CN101281071B - 一种双谐振梁式微机械压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双谐振梁式微机械压力传感器，主要包括：感压膜片、非感压区、谐振工作梁和谐振补偿梁四部分，结构中央为矩形感压膜片，敏感被测压力产生相应变形；感压膜片周边部分为非感压区，不敏感被测压力；感压膜片周边固支在非感压区的内壁上；谐振工作梁双端固支于感压膜片上表面中央处，感受被测压力，从而改变自身谐振频率，通过闭环系统检测该谐振频率，获得对应的被测压力值；谐振补偿梁双端固支于非感压区上表面，和谐振工作梁平行且几何尺寸一致，对被测压力不敏感，只感受与谐振工作梁相同的温度等环境因素；用谐振工作梁的谐振频率和谐振补偿梁的谐振频率进行差分，即可消除由于温度等环境因素引起的工作梁谐振频率的变化，从而提高了传感器的测量精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种双谐振梁式微机械压力传感器。
背景技术
压力传感器是一种航空、航天等领域广泛应用的对大气压力进行测量的传感器。谐振式微机械压力传感器由于体积小、质量轻、动态响应快、抗干扰能力强、测量精度高而非常适合航空航天应用，成为国内外研究热点。目前，国外已有许多科研机构在进行相关研究并有相关产品问世，典型的产品有英国DRUCK公司Greenwood等人J.C.Greenwood andD.W.Satchell，Miniature silicon resonant pressure sensor，IEE Proc.135(5)，1988：369-372.和J.Greenwood and T.Wray，High accuracy pressure measurement with a silicon resonant sensor，Sensors and Actiators，A37-38，1993：82-85.研制的利用静电激励、电容拾振的具有“蝶”形结构敏感元件的硅谐振式压力传感器以及日本横河电机株式会社研制的采用电磁激励、电磁拾取的谐振式硅压力传感器K.Ikeda，H.Kuwayama，T.Kobayashi，et al，Silicon pressure sensor integratesresonant strain gauge on diaphragm，Sensors and Actuators，A21，1-3，1990：146-150.。虽然上述该两种传感器目前已经实现了市场化，但是其共同存在的问题就是结构复杂、制作成本高、成品率相对较低，依我国目前的微机械加工工艺技术水平，加工难度很大。另一方面，对于谐振式传感器，不管采取静电激励或者电磁激励，还是其他激励方式，温度等环境因素的变化，都会不可避免地引起敏感元件谐振频率的变化，从而引起测量误差。其中，温度变化引起的谐振频率的漂移，不仅影响了传感器的测量精度，更是影响了传感器的工作稳定性。目前，大多数传感器都采用测温原理进行补偿，一方面由于测得的温度与敏感元件实际温度有偏差，另一方面所采用温度补偿模型和实际情况也有偏差，测温补偿只能部分消除温度变化引起的测量误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、补偿精度高、测试精度高的双谐振梁式微机械压力传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：它由感压膜片、非感压区、谐振工作梁和谐振补偿梁四部分组成；感压膜片为一矩形膜片，位于整个压力传感器结构的中央；非感压区位于感压膜片周边，感压膜片周边固支在非感压区的内壁上；谐振工作梁双端固支于感压膜片上表面中央处，谐振补偿梁双端固支于非感压区上表面上；；谐振补偿梁(4)位于非感压区(2)的内边界和外边界之间满足双端固支条件的区域内，谐振补偿梁(4)与谐振工作梁(3)平行且几何尺寸大小一致；谐振补偿梁(4)与谐振工作梁(3)所采用的振动激励、振动检测方式以及相关参数均一致；且感压膜片(1)、非感压区(2)、谐振工作梁(3)和谐振补偿梁(4)四部分所采用的材料均一致。
所述非感压区为中间开孔的结构，开孔的长宽尺寸沿厚度方向在感压膜片的厚度范围内，与感压膜片的长宽尺寸完全一致，在其他厚度位置处，与感压膜片的长宽方向的尺寸保持一致，或不一致。
所述感压膜片的上表面可以和非感压区的上表面处于同一水平面，或高于或者低于非感压区的上表面。
所述感压膜片和非感压区在结构上由相互独立的部分组成，或加工成为一个整体。
所述感压膜片同时敏感被测压力和环境因素的共同作用并产生相应变形。
所述非感压区只受环境因素的影响，不敏感被测压力的作用。
所述感压膜片、非感压区、谐振工作梁和谐振补偿梁四部分所采用的材料为硅、或者氮化硅、或者石英、或者金属钨、或者恒弹合金
本发明的原理和工作过程是：被测压力作用于感压膜片下表面，使膜片发生相应变形，该变形通过谐振工作梁的固支边界转化为其内应力，从而改变谐振工作梁的谐振频率，工作过程中谐振工作梁始终处于谐振状态，理想情况下，谐振工作梁的谐振频率与外界压力的对应关系为f＝g(p)，其中p为外界压力，f为与之对应的谐振工作梁的谐振频率，故由检测到的谐振工作梁的谐振频率可以解算出当前被测压力值，实现压力测量。但是在实际应用过程中，环境因素如温度等的变化也将引起谐振工作梁谐振频率的变化，即fa＝h(η)，其中η为环境因素，fa为环境因素引起的谐振工作梁谐振频率的变化，故实际检测到的频率为fo＝f+fa＝g(p)+h(η)，导致了测量误差。本发明通过谐振补偿梁实时消除该偏差。谐振补偿梁双端固支于非感压区表面上，和谐振工作梁平行且几何尺寸一致，工作时谐振补偿梁始终处于谐振状态，它不敏感感压膜片的变形，因此不敏感被测压力的变化，它只敏感与谐振工作梁相同的环境因素如温度等的实时变化，又由于谐振补偿梁的结构参数以及振动激励和拾取方式均与谐振工作梁一致，故谐振补偿梁的谐振频率与环境因素的变化关系为fc＝h(η)＝fa，其中η为环境因素，fc为环境因素引起的谐振补偿梁的频率变化。检测时将谐振工作梁和谐振补偿梁的谐振频率进行差分，即ft＝fo-fc＝f+fa-fa＝f，就能获得谐振工作梁谐振频率的理想值，达到实时补偿的目的，从而提高传感器的测量精度和稳定性。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用双端固支梁作为敏感结构，结构简单，降低了制作难度，同时也提高了成品率。
(2)本发明采用双谐振梁的结构，完全补偿由于环境因素引起的误差，相对于测温补偿，提高了补偿的精度和传感器的测量精度和稳定性。
附图说明
图1为一种双谐振梁式微机械压力传感器整体结构示意图；
图2a为一种双谐振梁式微机械压力传感器的仰视图；
图2b为一种双谐振梁式微机械压力传感器的俯视图；
图3a为一种双谐振梁式微机械压力传感器的c-c’剖视图；
图3b为一种双谐振梁式微机械压力传感器的b-b’剖视图；
图3c为一种双谐振梁式微机械压力传感器的a-a’剖视图；
图中：1为感压膜片、2为非感压区、3为谐振工作梁、4为谐振补偿梁。
具体实施方式
下面结合一种具体实施方式及其附图详细介绍本发明。
如图1、图2、图3所示，本实施例的一种双谐振梁式微机械压力传感器，包括感压膜片1、非感压区2、谐振工作梁3和谐振补偿梁4四部分；其中各部分所采用的材料均一致，可以为硅、或者氮化硅、或者石英、或者金属钨、或者恒弹合金以及其他材料，本实施例以选取材料硅为例来介绍；其中感压膜片1位于结构中央，为一正方形膜片，其边长方向的尺寸远大于厚度尺寸；非感压区2位于感压膜片1周边，为中间开孔的结构，在感压膜片1的厚度范围内，孔径与感压膜片1的孔径完全一致，从与感压膜片1的下表面相平的厚度位置开始，孔径沿厚度方向逐渐增加，为一个方形孔和方形喇叭孔的结合；感压膜片1周边固支在非感压区2的内壁上；感压膜片1和非感压区2在功能上为两个独立的部分，在结构上可以由相互独立的部分组成，也可以加工成为一个整体；感压膜片1敏感被测压力产生相应变形，非感压区2不敏感被测压力的作用；谐振工作梁3双端固支于感压膜片1上表面中央处，直接感受感压膜片1的变形，从而改变自身谐振频率，谐振工作梁3在工作过程中始终处于谐振状态，通过闭环系统检测该谐振频率，获得对应的被测压力值；实际上，谐振工作梁3的谐振频率同时受被测压力和环境因素如温度等的影响；谐振补偿梁4双端固支于非感压区2上表面上，位于非感压区2的内边界和外边界之间满足双端固支条件的区域内，与谐振工作梁3平行且几何尺寸一致，谐振工作梁4在工作过程中也始终处于谐振状态，通过闭环系统检测该谐振频率；谐振补偿梁4不受被测压力的影响，其谐振频率只受环境因素如温度等的影响，将谐振工作梁3的谐振频率和谐振补偿梁4的谐振频率进行差分，即可消除由于环境因素，特别是环境温度引起的谐振工作梁3谐振频率的变化，从而提高了传感器的测量精度和稳定性。
双谐振梁微机械压力传感器的感压膜片1固支在非感压区2的内壁上，其上表面可以和非感压区2的上表面在同一水平面上，也可以高于或者低于非感压区2的上表面，本实施例选取的是感压膜片1的上表面和非感压区2的上表面在同一水平面上。
双谐振梁微机械压力传感器的非感压区2为中间开孔的结构，该开孔的长宽尺寸在厚度方向上可以保持一致，也可以沿厚度方向有变化；本实施例选取的就是孔径沿厚度方向逐渐增加情况，但是都要保证在感压膜片1的厚度范围内，开孔的长宽尺寸与感压膜片的长宽尺寸完全一致。
双谐振梁微机械压力传感器的敏感结构在制作过程中都要保证谐振补偿梁4和谐振工作梁3平行且几何尺寸一致，所采用的振动激励、振动检测方式以及相关参数均一致。
谐振工作梁3和谐振补偿梁4的振动激励-振动拾取机制可以采用多种实现方式，比如可以采用电热激励-压阻拾振机制，在谐振工作梁3和谐振补偿梁4的中部各制作一个参数一致的热电阻，作为振动激励元件，在谐振工作梁3和谐振补偿梁4的根部各制作一个参数一致的压敏电阻，作为振动拾取元件；又比如采用静电激励-压阻拾振机制，在谐振工作梁3和谐振补偿梁4对应的浅槽中间各制作一个参数一致的驱动电极，作为振动激励元件，在谐振工作梁3和谐振补偿梁4的根部各制作一个参数一致的压敏电阻，作为振动拾取元件。但是不管采用何种方式，都要保证谐振补偿梁和谐振工作梁的振动激励-振动拾取方式以及相关参数一致，以达到最佳的补偿效果。
Claims (7)
1.一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：它由感压膜片(1)、非感压区(2)、谐振工作梁(3)和谐振补偿梁(4)四部分组成；感压膜片(1)为一矩形膜片，位于整个压力传感器结构的中央；非感压区(2)位于感压膜片(1)周边，感压膜片(1)周边固支在非感压区(2)的内壁上；谐振工作梁(3)双端固支于感压膜片(1)上表面中央处，谐振补偿梁(4)双端固支于非感压区(2)上表面上；谐振补偿梁(4)位于非感压区(2)的内边界和外边界之间满足双端固支条件的区域内，谐振补偿梁(4)与谐振工作梁(3)平行且几何尺寸大小一致；谐振补偿梁(4)与谐振工作梁(3)所采用的振动激励、振动检测方式以及相关参数均一致；且感压膜片(1)、非感压区(2)、谐振工作梁(3)和谐振补偿梁(4)四部分所采用的材料均一致。
2.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：所述非感压区(2)为中间开孔的结构，开孔的长宽尺寸沿厚度方向在感压膜片(1)的厚度范围内，与感压膜片(1)的长宽尺寸完全一致，在其他厚度位置处，与感压膜片(1)的长宽方向的尺寸保持一致，或不一致。
3.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：所述感压膜片(1)的上表面和非感压区(2)的上表面处于同一水平面，或高于或者低于非感压区(2)的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：所述感压膜片(1)和非感压区(2)在结构上由相互独立的部分组成，或加工成为一个整体。
5.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：所述感压膜片(1)同时敏感被测压力和环境因素的共同作用并产生相应变形。
6.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：所述非感压区(2)只受环境因素的影响，不敏感被测压力的作用。
7.根据权利要求1所述的一种双谐振梁式微机械压力传感器，其特征在于：感压膜片(1)、非感压区(2)、谐振工作梁(3)和谐振补偿梁(4)四部分所采用的材料为硅、或者氮化硅、或者石英、或者金属钨、或者恒弹合金。
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