CN109883581A - 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片 - Google Patents

一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN109883581A
CN109883581A CN201910216559.0A CN201910216559A CN109883581A CN 109883581 A CN109883581 A CN 109883581A CN 201910216559 A CN201910216559 A CN 201910216559A CN 109883581 A CN109883581 A CN 109883581A
Authority
CN
China
Prior art keywords
outer framework
quartzy
cantilever beam
layer
tuning fork
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910216559.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109883581B (zh
Inventor
赵玉龙
张全伟
李村
李波
韩超
葛晓慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201910216559.0A priority Critical patent/CN109883581B/zh
Publication of CN109883581A publication Critical patent/CN109883581A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109883581B publication Critical patent/CN109883581B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，包括芯片衬底层，芯片衬底层上设有压力敏感膜层，压力敏感膜层上设有支撑层，支撑层上设有悬臂梁结构层；悬臂梁的上下两侧平行对称安装有第一石英双端固支音叉和第二石英双端固支音叉；测量压力时，待测压力作用于敏感压力膜层上，使得悬臂梁结构层的悬臂梁弯曲，两根石英音叉梁分别受到拉应力和压应力的作用，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，通过测量频率变化，可获得待测压力信息，且形成差动输出，不仅可以提高敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰；测量过程无需数模转换，输出为准数字的压力信号，具有抗干扰能力强，重量轻和体积小等特点。

Description

一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)数字式压力传感器技术领域，具体涉及一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片。
背景技术
差动输出作为一种有效的提高传感器精度和可靠性的方法在加速度传感器中被广泛应用，但是它在谐振压力传感器领域中的应用却很少见。差动输出是指两个谐振器对称受力，且一个受拉谐振频率增加，另一个受压谐振频率降低，频率作差即可检测所受压力的大小，不仅提高了敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰。现有的拥有差动结构谐振压力传感器一般都引入复杂的附属结构，如波纹管、波登管和柔性杠杆等，采用传统机械加工工艺制作，加工成本高，不适合批量化生产。相比而言，基于石英晶体或单晶硅材料的MEMS工艺发展更为成熟，容易保证复杂压力转换元件的结构尺寸精度并实现批量化生产；由于硅材料的谐振器，振频率低、灵敏度差、品质因数Q值低，一般采用石英晶体作为谐振元件材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，具有数字信号输出，精度高，抗干扰能力强，重量轻和体积小等特点。
为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：
一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，包括芯片衬底层6，芯片衬底层6上设有压力敏感膜层5，压力敏感膜层5上设有支撑层4，支撑层4上设有悬臂梁结构层3；悬臂梁的上下两侧平行对称安装有第一石英双端固支音叉1和第二石英双端固支音叉2。
所述的悬臂梁结构层3包括悬臂梁外框架3a、悬臂梁3b、中心块3c，中心块3c处于悬臂梁外框架3a正中心，中心块3c通过悬臂梁3b和悬臂梁外框架3a连接；
所述的支撑层4包括支撑外框架4a、第一引线缺口4b，第一引线缺口4b设在支撑外框架4a一边的中部；
所述的压力敏感膜层5包括压力膜外框架5a、中心岛5b、薄膜5c和第二引线缺口5d，压力膜外框架5a的中部和薄膜5c连接，薄膜5c的中部和中心岛5b连接，中心岛5b位于压力膜外框架5a和薄膜5c的正中心，压力膜外框架5a的一边中部设有第二引线缺口5d；
所述的芯片衬底层6包括衬底外框架6a和中部的空腔6b，空腔6b的大小和位置与薄膜5c对应；
所述的第一石英双端固支音叉1和第二石英双端固支音叉2结构相同，石英音叉梁的一端端头两面为a、c面，另一端端头两面为b、d面，在其a面有检测电极，在b面有与外部电路连接的焊盘，c面和d面是安装面；
第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2的c面安装在悬臂梁结构层3的中心块3c的上下表面，第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2的d面安装在悬臂梁外框架3a的上下两侧；悬臂梁外框架3a的底面和支撑外框架4a上面连接，第一引线缺口4b放置在第二石英双端固支音叉2的b、d面一端；支撑外框架4a底面和压力膜外框架5a上面连接，第二引线缺口5d和第一引线缺口4b对应放置，中心岛5b与第二石英双端固支音叉2的a面连接；压力膜外框架5a底面和衬底外框架6a上面连接，空腔6b和薄膜5c对应放置。
所述的石英双端固支音叉的石英音叉梁表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态。
所述的悬臂梁3b位于悬臂梁结构层3的中心层，上下深度为150微米至250微米。
所述的薄膜5c是在压力敏感膜层5上刻蚀出的‘回’型槽，深度为150微米至250微米。
所述的第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2、悬臂梁结构层3、支撑层4、压力敏感膜层5和芯片衬底等6分别为一体化加工。
本发明的有益效果为：
测量压力时，待测压力作用于敏感压力膜层5上，使得悬臂梁结构层3的悬臂梁3b弯曲，两根石英音叉梁分别受到拉应力和压应力的作用，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，通过测量频率变化，可获得待测压力信息，且形成差动输出，不仅可以提高敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰；测量过程无需数模转换，输出为准数字的压力信号。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的结构分离示意图。
图3为本发明的结构半剖图。
图4为本发明悬臂梁结构层的示意图。
图5为本发明支撑层的结构示意图。
图6为本发明压力敏感膜层的结构示意图。
图7为本发明芯片衬底层的结构示意图。
图8为本发明石英双端固支音叉的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1、图2和图3，一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，包括芯片衬底层6，芯片衬底层6上设有压力敏感膜层5，压力敏感膜层5上设有支撑层4，支撑层4上设有悬臂梁结构层3；悬臂梁的上下两侧平行对称安装有第一石英双端固支音叉1和第二石英双端固支音叉2，支撑层4为第二石英双端固支音叉2的安装提供高度空间。
参照图4，所述的悬臂梁结构层3包括悬臂梁外框架3a、悬臂梁3b、中心块3c，中心块3c处于悬臂梁外框架3a正中心，中心块3c通过悬臂梁3b和悬臂梁外框架3a连接；
参照图5，所述的支撑层4包括支撑外框架4a、第一引线缺口4b，第一引线缺口4b设在支撑外框架4a一边的中部；
参照图6，所述的压力敏感膜层5包括压力膜外框架5a、中心岛5b、薄膜5c和第二引线缺口5d，压力膜外框架5a的中部和薄膜5c连接，薄膜5c的中部和中心岛5b连接，中心岛5b位于压力膜外框架5a和薄膜5c的正中心，压力膜外框架5a的一边中部设有第二引线缺口5d；
参照图7，所述的芯片衬底层6包括衬底外框架6a和中部的空腔6b，空腔6b的大小和位置与薄膜5c对应；
参照图8，所述的第一石英双端固支音叉1和第二石英双端固支音叉2结构相同，石英音叉梁的一端端头两面为a、c面，另一端端头两面为b、d面，在其a面有检测电极，在b面有与外部电路连接的焊盘，c面和d面是安装面；
第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2的c面安装在悬臂梁结构层3的中心块3c的上下表面，第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2的d面安装在悬臂梁外框架3a的上下两侧；悬臂梁外框架3a的底面和支撑外框架4a上面连接，第一引线缺口4b放置在第二石英双端固支音叉2的b、d面一端；支撑外框架4a底面和压力膜外框架5a上面连接，第二引线缺口5d和第一引线缺口4b对应放置，中心岛5b与第二石英双端固支音叉2的a面连接；压力膜外框架5a底面和衬底外框架6a上面连接，空腔6b和薄膜5c对应放置。
所述的第一石英双端固支音叉1、第二石英双端固支音叉2、悬臂梁结构层3、支撑层4、压力敏感膜层5和芯片衬底等6分别为一体化加工。
所述的石英双端固支音叉的石英音叉梁表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态。
所述的悬臂梁3b位于悬臂梁结构层3的中心层，上下深度为150微米至250微米。
所述的薄膜5c是在压力敏感膜层5上刻蚀出的‘回’型槽，深度为150微米至250微米。
本发明的工作原理是：
利用石英音叉梁的逆压电效应，被施加的交变电压激励后，按照石英音叉梁预定的固有模态振型振动，在压力敏感膜层5受到待测压力的影响后，中心岛5b在垂直于薄膜5c的方向上发生位移，悬臂梁3b也在同一方向发生弯曲，带动两个石英音叉梁发生形变，由于悬臂梁3b弯曲，其上下表面所受应力大小相同方向相反，所以其中一个石英双端固支音叉受到拉应力频率升高，另一个石英双端固支音叉受到压应力频率降低，两者的频率差与压力成比例关系，通过测量频率差，进而获得所测压力的大小。

Claims (6)

1.一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：包括芯片衬底层(6)，芯片衬底层(6)上设有压力敏感膜层(5)，压力敏感膜层(5)上设有支撑层(4)，支撑层(4)上设有悬臂梁结构层(3)，悬臂梁的上下两侧平行对称安装有第一石英双端固支音叉(1)和第二石英双端固支音叉(2)。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述的悬臂梁结构层(3)包括悬臂梁外框架(3a)、悬臂梁(3b)、中心块(3c)，中心块(3c)处于悬臂梁外框架(3a)正中心，中心块(3c)通过悬臂梁(3b)和悬臂梁外框架(3a)连接；
所述的支撑层(4)包括支撑外框架(4a)、第一引线缺口(4b)，第一引线缺口(4b)设在支撑外框架(4a)一边的中部；
所述的压力敏感膜层(5)包括压力膜外框架(5a)、中心岛(5b)、薄膜(5c)和第二引线缺口(5d)，压力膜外框架(5a)的中部和薄膜(5c)连接，薄膜(5c)的中部和中心岛(5b)连接，中心岛(5b)位于压力膜外框架(5a)和薄膜(5c)的正中心，压力膜外框架(5a)的一边中部设有第二引线缺口(5d)；
所述的芯片衬底层(6)包括衬底外框架(6a)和中部的空腔(6b)，空腔(6b)的大小和位置与薄膜(5c)对应；
所述的第一石英双端固支音叉(1)和第二石英双端固支音叉(2)结构相同，石英音叉梁的一端端头两面为a、c面，另一端端头两面为b、d面，在其a面有检测电极，在b面有与外部电路连接的焊盘，c面和d面是安装面；
所述的第一石英双端固支音叉(1)、第二石英双端固支音叉(2)的c面安装在悬臂梁结构层(3)的中心块(3c)的上下表面，第一石英双端固支音叉(1)、第二石英双端固支音叉(2)的d面安装在悬臂梁外框架(3a)的上下两侧；悬臂梁外框架(3a)的底面和支撑外框架(4a)上面连接，第一引线缺口(4b)放置在第二石英双端固支音叉(2)的b、d面一端；支撑外框架(4a)底面和压力膜外框架(5a)上面连接，第二引线缺口(5d)和第一引线缺口(4b)对应放置，中心岛(5b)与第二石英双端固支音叉(2)的a面连接；压力膜外框架(5a)底面和衬底外框架(6a)上面连接，空腔(6b)和薄膜(5c)对应放置。
3.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述的石英双端固支音叉的石英音叉梁表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态。
4.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述的悬臂梁(3b)位于悬臂梁结构层(3)的中心层，上下深度为150微米至250微米。
5.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述的薄膜(5c)是在压力敏感膜层(5)上刻蚀出的‘回’型槽，深度为150微米至250微米。
6.根据权利要求2所述的一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片，其特征在于：所述的第一石英双端固支音叉(1)、第二石英双端固支音叉(2)、悬臂梁结构层(3)、支撑层(4)、压力敏感膜层(5)和芯片衬底等(6)分别为一体化加工。
CN201910216559.0A 2019-03-19 2019-03-19 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片 Active CN109883581B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910216559.0A CN109883581B (zh) 2019-03-19 2019-03-19 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910216559.0A CN109883581B (zh) 2019-03-19 2019-03-19 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109883581A true CN109883581A (zh) 2019-06-14
CN109883581B CN109883581B (zh) 2020-12-08

Family

ID=66933365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910216559.0A Active CN109883581B (zh) 2019-03-19 2019-03-19 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109883581B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501098A (zh) * 2019-09-20 2019-11-26 合肥工业大学 一种基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器
CN112611484A (zh) * 2020-12-12 2021-04-06 西安交通大学 一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器
CN116046220A (zh) * 2022-12-28 2023-05-02 厦门大学 基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995003532A1 (en) * 1993-07-21 1995-02-02 Honeywell Inc. Cantilevered microbeam temperature sensor
CN1986385A (zh) * 2006-12-22 2007-06-27 北京航空航天大学 一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器
CN102243077A (zh) * 2010-04-21 2011-11-16 精工爱普生株式会社 振动型力检测传感器以及振动型力检测装置
CN202329886U (zh) * 2011-09-09 2012-07-11 昆明理工大学 基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器
CN103017823A (zh) * 2012-11-29 2013-04-03 东南大学 一种无源无线温度气压集成传感器
CN103063875A (zh) * 2012-12-25 2013-04-24 西安交通大学 一种硅基差动石英加速度传感器
CN103115720A (zh) * 2013-01-16 2013-05-22 西安交通大学 一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片
CN103308239A (zh) * 2012-03-08 2013-09-18 Nxp股份有限公司 Mems电容式压力传感器
CN104039686A (zh) * 2011-11-11 2014-09-10 高通股份有限公司 用于mems器件的晶片级焊料密闭密封包封的方法和设备
EP3163275A1 (en) * 2014-06-25 2017-05-03 Seiko Instruments Inc. Pressure change measuring apparatus and pressure change measuring method
WO2018105132A1 (ja) * 2016-12-09 2018-06-14 国立大学法人 東京大学 確率共振を通じた振動エネルギーハーベスタ及びこれを用いた振動エネルギーハーベスティングシステム
CN108507709A (zh) * 2018-03-14 2018-09-07 合肥工业大学 一种谐振式压力传感器的制备方法

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995003532A1 (en) * 1993-07-21 1995-02-02 Honeywell Inc. Cantilevered microbeam temperature sensor
CN1986385A (zh) * 2006-12-22 2007-06-27 北京航空航天大学 一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器
CN102243077A (zh) * 2010-04-21 2011-11-16 精工爱普生株式会社 振动型力检测传感器以及振动型力检测装置
CN202329886U (zh) * 2011-09-09 2012-07-11 昆明理工大学 基于波纹管和等强度悬臂梁的差动式双光纤Bragg光栅渗压传感器
CN104039686A (zh) * 2011-11-11 2014-09-10 高通股份有限公司 用于mems器件的晶片级焊料密闭密封包封的方法和设备
CN103308239A (zh) * 2012-03-08 2013-09-18 Nxp股份有限公司 Mems电容式压力传感器
CN103017823A (zh) * 2012-11-29 2013-04-03 东南大学 一种无源无线温度气压集成传感器
CN103063875A (zh) * 2012-12-25 2013-04-24 西安交通大学 一种硅基差动石英加速度传感器
CN103115720A (zh) * 2013-01-16 2013-05-22 西安交通大学 一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片
EP3163275A1 (en) * 2014-06-25 2017-05-03 Seiko Instruments Inc. Pressure change measuring apparatus and pressure change measuring method
WO2018105132A1 (ja) * 2016-12-09 2018-06-14 国立大学法人 東京大学 確率共振を通じた振動エネルギーハーベスタ及びこれを用いた振動エネルギーハーベスティングシステム
CN108507709A (zh) * 2018-03-14 2018-09-07 合肥工业大学 一种谐振式压力传感器的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M.P.ORTHNER 等: "Development, fabrication, and characterization of hydrogel based piezoresistive pressure sensors with perforated diaphragms", 《SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL》 *
苑伟政 等: "硅微机械谐振压力传感器技术发展", 《机械工程学报》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501098A (zh) * 2019-09-20 2019-11-26 合肥工业大学 一种基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器
CN112611484A (zh) * 2020-12-12 2021-04-06 西安交通大学 一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器
CN112611484B (zh) * 2020-12-12 2021-12-28 西安交通大学 一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器
CN116046220A (zh) * 2022-12-28 2023-05-02 厦门大学 基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109883581B (zh) 2020-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8297124B2 (en) Pressure sensor
CN110501098B (zh) 一种基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器
CN109786422B (zh) 压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法
CN205562088U (zh) 一种一体式石英谐振力频敏感元件及测力模块
CN109883581A (zh) 一种悬臂梁式差动谐振压力传感器芯片
JP5305028B2 (ja) 圧力センサー
CN109883602B (zh) 一种基于soi的自补偿硅微谐振式压力敏感芯片
CN103115720B (zh) 一种硅基单岛结构石英梁谐振式微压力传感器芯片
CN110902640B (zh) 一种高灵敏度mems谐振式温度传感器芯片
US8327706B2 (en) Angular velocity detecting device
JPH10508090A (ja) 誘電的に分離した共振マイクロセンサ
JPH0666655A (ja) 共振圧力センサー
CN108205118B (zh) 一种谐振型磁传感器敏感单元及数字频率输出磁传感器
JP2008232886A (ja) 圧力センサ
CN103900753A (zh) 一种基于soi工艺的高精度硅微谐振式气压传感器
JP2011145243A (ja) 加速度センサー、及び加速度検出装置
US7856886B2 (en) Pressure sensor having a diaphragm having a pressure-receiving portion receiving a pressure and a thick portion adjacent to the pressure-receiving portion
CN102928131A (zh) 一种石英谐振梁式微压力传感器芯片
JPH09297082A (ja) 圧力センサ
CN103940548B (zh) 一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器
CN109883580B (zh) 一种全石英差动式谐振压力传感器芯片
CN112611484B (zh) 一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器
JPH0933371A (ja) 半導体圧力計
JP2007171123A (ja) 圧力センサ及び感圧素子
JP2008076075A (ja) 絶対圧センサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant