CN110361116B

CN110361116B - 一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器

Info

Publication number: CN110361116B
Application number: CN201910749657.0A
Authority: CN
Inventors: 程荣俊; 李振阳; 郭小倩; 黄强先; 张连生; 李瑞君
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2039-08-14
Also published as: CN110361116A

Abstract

本发明公开了一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，包括压力膜层和谐振层；所述压力膜层上形成有第一压力膜、第二压力膜、第三压力膜和第四压力膜，第一压力膜的正面设有第一凸台，第二压力膜的正面设有第二凸台，第三压力膜的正面设有第三凸台，第四压力膜上的正面设有第四凸台；所述谐振层上具有镂空区，所述镂空区中形成有第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点、双端固支第一悬空石英梁以及双端固支第二悬空石英梁，各凸台与各锚点接合。本发明通过设计两组石英梁和四个压力膜，改变石英梁在压力膜上的偏置程度，使两组石英梁的谐振频率产生差值，提高传感器的灵敏度，并同时减小因环境温度波动而产生的热误差的影响。

Description

一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体地说涉及一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器。

背景技术

伴随着微机电系统技术的发展，传感器的发展也趋向于微型化。目前的微型压力传感器有压阻式、电容式和谐振式等，谐振式压力传感器的精度、灵敏度高，线性度好，抗干扰性强，是研究的一个热门方向，这一类MEMS传感器材料大多数为硅，硅作为敏感元件，同时也作为谐振元件，其复杂的激励和检测方式影响传感器品质因数的提升。

相比而言，石英晶体具有天然的压电效应，制作谐振元件品质因数高，容易激励和检测，但现有的石英谐振压力传感器一般采取传统的精密机械加工工艺，传感器尺寸难以实现微型化，与MEMS工艺兼容性较差。

将石英与硅相结合，采用石英作为谐振材料，而硅作为压力敏感材料，可以实现高品质因数，同时可以利用MEMS工艺批量加工的优点。然而，硅和石英晶体两种材料存在热膨胀系数不一致的问题，容易因温度波动而引起热误差。常规温度补偿的方法主要有热敏电阻、电路补偿以及设置参考传感器等，这些方法虽然能补偿温度对测量精度的影响，但会导致传感器结构复杂和体积大等问题，同时无法实现差动测量以提高测量灵敏度。

发明内容

为了克服现有的石英谐振型压力传感器难以实现差动测量而容易引起温度漂移等缺点，本发明提供了一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，通过设计的四压力膜形成差动测量，改变石英梁在压力膜上的偏置程度大幅提高传感器的灵敏度，同时减小因环境温度波动而产生的热误差的影响，具有高灵敏度、高精度的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，包括叠设在一起的压力膜层和谐振层；

所述压力膜层上形成有第一压力膜、第二压力膜、第三压力膜和第四压力膜，所述第一压力膜的正面设有第一凸台，所述第二压力膜的正面设有第二凸台，所述第三压力膜的正面设有第三凸台，所述第四压力膜的正面设有第四凸台；

所述第一压力膜、所述第二压力膜、所述第三压力膜和所述第四压力膜均呈矩形且尺寸相同，所述第一压力膜和所述第二压力膜呈左右分布且前后侧边齐平，所述第三压力膜和所述第四压力膜也呈左右分布且前后侧边齐平，所述第一凸台处于所述第一压力膜的左右方向中线上并位于所述第一压力膜的前后方向中线左侧，所述第二凸台处于所述第二压力膜的左右方向中线上并位于所述第二压力膜的前后方向中线右侧，所述第三凸台处于所述第三压力膜的左右方向中线上并位于所述第三压力膜的前后方向中线右侧，所述第四凸台处于所述第四压力膜的左右方向中线上并位于所述第四压力膜的前后方向中线左侧；

所述第一凸台、所述第二凸台、所述第三凸台和所述第四凸台均呈长方体形且尺寸相同，所述第一凸台距所述第一压力膜的左侧边的距离、所述第二凸台距所述第二压力膜的右侧边的距离、所述第三凸台距所述第三压力膜的右侧边的距离以及所述第四凸台距所述第四压力膜的左侧边的距离相同；

所述谐振层上具有镂空区，所述镂空区中形成有第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点、连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的双端固支第一悬空石英梁以及连接在所述第三锚点和所述第四锚点之间的双端固支第二悬空石英梁，且所述双端固支第一悬空石英梁和所述双端固支第二悬空石英梁结构和尺寸相同，并且所述双端固支第一悬空石英梁和所述双端固支第二悬空石英梁相互平行且两端齐平；

所述第一压力膜、所述第二压力膜、所述第三压力膜和所述第四压力膜背面同时承受压力时，所述第一凸台朝向所述第二凸台倾斜，所述第二凸台朝向所述第一凸台倾斜，所述第三凸台朝向背对所述第四凸台的一侧倾斜，所述第四凸台朝向背对所述第三凸台的一侧倾斜，所述第一凸台与所述第一锚点接合，所述第二凸台与所述第二锚点接合，所述第三凸台与所述第三锚点接合，所述第四凸台与所述第四锚点接合。

进一步地，所述第一凸台与所述第一锚点、所述第二凸台与所述第二锚点、所述第三凸台与所述第三锚点以及所述第四凸台与所述第四锚点之间均通过静电键合的方式接合。

进一步地，所述压力膜层为一块硅片，所述第一压力膜、所述第二压力膜、所述第三压力膜和所述第四压力膜均通过在所述硅片的正面和背面的相应区域刻蚀出凹槽而形成，所述压力膜层的正面位于所述第一压力膜和所述第二压力膜之间开有与所述双端固支第一悬空石英梁配合的第一让位槽道，所述压力膜层的正面位于所述第三压力膜和所述第四压力膜之间开有与所述双端固支第二悬空石英梁配合的第二让位槽道。

进一步地，所述镂空区中还形成有由一根横梁和两根纵梁构成的双十字梁，所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点和所述第四锚点分别设置在两根所述纵梁的由所述横梁隔成的四部分上。

进一步地，所述谐振层为一块石英片，所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点、所述第四锚点、所述双端固支第一悬空石英梁、所述双端固支第二悬空石英梁和所述双十字梁通过将所述镂空区中除所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点、所述第四锚点、所述双端固支第一悬空石英梁、所述双端固支第二悬空石英梁和所述双十字梁之外的部分刻蚀掉而形成。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过设计两组石英梁和四个压力膜的结构形成差动测量，通过偏置的各凸台与各锚点配合，设计两组石英梁在压力膜上的偏置程度，使两组石英梁的谐振频率产生差值，大幅提高传感器的灵敏度，并同时减小因环境温度波动而产生的热误差的影响，具有高精度、低迟滞和高灵敏度等特点。

附图说明

图1是本发明一实施例的结构爆炸图。

图2是本发明一实施例中压力膜层的正面结构示意图。

图3是本发明一实施例中压力膜层的背面结构示意图。

图4是本发明一实施例中谐振层的正面结构示意图。

图5是本发明一实施例中第一压力膜和第二压力膜受压时双端固支第一悬空石英梁的变形示意图。

图6是本发明一实施例中第三压力膜和第四压力膜受压时双端固支第二悬空石英梁的变形示意图。

附图中各部件的标记为：1压力膜层、11第一压力膜、12第二压力膜、13第三压力膜、14第四压力膜、111第一凸台、121第二凸台、131第三凸台、141第四凸台、15第一让位槽道、16第二让位槽道；2谐振层、21第一锚点、22第二锚点、23第三锚点、24第四锚点、25双端固支第一悬空石英梁、26双端固支第二悬空石英梁、27横梁、28纵梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，不在本发明要求的保护范围之内。

参见图1至图6。

本发明四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，包括叠设在一起的压力膜层1和谐振层2；

所述压力膜层1上形成有第一压力膜11、第二压力膜12、第三压力膜13和第四压力膜14，所述第一压力膜11的正面设有第一凸台111，所述第二压力膜12的正面设有第二凸台121，所述第三压力膜13的正面设有第三凸台131，所述第四压力膜14的正面设有第四凸台141；

所述第一压力膜11、所述第二压力膜12、所述第三压力膜13和所述第四压力膜14均呈矩形且尺寸相同，所述第一压力膜11和所述第二压力膜12呈左右分布且前后侧边齐平，所述第三压力膜13和所述第四压力膜14也呈左右分布且前后侧边齐平，所述第一凸台111处于所述第一压力膜11的左右方向中线上并位于所述第一压力膜11的前后方向中线左侧，所述第二凸台121处于所述第二压力膜12的左右方向中线上并位于所述第二压力膜12的前后方向中线右侧，所述第三凸台131处于所述第三压力膜13的左右方向中线上并位于所述第三压力膜13的前后方向中线右侧，所述第四凸台141处于所述第四压力膜14的左右方向中线上并位于所述第四压力膜14的前后方向中线左侧；

所述第一凸台111、所述第二凸台121、所述第三凸台131和所述第四凸台141均呈长方体形且尺寸相同，所述第一凸台111距所述第一压力膜11的左侧边的距离、所述第二凸台121距所述第二压力膜12的右侧边的距离、所述第三凸台131距所述第三压力膜13的右侧边的距离以及所述第四凸台141距所述第四压力膜14的左侧边的距离相同；

所述谐振层2上具有镂空区，所述镂空区中形成有第一锚点21、第二锚点22、第三锚点23、第四锚点24、连接在所述第一锚点21和所述第二锚点22之间的双端固支第一悬空石英梁25以及连接在所述第三锚点23和所述第四锚点24之间的双端固支第二悬空石英梁26，且所述双端固支第一悬空石英梁25和所述双端固支第二悬空石英梁26结构和尺寸相同，所述双端固支第一悬空石英梁25和所述双端固支第二悬空石英梁26相互平行且两端齐平；

所述第一压力膜11、所述第二压力膜12、所述第三压力膜13和所述第四压力膜14背面同时承受压力时，所述第一凸台111朝向所述第二凸台121倾斜，所述第二凸台121朝向所述第一凸台111倾斜，所述第三凸台131朝向背对所述第四凸台141的一侧倾斜，所述第四凸台141朝向背对所述第三凸台131的一侧倾斜，所述第一凸台111与所述第一锚点21接合，所述第二凸台121与所述第二锚点22接合，所述第三凸台131与所述第三锚点23接合，所述第四凸台141与所述第四锚点24接合。

本发明的工作原理为，当传感器未接受压力作用时，双端固支第一悬空石英梁、双端固支第二悬空石英梁的输出频率相同，其差值为零，当压力P同时作用于四个压力膜层背面时，参见图5，第一压力膜和第二压力膜受到压力P作用时产生形变向上凸起，第一凸台和第二凸台分别背向对方倾斜，从而使第一凸台和第二凸台的相对位置发生变化，这种变化通过第一、二锚点传递到双端固支第一悬空石英梁上使其承受拉伸力，最终使谐振层上的双端固支第一悬空石英梁产生形变，受到拉伸，其谐振频率随拉应力而增大Δf₁，参见图6，第三压力膜和第四压力膜受到压力P作用时产生形变向上凸起，第一凸台和第二凸台分别朝向对方倾斜，从而使第三凸台和第四凸台的相对位置发生变化，这种变化通过第三、四锚点传递到双端固支第二悬空石英梁上使其承受压缩力，最终使谐振层上的双端固支第二悬空石英梁产生形变，受到压缩，其谐振频率随压应力而减小Δf₂，此时双端固支第一悬空石英梁和双端固支第二悬空石英梁的谐振频率会产生一个差值，且差值与压力成线性关系。双端固支第一悬空石英梁和所述双端固支第二悬空石英梁的基础特性相同，可以消除因尺寸不同带来的干扰，各凸台对各锚点的作用力对称，从而保证双端固支第一、二悬空石英梁的谐振频率对应，当第一、第二、第三、第四凸台距离其所在压力膜最近一个边界的距离相同时，Δf₁等于Δf₂，当两频率相减时便消除了温度带来的影响，通过检测两组石英梁的输出频率差值，达到检测压力大小的目的。

温度对两个双端固支第二悬空石英梁谐振频率的影响是一样的，为Δ1，一个受拉增大Δf₁，一个受压减小Δf₂，相减后正好减去了（Δf₁+Δ1）—（—Δf₂+Δ1）=Δf₁+Δf₂，由此消除了温度误差Δ1。

优选地，所述第一凸台111与所述第一锚点21、所述第二凸台121与所述第二锚点22、所述第三凸台131与所述第三锚点23以及所述第四凸台141与所述第四锚点24之间均通过静电键合的方式接合。这种接合方式容易实施，不需要胶水粘贴，不影响材料性能。

优选地，压力膜层选用硅片，硅材料作为弹性敏感元件，具有良好的力敏特性，可有效激励石英梁，使其产生谐振。

具体实施中，参见图2，第一压力膜和第二压力膜的水平位置相同，第三压力膜和第四压力膜的水平位置相同，且第一压力膜和第三压力膜的垂直位置相互错开，第二压力膜和第四压力膜的垂直位置相互错开，且错开距离相同，这样第一凸台和第三凸台的垂直位置相同，第二凸台和第四凸台的垂直位置相同，且第一凸台和第二凸台水平位置相同，第三凸台和第四凸台水平位置相同。这样四个压力膜偏置，形成差动测量。

具体实施中，所述双端固支第一悬空石英梁25和所述双端固支第二悬空石英梁26的厚度均为25～150 μm、臂宽均为30～100 μm，所述第一压力膜11、所述第二压力膜12、所述第三压力膜13和所述第四压力膜14的均呈正方形，且厚度为15～50 μm、边长为1～2 mm。在实施本发明的过程中，发明人发现，在这个条件范围内，压力膜受压变形可以有效带动双端固支第一、二悬空石英梁谐振产生差值，产品测试准确性高。

在一实施例中，参见图1、图2、图5和图6，所述压力膜层1为一块硅片，所述第一压力膜11、所述第二压力膜12、所述第三压力膜13和所述第四压力膜14均通过在所述硅片的正面和背面的相应区域刻蚀出凹槽而形成，所述压力膜层1的正面位于所述第一压力膜11和所述第二压力膜12之间开有与所述双端固支第一悬空石英梁25配合的第一让位槽道15，所述压力膜层1的正面位于所述第三压力膜13和所述第四压力膜14之间开有与所述双端固支第二悬空石英梁26配合的第二让位槽道16。这样成型，不仅容易实施，制作精度高，而且各压力膜不突出于压力膜层表面，可以防止谐振层与压力膜层产生干涉，双端固支第一、二悬空石英梁变形时，可以进入第一、二让位槽道，避免与压力膜层产生干涉。

在一实施例中，参见图1和图4，所述镂空区中还形成有由一根横梁27和两根纵梁28构成的双十字梁，所述第一锚点21、所述第二锚点22、所述第三锚点23和所述第四锚点24分别设置在两根所述纵梁28的由所述横梁27隔成的四部分上。这样设计，可以最简结构稳定支撑各锚点，保证双端固支第一、二悬空石英梁的使用稳定性。

在一实施例中，所述谐振层2为一块石英片，所述第一锚点21、所述第二锚点22、所述第三锚点23、所述第四锚点24、所述双端固支第一悬空石英梁25、所述双端固支第二悬空石英梁26和所述双十字梁通过将所述镂空区中除所述第一锚点21、所述第二锚点22、所述第三锚点23、所述第四锚点24、所述双端固支第一悬空石英梁25、所述双端固支第二悬空石英梁26和所述双十字梁之外的部分刻蚀掉而形成。这样成型，容易实施，制作精度高，可以有效增加谐振器的整体稳定性。

优选地，本发明采用ICP深干法刻蚀技术进行压力膜层和谐振层的刻蚀。这种刻蚀技术精度高，压力膜表面形貌好，能够保证测试准确性。

本发明以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，其特征在于：包括叠设在一起的压力膜层和谐振层；

所述谐振层上具有镂空区，所述镂空区中形成有第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点、连接在所述第一锚点和所述第二锚点之间的双端固支第一悬空石英梁以及连接在所述第三锚点和所述第四锚点之间的双端固支第二悬空石英梁，且所述双端固支第一悬空石英梁和所述双端固支第二悬空石英梁结构和尺寸相同，所述双端固支第一悬空石英梁和所述双端固支第二悬空石英梁相互平行且两端齐平；

所述压力膜层为一块硅片，所述第一压力膜、所述第二压力膜、所述第三压力膜和所述第四压力膜均通过在所述硅片的正面和背面的相应区域刻蚀出凹槽而形成，所述压力膜层的正面位于所述第一压力膜和所述第二压力膜之间开有与所述双端固支第一悬空石英梁配合的第一让位槽道，所述压力膜层的正面位于所述第三压力膜和所述第四压力膜之间开有与所述双端固支第二悬空石英梁配合的第二让位槽道；

所述镂空区中还形成有由一根横梁和两根纵梁构成的双十字梁，所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点和所述第四锚点分别设置在两根所述纵梁的由所述横梁隔成的四部分上；

2.如权利要求1所述的四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，其特征在于：所述第一凸台与所述第一锚点、所述第二凸台与所述第二锚点、所述第三凸台与所述第三锚点以及所述第四凸台与所述第四锚点之间均通过静电键合的方式接合。

3.如权利要求1所述的四压力膜结构差动型石英梁谐振压力传感器，其特征在于：所述谐振层为一块石英片，所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点、所述第四锚点、所述双端固支第一悬空石英梁、所述双端固支第二悬空石英梁和所述双十字梁通过将所述镂空区中除所述第一锚点、所述第二锚点、所述第三锚点、所述第四锚点、所述双端固支第一悬空石英梁、所述双端固支第二悬空石英梁和所述双十字梁之外的部分刻蚀掉而形成。