MEMS电容式气压传感器性能测试系统的研究与设计

摘要

在实验室MEMS技术支持下，基于SON结构的电容式气压传感器具有灵敏度高、稳定性好、易于集成等优势，MEMS气压传感器在市场中的应用越来越广泛。当前，MEMS气压传感器测试系统存在结构复杂，测试技术繁琐，微观测试仪器价格昂贵，成本高，检测过程中硬件补偿法难以作到全程有效补偿，且存在补偿电路硬件漂移等诸多问题。在传感器实际生产过程中，MEMS电容式气压传感器性能的好坏，需要反映真实数据的支撑，即需对其性能进行测试。因此，设计一套集供压、检测、采集、分析、显示于一体的MEMS电容式气压传感器性能测试系统具有重要的理论意义和现实应用价值。 本文主要工作为MEMS电容式气压传感器性能测试系统的研究与设计。在研究MEMS电容式气压传感器相关理论的基础上，结合当前微气压传感器测试系统的研究现状，明确MEMS电容式气压传感器测试系统的关键技术问题，分析气压的产生、控制与调节以及传感器输出信号的检测、转换与处理。测试系统以STM32F103RCT6作为核心控制器，空气泵和电气比例阀为供、调压设备， XTR111为U/I转换芯片，以电流作为输入控制信号对电气比例阀进行输出气压的控制，在气压设定允许误差范围内，为待测MEMS电容式气压传感器样品提供稳定的气压环境，同时，利用CDC转换技术对传感器输出信号进行检测，采用图形化虚拟仪器编程环境LabVIEW作为开发平台，基于最小二乘法和反函数原理相结合的数据处理方法，实现传感器输出电容信号采集、转换与处理。 初步搭建了MEMS电容式气压传感器性能测试系统，通过利用该测试系统， 对实验室待测样品的输出特性进行测试，并且对测试数据结果进行分析处理， MEMS电容式气压传感器非线性误差与重复性误差分别为2.28%与4.32%。经过多次实验测试可得，在气压范围10-120kPa内测试系统气压调节相对误差为0.48%，MEMS电容式气压传感器的灵敏度高达7.364×10-4pF/kPa，为以后MEMS电容式气压传感器性能的改进完善提供了基础。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自动控压技术的研究现状

1.2.2 微弱电容检测的研究现状

1.2.3 微气压传感器性能测试的研究现状

1.3 本文研究的主要内容和技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2研究技术路线

1.3.3论文的章节安排

第二章 MEMS电容式气压传感器性能测试要求与关键技术

2.1 MEMS电容式气压传感器原理及性能指标

2.1.1 MEMS电容式气压传感器原理

2.1.2 电容式气压传感器性能指标

2.2 MEMS电容式气压传感器性能测试要求

2.3 MEMS电容式气压传感器性能测试关键技术

2.3.1 MEMS电容式气压传感器输出信号线的引出

2.3.2 微弱电容检测中的抗干扰技术

2.3.3 气压装置的气密性

2.4 本章小结

第三章 MEMS电容式气压传感器性能测试系统硬件设计

3.1测试系统总体方案

3.2 主控单元

3.2.1 微处理器选型

3.2.2 主控系统外围电路设计

3.3气压装置的设计

3.3.1气压

3.3.2 供压设备

3.3.3压力容器

3.3.4 过程参数调节方法

3.4 微型真空泵的启/停电路设计

3.5 STM32控制电气比例阀

3.5.1 U/I转换

3.5.2电气比例阀的控制

3.6 MEMS电容式传感数据采集

3.6.1微弱电容检测芯片PCAP01-AD

3.6.2 MEMS电容式气压传感器输出信号采集电路设计

3.7 电源电路设计

3.8 本章小结

MEMS电容式气压传感器性能测试系统软件设计

4.1系统软件总体设计

4.2上位机软件设计平台与通讯方法

4.2.1 设计平台LabVIEW

4.2.2 串口通讯方法

4.3上位机功能软件编程

4.3.1登录界面

4.3.2 上位机主界面

4.3.3 压力变送器数据采集

4.3.4 传感器数据采集与转换

4.3.5 传感器数据分析处理

4.3.6 传感器数据储存与查询

4.4下位机功能软件编程

4.4.1 微型真空泵的控制

4.4.2 控制电气比例阀的输出信号程序

4.4.3 微弱电容采集

4.4.4 STM32与上位机的通讯

4.5 本章小结

MEMS气压传感器性能测试系统实验及数据分析

5.1 MEMS气压传感器性能测试系统实验装置

5.2 MEMS气压传感器性能测试

5.2.1 MEMS电容式气压传感器测试样品

5.2.2 MEMS电容式气压传感器性能测试实验过程

5.2.3 MEMS电容式气压传感器性能测试数据结果

5.2.4 MEMS电容式气压传感器性能仿真对比

5.3 MEMS电容式气压传感器性能测试系统数据分析

5.3.1 测试系统误差来源

5.3.2 稳定度实验

5.3.3 测试系统数据分析

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

致 谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果