多铁纳米MEMS压力传感器性能测试系统设计*

冯春鹏，赵智增

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)



多铁纳米MEMS压力传感器性能测试系统设计*

冯春鹏，赵智增

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)

摘要：针对近年来对微传感器测试研究的发展需求，设计一种基于多铁纳米MEMS压力传感器的性能测试系统，该性能测试装置由3个部分组成：压力容器泵体、测试接口电路和温度磁场调控系统。对实验室设计制作出的多铁纳米MEMS压力传感器，利用该测试装置在温度可调、磁场可控的条件下进行传感器性能参数的测试。实验结果初步表明，该方案设计出的基于多铁纳米MEMS压力传感器的性能测试装置是切实可用的，为以后更具体的测试工作提供理论参考和实验依据。

关键词：多铁性材料；MEMS压力传感器；性能测试；磁场可控

传统的微压力传感器一般是在压阻效应的基础上，采用压电陶瓷材料结合微加工技术制造而成。本文所研究的多铁纳米MEMS压力传感器是一种基于多铁纳米纤维材料的新型微压力传感器，它利用多铁纤维材料的铁电、压电、磁电等性能结合微电子技术制造而成的。相比于普通的微压力传感器，它具有更高的灵敏度、更快的动态响应，以及准确度好、易于微型化和集成化等显著特点，是一种具有良好发展前景的微型传感器。为了检测其综合性能指标，对微压力传感器进行性能测试，以确定该传感器样品是否合格。基于实验室设计制造的多铁纳米MEMS压力传感器，设计了该性能测试系统，在温度大小可调节和磁场强度可控的条件下，通过改变不同的压力值以及磁场的强度值，测试出该微传感器的输入输出特性，以期达到合格的要求。

1多铁MEMS压力微传感器

1.1多铁材料

多铁材料具有铁电、压电、铁磁等性能，在一定的温度下会同时具有极化有序和磁化有序特性。这些特性的存在引起的磁电耦合效应使多铁性材料具有在磁场和温度场下改变阻值特性的物理性质。通过多铁材料的磁电耦合，可以运用外加电场来控制材料的磁化状态，或者运用外加磁场来控制材料的极化状态。与薄膜相比，悬臂的多铁纳米复合纤维显然具有更大的长径比，可将由压电效应或者磁致伸缩效应引起的位移放大，而且不受基底约束，从而显著提高多铁材料的磁电耦合响应[1]。

1.2多铁MEMS压力传感器的基本结构

多铁MEMS压力微传感器的综合性能与其制造工艺和设计结构有着密切的关联。设计传感器基本结构需要考虑性能和工艺的可行性等因素，综合现有的实验室的生产设备以及硬件条件，研究设计的微压力传感器采用如图1所示的结构形式。

1-多铁纳米复合纤维；2-二氧化硅薄膜；3-引出金属电极；4-支撑硅衬底

如图1所示的示意图中，1为多铁纳米复合纤维材料，通过纳米纤维的压电效应将压力信号转化为模拟的电信号；2为与压电材料相对应的衬底间的绝缘隔离层，材料选用二氧化硅薄膜；3是传感器输出信号的电极；4为支撑硅衬底，采用的材料为硅衬底，它在传感器的背面经各向异性腐蚀制成压力窗口。采用光刻和ICP刻蚀的微加工方法，在硅基底上加工出间距为几十微米到几百微米不等的平行沟槽，以此收集由静电纺丝制备的一系列不同尺寸、不同成分的铁电钙钛矿结构和铁磁尖晶石结构的多铁纳米复合纤维。因此，要想加工出综合性能良好的多铁纳米MEMS微压力传感器需要结合多铁纳米纤维横向尺寸、排列方式、压电特性的关系以及纳米纤维在基底材料与电极间的搭接关系等[2]。

2测试装置的设计

2.1测试装置的结构

如图2所示的测试装置。该装置的外形设计为圆筒型，分为泵体主体和上盖两部分。装置主体所用材料为造价低、易于加工的铸铁材料，强度完全可以满足真空度要求。将实验室研制出的传感器样品用粘合剂粘贴在金属垫片上，垫片下面则与内置的加热装置相连接。通过改变温控装置输入电流的大小，改变传感器的实际工作温度。测试装置上盖安装有温度传感器与控制中心相连，由于传感器所处的上部空间较小，只需一个18B20温度传感器单点测温即可实时检测出传感器所处工作环境温度，传给上位机显示。由于MEMS传感器采用电阻丝垫片从底部向上加热，受热较为均匀；在装置上盖安装有磁场控制装置，通过改变线圈电流的大小来改变感生磁场强度，实现温度和磁场的耦合控制。压力控制装置通过阀门向容器内抽入或抽出气体使实验的传感器样品处于正负压力下的两种工作状态。外部则与测试电路连接，用于采集输出的测量信号。泵体上部具有保温盖与外界隔离，防止外界环境不稳定因素影响测试结果。

图2　测试装置结构图

2.2测试系统输出电路

该部分是传感器后级信号处理电路的设计。当泵体装置内有一定的压力之后，传感器会输出模拟的电压信号，经过放大模块的放大和AD芯片的转换给单片机进行处理。

1) 信号放大模块。该模块是将两个集成运放串联一起组成差分比例运算电路。此电路在选取电阻和结构调整上比较方便，通过改变电阻大小即可实现不同的放大增益[3]。如图3所示为放大模块实物图。

图3　信号放大模块实物图

2) AD转换模块。选用AD7680转换芯片对传感器输出的模拟电压信号进行采样并转换。AD7680芯片包含6路16位快速、低功耗、逐次逼近ADC，具有一个并行和一个高速串行接口。元件采用4.5 V～5.5 V电源供电，具有250 kSPS通过率特性[4]。芯片内置低噪声宽带宽的保持放大器，能够操作的输入频率达到8 MHz。

3) 单片机芯片的选择。系统选用传统的STM32F103作为控制主芯片，使用高性能的ARM32位RISC内核，工作频率为72 MHz，最高集成512 K的Flash存储器，具有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。芯片的供电电压2.0～3.6 V，能够满足一般低功耗应用的要求[5]。

2.3温度和磁场控制部分

2.3.1温度采集和控制部分

温度检测采用DS18B20数字温度传感器。无需外围元件，仅需要一个单线接口与微控制器进行发送和接收信息，具有体积小，灵敏度较高，测量范围较广(-55 ℃～+125 ℃)等优点，根据内部计数器原理，由单片机直接读出所测试的温度[6，7]。温控系统设定温度报警的上下限值，一旦测量环境温度超过设定值，即可给出报警标志。继电器与单片机的I/O接口相连，将接收到的采集数据，经过PID算法计算出偏移量，向外部传输信号控制继电器通断。由程序控制功率放大器的继电器导通时间长短和电流大小，控制加热装置的温度，实时温度则由上位机界面显示。

2.3.2磁场强度控制部分

本部分由单片机、励磁线圈及控制回路组成。要给所需测试的传感器样品周围添加磁场时，单片机I/O接口连接继电器，由电磁感应原理，励磁线圈中的电流产生感应磁场。磁场强度的大小由输入电流的大小决定。系统工作流程图如图4所示。

图4　系统工作流程图

3上位机界面的设计

上位机显示界面设计采用的是美国国家仪器(NI)公司研制开发的LabVIEW软件。软件界面的设计包括两个部分，前面板框图的设计和程序框图的设计。

3.1上位机界面前面板的设计

用户界面前面板能够将经过单片机处理过的数字信号实时显示于波形图表上。上位机界面的控制按钮通过串口与单片机通讯：温控按钮能够改变传感器的工作温度；磁场命令按钮控制励磁线圈电流导通，产生作用于传感器的感生磁场。

波形图表横坐标表示测试装置内的实际压力；纵坐标表示输出的电压信号。系统内置的DS18B20传感器实时测试出系统内传感器的工作温度，由温度显示控件显示在前面板上。前面板上设置好之后，将相应的模块连接，进行进一步的调试工作[8，9]。上位机显示界面如图5所示。

图5　上位机显示界面

4测试结果及分析

对于实验室研制出的多铁MEMS压力传感器，选择其中静品相良好的作为实验样品。实验温度选择在室温20 ℃～70 ℃，压力范围在2～20 kPa范围，横向和纵向磁场的大小为0.5 T。放入测试装置中进行测试。表1为室温下多铁MEMS压力传感器在无磁场和加横向及纵向磁场时的测量值。由实验结果初步可知，微传感器样品的输出电压与作用于其上的压力值基本成正比。

表1　室温下微压力传感器在有无磁场环境下输出测量电压值

表2　70 ℃下微压力传感器在有无磁场环境下输出测量电压值

实验在不同环境温度及有无磁场环境下，测试得出多铁纳米MEMS压力传感器样品的输出电压。由结果初步可知，实验室设计出的微压力传感器在相对高温的情况下，输出的电压值也越高。

由两个表格中可以得出：对于我们实验研究的传感器样品，工作环境温度越高，其灵敏度相对越好；在测试环境中添加磁场后，多铁纤维与磁场方向平行的传感器样品的电压输出值几乎无改变，与其垂直的传感器样品电压输出值相对较大，线性度更好一些。

5结论

研究设计了一种基于多铁纳米纤维的MEMS压力传感器的性能测试系统，其中包括测试装置整体结构设计、传感器外围控制接口电路设计和温度磁场控制系统的设计。利用该测试装置，对实验室研究制造出的多铁纳米MEMS压力传感器样品进行了初步的性能测试实验。通过实验结果分析了传感器性能参数及线性度、灵敏度等传感器的综合参数指标。实验结果表明，我们设计搭建的多铁纳米MEMS压力传感器的性能测试装置是实际可用的，但温度和磁场的耦合作用对多铁纳米材料的作用过程和机理都非常的复杂，还需要深入和广泛的研究。

参考文献

[1]Shuang Chen,Mingquan Zhu.Design and Optimization of a Micro Piezoresistive Pressure Sensor[J].IEEE Micro Engineered and Molecular Systems,2008:351-356.

[2]Roark R J.Formulas for Stress and Strain[M].Mc Grawhill,New York,1965:45-50.

[3]高立兵，康雁林.基于AVR单片机的PID温控系统设计[J].工业控制计算机，2013,23(4)：91-92.

[4]刘广玉.微传感器设计、制造与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.2:9-10.

[5]王喆垚.微系统设计与制造[M].北京：清华大学出版社，2008.2:161-178.

[6]李宇佳，王天鹏，张冲.微压力传感器接口电路设计[J].齐齐哈尔大学学报，2011,27(4)：17-20.

[7]张洪润.微传感器技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.10:865-870.

[8]李乃平.微电子器件工艺[M].武汉：华中理工大学出版社，1995.2:89-101.

[9]Pyatakov A P.Magnetoelectric and Multiferroic Media[J].Phys Uspkhi,2012,55(6):557.

[10]Schmid H.Multi-ferroic Magnetoelectircs[J].Ferroelectrics,1994,162(1):317-338.

The Test and Research on Multiferroic MEMS Pressure Sensor System

Feng Chunpeng, Zhao Zhizeng

(CollegeofElectromechanicalEngineering,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

Abstract:According to the development needs of micro sensor test research in recent years, this paper designs a performance testing system based on the Multiferroic MEMS pressure sensor, which is composed of three parts: the pressure vessel, the test circuit and the temperature and the magnetic field. The testing device can be used to test the performance of the Multiferroic MEMS sensor, and the environment can be adjusted and controlled by the magnetic field. It is feasible to verify the design of the test device, which provides a reference for the testing of the type of micro sensor.

Key words:multiferroic; MEMS pressure sensor; performance testing; controllable magnetic field

收稿日期：2016-02-26

基金项目：北京市自然科学基金项目：多铁材料微器件的稳健设计原理与方法研究(3122014)

作者简介：冯春鹏(1992- )，男，山东聊城人，在读硕士，专业方向为测控技术。

文章编号：1674- 4578(2016)03- 0017- 03

中图分类号：TH16；TP 212.1

文献标识码：A