CN110501098A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，包括压力膜层和石英谐振层，压力膜层设置有两个压力膜和两个偏置凸台，用来传递待测压力；所述的石英谐振层上设置有弱耦合谐振系统和一对激励及检测电极，所述的弱耦合谐振系统包含两个双端固支石英梁和一根弱耦合梁，其中第一双端固支石英梁两端的锚点与压力膜层上的偏置凸台接合，用于承受由待测压力引起的压缩应力，所述的激励及检测电极用于驱动两双端固支石英梁发生谐振。利用两个石英梁振动不平衡所引起的模态局部化效应，并检测二者的振幅比作为输出量即可获取待测压力值。本发明解决了传统谐振压力传感器微压测量灵敏度低的难题，具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，具体地说涉及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。
背景技术
随着我国对智能制造产业的大力推进，高性能传感器作为智能传感与控制装备领域的技术基础备受关注，被《中国制造2025》列为重点发展方向之一。利用微机械电子系统技术制作的高灵敏度微压传感器（量程低于10kPa），由于其体积小和可靠性好，在各种民用和军用领域具有迫切的应用需求。如飞行器高度实时监测、颅压检测等。这些领域应用环境复杂，要求传感器具有高灵敏度和良好的抗干扰能力。
目前，MEMS压力传感器主要有压阻式、电容式和谐振式。其中，压阻式结构简单、体积小，但温漂严重，长时间使用易产生蠕变效应；电容式具有高灵敏度，但存在固有非线性输出、寄生电容和边缘效应等问题，虽然采用岛膜结构或差分方式在一定程度上可以降低其非线性，但寄生电容和边缘效应的影响很难避免。因此，这两类压力传感器只适用于对抗干扰能力或灵敏度要求不高的微压测量场合。相比而言，谐振压力传感器的性能主要取决于材料的固有特性以及机械结构参数，具有精度高、可靠性强和长期稳定性好等优点，成为如今国内外研究的热点。然而，当前谐振压力传感器大部分利用谐振器的应力-频率敏感特性，并且采用真空封装的方案，为实现高灵敏度，应该尽可能提高满量程时谐振器内部的轴向应力，此时，测量灵敏度与量程存在相互制约的矛盾。基于此，现有的谐振压力传感器的量程一般在一个大气压以上，以防止谐振器在大气环境中因过载而失效，若直接将其应用于量程小于10kpa的微压测量领域，传感器灵敏度则较低。另外，传统的基于力频特性的谐振压力传感器由于其结构制约，引入过载保护装置较为困难。目前，尚未发现有谐振压力传感器用于绝对微压测量的相关报道。因此，为了在微压测量时实现高灵敏度，需要采用新型的敏感原理。
发明内容
为了克服现有的谐振压力传感器难以用于高灵敏度微压测量的技术问题，本发明提供了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。
本发明通过设计双压力膜结构，采用石英晶体作为谐振器的材料，两个相同的双端固支石英梁作为谐振器。与第二锚点相邻的两个双端固支石英梁的根部之间通过一根弱耦合梁连接起来，三者共同构成一个弱耦合谐振系统，依据模态局部化程度检测待测压力，可以显著提升测量灵敏度，并且有一定的共模抑制能力，抗干扰能力强，通过利用石英晶体材料的压电特性，容易对谐振器进行激励和检测，可靠性好，实现了高灵敏度微压测量的目的。
本发明具体的技术方案如下：
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包括静电键合一起的压力膜层1和石英谐振层2；
压力膜层1正面上对称设有第一压力膜101和第二压力膜105，所述第一压力膜101上面设有第一凸台102，所述第二压力膜105的上面设有第二凸台104，所述第一压力膜101和第二压力膜105之间设有第一通道103，所述第一凸台102与第二凸台104的尺寸形状相同，第一压力膜101、第二压力膜105尺寸形状相同，所述第一凸台102、第二凸台104相对于所述压力膜层中心偏置，并且对称位于第一通道103两侧；
与第一压力膜101和第二压力膜105对应所述石英谐振层2上设有一对镂空区，一侧镂空区中设有第一锚点202，第一锚点202和第一凸台102键合，另一侧镂空区中设有第二锚点208，第二锚点208和第二凸台104键合；所述第一锚点202通过第一支撑梁201和第二支撑梁203固定在石英谐振层2上，所述第二锚点208通过第三支撑梁207和第四支撑梁209固定在石英谐振层2上，所述第一锚点202与第二锚点208之间连接有第一双端固支石英梁204，所述石英谐振层2设有第二双端固支石英梁205，所述第一双端固支石英梁204和第二双端固支石英梁205平行；所述第一双端固支石英梁204和第二双端固支石英梁205结构尺寸以及自然谐振频率相同；与第二锚点208相邻的所述第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205根部之间通过弱耦合梁206连接,三者构成弱耦合谐振系统，并均位于第一通道103上方；所述的第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205上分别设有结构相同的激励及检测电极3。
进一步限定的技术方案如下：
所述压力膜层1材料为硅片。
所述第一凸台102与所述第一锚点202的大小相同，所述第二凸台104与所述第二锚点208的大小相同。
所述激励及检测电极3包括第一激励电极301、第二激励电极303、第一检测电极302、第二检测电极304；第一激励电极301通过导线与第一焊盘305连接，第二激励电极303通过导线与第二焊盘307连接；第一检测电极302通过导线与第三焊盘306连接，第二检测电极304通过导线与第四焊盘308连接；所述第一焊盘305和第二焊盘307作为激励端；所述的第三焊盘306作为信号输出端，所述的第四焊盘308作为接地端。
用于检测时，所述第一焊盘305和第二焊盘307作为激励端与外部的激励电路连接，所述的第三焊盘306与第四焊盘308作为检测端与外部的检测电路相连接。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明利用两个双端固支石英梁谐振器和一根弱耦合梁共同构成一个弱耦合谐振系统，通过石英晶体压电材料的逆压电效应激励两个双端固支石英梁谐振器产生谐振，激励简单、可靠性好；利用待测压力引起的弱耦合谐振系统的振动模态局部化效应，通过检测振幅量（相比于传统的检测谐振频率）可以显著提高测量灵敏度；通过改变第一双端固支石英梁在双压力膜上的偏置程度可以提高谐振器内应力，从而提高了灵敏度；由于谐振器的刚度与其长度的三次方成反比，刚度对压力的变化率与其长度成反比，当传感器芯片整体尺寸一定时，采用该结构方案可使得石英梁谐振器的长度减小，因而施加待测压力扰动后，其刚度变化的灵敏度提升。
2.本发明石英晶体的压缩强度为拉伸强度的24倍，利用其抗压强度高的力学特性可大幅提高传感器的抗过载能力，在一定程度上可解决常规传感器当量程小于一个大气压时容易因过载而失效的问题，可将传感器量程降低至标准大气压以下，为微压测量提供一定程度的过载保护作用。
附图说明
图1是本实施例的整体结构示意图。
图2是本实施例的压力膜层结构示意图。
图3是本实施例的石英谐振层结构示意图。
图4是本实施例中的弱耦合梁谐振系统结构及电极布置示意图。
上图中序号：压力膜层1、石英谐振层2、激励及检测电极3、第一压力膜101、第一凸台102、第一通道103、第二凸台104、第二压力膜105、第一支撑梁201、第一锚点202、第二支撑梁203、第一双端固支石英梁204、第二双端固支石英梁205、弱耦合梁206、第三支撑梁207、第二锚点208、第四支撑梁209、第一激励电极301、第一检测电极302、第二激励电极303、第二检测电极304、第一焊盘305、第三焊盘306、第二焊盘307、第四焊盘308。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例
参见图1，一种基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器包括静电键合在一起的压力膜层1和石英谐振层2。
参见图2，压力膜层1正面上对称设有第一压力膜101和第二压力膜105，所述第一压力膜101上面设有第一凸台102，所述第二压力膜105的上面设有第二凸台104，所述第一压力膜101和第二压力膜105之间设有第一通道103，所述第一凸台102与第二凸台104的尺寸形状相同，第一压力膜101、第二压力膜105尺寸形状相同，所述第一凸台102、第二凸台104相对于所述压力膜层中心偏置，并且对称位于第一通道103两侧；排除其他测量干扰因素，提高测量准确性。
需要说明的是，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，可以很好的传递微弱压力。
参见图3，与第一压力膜101和第二压力膜105对应所述石英谐振层2上设有一对镂空区，一侧镂空区中设有第一锚点202，第一锚点202和第一凸台102键合，第一凸台102与所述第一锚点202的大小相同；另一侧镂空区中设有第二锚点208，第二锚点208和第二凸台104键合，第二凸台104与所述第二锚点208的大小相同。第一锚点202通过第一支撑梁201和第二支撑梁203固定在石英谐振层2上，所述第二锚点208通过第三支撑梁207和第四支撑梁209固定在石英谐振层2上，所述第一锚点202与第二锚点208之间连接有第一双端固支石英梁204，所述石英谐振层2设有第二双端固支石英梁205，第一双端固支石英梁204和第二双端固支石英梁205平行。第一双端固支石英梁204和第二双端固支石英梁205结构尺寸以及自然谐振频率相同。与第二锚点208相邻的所述第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205根部之间通过弱耦合梁206连接,三者构成弱耦合谐振系统，并均位于第一通道103上方。第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205上分别设有结构相同的激励及检测电极3。
需要说明的是，第一双端固支石英梁204、第二双端固支石英梁205和弱耦合梁206共同组成一个弱耦合谐振系统，采用石英晶体作为谐振器的材料，第一双端固支石英梁205在两个压力膜上悬空偏置布置，通过改变第一双端固支石英梁205在双压力膜上的偏置程度可以提高谐振器内应力，从而提高了灵敏度。
可以理解的是，本实施例的第一双端固支石英梁204、第二双端固支石英梁205的石英晶体的压缩强度为拉伸强度的24倍，利用其抗压强度高的力学特性可大幅提高传感器的抗过载能力，在一定程度上可解决常规传感器当量程小于一个大气压时容易因过载而失效的问题，可为微压测量提供一定程度的过载保护作用。
在具体实现中，当第一压力膜101、第二压力膜105承受压力时会产生向上凸起的形变，第一凸台102与第二凸台104相对倾斜，其相对位置会发生变化，这种相对变化传递到第一锚点202以及第二锚点208上，使连接在第一锚点202与第二锚点208之间的第一双端固支石英梁204产生压缩形变，从而产生应力，第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205均通过各自的激振电路激励其发生谐振，产生周期性振动，两个双端固支石英梁结构尺寸完全相同，自然状态下二者谐振频率也完全相同。与第二锚点208相邻的所述第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205根部之间通过弱耦合梁206连接,三者构成弱耦合谐振系统。当第一双端固支石英梁205接受到锚点传递来的应力时，产生振动模态局部化现象，即之前处于同频率振动的平衡状态被破坏，两个双端固支石英梁的振动幅值比发生变化，即可通过检测电路检测出第一双端固支石英梁204与第二双端固支石英梁205之间的谐振幅值比值并推算出压力值（谐振幅值与压力值之间的对应关系通过标定得出），另外，由于谐振器的刚度与其长度的三次方成反比，刚度对压力的变化率与其长度成反比，本实施例的传感器芯片整体尺寸一定时，采用该结构方案可使得石英梁谐振器的长度减小，因而施加待测压力扰动后，其刚度变化的灵敏度提升。
本实施例利用弱耦合谐振系统的模态局部化效应、第一双端固支石英梁在双压力膜上的偏置程度、石英梁谐振器刚度提升、石英晶体压缩强度远大于拉伸强度等特性，解决了传统谐振压力传感器灵敏度和量程相互制约的矛盾，微压测量时具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点。
参见图4，激励及检测电极3包括第一激励电极301、第二激励电极303、第一检测电极302、第二检测电极304。第一激励电极301通过导线与第一焊盘305连接，第二激励电极303通过导线与第二焊盘307连接；第一检测电极302通过导线与第三焊盘306连接，第二检测电极304通过导线与第四焊盘308连接。第三焊盘306作为信号输出端，第四焊盘308作为接地端。
本发明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，通过外部的激振电路激励第一双端固支石英梁204和第二双端固支石英梁205产生谐振，弱耦合谐振系统会产生周期性振动平衡，当压力P作用于压力膜层背面时，第一压力膜101、第二压力膜105产生挠曲形变，这种形变使在两个压力膜上偏置的第一凸台102和第二凸台104的相对位置发生变化，这种变化通过与凸台静电键合的第一锚点202和第二锚点208传递到第一双端固支石英梁204上使其产生压缩应力，其刚度发生变化，引起两个谐振器不平衡，产生振动模态局部化现象，原来的周期性运动遭到破坏，通过检测第二双端固支石英梁205的振幅变化或两个双端固支石英梁的振幅比即可实现压力的检测。
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保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器,其特征在于：包括静电键合在一起的压力膜层（1）和石英谐振层（2）；
所述压力膜层（1）正面上对称设有第一压力膜（101）和第二压力膜（105），所述第一压力膜（101）上面设有第一凸台（102），所述第二压力膜（105）的上面设有第二凸台（104），所述第一压力膜（101）和第二压力膜（105）之间设有第一通道（103），所述第一凸台（102）与第二凸台（104）的尺寸形状相同，第一压力膜（101）、第二压力膜（105）尺寸形状相同，所述第一凸台（102）、第二凸台（104）相对于所述压力膜层中心偏置，并且对称位于第一通道（103）两侧；
与第一压力膜（101）和第二压力膜（105）对应所述石英谐振层（2）上设有一对镂空区，一侧镂空区中设有第一锚点（202），第一锚点（202）和第一凸台（102）键合，另一侧镂空区中设有第二锚点（208），第二锚点（208）和第二凸台（104）键合；所述第一锚点（202）通过第一支撑梁（201）和第二支撑梁（203）固定在石英谐振层（2）上，所述第二锚点（208）通过第三支撑梁（207）和第四支撑梁（209）固定在石英谐振层（2）上，所述第一锚点（202）与第二锚点（208）之间连接有第一双端固支石英梁（204），所述石英谐振层（2）上设有第二双端固支石英梁（205），所述第一双端固支石英梁（204）和第二双端固支石英梁（205）平行；所述第一双端固支石英梁（204）和第二双端固支石英梁（205）结构尺寸以及自然谐振频率相同；与第二锚点（208）相邻的所述第一双端固支石英梁（204）与第二双端固支石英梁（205）根部之间通过弱耦合梁（206）连接,三者构成弱耦合谐振系统，并均位于第一通道（103）上方；所述的第一双端固支石英梁（204）与第二双端固支石英梁（205）上分别设有结构相同的激励及检测电极（3）。
2.根据权利要求1所述的基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器，其特征在于：所述压力膜层（1）材料为硅片。
3.根据权利要求1所述的基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器，其特征在于：所述第一凸台（102）与所述第一锚点（202）的大小相同，所述第二凸台（104）与所述第二锚点（208）的大小相同。
4.根据权利要求1所述的基于双压力膜和弱耦合谐振系统的高灵敏微压传感器，其特征在于：所述激励及检测电极（3）包括第一激励电极（301）、第二激励电极（303）、第一检测电极（302）、第二检测电极（304）；第一激励电极（301）通过导线与第一焊盘（305）连接，第二激励电极（303）通过导线与第二焊盘（307）连接；第一检测电极（302）通过导线与第三焊盘（306）连接，第二检测电极（304）通过导线与第四焊盘（308）连接；所述第一焊盘（305）和第二焊盘（307）作为激励端；所述的第三焊盘（306）作为信号输出端，所述的第四焊盘（308）作为接地端。
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