CN109883603A - 一种基于soi的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器 - Google Patents

Abstract

一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，涉及一种谐振器。本发明解决了现有的谐振器存在复合压力敏感膜的同振质量影响谐振器现象的问题。当静电激励的驱动频率与谐振单元的固有频率耦合时，发生谐振现象，谐振单元的振幅变化明显，谐振单元的一阶振型为沿平行于长方形短边方向的同向振动，二阶振型为沿平行于长方形短边方向的相向振动，该振型为所需的测试振型。当固定于锚块的复合压力敏感模型收到测试介质的压力时，该谐振器的固有频率发生变化，但其二阶振型不发生变化，因此避免了复合压力敏感膜片同振质量的影响，产品精度得到很大程度的提高。本发明用于压力敏感测试。

Description

一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器

技术领域

本发明涉及一种MEMS谐振式压力传感器，具体涉及一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器。

背景技术

谐振式压力传感器已在许多行业获得了成功的应用，其中，以微机械加工工艺实现的微型硅或石英谐振式传感器除了具有结构微小、功耗低、响应快、重复性好、稳定性和可靠性高外，还具备频带宽、信噪比高、抗冲击、抗干扰能力强、易集成、可大批量生产、成本低等优点，得到世界各国的广泛关注和重点开发。谐振式传感器中的芯片根据结构不同可以分为振动膜结构以及压力敏感膜与谐振器符合结构两种方式，后者因相对前者工作更加可靠，不受待测压力影响而广泛应用。

文献“Chiang C,Graham A B,Lee B J,et al.Resonant pressure sensor withon-chip temperature and strain sensors for error correction.”中，美国斯坦福大学在2013年报道了一种静电激励/电容检测的谐振器，采用三个双端固支音叉方式，一个音叉测量压力，一个补偿温度，一个补偿封装应力。但是，在与压力敏感膜复合时，因存在外延多晶硅，对芯片重复性和迟滞等性能产生了影响；文献“Parsons P,Glendinning A,Angelidis D.Resonant sensors for high accuracy pressure measurement usingsilicon technology.IEEE Aerospace Electronic Systems Magazine.”及文献“Burns DW,Zook J D,Horning R D,et al.Sealed-cavity resonant micro-beam pressuresensor.Sensors and Actuators A:Physical.”中，美国公司Schlumberger及Honeywell利用硅-硅键合研制了静电激励/压阻检测的谐振器，但是谐振器的振动方向与其复合的压力敏感膜方向垂直，产品精度受到同振质量的影响较大。国内的西北工业大学、北京航空航天大学以及中国科学院电子学研究所也进行了相关谐振器的研制，但仍存在复合压力敏感膜的同振质量影响谐振器现象。

综上所述，现有的谐振器由于振动方向与其复合的压力敏感膜方向垂直，致使存在复合压力敏感膜的同振质量影响谐振器现象的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的谐振器由于振动方向与其复合的压力敏感膜方向垂直，致使存在复合压力敏感膜的同振质量影响谐振器现象的问题。提供了一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器。

本发明的技术方案是一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，它包括第一引出电极101、第二引出电极102、第三引出电极103和第四引出电极104，其特征在于：它还包括第一驱动电极401、第二驱动电极402、第三驱动电极403、备用电极15、第一锚块701、第二锚块702、下横拉梁142、上横拉梁141、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块301、第二连接块302、第三连接块303、第四连接块304、驱动电极通路501、备用电极通路502、第一连接梁201、第四连接梁204、第五连接梁205、第七连接梁207、第二连接梁202、第三连接梁203、第六连接梁206和第八连接梁208，

第一引出电极101、第三驱动电极403和第四引出电极104位于同一排，第二引出电极102、第二驱动电极402和第三引出电极103位于同一排，第一锚块701和第二锚块702安装在第二驱动电极402和第三驱动电极403之间，第一锚块701和第二锚块702之间分别通过下横拉梁142和上横拉梁141连接，下横拉梁142和上横拉梁141与第二驱动电极402和第三驱动电极403之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块301和第二连接块302连接后安装在第一锚块701的外侧，第三连接块303和第四连接块304连接后安装在第二锚块702的外侧，第一驱动电极401与第一连接块301和第二连接块302之间通过驱动电极通路501连接，备用电极15与第三连接块303和第四连接块304之间通过备用电极通路502连接，第一引出电极101与上谐振单元之间通过第一连接梁201连接，第二引出电极102与下谐振单元之间通过第四连接梁204连接，第三引出电极103与下谐振单元之间通过第五连接梁205连接，第四引出电极104与上谐振单元之间通过第八连接梁208连接，第一连接块301与上谐振单元之间通过第二连接梁202连接，第二连接块302与下谐振单元之间通过第三连接梁203连接，第三连接块303与下谐振单元之间通过第六连接梁206连接，第四连接块304与上谐振单元之间通过第七连接梁207连接。

进一步地，下横拉梁142和上横拉梁141与第一锚块701的交汇处的左侧设有第一锚块孔601和第二锚块孔602。

进一步地，下横拉梁142和上横拉梁141与第二锚块702的交汇处设有第三锚块孔603和第四锚块孔604。

进一步地，下谐振单元包括下敏感梳齿电极801、第一连接支撑梁901、第一稳固梁111、下质量块131、第二稳固梁112和第二连接支撑梁902，下敏感梳齿电极801为阵列电容，第一连接支撑梁901将下敏感梳齿电极801上支、第三连接梁203和第四连接梁204连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁902将下敏感梳齿电极801上支、第五连接梁205和第六连接梁206连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块131，下质量块131通过左右两侧的第一稳固梁111和第二稳固梁112与下敏感梳齿电极801上支连接；下质量块131的上端与上横拉梁141之间设有第二谐振孔122，下质量块131的下端与下敏感梳齿电极上支801上支之间设有第一谐振孔121。

进一步地，第二谐振孔122的宽度为第一谐振孔121宽度的2倍。

进一步地，上谐振单元包括上敏感梳齿电极802、第四连接支撑梁904、第四稳固梁114、上质量块132、第三稳固梁113和第三连接支撑梁903，上敏感梳齿电极802为阵列电容，第四连接支撑梁904将上敏感梳齿电极802下支与第一连接梁201和第二连接梁202连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁903将上敏感梳齿电极802下支、第七连接梁207和第八连接梁208连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块132，上质量块132通过左右两侧的第三稳固梁113和第四稳固梁114与上敏感梳齿电极802下支连接；上质量块132的上端与上敏感梳齿电极802下支之间设有第三谐振孔123，上质量块132的下端与上横拉梁142之间设有第四谐振孔124。

进一步地，第四谐振孔124的宽度为第三谐振孔123宽度的2倍。

本发明与现有技术相比具有以下改进效果：

本发明由静电提供激励，第一驱动电极401为静电激励的正极或负极，第二驱动电极402和第三驱动电极403与第一驱动电极极性相反，分别与之配合的下敏感梳齿电极801、上敏感梳齿电极802产生静电，在该静电激励的驱动下，梳齿静电力驱动谐振单元发生振动，当静电激励的变化频率与第一连接支撑梁901、第二连接支撑梁902、第一稳固梁111、第一谐振孔121、下质量块131、第二谐振孔122、第二稳固梁112、横拉梁141组成的下谐振单元以及第三连接支撑梁903、第四连接支撑梁904、第三稳固梁113、第三谐振孔123、上质量块132、第四谐振孔124、第四稳固梁114、横拉梁142组成的上谐振单元的固有频率耦合时，发生谐振现象，上、下谐振单元的振幅变化明显，谐振单元的一阶振型为沿平行于长方形短边方向的同向振动，二阶振型为沿平行于长方形短边方向的相向振动，该振型为所需的测试振型。当固定于第一锚块701、备用电极锚块702的复合压力敏感模型收到测试介质的压力时，该谐振器的固有固有频率发生变化，但其二阶振型不发生变化，因此避免了复合压力敏感膜片同振质量的影响，产品精度得到很大程度的提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，它包括第一引出电极101、第二引出电极102、第三引出电极103和第四引出电极104，其特征在于：它还包括第一驱动电极401、第二驱动电极402、第三驱动电极403、备用电极15、第一锚块701、第二锚块702、下横拉梁142、上横拉梁141、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块301、第二连接块302、第三连接块303、第四连接块304、驱动电极通路501、备用电极通路502、第一连接梁201、第四连接梁204、第五连接梁205、第七连接梁207、第二连接梁202、第三连接梁203、第六连接梁206和第八连接梁208，第一引出电极101、第三驱动电极403和第四引出电极104位于同一排，第二引出电极102、第二驱动电极402和第三引出电极103位于同一排，第一锚块701和第二锚块702安装在第二驱动电极402和第三驱动电极403之间，第一锚块701和第二锚块702之间分别通过下横拉梁142和上横拉梁141连接，下横拉梁142和上横拉梁141与第二驱动电极402和第三驱动电极403之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块301和第二连接块302连接后安装在第一锚块701的外侧，第三连接块303和第四连接块304连接后安装在第二锚块702的外侧，第一驱动电极401与第一连接块301和第二连接块302之间通过驱动电极通路501连接，备用电极15与第三连接块303和第四连接块304之间通过备用电极通路502连接，第一引出电极101与上谐振单元之间通过第一连接梁201连接，第二引出电极102与下谐振单元之间通过第四连接梁204连接，第三引出电极103与下谐振单元之间通过第五连接梁205连接，第四引出电极104与上谐振单元之间通过第八连接梁208连接，第一连接块301与上谐振单元之间通过第二连接梁202连接，第二连接块302与下谐振单元之间通过第三连接梁203连接，第三连接块303与下谐振单元之间通过第六连接梁206连接，第四连接块304与上谐振单元之间通过第七连接梁207连接。

本实施方式的谐振器整体为长方形，且分别关于该长方形的长边、短边的中心线呈轴对称图形。

本实施方式处于敏感梳齿电极802左侧的第一连接梁201和第二连接梁202不在同一条直线上，第一连接梁201相对第二连接梁202靠左。处于敏感梳齿电极802右侧的第七连接梁207和第八连接梁208不在同一条直线上，第八连接梁208相对第七连接梁207靠右；处于敏感梳齿电极801左侧的第三连接梁203和第四连接梁204不在同一条直线上，第四连接梁204相对第三连接梁203靠左。处于敏感梳齿电极801右侧的第五连接梁205和第六连接梁206不在同一条直线上，第五连接梁205相对第六连接梁206靠右；降低下谐振单元产生的电信号、第六连接梁206中传递的电信号对第五连接梁205以及第三引出电极103的影响。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下横拉梁142和上横拉梁141与第一锚块701的交汇处的左侧设有第一锚块孔601和第二锚块孔602。如此设置，降低因压力敏感膜的形变，第一锚块701对上、下谐振单元的内应力及阻尼的影响，进而提高谐振品质因子。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下横拉梁142和上横拉梁141与第二锚块702的交汇处设有第三锚块孔603和第四锚块孔604。如此设置，降低因压力敏感膜的形变，第二锚块702对上、下谐振单元的内应力及阻尼的影响，进而。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的下谐振单元包括下敏感梳齿电极801、第一连接支撑梁901、第一稳固梁111、下质量块131、第二稳固梁112和第二连接支撑梁902，下敏感梳齿电极801安装在第二驱动电极402上组成阵列电容，第一连接支撑梁901将下敏感梳齿电极801与第三连接梁203和第四连接梁204连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁902将下敏感梳齿电极801与第五连接梁205和第六连接梁206连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块131，下质量块131通过左右两侧的第一稳固梁111和第二稳固梁112与下敏感梳齿电极801连接；下质量块131的上端与上横拉梁141之间设有第二谐振孔122，下质量块131的下端与下敏感梳齿电极801之间设有第一谐振孔121。如此设置，可提高下谐振单元的基频，且易于下谐振单元的起振，在工作状态下也便于保证下谐振单元的强度和稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

本实施方式的第一稳固梁111和第二至稳固梁112处于质量块131两侧，且关于长方形长边中心线对称；第一稳固梁111至第二稳固梁112将下质量块131和敏感梳齿电极801连接，形成两个稳定的三角固支；

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二谐振孔122的宽度为第一谐振孔121宽度的2倍。如此设置，使质量块131靠近敏感梳齿电极801以及三角支撑结构，除便于敏感梳齿电极801的起振及工作稳定外，远离上横拉梁141，减少其对质量块131的影响，并提高其基频。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上谐振单元包括上敏感梳齿电极802、第四连接支撑梁904、第四稳固梁114、上质量块132、第三稳固梁113和第三连接支撑梁903，上敏感梳齿电极802安装在第三驱动电极403上组成阵列电容，第四连接支撑梁904将上敏感梳齿电极802与第一连接梁201和第二连接梁202连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁903将上敏感梳齿电极802与第七连接梁207和第八连接梁208连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块132，上质量块132通过左右两侧的第三稳固梁113和第四稳固梁114与上敏感梳齿电极802连接；上质量块132的上端与上敏感梳齿电极802之间设有第三谐振孔123，上质量块132的下端与上横拉梁142之间设有第四谐振孔124。如此设置，可提高下谐振单元的基频，且易于下谐振单元的起振，在工作状态下也便于保证下谐振单元的强度和稳定。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

本实施方式的第三稳固梁113和第四稳固梁114处于上质量块132的两侧，且关于长方形长边中心线对称；第三稳固梁113至第四稳固梁114将上质量块132和敏感梳齿电极802连接，形成两个稳定的三角固支。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第四谐振孔124的宽度为第三谐振孔123宽度的2倍。如此设置，使质量块132靠近敏感梳齿电极802以及三角支撑结构，除便于敏感梳齿电极802的起振及工作稳定外，远离上横拉梁142，减少其对质量块132的影响，并提高其基频。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，它包括第一引出电极(101)、第二引出电极(102)、第三引出电极(103)和第四引出电极(104)，其特征在于：它还包括第一驱动电极(401)、第二驱动电极(402)、第三驱动电极(403)、备用电极(15)、第一锚块(701)、第二锚块(702)、下横拉梁(142)、上横拉梁(141)、上谐振单元、下谐振单元、第一连接块(301)、第二连接块(302)、第三连接块(303)、第四连接块(304)、驱动电极通路(501)、备用电极通路(502)、第一连接梁(201)、第四连接梁(204)、第五连接梁(205)、第七连接梁(207)、第二连接梁(202)、第三连接梁(203)、第六连接梁(206)和第八连接梁(208)，

第一引出电极(101)、第三驱动电极(403)和第四引出电极(104)位于同一排，第二引出电极(102)、第二驱动电极(402)和第三引出电极(103)位于同一排，第一锚块(701)和第二锚块(702)安装在第二驱动电极(402)和第三驱动电极(403)之间，第一锚块(701)和第二锚块(702)之间分别通过下横拉梁(142)和上横拉梁(141)连接，下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第二驱动电极(402)和第三驱动电极(403)之间分别通过上谐振单元和下谐振单元连接，第一连接块(301)和第二连接块(302)连接后安装在第一锚块(701)的外侧，第三连接块(303)和第四连接块(304)连接后安装在第二锚块(702)的外侧，第一驱动电极(401)与第一连接块(301)和第二连接块(302)之间通过驱动电极通路(501)连接，备用电极(15)与第三连接块(303)和第四连接块(304)之间通过备用电极通路(502)连接，第一引出电极(101)与上谐振单元之间通过第一连接梁(201)连接，第二引出电极(102)与下谐振单元之间通过第四连接梁(204)连接，第三引出电极(103)与下谐振单元之间通过第五连接梁(205)连接，第四引出电极(104)与上谐振单元之间通过第八连接梁(208)连接，第一连接块(301)与上谐振单元之间通过第二连接梁(202)连接，第二连接块(302)与下谐振单元之间通过第三连接梁(203)连接，第三连接块(303)与下谐振单元之间通过第六连接梁(206)连接，第四连接块(304)与上谐振单元之间通过第七连接梁(207)连接。

2.根据权利要求1的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第一锚块(701)的交汇处设有第一锚块孔(601)和第二锚块孔(602)。

3.根据权利要求2的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：下横拉梁(142)和上横拉梁(141)与第二锚块(702)的交汇处设有第三锚块孔(603)和第四锚块孔(604)。

4.根据权利要求3的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：下谐振单元包括下敏感梳齿电极(801)、第一连接支撑梁(901)、第一稳固梁(111)、下质量块(131)、第二稳固梁(112)和第二连接支撑梁(902)，

下敏感梳齿电极(801)为阵列电容，第一连接支撑梁(901)将下敏感梳齿电极(801)上支、第三连接梁(203)和第四连接梁(204)连接为一体，形成稳定的左下三角支撑；第二连接支撑梁(902)将下敏感梳齿电极(801)上支、第五连接梁(205)和第六连接梁(206)连接为一体，形成稳定的右下三角支撑；

左下三角支撑与右下三角支撑之间设有下质量块(131)，下质量块(131)通过左右两侧的第一稳固梁(111)和第二稳固梁(112)与下敏感梳齿电极(801)上支连接；

下质量块(131)的上端与上横拉梁(141)之间设有第二谐振孔(122)，下质量块(131)的下端与下敏感梳齿电极(801)上支之间设有第一谐振孔(121)。

5.根据权利要求4的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：第二谐振孔(122)的宽度为第一谐振孔(121)宽度的2倍。

6.根据权利要求5的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：上谐振单元包括上敏感梳齿电极(802)、第四连接支撑梁(904)、第四稳固梁(114)、上质量块(132)、第三稳固梁(113)和第三连接支撑梁(903)，

上敏感梳齿电极(802)为阵列电容，第四连接支撑梁(904)将上敏感梳齿电极(802)下支、第一连接梁(201)和第二连接梁(202)连接为一体，形成稳定的左上三角支撑；第三连接支撑梁(903)将上敏感梳齿电极(802)下支、第七连接梁(207)和第八连接梁(208)连接为一体，形成稳定的右上三角支撑；

左上三角支撑和右上三角支撑之间设有上质量块(132)，上质量块(132)通过左右两侧的第三稳固梁(113)和第四稳固梁(114)与上敏感梳齿电极(802)下支连接；

上质量块(132)的上端与上敏感梳齿电极(802)下支之间设有第三谐振孔(123)，上质量块(132)的下端与上横拉梁(142)之间设有第四谐振孔(124)。

7.根据权利要求6的一种基于SOI的硅微谐振式压力敏感芯片谐振器，其特征在于：第四谐振孔(124)的宽度为第三谐振孔(123)宽度的2倍。