CN102494813A - 一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,涉及一种传感器。设谐振子、矩形硅岛、矩形压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃;谐振子设有支撑梁、耦合梁、可动梳齿激励电极、可动梳齿检测电极、固定梳齿激励电极、固定梳齿检测电极和振动质量块,矩形压力敏感膜片固定在硅边框内部,矩形硅岛设在矩形压力敏感膜片受力偏转角度最大的位置,矩形硅岛通过支撑梁将谐振子悬置于矩形压力敏感膜片表面,支撑梁与矩形硅岛相连;引线电极通过柔性梁与谐振子连接;支撑梁设在谐振子四角,振动质量块与矩形硅岛相连,设于谐振子中间的机械耦合梁用于连接振动质量块,振动质量块和耦合梁都处于悬置状态,振动质量块上设有孔;下层玻璃设于硅边框底部。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器,尤其是涉及一种带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器。
背景技术
硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器,它通过检测物体的固有频率来间接测量压力,为准数字信号输出。其精度主要受结构机械特性的影响,因此其抗干扰能力强,性能稳定。除此之外,硅微谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等许多优点,一直是各国研究和开发的重点。
在硅微谐振式压力传感器研发方面,英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列成果。但是目前已成功商品化并且大量使用的硅微谐振式压力传感器主要有两种,分别是英国的Druck公司和日本的横河电机株式会社。英国的Druck公司的硅微谐振式压力传感器主要是采用静电激励、电容检测的工作方式,其敏感部分包括谐振子、硅岛、压力敏感膜片和四周固定的边框四部分。其中的谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的,整体误差小于0.01%,测量范围10~1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振式压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式,其谐振器是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到,为内置于真空腔中的谐振梁,并嵌入在压力敏感膜片上表面,整体精度优于0.01%FS,温度系数小于5ppm/K。然而上述硅微谐振式压力传感器采用的驱动方式都为上下平板结构驱动,制作工艺比较复杂,外部电路的检测也有一定难度,并且还必须保证稳定的高真空封装环境。
本申请人在中国专利CN102162756A中公开一种可解决上下平板驱动结构中驱动力的非线性问题,以及驱动力与压力敏感膜片间的耦合问题,基于侧向驱动的一种全对称硅微谐振式压力传感器。设有谐振子、棱台形硅岛、正方形硅压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃;硅边框内部与正方形压力敏感膜片连为一体,在正方形硅压力敏感膜片的对角线上对称设有4个棱台形硅岛,所述4个棱台形硅岛的四边与所述正方形硅压力敏感膜片的四边平行,4个棱台形硅岛通过与之相连的4根支撑梁将谐振子平行悬置于正方形硅压力敏感膜片上方;设于硅边框上表面的4根对角线上的4个引线电极通过4根柔性梁与谐振子连接,实现谐振子与外界的电气连接。
中国专利CN101149298公开一种新的硅微谐振式压力传感器及其制作方法。采用4个对称布置在正方形压力敏感膜片对角线上的正方形硅岛,谐振子通过该正方形硅岛悬置于正方形压力敏感膜片表面。该谐振子由4根支撑梁、4个振动叶片及1个中心连接端构成。4根支撑梁和4个振动叶片间隔对称分布于中心连接端的四周,而4根支撑梁的另一端分别置于4个正方形硅岛的上表面,4个振动叶片处于悬置状态。
中国专利CN101614604公开一种基于滑膜差动结构的硅谐振式压力传感器及其制作方法,该硅谐振式压力传感器主要包括谐振器、支撑柱、压力敏感膜片及边框四部分,其中边框上部与压力敏感膜片四边相连,下部与压力敏感膜片对应位置形成有空腔,使被测气体通过该空腔与压力敏感膜片相接触。支撑柱位于压力敏感膜片上表面,而谐振器则通过支撑柱和边框悬置于压力敏感膜片上表面。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的谐振式压力传感器为了提高谐振子的品质因子,需要对谐振子进行高真空密封,而且温度变化也会引起谐振子谐振频率的变化等难题,提供一种带有机械梁差动结构的基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器。
本发明设有谐振子、2个矩形硅岛、矩形压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃;所述谐振子设有8根支撑梁、1根耦合梁、4个可动梳齿激励电极、2个可动梳齿检测电极、4个固定梳齿激励电极、2个固定梳齿检测电极和2个振动质量块,所述矩形压力敏感膜片固定在硅边框内部,所述2个矩形硅岛设在矩形压力敏感膜片受力偏转角度最大的位置,2个矩形硅岛通过8根支撑梁将谐振子悬置于矩形压力敏感膜片表面,所述8根支撑梁与2个矩形硅岛相连;引线电极通过柔性梁与谐振子连接;8根支撑梁分别布置在谐振子的四角,2个振动质量块通过8根支撑梁与矩形硅岛相连,设于谐振子中间的机械耦合梁用于连接2个振动质量块,振动质量块和耦合梁都处于悬置状态,其中振动质量块上设有孔或孔阵列,用于降低阻尼或在工艺上实现结构的释放;所述4个固定梳齿激励电极与4个可动梳齿激励电极构成梳齿激励电容,2个固定梳齿检测电极与2个可动梳齿检测电极构成梳齿检测电容;所述下层玻璃设于硅边框底部。
所述柔性梁可采用S型柔性梁,采用柔性梁是为了减小其变形对矩形压力敏感膜刚度的影响。
所述谐振子可为水平振动的基于滑膜阻尼的梳齿弹性梁结构,其运动方向与矩形硅岛延伸方向平行。
所述谐振子、硅边框和下层玻璃可通过键合工艺粘接在一起,下层玻璃中心设有导压孔,导压孔与矩形硅压力敏感膜片中心正对。
本发明采用了梳齿弹性梁结构作为谐振子,谐振子的振动方式采用水平振动,其本身的空气阻尼为滑膜阻尼,对封装腔体真空度的变化也相对不敏感,可以取得较高的品质因子,并获得较好的长期稳定性。该谐振子自带的机械耦合梁,能使得压力传感器产生较好的差分效果,减小温度对谐振子频率的影响,提高器件的灵敏度,并且降低了外部电路的检测难度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的分解结构示意图。
具体实施方式
参见图1和2,本发明实施例设有谐振子1、2个矩形硅岛2、矩形压力敏感膜片3、硅边框4和下层玻璃14;所述谐振子1设有8根支撑梁5、1根耦合梁6、4个可动梳齿激励电极7、2个可动梳齿检测电极8、4个固定梳齿激励电极9、2个固定梳齿检测电极10和2个振动质量块11,所述矩形压力敏感膜片3固定在硅边框4内部,所述2个矩形硅岛2设在矩形压力敏感膜片3受力偏转角度最大的位置,2个矩形硅岛2通过8根支撑梁5将谐振子1悬置于矩形压力敏感膜片3表面,所述8根支撑梁5与2个矩形硅岛2相连;引线电极13通过柔性梁12与谐振子1连接;8根支撑梁5分别布置在谐振子1的四角,2个振动质量块11通过8根支撑梁5与矩形硅岛2相连,设于谐振子1中间的机械耦合梁6用于连接2个振动质量块11,振动质量块11和耦合梁6都处于悬置状态,其中振动质量块11上设有孔或孔阵列,用于降低阻尼或在工艺上实现结构的释放;所述4个固定梳齿激励电极9与4个可动梳齿激励电极7构成梳齿激励电容,2个固定梳齿检测电极10与2个可动梳齿检测电极8构成梳齿检测电容;所述下层玻璃14设于硅边框4底部。
所述柔性梁可采用S型柔性梁,采用柔性梁是为了减小其变形对矩形压力敏感膜3刚度的影响。
所述谐振子1可为水平振动的基于滑膜阻尼的梳齿弹性梁结构,其运动方向与矩形硅岛延伸方向平行。
所述谐振子1、硅边框4和下层玻璃14可通过键合工艺粘接在一起,下层玻璃14中心设有导压孔15,导压孔15与矩形硅压力敏感膜片3中心正对。
以下给出本发明的工作过程:
当外界压力通过导压孔15作用于矩形压力敏感膜片3时,矩形压力敏感膜片3发生变形,带动矩形硅岛2发生偏转,从而改变8根支撑梁5的内应力,进而改变8根支撑梁5的刚度,即谐振子1的固有频率发生变化。将固定梳齿激励电极9、固定梳齿检测电极10、引线电极13分别与外部电路连接引入3路电信号,其中第1路电信号作用于固定梳齿激励电极9,第2路电信号作用于固定梳齿检测电极10,第3路电信号通过引线电极13、柔性梁12、支撑梁5、质量块11作用于可动梳齿激励电极7和可动梳齿检测电极8。通过梳齿电容间的静电激励、电容检测即可得到谐振子1与外界压力相关的固有谐振信号。
Claims (5)
1.一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,其特征在于设有谐振子、2个矩形硅岛、矩形压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃;所述谐振子设有8根支撑梁、1根耦合梁、4个可动梳齿激励电极、2个可动梳齿检测电极、4个固定梳齿激励电极、2个固定梳齿检测电极和2个振动质量块,所述矩形压力敏感膜片固定在硅边框内部,所述2个矩形硅岛设在矩形压力敏感膜片受力偏转角度最大的位置,2个矩形硅岛通过8根支撑梁将谐振子悬置于矩形压力敏感膜片表面,所述8根支撑梁与2个矩形硅岛相连;引线电极通过柔性梁与谐振子连接;8根支撑梁分别布置在谐振子的四角,2个振动质量块通过8根支撑梁与矩形硅岛相连,设于谐振子中间的机械耦合梁用于连接2个振动质量块,振动质量块和耦合梁都处于悬置状态,其中振动质量块上设有孔或孔阵列;所述4个固定梳齿激励电极与4个可动梳齿激励电极构成梳齿激励电容,2个固定梳齿检测电极与2个可动梳齿检测电极构成梳齿检测电容;所述下层玻璃设于硅边框底部。
2.如权利要求1所述的一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,其特征在于所述柔性梁采用S型柔性梁。
3.如权利要求1所述的一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,其特征在于所述谐振子为水平振动的基于滑膜阻尼的梳齿弹性梁结构,其运动方向与矩形硅岛延伸方向平行。
4.如权利要求1所述的一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,其特征在于所述谐振子、硅边框和下层玻璃通过键合工艺粘接在一起。
5.如权利要求1所述的一种基于带有耦合梁差动结构的硅微谐振式压力传感器,其特征在于下层玻璃中心设有导压孔,导压孔与矩形硅压力敏感膜片中心正对。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120613 |