CN106323155B - 耦合谐振的谐振式应变传感器 - Google Patents

耦合谐振的谐振式应变传感器 Download PDF

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魏文杉
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Abstract

本发明提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，包括两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器具有可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好等优点，在应力检测领域具有广泛的应用前景。

Description

耦合谐振的谐振式应变传感器
技术领域
本发明涉及一种应力传感器件，特别是涉及一种耦合谐振的谐振式应变传感器。
背景技术
应变传感器又称应变计(strain gauge)是一种常用的传感器，它利用了弹性材料(金属，合金，半导体或者金属陶瓷)的压阻特性来检测被测结构的正应变与剪切应变，它广泛应用于结构健康监测中，涵盖的领域有土木工程，机械，航天，医疗以及可穿戴系统。
相比于传统的应变片，硅基谐振式应变传感器具有灵敏度高，温漂小，准数字化输出，抗干扰能力强，等特点，是一类高性能的应变传感器。
谐振式应变传感器的基本原理是：被测结构的应变引起谐振结构的应力发生变化，谐振梁中的轴向应力使其弯曲振动的共振频率改变，拉应力使共振频率增高，而压应力使共振频率下降，检测共振频率的变化就可以测得轴向应力值，利用应力与应变间的关系，计算得到应变值。
硅基谐振式应变传感器一般采用双端固支音叉结构(Double Ended TuningFork，DETF)的谐振式传感器。通过将两根双端固支梁并联，并使两根梁的振动反相，形成音叉结构，来获得较高的品质因数(Q值)。
硅基谐振式应变传感器的主要问题在于，硅微机械结构受空气阻尼的影响大，在常压下难以获得高的Q值，必须采用真空封装，而目前较成熟的微机械真空封装技术一般需要超过400度的高温工艺或者需要使用低渗透率的封装材料并结合吸气剂，两类工艺与硅基谐振式应变传感结构的兼容性较差。
日本横河电机株式会社研制的高精度谐振式压力传感器中采用了一种H型谐振式应变敏感结构。该结构采用均质的H型梁，通过电磁驱动使H型梁的4个臂振动，通过电磁检测振动频率随应力的变化。由于该结构为均质硅结构，没有金属引线，可以采用高温的硅外延工艺实现真空封装，封装的真空度高且稳定性好，器件性能优异。但是，该结构必须采用电磁驱动、电磁检测，当用作应变传感器时，电磁铁的封装难度大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，以实现一种可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好的压阻检测的谐振式应变传感器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，所述谐振式应变传感器包括：
两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；
检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；
其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁横振动模态与检测梁纵振动模态的共振频率近似相等，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述敏感梁及检测梁的共振频率近似等于各自谐振频率的方均根。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述敏感梁及检测梁的材料为单晶硅或多晶硅。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述谐振式应变传感器还包括敏感梁锚点电极，分别连接于各敏感梁的两端，以固定支撑所述敏感梁，并实现电学引出。
进一步地，所述敏感梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述谐振式应变传感器还包括短梁以及检测梁锚点电极，所述短梁的一端连接于所述检测梁，另一端连接于所述检测梁锚点电极，通过所述短梁及检测梁锚点电极实现所述检测梁的电学引出。
优选地，所述检测梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。
优选地，所述短梁连接于所述检测梁振幅最低的节点。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，谐振式应变传感器还包括分别位于所述敏感梁两侧的驱动装置，所述驱动装置的驱动方式包括静电驱动、电热驱动和电磁驱动。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述敏感梁及检测梁形成工字型结构，且所述敏感梁及检测梁均为直梁。
作为本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述谐振式应变传感器的振型为敏感梁任意奇数阶横振动与检测梁任意奇数阶纵振动的组合，只要保证相应横振动频率与纵振动频率近似相等即可。
如上所述，本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器，可以采用均质的硅材料制成，结构上不需要制作金属引线，与高温真空封装工艺兼容，谐振结构的驱动可以采用静电驱动、电热驱动和电磁驱动等多种方式，采用压阻检测。因此，本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器具有可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好等优点，在应力检测领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1～图2为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的示意图，其中图1为立体图，图2为俯视图。
图3为本发明的工字型谐振结构耦合谐振振型，敏感梁为一阶横振动，竖梁为一阶纵振动。
图4为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的一种压阻检测电学连线图。
图5为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的静电驱动电极的布置俯视图。
图6为本发明的工字型谐振式应变传感器的敏感梁三阶横振动与检测梁一阶纵振动耦合谐振的工字型结构振型图。
图7为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的另一种压阻检测电学连线图。
图8为本发明的工字型谐振式应变传感器结构采用两根检测梁的耦合谐振应变传感结构俯视图，图中20、21为敏感梁，22、23为检测梁，24、25为电学连接的短梁，26-31为锚点电极，32、33为驱动电极。
图9为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的采用两根检测梁的耦合谐振结构的振型示意图，两根敏感梁为三阶横振动、且振动相位相反，两根检测梁为一阶总振动。
图10～图19为本发明的工字型谐振式应变传感器结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
1、2 敏感梁
3 检测梁
4 短梁
5、6、7、8 敏感梁锚点电极
9 检测梁锚点电极
10 绝缘层
11 硅衬底
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图19。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器，所述谐振式应变传感器包括：
两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；
检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；
其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁横振动模态与检测梁纵振动模态的共振频率近似相等，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，所述敏感梁及检测梁的共振频率近似等于各自谐振频率的方均根，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。
作为示例，所述谐振式应变传感器还包括敏感梁锚点电极，分别连接于各敏感梁的两端，以固定支撑所述敏感梁，并实现电学引出。所述敏感梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。另外，所述谐振式应变传感器还包括短梁以及检测梁锚点电极，所述短梁的一端连接于所述检测梁，另一端连接于所述检测梁锚点电极，通过所述短梁及检测梁锚点电极实现所述检测梁的电学引出。所述检测梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。所述短梁连接于所述检测梁振幅最低的节点。
作为示例，谐振式应变传感器还包括分别位于所述敏感梁两侧的驱动装置，所述驱动装置的驱动方式包括静电驱动、电热驱动和电磁驱动。
如图1～图19所示，在本实施例中，具体以一种工字型结构说明本发明的原理，但是本发明并不限于该工字型结构。
工字型耦合谐振结构的结构示意图与俯视图分别如图1及图2所示。图中的工字型耦合谐振结构包括敏感梁1及2、检测梁3，短梁4，用于电学引线，敏感梁锚点电极5、6、7、8用于电学引出，检测梁锚点电极9为连接于短梁4，并实现电学引出，锚点电极5、6、7、8、9通过绝缘层10固定连接于硅衬底11上。
该谐振结构有很多谐振模态，其工作谐振模态如图3所示。该模态中梁的变形均限制在x-y平面内，敏感梁1和2的振型近似为双端固支梁的一阶横振动振型、且反相，检测梁3振型近似为一阶纵振动振型。激发出该振型的设计方法为：使敏感梁一阶横振动共振频率与检测梁一阶纵振动共振频率近似相等，使敏感梁与检测梁一阶振型强耦合。检测梁与敏感梁耦合谐振的频率近似等于各自谐振频率的方均根。短梁4与检测梁的连接点为振幅为0的节点，因此短梁4对结构共振频率的影响可近似忽略。将敏感梁一阶振型的共振频率记为fs，敏感梁长近似为梁中频率为fs的横波波长的一半。将检测梁共振频率记为ft，检测梁总长近似为梁中频率为ft的纵波波长的一半。图3所示耦合振型的共振频率近似为：
该结构的主要特点，敏感梁的横振动与检测梁的纵振动共振频率近似相等，形成强耦合。该特征也是本发明与横河电机株式会社H型应力谐振结构的主要区别之一，H型结构的4个臂均近似以双端固支梁的一阶振型振动而中间短梁的振幅可近似忽略。
当该谐振结构受到如图1中沿x方向的正应力时，敏感梁的共振频率fs随应力变化，引起耦合频率f0随之变化：
f0对应力Txx的灵敏度约为fs的一半。
虽然耦合谐振结构频率对应力的灵敏度仅为双端固支梁的一半，但是由于敏感梁与检测梁耦合共振，检测梁内应力信号因共振而极大地放大，利用检测梁的压阻效应就可实现振动信号的测量，因此可采用均质的硅材料制作敏感结构，与薄膜封装工艺兼容性好、结构内损耗小。
压阻检测的连接方法为：将敏感梁锚点电极5、6、7、8短接作为力敏电阻的一端，检测梁锚点电极9为力敏电阻的另一端，如图4所示。图4中箭头表示电流流向。两端间电阻值为：
Rs＝(R1//R2//R3//R4)+(R5//R6)
式中R1、R2、R3、R4、R5、R6分别对应为图4中的电阻12、13、14、15、16、17，如图中的标示。当结构耦合谐振时，敏感梁为弯曲振动模态，梁的中平面两边的应力大小相等、符号相反，其压阻效应近似互相抵消，敏感梁电阻R1-R4可近似认为不随振动改变。检测梁为纵振动模态，梁上平均应力是位移的线性函数。将单晶硅检测梁制作在压阻效应显著的P型<110>晶向或N型<100>晶向，硅检测梁电阻R5和R6存在显著的压阻效应，因此总电阻Rs的阻值可用于测量检测梁的纵振动信号。将电阻Rs接入惠斯顿电桥即可实现对Rs的测量。
工字型结构可以采用静电驱动，但不限于静电驱动。静电驱动结构如图5所示。在2根敏感梁两侧制作驱动电极18和19。当敏感梁锚点电极5、6、7、8连接在惠斯顿电桥的电源电压上时，该电压就可以用作静电驱动的偏置电压，在驱动电极18和19上只需要施加交流驱动电压即可。该驱动方法比传统的在驱动电极上同时施加偏置电压和交流电压更为简单。当然，传统的方法，即在驱动电极18和19上同时施加偏置电压和交流电压也是可以的。
工字型耦合谐振结构的振型并不限于图3所示的振型，而可以是敏感梁任意奇数阶横振动与检测梁任意奇数阶纵振动的组合，只要保证相应横振动频率与纵振动频率近似相等即可。图6所示的设计为敏感梁以双端固支梁的三阶弯曲振型振动，而检测梁为一阶纵振动。由于敏感梁为三阶弯曲振型，驱动电极设计需作相应改变，如图6所示。
工字型耦合谐振结构也可以设计为图7所示，即去除图1中短梁4和检测梁锚点电极9。由于图1中短梁4处于杆纵振动的节点位置，其对振动并没有明显影响，去除短梁后结构振型没有明显变化。图7也示出了该结构的电学连接方法和电流流向，敏感梁锚点电极5和6短接作为力敏电阻的一端，敏感梁锚点电极7和8短接作为另一端。电阻的阻值为：
Rs＝(R1//R2)+R5+R6+(R3//R4)
图7所示结构采用在敏感梁两边制作驱动电极，并在电极上同时施加直流偏置和交流电压来实现静电驱动。虽然两根敏感梁的电位并不一致，但是由于结构工作于谐振状态，电位不一致的影响小。
耦合谐振式应变传感器不限于工字型结构。如图8所示的结构是另一种设计。图中20和21为两根敏感梁，22和23为检测梁。工作时的耦合振型如图9所示，敏感梁为三阶弯曲振动，检测梁为一阶纵振动，其工作原理与工字型结构相同。该结构的压阻检测连接方法有多种。下面列出三种。
1)将电极26-29短接作为一端，电极30和31短接作为另一端；
2)将电极26和27短接作为一端，电极28和29短接作为另一端，采用该连接方法时，可以取消短梁24、25与电极30、31；
3)电极30作为一端，电极31作为另一端。
如图10～图18所示，本实施例还提供一种耦合谐振的谐振式应变传感器的制作方法，并以薄膜真空封装工艺制作工字型结构为例进行说明，包括以下步骤：
如图10～图11所示，首先进行步骤1)，在本实施例中，采用SOI硅片制作工字型结构，所述SOI硅片包括硅衬底34、埋氧层35以及顶层硅36，SOI顶层硅厚度就等于结构厚度。由于工字型结构为均质结构，只需要根据压阻检测的需要定制相应浓度顶层硅的SOI硅片即可，不需要做局部注入和扩散。光刻工字梁结构，采用深反应离子刻蚀腐蚀穿顶层硅，去除光刻胶后俯视图如图10所示，结构剖面A-A’如图11所示。
如图12～图13所示，然后进行步骤2)，采用LPCVD生长SiO2，填满腐蚀形成的沟槽，光刻并刻蚀SiO2牺牲层37，形成如图12～图13所示的结构，其中，图12为俯视图，图13为A-A’剖面图。
如图14～图15所示，接着进行步骤3)，采用LPCVD生长低应力SiNx覆盖结构，该层SiNx用作真空封装壳体，光刻并刻蚀穿SiNx层38，形成腐蚀窗口39，如图14～图15所示。
如图16所示，接着进行步骤4)，用氢氟酸腐蚀去除LPCVD SiO2和谐振结构下的SiO2埋层，由于结构宽度远小于锚点电极，通过控制腐蚀时间，锚点电极可大部分保留下了，剖面如图16所示。
如图17所示，然后进行步骤4)，用LPCVD生长SiO2，填充满腐蚀窗口。由于LPCVD腔内为低真空，形成低真空封装。光刻并刻蚀SiO2，形成如图17所示的结构。
如图18～图19所示，最后进行步骤5)，在各锚点电极表面光刻并刻蚀形成接触窗口，并制作金属电极40，即完成传感器芯片的制作。制成的传感器芯片如图18～图19所示。由于金属电极是在片上真空封装完成后制作的，可以采用LPCVD等高温工艺制作片上真空封装。
如上所述，本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器，可以采用均质的硅材料制成，结构上不需要制作金属引线，与高温真空封装工艺兼容，谐振结构的驱动可以采用静电驱动、电热驱动和电磁驱动等多种方式，采用压阻检测。因此，本发明的耦合谐振的谐振式应变传感器具有可采用高温工艺真空封装、高Q值、高分辨率、高灵敏度、长期稳定性好等优点，在应力检测领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于，所述谐振式应变传感器包括：
两根敏感梁，各敏感梁的两端被固定支撑；
敏感梁锚点电极，分别连接于各敏感梁的两端，以固定支撑所述敏感梁，并实现电学引出；
检测梁，连接于所述两根敏感梁之间；
短梁以及检测梁锚点电极，所述短梁的一端连接于所述检测梁，另一端连接于所述检测梁锚点电极，通过所述短梁及检测梁锚点电极实现所述检测梁的电学引出；
其中，所述敏感梁工作于对应力敏感的横振动模态，检测梁工作于整体压阻效应显著的纵振动模态，敏感梁横振动模态与检测梁纵振动模态的共振频率近似相等，敏感梁与检测梁形成耦合谐振，外加驱动使整个结构以耦合谐振频率振动，敏感梁中的应力会改变敏感梁的共振频率，整个结构的耦合谐振频率随之改变，利用检测梁的压阻效应测量耦合谐振频率就可以测得应力值，并进而计算得到应变。
2.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述敏感梁及检测梁的共振频率近似等于各自谐振频率的方均根。
3.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述敏感梁及检测梁的材料为单晶硅或多晶硅。
4.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述敏感梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。
5.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述检测梁锚点电极通过绝缘层固定连接于硅衬底表面。
6.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述短梁连接于所述检测梁振幅最低的节点。
7.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：谐振式应变传感器还包括分别位于所述敏感梁两侧的驱动装置，所述驱动装置的驱动方式包括静电驱动、电热驱动和电磁驱动。
8.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述敏感梁及检测梁形成工字型结构，且所述敏感梁及检测梁均为直梁。
9.根据权利要求1所述的耦合谐振的谐振式应变传感器，其特征在于：所述谐振式应变传感器的振型为敏感梁任意奇数阶横振动与检测梁任意奇数阶纵振动的组合，只要保证相应横振动频率与纵振动频率近似相等即可。
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