发展，根据MEMS加工工艺基本的串联谐振式液位传感器的分析和制做愈来愈获得重视。文中详细介绍了一种具备差分信号检验构造的串联谐振式液位传感器，谐振器选用电磁感应鼓励-电磁感应拾振的鼓励方法，选用闭环控制谐振电路的检验方法来检验工作压力。

1、原理

感应器的总体构造如图所示1。它由单晶体Si工作压力膜和单晶体Si的梁谐振器构成。二者根据键合技术性融合为一个总体。上边的谐振器封裝于真空环境中，下边的Si膜下方与待测压力源相触碰。膜的四周与封裝的管座底端固支触碰。当Si膜遭受的压力的功能时，膜将造成变形。与膜相触碰的串联谐振梁支撑也将随膜的变形而产生变形，那样，坐落于支撑上端梁谐振器将由于支撑的变形而遭受径向地应力，进而更改其自身的原有震动頻率。其頻率的更改和径向地应力转变及其膜遭受的工作压力为类似线性相关，因此 根据检验串联谐振梁共振频率的改变能够完成检验工作压力的目地。此控制器选用差分信号检验方法，分上、中、下三组串联谐振梁开展检验。根据中梁和左右随意一组梁开展差分信号检验，能够提升全部感应器的敏感度，大幅地消弱温漂针对串联谐振梁頻率改变的危害。

感应器串联谐振梁的构造见图2，二根梁和正中间相接的桥构成了温度传感器的谐振器。工作中时另加垂直平分串联谐振主梁表层的电磁场，当在激振电级A和B中间另加规律性交替变化工作电压时，激振梁因造成电流量而遭受洛仑兹力，伴随着电流角度的转变，洛仑兹力方位也随着规律性转变，进而促使激振梁因遭受方位规律性转变的力而发生震动，并根据里面的桥推动上边拾振梁震动。当拾振梁震动时，因激光切割磁感线而在拾振电级C和D中间造成感应电流，其频次与激振梁所加工作电压同样。当所施加工作电压頻率贴近或相当于全部串联谐振梁的共振频率时，串联谐振梁将产生共震，拾振梁的震幅做到较大，进而拾振电级中间的感生电动势的幅度值也做到较大。根据检验拾振梁所造成的感生电动势尺寸来明确串联谐振梁的共振频率进而实现检验工作压力的目地。此构造称之为“H型”梁构造。

2、制做和封裝

感应器的制造选用体硅微机械加工制造技术性。最先各自在Si上面制做谐振器和硅工作压力磁感应膜，随后根据Si-Si键合将两Si片融合在一起，产生三维构造的集成ic，最终历经真空泵封裝进行全部元器件的制做。其具体步骤如图所示3所显示。

集成ic制做成功后，将其粘在管座上，超声波电弧焊接导线，盖紧管帽，两侧启用出气孔，将有串联谐振梁的一边封在真空泵（10-3 Pa）中，另一端的工作压力膜与待测压力源互通（图4），那样就完成了液位传感器的封裝。

3、测 试

液位传感器检测系统软件由液位传感器、锁相放大仪和数据信号鼓励源、拾振直流电源等构成。选用纯沟通交流鼓励工作电压激振，运用锁相环路放大仪，根据操纵頻率扫描仪和数据收集及其检验震幅和相位差等，能够检验谐振器的频率特点。

对液位传感器元器件开展了动态变化检测，运用頻率扫描机组成的开环增益扫描仪功能测试了元器件在空气中的频率特点曲线图如图所示5，串联谐振梁的最高值大概在72.30 kHz处，-3 dB网络带宽约为50 Hz。测算得到串联谐振梁的品质因素Q超过1 200。

运用锁相放大器组成的开环增益扫描仪功能测试了元器件在高真空泵中的频率特点曲线图如图所示6，串联谐振梁的最高值大概在72.395 kHz处，-3 dB网络带宽约为10 Hz。测算得到串联谐振梁的品质因素Q超过7 000。

在常温情况下，对真空泵封裝的液位传感器开展了工作压力特点检测，检测选用美国Druck企业的DP1610型压力校验仪，电源电路为自做的锁相环路运算放大器。工作压力特点曲线图检测結果如图所示7所显示。（激振工作电压最高值为50 mV）

图7中前二根曲线图分别是液位传感器的中、下谐振器的工作压力輸出曲线图。能够看得出，二者的线性较弱，线性相关指数R2分别为0.996 6和0.999 6，敏感度（曲线斜率）各自为144.16、81.612 Hz／kPa。最终一根曲线图是将上边2个谐振器的输入输出数据信号作差分信号得到的輸出曲线图，其线性相关指数R2为0.999 9，线性显著好于单独谐振器輸出，敏感度为225.77 Hz／kPa，高过前二者。这充分说明了差分信号輸出的实际效果，不管从敏感度和线性上面好于单独谐振器輸出。此液位传感器满度标尺为120 kPa，满度时頻率飘移量为27.331 kHz，等同于谐振器共振频率的38％。此液位传感器为试件，故检测还不够健全，存有系统偏差，这种都对最终的检测結果造成危害，有待开展进一步的实验。

4、结 论

运用微电子技术机械加工制造技术性取得成功研发出电磁感应鼓励一电磁感应拾振硅串联谐振梁式液位传感器。该感应器的谐振器在空气中的品质因素Q值超过1 200，真空泵中的Q值超过7 000。选用闭环控制谐振电路方法，测量液位传感器的工作压力特点在稳定性测试0～120 kPa内，差分信号輸出的效果好于单独串联谐振梁的輸出結果。差分信号輸出效果的线性相关指数为0.999 9，敏感度为225.77 Hz／kPa。

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