CN105301344B - 基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，包括传感器本体，传感器本体中部开设有矩形通槽；设置于矩形通槽内的2组驱动梁阵列，驱动梁阵列包括多根驱动梁及连接驱动梁的连接部，连接部相对的端部设置有音叉基座；设置于音叉基座上的音叉，音叉包括一对安装部和连接安装部的振梁，安装部与音叉基座相连；设置于传感器本体上的一对输入电极，每一输入电极包括电极焊盘及连接电极焊盘的金属引线，电极焊盘与驱动梁的固定端相连；设置于传感器本体下方的底座，底座上设置有大小与矩形通槽相适应的凹槽。本发明利用电热膨胀效应和逆压电效应，以驱动梁阵列膨胀产生的位移改变石英音叉的谐振频率，具有准数字信号输出、体积小、易于集成的特点。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子技术领域，尤其涉及一种基于驱动梁阵列和石英音叉的直流电压测量传感器芯片。
背景技术
直流电压的高精度、数字化测量技术在国民经济发展中发挥着重要的作用，尤其在现代电力电子系统的智能化监控和保护方面有着迫切的需求。目前，直流电压测量器件多由以不同阻值电阻组成的步进盘和滑线盘组成，结构复杂，体积较大。而且，该类器件得到输出信号多为模拟信号，需要额外的模数转换模块来与现代智能化系统进行集成，在增大器件复杂度的同时，进一步提高了制造成本。近年来，随着MEMS技术的发展，出现了基于硅微传感器的直流电压测量系统，促进了直流电压测量技术的微型化发展。
如公开号为CN 103245819A的中国发明专利申请公开了一种基于磁激励谐振压阻式悬臂梁的测量直流电流或直流电压的方法，其所用的微型悬臂梁芯片具有尺寸小、易于和外界系统集成的特点，通过悬臂梁谐振频率在不同电压下的偏移量来表征被测电压，具有准数字信号输出。但该悬臂梁芯片为磁激励方式，需要外界永磁体提供工作磁场，增加了该测量系统的复杂度，不利于系统的集成化发展。
综上，现有的电压测量传感器或是采用常规方式实现，组成复杂，体积庞大，且输出多为模拟量，与智能系统集成度不高；或是常用磁激励悬臂梁，工作时需要置于外磁场中，增加了系统复杂度，限制了测量系统的应用范围。总之，现有直流电压测量器件无法满足高集成度和微型化的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、可减小直流电压测量器件的体积和重量的直流电压测量传感器芯片，能够输出准数字频率信号，易于与智能系统集成。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，包括：传感器本体，所述传感器本体中部开设有矩形通槽；设置于所述矩形通槽内的2组驱动梁阵列，所述驱动梁阵列分别位于矩形通槽的两端，所述驱动梁阵列包括多根驱动梁及连接所述驱动梁的连接部，所述驱动梁的两端与所述矩形通槽的内侧壁相连，所述连接部连接于每一根驱动梁的中点处，且连接部的中心线与所述传感器本体的中心线重合，所述连接部相对的端部设置有音叉基座；设置于所述音叉基座上的音叉，所述音叉包括一对安装部和连接所述安装部的振梁，所述安装部与所述音叉基座相连，安装部的上表面设置有音叉焊盘，所述振梁表面布置有电极；设置于所述传感器本体上的一对输入电极，所述输入电极分别位于所述驱动梁阵列的两侧，每一输入电极包括两个电极焊盘以及连接电极焊盘的金属引线，所述电极焊盘与驱动梁的固定端相连；设置于所述传感器本体下方的底座，所述底座上设置有大小与矩形通槽相适应的凹槽。
优选的，所述驱动梁由硅材料制成。
优选的，所述驱动梁呈V形，V形驱动梁的突出端朝向传感器本体的几何中心。
优选的，所述连接部向内延伸超出驱动梁阵列中最内侧的驱动梁。
优选的，所述驱动梁阵列、连接部及音叉基座三者相对于传感器本体的中心线对称。
优选的，所述音叉基座上设置有隔热槽，所述隔热槽内设置隔热层，隔热层填充满隔热槽，且隔热层的上表面与音叉基座的上表面平齐，所述音叉的安装部设置于所述隔热层上。
优选的，所述隔热层材料为二氧化硅。
优选的，所述底座为硅底座，底座无凹槽区域通过键合的方式与传感器本体的下表面固连。
根据以上技术方案可知，本发明将驱动梁阵列的电热膨胀效应和石英音叉的逆压电效应结合，通过驱动梁阵列将被测的电压转换为位移量，这一位移量进而引起石英音叉谐振频率变化，从而实现直流电压信号到数字频率信号的转换。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：传感器芯片只需外界提供石英音叉激励电压即可工作，结构组成简单，整体集成度好；传感器本体可通过硅微机械加工技术制造，体积小，重量轻，且具有可大规模生产的潜力；传感器输出为准数字信号，易于和其他智能监测或保护系统集成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为沿图1中A-A线的剖视图；
图3为本发明实施例的分解结构示意图；
图4为本发明实施例传感器本体的结构示意图；
图5为本发明实施例音叉的结构示意图；
图6为本发明实施例输入电极的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参照图1至图3，本实施例的石英谐振式直流电压传感器芯片，包括传感器本体1、驱动梁阵列2、石英音叉3、输入电极4及底座5。如图4所示，传感器本体1中部开设有矩形通槽1a，使传感器本体1呈口字形，2组驱动梁阵列2设置于矩形通槽1a内，并分别位于矩形通槽1a的左右两端。驱动梁阵列2由多根驱动梁2-1及连接这些驱动梁的连接部2-2组成，连接部2-2连接于每一根驱动梁2-1的中点处，且连接部2-2的中心线与传感器本体1的中心线a重合，驱动梁2-1的两端与矩形通槽1a的内侧壁相连。优选的，本实施例的驱动梁2-1呈V形，V形驱动梁的突出端朝向传感器本体的几何中心，驱动梁由硅材料制成。
为了便于描述，将靠近传感器本体几何中心的一侧定义为内侧，远离传感器本体几何中心的一侧定义为外侧。连接部2-2向内延伸超出驱动梁阵列中最内侧的驱动梁，该向内延伸的端部设置有音叉基座2-3，两个驱动梁阵列的音叉基座相对设置，石英音叉3设置于音叉基座2-3上，驱动梁阵列2、连接部2-2及音叉基座2-3三者相对于传感器本体1的中心线a完全对称。作为本发明的一个优选技术方案，音叉基座2-3上设置有隔热槽2-3a，隔热槽2-3a内设置隔热层6，隔热层6填充满整个隔热槽2-3a，且隔热层6的上表面与音叉基座2-3的上表面平齐，石英音叉3放置于隔热层6上。
底座5设置于传感器本体1之下，底座5上设置有凹槽5a，凹槽5a的大小与传感器本体1的矩形通槽1a的大小相同，通过在底座5上设置凹槽5a，可使驱动梁阵列2、连接部2-2及音叉基座2-3始终处于悬空状态，保证传感器能够正常工作。本实施例的底座5为硅底座，底座无凹槽区域通过键合的方式与传感器本体1的下表面固连。底座一方面增大了传感器芯片的安装面积，便于芯片的封装，同时也可以在封装过程中保护传感器芯片的可动结构。
结合图5，石英音叉包括一对安装部3-1和连接安装部3-1的振梁3-2，振梁3-2两端的安装部3-1分别与隔热层6(或音叉基座)的上表面固连，安装部3-1的上表面设置有音叉焊盘3-3，石英音叉的振梁3-2表面布置有电极(未图示)。传感器工作时，通过石英材料的逆压电效应驱动振梁3-2发生谐振，信号通过布置于安装部3-1上的音叉焊盘3-3传输。本发明的石英音叉设置于两组驱动梁阵列之间，同时受到其左右两端驱动梁阵列的位移作用，将产生相比单端位移作用时更大的频率偏移，从而提升传感器的测量灵敏度。
传感器本体1上设置有一对输入电极4，输入电极4分别位于驱动梁阵列2的两侧，每一输入电极4包括两个电极焊盘4-1以及连接电极焊盘4-1的金属引线4-2。电极焊盘4-1与驱动梁的固定端相连，将被测直流电压施加于驱动梁阵列上。测量时，只需将被测直流电压的一极与一个输入电极4中的任意一个焊盘4-1连接即可，减少了测量时所需焊接金丝的数量，也便于实际测量时根据实际需要灵活选择输入端。
本发明采用硅驱动梁阵列的电热膨胀效应和石英音叉的逆压电效应来实现直流电压的测量，其工作原理为：
当被测直流电压通过输入电极4加载于驱动梁阵列2时，驱动梁阵列2中的驱动梁2-1将在焦耳效应作用下发热并产生热变形，即电热膨胀，驱动梁变形产生的位移通过连接杆2-2传递给音叉基座2-3，音叉基座2-3的位移使设置于音叉基座上处于谐振状态的石英音叉3两端同时受到挤压作用，使石英音叉3的振梁3-2产生内应力，进而导致振梁3-2的谐振频率发生变化，从而实现传感器芯片直流电压到频率信号的转换，完成对直流电压的数字化测量。本发明利用了电热膨胀效应和逆压电效应，以驱动梁阵列膨胀产生的位移改变石英音叉的谐振频率，具有准数字信号输出、体积小、易于集成的特点。
在优选实施例中，在传感器芯片中引入了导热系数小于驱动梁导热系数的隔热层，如隔热层材料选用二氧化硅，二氧化硅的导热系数仅为单晶硅材料的5％左右，在传感器工作时隔热层可以有效阻止驱动梁阵列的热量向石英音叉的传导，减少热量对石英音叉的影响，提高传感器的测量精度。隔热层上表面应与音叉基座的上表面平齐可以保证石英音叉在与该表面固连时的安装精度，也便于石英音叉通过金丝与传感器芯片外部线路或者设备相连。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于，包括：
传感器本体，所述传感器本体中部开设有矩形通槽；
设置于所述矩形通槽内的2组驱动梁阵列，所述驱动梁阵列分别位于矩形通槽的两端，所述驱动梁阵列包括多根驱动梁及连接所述驱动梁的连接部，所述驱动梁的两端与所述矩形通槽的内侧壁相连，所述连接部连接于每一根驱动梁的中点处，且连接部的中心线与所述传感器本体的中心线重合，所述连接部相对的端部设置有音叉基座；
设置于所述音叉基座上的音叉，所述音叉包括一对安装部和连接所述安装部的振梁，所述安装部与所述音叉基座相连，安装部的上表面设置有音叉焊盘，所述振梁表面布置有电极；
设置于所述传感器本体上的一对输入电极，所述输入电极分别位于所述驱动梁阵列的两侧，每一输入电极包括两个电极焊盘以及连接电极焊盘的金属引线，所述电极焊盘与驱动梁的固定端相连；
设置于所述传感器本体下方的底座，所述底座上设置有大小与矩形通槽相适应的凹槽。
2.如权利要求1所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述驱动梁由硅材料制成。
3.如权利要求1或2所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述驱动梁呈V形，V形驱动梁的突出端朝向传感器本体的几何中心。
4.如权利要求1所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述连接部向内延伸超出驱动梁阵列中最内侧的驱动梁。
5.如权利要求1所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述驱动梁阵列、连接部及音叉基座三者分别相对于传感器本体的中心线对称。
6.如权利要求1所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述音叉基座上设置有隔热槽，所述隔热槽内设置隔热层，隔热层填充满隔热槽，且隔热层的上表面与音叉基座的上表面平齐，所述音叉的安装部键合于所述隔热层上。
7.如权利要求6所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述隔热层材料为二氧化硅。
8.如权利要求1所述的基于驱动梁阵列的石英谐振式直流电压传感器芯片，其特征在于：所述底座为硅底座，底座无凹槽区域通过键合的方式与传感器本体的下表面固连。
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