本发明涉及mems压力传感器，具体是一种高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试方法。
背景技术：
1、压力传感器是将被测压力转换成电信号的一种传感器，其中mems硅谐振压力传感器是一种基于mems谐振器闭环控制原理，直接输出频率电信号表征待测压力的传感器。mems硅谐振压力传感器是目前综合精度最高的压力传感器，因其具有精度高、稳定性好、频率输出抗干扰能力强等优点，被广泛应用在航空大气数据测量系统、地面压力控制器和气象测量设备中。
2、mems硅谐振压力传感器一般由传感器敏感结构和接口电路两部分组成。在微纳制造mems硅谐振压力传感器敏感结构时，会难以避免出现加工误差，易造成敏感结构的谐振频率、灵敏度和温度特性存在偏差，以及输出非线性等非理想因素，导致传感器敏感结构的参数一致性不好，存在不同程度的个体差异。因此需要在压力传感器敏感结构和接口电路整表调试过程中，根据传感器敏感结构的参数特性，相应地调整传感器接口电路的电性能指标，使得敏感结构与接口电路参数设计匹配，从而实现整个硅谐振压力传感器闭环系统稳幅-稳频控制。
3、经过对现有专利检索，中国专利《一种硅谐振压力传感器的补偿方法》(公开号cn106932125b)，利用单片机定时器对硅谐振压力传感器进行同步频率测量，实现同步采集两个谐振器的频率，提高了压力传感器的测量精度，同时采用最小二乘支持向量机的非线性模型实现全温度全压力范围内的温度补偿。该方法用于传感器整表温度性能和非线性等标定补偿环节，属于后道调试工序；而本专利发明申请主要用于压力传感器敏感结构与接口电路的整表调试环节，可实现传感器敏感结构与接口电路之间的参数快速适配，属于前道调试工序。传统的传感器整表调试多采用反复更换接口电路中电阻器和电容器的方法，以实现参数的适配。该调试方法成本较高，并且调试效率较低，不适用于传感器大规模工程化生产环节。未见有其他与本技术专利类似的高精度mems硅谐振压力传感器整表调试方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试装置及调试方法，通过数字化方式调整接口电路的电性能参数指标，使其与传感器敏感结构参数匹配，同时完成接口电路电性能参数固化，以及修调系数的片上存储，从而实现整个硅谐振压力传感器闭环控制和稳定工作，大幅提升传感器敏感结构和接口电路的参数指标适配性、传感器整表的可调性和工程适用性，从而有效降低传感器整表调试时间和成本。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一、一种高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试装置，其特征在于由硅谐振压力传感器敏感结构、单片接口电路、测量设备、fpga/mcu控制板和上位机控制模块组成；
4、所述上位机控制模块包括试写控制模块、读取控制模块和烧写控制模块三部分；
5、所述单片接口电路由电容检测电路、峰值检测电路、pi控制电路、移相电路和驱动电路、高压电荷泵和温度传感器、滤波电路、方波信号电路、频率输出电路和齐纳击穿管修调单元阵列组成；
6、电容检测电路将硅谐振压力传感器敏感结构电容变化量转化为正弦电压信号，正弦信号经过峰值检测电路与pi控制电路实现全波整流和稳幅控制，最终由移相电路和驱动电路产生静电激励电压信号，并将其反馈作用至硅谐振压力传感器敏感结构，实现整个谐振闭环的稳幅-稳频控制；另一路正弦测信号通过滤波电路、方波信号电路和频率输出电路，将正弦信号转换为方波信号，输出表征传感器检测压力值大小的频率信号至测量设备；
7、高压电荷泵和温度传感器提供了直流高电压和温度信息，用于提高和补偿压力传感器的检测灵敏度；
8、齐纳击穿管修调单元阵列，由一组齐纳击穿管修调单元组成，可对单片接口电路中各个功能模块的参数指标进行修调，包括环路增益、环路相位补偿、滤波特性、激励电压幅值和比例积分系数；
9、2）、所述齐纳击穿管修调单元，由试写模块、烧写模块和读取模块三部分组成：
10、试写模块包括第1反相器和第2反相器、第3反相器和第4反相器分别组成状态锁存器，与第1开关管~第8开关管共同构成寄存器，其中第1反相器和第2反相器输入输出端互连，第1开关管的源极接地、漏极连接于第2开关管的源极，第2开关管的源极连接第1反相器的输入端，第1反相器的输出端连接第3开关管的源极，第3开关管的漏极连接第4开关管的源极，第4开关管的漏极接地，第1、第4开关管的栅极分别为数据输入+端和数据输入–端，第2、第3开关管的栅极分别为试写控制a；
11、第3反相器和第4反相器输入输出端互连，第5开关管的源极接第3反相器的输入端、漏极连接于第6开关管的源极，第6开关管的漏极接地，第7开关管的源极接地、漏极接第8开关管的源极，第8开关管的漏极接第3反相器的输出端作为单元输出端，第5、第8开关的栅极分别为试写控制b，第6、第7开关管的栅极分别连接第1反相器的输入端和输出端；
12、烧写模块由与门、第14开关管、齐纳击穿管、电阻器、第13开关管、大电流通道电源和逻辑电平电源组成，与门的一个输入端连接第3反相器的输出端、另一个输入端为烧写控制z，与门的输出端连接第14开关管的栅极，第14开关管的漏极连接齐纳击穿管的阳极、源极接地，齐纳击穿管的阴极连接大电流通道电源和逻辑电平电源，电阻器的一端接第14开关管的漏极、另一端接第13开关管的栅极，第13开关管的漏极连接逻辑电平电源；
13、读取模块包括首尾串连的第5反相器和第6反相器，还包括第9开关管、第10开关管、第11开关管、第12开关管，第9开关管开关管的源极连接第3反相器的输入端、漏极连接第10开关管开关管的源极，第10开关管开关管的栅极连接第5开关管反相器的输入端、漏极连接第12开关管开关管的漏极并接地，第12开关管的栅极连接第5开关管反相器的输出端、源极连接第11开关管开关管的漏极，第11开关管开关管的栅极连接第9开关管开关管的栅极作为读取控制r2、漏极连接第3开关管反相器的输出端；
14、另外还设置了第15开关管、第16开关管，第15开关管开关管的漏极连接第14开关管开关管的漏极，第16开关管的漏极连接第13开关管开关管的源极，第15开关管和第16开关管的栅极并联作为读取控制r1，第15开关管和第16开关管的源极接地；
15、4）、所述齐纳击穿管修调单元阵列，由至少两个齐纳击穿管修调单元组成，每个齐纳击穿管修调单元均包括试写控制a/b、数据输入端+/-、电源输出端、烧写控制z、读取控制r1/r2，修调单元1的数据输入端+/-作为整个阵列的数据输入in，每个修调单元的单元输出作为下一个修调单元的数据输入端+/-，最后的修调单元4的单元输出端作为整个阵列的数据状态输出，每个修调单元的试写控制a/b并联作为整个阵列的试写控制w，每个修调单元的读取控制r1/r2并联作为整个阵列的读写控制r；
16、齐纳击穿管修调单元阵列中每一个修调单元输出端与下一个修调单元的输入端相连，构成一个串行控制的数据移位寄存器。齐纳击穿管修调单元阵列通过试写、读取、烧写、测试等功能操作后，各个齐纳击穿管修调单元状态并行输出。
17、二、本发明还提供了一种高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试方法，包括以下步骤：
18、s1、采用权利要求1所述的一种高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试装置；
19、s2、由上位机控制模块统一实施，根据调试需要自动或手动依次完成；
20、s3、上位机控制模块和fpga/mcu控制板建立通讯机制，fpga/mcu控制板接收到上位机调试指令后，调试工作启动；
21、s4、fpga/mcu控制板与单片接口电路建立通讯，并初始化操作，单片接口电路中的齐纳击穿管修调单元阵列采用数据串行试写、并行读出的方式，若对多个齐纳击穿管修调单元并行烧写操作，极易出现由于管子的差异性而导致个别齐纳击穿管无法反向击穿的现象，因此为了确保反向击穿导通的成功率，每次只对齐纳击穿管修调单元阵列中的一个修调单元进行烧写操作，即一次只对一个齐纳击穿管进行反向击穿操作；
22、s5、在上位机控制模块中，选择齐纳击穿管修调单元阵列的修调项目，如环路增益、相位补偿、滤波特性、激励电压幅值和比例积分系数，同时根据传感器实际特性设定测试目标值后，如硅谐振压力传感器的谐振频率值、检测正弦波幅值、激励电压幅值、检测-激励信号相位差，谐振频率值范围10khz~40khz，检测正弦波幅值范围0.5v~2v，激励电压幅值2v~3.3v，检测-激励信号相位差范围0°~10°，开始进行串行试写工作；
23、试写数据由寄存器的数据输入端+、数据输入端-写入，试写控制a信号和试写控制b信号为两相互不交叠时钟，1个时钟周期后1个修调单元试写完成，n个修调单元组成的阵列需要n个时钟周期可完成全部试写操作；在整个试写过程中，读取模块和烧写模块不工作；
24、s6、当完成修调单元阵列的试写操作后，fpga/mcu控制板与测量设备建立通讯，并初始化操作，设定目标值；测量设备实时测量和监控单片接口电路的电参数目标值，包括谐振频率值、检测正弦波幅值、激励电压幅值、检测-激励信号相位差；将实际测试结果返回fpga/mcu控制板，实际测试结果与设定的测试目标值大小进行判断比对，并将判断比对结果传送至上位机控制模块，若实际测试结果与设定的测试目标值一致，表明试写参数满足传感器整表的调试要求，试写成功，反之则重新开始试写操作，直至满足设定的测试目标值要求；
25、s7、当完成修调单元阵列的试写操作后，开始进行烧写操作；在烧写控制模块工作前，需要再次确定烧写位，并通过移位寄存器的数据输入端+/- 将标志逻辑“1”输入，当烧写控制z信号置同时为“1”时，齐纳修调单元中的烧写模块中的开关管14导通，同时使用12v的直流大电流通道电源1从而形成大电流通路，持续时间需要保持150us以上，此时齐纳击穿管被反向击穿，注意齐纳击穿管烧写操作是不可逆的，反向击穿后不能恢复，每个齐纳击穿管修调单元只能进行一次烧写操作；
26、s8、当完成修调单元阵列的烧写操作后，开始进行读取操作，当读取控制r1信号、读取控制r2信号均置为“1”时，读取控制模块开始工作，若齐纳击穿管未被反向击穿，齐纳击穿管修调单元输出端输出“0”，反之则输出“1”；
27、s9、当完成修调单元阵列的读取操作后，测量设备3再次测量单片接口电路2的电参数目标值，同时验证修调单元阵列的输出状态，并将实际测试结果返回fpga/mcu控制板，实际测试结果与设定的测试目标值比对判断后返回上位机，若实际测试结果与设定的测试目标值一致，整个调试工作结束，反之则从试写操作重新开始，重复以上个步骤，直至满足测试目标值的要求为止。
28、经过试写操作、烧写操作、读取操作和测试验证后，整个齐纳击穿管修调单元阵列完成调试操作，同时也完成了修调数据的存储功能。mems硅谐振压力传感器重新上电后各个修调单元输出相应状态信息，且状态信息固化。高精度mems硅谐振压力传感器整表数字化调试结束。使用本发明的修调方法，能够提高传感器整表的调试效率和降低成本。
29、本发明的有益效果是，高精度mems硅谐振压力传感器数字化调试方法基于集成电路bcd（bipolar-cmos-dmos）工艺，在传感器单片接口电路中集成、构建齐纳击穿管修调基本单元和阵列，在不增加额外成本和传感器尺寸的条件下实现电路电性能参数的片上修调与固化；整个调试环节数字化、自动化程度高，调试效率高，易于操作；同时齐纳击穿管反向击穿后性能稳定，不存在存储单元高温漏电丢数的隐患，进一步提升了高精度mems硅谐振压力传感器的可靠性和工程适用性。