CN110803675A - 一种谐振式mems压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振式MEMS压力传感器，包括：敏感膜；至少一根谐振梁，谐振梁的两端分别通过第一锚点和第二锚点固定在敏感膜上；至少一个驱动器，用于驱动谐振梁；至少一个检测器，用于检测谐振梁的谐振频率；转向机构，与谐振梁连接，还与驱动器和检测器中的一个或两个连接，使得驱动器和检测器中的一个或两个的运动方向正交于谐振梁的运动方向。通过转向机构，减少驱动器和/或检测器由敏感膜面外运动产生的位移，从而减小驱动器和/或检测器的静态电容值的变化，达到提高谐振式MEMS压力传感器精确度，减少相位误差和非线性问题。

Description

一种谐振式MEMS压力传感器
技术领域
本发明涉及MEMS传感器领域，尤其涉及一种谐振式MEMS压力传感器。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。基于微机电系统(Micro—electro-mechanical-systems，MEMS)技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一。谐振式压力传感器利用谐振器把被测压力转换成频率信号的压力传感器，即被测压力引起谐振器等效刚度变化，从而改变谐振器的谐振频率，通过测量谐振频率的变化获得被测压力的大小。
硅微机械谐振压力传感器主要可以分为复合结构以及振动膜结构，其中复合结构具体为压力敏感膜片与谐振器复合结构。为了检测谐振梁的固有频率，需要选取适当的激励和检测方式。MEMS谐振梁常用的激励/检测方式有静电激励/电容检测、电磁激励/电磁检测、电热激励/压阻检测、光热激励/光信号检测、逆压电激励/压电检测等。
硅微机械谐振压力传感器的信噪比高、抗干扰能力强，并且具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、温度响应快、抗冲击、易于集成化和利于批量生产等优点，也因此常被用于需要高精密度测量或严格工业控制的多种场合。
常规的谐振器(如DRUCK公司常规谐振器)，当敏感膜受压力变形时，会导致可动梳齿发生面外运动产生位移，从而导致与驱动或检测梳齿组的静态电容发生变化，产生导致相位误差或非线性问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种相位误差或非线性减小的谐振式MEMS压力传感器。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高谐振式MEMS压力传感器的精确度，减少相位误差或非线性问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种谐振式MEMS压力传感器。在一个具体实施方式中，该谐振式MEMS压力传感器，包括：
敏感膜，能随压力变化发生形变；
至少一根谐振梁，谐振梁的两端分别通过第一锚点和第二锚点固定在敏感膜上；
至少一个驱动器，用于驱动谐振梁；
至少一个检测器，用于检测谐振梁位移幅度，和驱动器一起构成闭环系统，使系统振动在谐振点；
转向机构，与谐振梁连接，还与驱动器和检测器中的一个或两个连接，使得驱动器和检测器中的一个或两个的运动方向正交于谐振梁的运动方向。通过这样的运动方向转变，使得谐振梁形变位移引起的第一传递臂朝向敏感膜平面内外的位移在驱动器和/或检测器的可动梳齿组的朝向膜平面内外的位移被减小，从而起到减少相位误差及非线性的问题。
进一步地，转向机构为L型，包括：
第一臂，通过第一传递梁与谐振梁连接；和
第二臂，和第一臂相连，通过第二传递梁与驱动器或检测器中的一个或两个连接。
可选地，第二臂的长度大于第一臂的长度，使得检测器的运动幅度大于谐振梁的运动幅度。检测器的运动幅度大有助于增大检测信号，谐振梁的运动幅度小有助于减小非线性。
进一步地，第一传递梁通过第一折叠梁与谐振梁相连；和/或
第二传递梁通过第二折叠梁与驱动器或检测器中的一个或两个相连。通过设置第一折叠梁和/或第二折叠梁，进一步减少了谐振梁形变位移引起的驱动器和/或检测器的可动梳齿组的朝向膜平面内外的位移，从而进一步减少相位误差及非线性的问题。
可选地，第一折叠梁与第二折叠梁分别为位于第一传递梁与第二传递梁一侧的U型柔性结构；或者分别为位于第一传递梁与第二传递梁两侧对称分布的两个U型柔性结构。
进一步地，转向机构的第一臂和第二臂的连接处为转点；转向机构的转点通过连接部与第三锚点相连，使得转向机构能绕转点转动。
可选地，连接部为两段U型弹簧，分别沿第一臂和第二臂延伸，U型弹簧的两端分别与第三锚点和转向机构的转点相连。
可选地，驱动器和检测器的运动方向均正交于谐振梁的运动方向；或者，驱动器的运动方向平行于谐振梁的运动方向，检测器的运动方向正交于谐振梁的运动方向；或者，驱动器的运动方向正交于谐振梁的运动方向，检测器的运动方向平行于谐振梁的运动方向。
进一步地，驱动器包括互相配合的驱动器固定梳齿组和驱动器可动梳齿组，驱动器的运动方向为驱动器可动梳齿组的运动方向；检测器包括互相配合的检测器固定梳齿组和检测器可动梳齿组，检测器的运动方向为检测器可动梳齿组的运动方向。驱动器可动梳齿组和检测器可动梳齿组与转向机构连接；驱动器可动梳齿组与转向机构连接。
可选地，至少一根谐振梁为两根及两根以上，两根及两根以上谐振梁之间采用耦合或非耦合的方式连接。
可选地，在驱动器和检测器之间采用运动耦合方式。
可选地，驱动及检测方式为静电、压电、压阻、电磁、电热中的一种或多种。
本发明的谐振式MEMS压力传感器具有如下优点：
1)通过转向机构，使得驱动器和检测器中的一个或两个的运动方向与谐振梁的运动方向正交，减少驱动器和/或检测器由敏感膜面外运动产生的位移，从而减小驱动器和/或检测器的静态电容值的变化，达到提高谐振式MEMS压力传感器精确度，减少相位误差和非线性问题。
2)通过在谐振梁和第一传递臂之间设置第一折叠梁，和/或在驱动器和检测器中的一个或两个与第二传递臂之间设置第二折叠梁，通过两个折叠梁进一步减少驱动器和/或检测器由敏感膜面外运动产生的位移，从而进一步减小驱动器和/或检测器的静态电容值的变化，达到进一步提高谐振式MEMS压力传感器精确度，减少相位误差和非线性问题。
3)通过调整转向机构的第一臂和第二臂的长度比，调节谐振梁和驱动器和/或检测器的运动幅度的比例。当连接驱动器和/或检测器的第二臂的长度大于连接谐振梁的第一臂的长度时，驱动器和检测器的运动幅度大于谐振梁的运动幅度。检测器的运动幅度大有助于增大检测信号，提高精确度，谐振器的运动幅度小有助于减小非线性。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是现有技术中一种谐振式MEMS压力传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的一种谐振式MEMS压力传感器的结构示意图；
图3是本发明实施例1中的另一种谐振式MEMS压力传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例2中的谐振式MEMS压力传感器的结构示意图；
图5是图4中谐振式MEMS压力传感器的第一折叠梁的放大图；
图6是本发明实施例3中的谐振式MEMS压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
现有常规的谐振器如图1所示，包括基底(图中未示出)和敏感膜11。谐振梁12通过第一锚点13a和第二锚点13b固定在敏感膜11上。驱动器15和检测器16位于敏感膜11外，通过第三锚点17a和第四锚点17b固定在基底上。传递梁14连接谐振梁12和驱动器15及检测器16。其中，驱动器15包括驱动器固定梳齿组151和驱动器可动梳齿组152；驱动器固定梳齿组151固定在基底上；驱动器可动梳齿组152通过弹性梁18连接到第三锚点17a和第四锚点17b上，驱动器可动梳齿组152与传递梁14相连。检测器16包括检测器固定梳齿组161和检测器可动梳齿组162，检测器固定梳齿组161固定在基底上；检测器可动梳齿组162通过弹性梁18连接到第三锚点17a和第四锚点17b上，检测器可动梳齿组162与传递梁14相连。
当敏感膜11受到压力发生朝向敏感膜所在平面内或外(如图中朝向纸面内或朝向纸面外)的形变(下方简称为面外运动)后，固定于敏感膜11上的第一锚点13a和第二锚点13b之间的间距发生变化，导致谐振梁12发生压缩或张紧，驱动器及附属控制电路系统捕捉到谐振梁的谐振频率，系统跟对谐振频率的变化输出谐振频率信息，进而转化为压力信息。
而实际上，当敏感膜11受到压力发生面外运动后，使得谐振梁12发生压缩或张紧，也产生面外运动。谐振梁12的面外运动通过传递梁14传递至驱动器可动梳齿组和检测器可动梳齿组，导致驱动器可动梳齿组和检测器可动梳齿组发生朝向纸面内或朝向纸面外的位移(跟随效果)，而驱动器固定梳齿组和检测器固定梳齿组没有发生位移，从而使得驱动器和检测器的可动梳齿组与固定梳齿组之间的静态电容值发生变化，产生相位误差或非线性等问题。这样的问题降低了谐振式MEMS压力传感器的精确度。
本发明的具体实施方式中，通过在谐振梁和驱动器及检测器的一个或两个之间设置转向机构，将驱动器及检测器的一个或两个的运动方向转换为与谐振梁的运动方向平行，从而降低相位误差或非线性问题。在一些具体实施方式中，在谐振梁与传递梁之间还设置折叠梁，和/或在驱动器及检测器和传递臂之间设置折叠梁，进一步降低相位误差或非线性问题。
在本发明的具体实施方式中，谐振梁至少为一根，驱动器至少为一个，检测器至少为一个。下方的实施例中，以一根谐振梁、一个驱动器和一个检测器为例进行解释说明。
实施例1
如图2所示，本实施例的谐振式MEMS压力传感器包括敏感膜21、谐振梁22、驱动器25、检测器26和转向机构28。
谐振梁22的两端分别通过第一锚点23a和第二锚点23b固定在敏感膜21上。
驱动器25和检测器26相连，串联设置在敏感膜21外。驱动器25包括驱动器固定梳齿组251和驱动器可动梳齿组252，检测器26包括检测器固定梳齿组261和检测器可动梳齿组262。在本实施例中，驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262是一体的。在另一些实施例中，驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262也可以是分离的，通过弹性梁连接。驱动器固定梳齿组251和检测器固定梳齿组261分别相对于基底(图中未示出)，其位置是固定的。驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262通过弹性梁连接到第三锚点27a和第四锚点27b上，第三锚点27a和第四锚点27b固定在基底上。
转向机构28为L形，包括第一臂281和第二臂282。第一臂281具有第一端283，第二臂282具有第二端284。第一臂281和第二臂282的连接处为转点285。谐振梁22和第一臂281的第一端283通过第一传递梁24a连接。当驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262是一体的时，可动梳齿组和第二臂282通过第二传递梁24b连接。当驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262是分离的，并通过弹性梁连接时，第二传递梁24b一端连接第二臂282的第二端284，另一端连接该弹性梁。转点285通过连接部29连接到第三锚点27a上，转向机构28能绕转点285转动，从而使驱动器25和检测器26的可动梳齿组与固定梳齿组之间的运动方向(图2中为竖直方向)正交于谐振梁22的振动方向(图2中为水平方向)。
由此，通过L型转向机构28，将驱动器25和检测器26的可动梳齿组和固定梳齿组之间的运动方向从常规设计中的平行于谐振梁的振动方向，转变为正交于谐振梁的振动方向。在这样的方向转变下，当谐振梁22随敏感膜21的面外运动发生相应的面外运动及位移时，驱动器25和检测器26的可动梳齿组被带动发生的面外的位移会被转向机构降低，从而降低了驱动器25和检测器26的可动梳齿组和固定梳齿组之间的静态电容值变化，起到减少相位误差及非线性的问题。
通过调整转向机构28的第一臂281和第二臂282的长度比，可以调节谐振梁22和驱动器25及检测器26的运动幅度的比例。在一些实施例中，转向机构的第一臂281和第二臂282是等长的，则谐振梁22的运动幅度和驱动器25及检测器26的运动幅度相同。在另一些实施例中，转向机构的第二臂282的长度大于比第一臂281的长度，由此，驱动器25和检测器26处的运动幅度大于谐振梁22的运动幅度。检测器26的运动幅度(检测器固定梳齿组261和检测器可动梳齿组262之间的运动幅度)大有助于增大检测信号，提高精确度，谐振器的运动幅度小有助于减小非线性。
在一些实施例中，连接部29为两段U型弹簧(如图3中所示)，分别沿第一臂281和第二臂282延伸，两个U型弹簧的两端分别与第三锚点和转向机构的转点相连。通过两段U型弹簧形成的连接部29，能起到对转向机构28的限位作用。在另一些实施例中，连接部29还可以采用其他起到连接转向机构28和第三锚点27a的结构。
实施例2
本实施例的谐振式MEMS压力传感器(如图4所示)，是实施例1谐振式MEMS压力传感器的基础上，增加了第一折叠梁24c和第二折叠梁24d。下方针对第一折叠梁24c和第二折叠梁24d和其他部件的连接关系和作用进行说明，其他未提及的部件，其连接关系和作用与实施例1中的一致。
第一折叠梁24c连接谐振梁22和第一传递梁24a。当驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262是一体的时，第二折叠梁24d连接第二传递梁24b和可动梳齿组。当驱动器可动梳齿组252和检测器可动梳齿组262是分离的，并通过弹性梁连接时，第二折叠梁24d连接第二传递梁24b和该弹性梁。
当谐振梁22随敏感膜21的面外运动发生相应的面外运动及位移时，与谐振梁22直接连接的第一折叠梁24c由于其折叠的形式，会降低第一传递梁24a被带动的面外运动的位移(第一步降低)。此外，通过转向机构28将驱动器25和检测器26的运动方向转变为正交于谐振梁22的运动方向，由此，进一步降低了驱动器25和检测器26的可动梳齿组被带动的面外运动的产生位移(第二步降低)。转向机构28带动第二传递梁24b运动，第二传递梁24b进一步通过第二折叠梁24d带动可动梳齿组运动，由转向机构传递来的面外运动产生的位移被第二折叠梁24d进一步降低，从而又降低了可动梳齿组被带动的面外运动产生的位移(第三步降低)。通过这三步对驱动器25和检测器26的可动梳齿组由敏感膜21的面外运动引起的位移的减少，降低了可动梳齿组和固定梳齿组之间的静态电容值变化，起到减少相位误差及非线性的问题。
在一些实施例中，第一折叠梁24c和第二折叠梁24d自身是轴对称结构，且两者结构一致。图4和图5中示出了折叠梁的一种方式，以第一折叠梁24c为例，通过两条长边24c1和24c2与谐振梁22直接相连，两条长边24c1和24c2分别通过连接边24c5和24c6与两条短边24c3和24c4相连，连接边与长边和短边均垂直。两条短边24c3和24c4之间通过中间连接边24c7相连。第一传递梁24a和中间连接边24c7直接相连。即第一折叠梁24c的形状类似于设置在第一传递梁24a的端部两侧的两个U型柔性结构组合。以此方式实现谐振梁22与第一传递梁24a之间通过第一折叠梁24c连接的方式。
在一些实施例中，可以只设置第一折叠梁24c或第二折叠梁24d，也能起到在一定程度上降低可动梳齿组面外运动产生的位移，从而在一定程度上提高精确度和减少非线性问题。
在一些实施例中，第一折叠梁24c和第二折叠梁24d可以只是轴对称结构中对称轴半边的部分，同样能起到提高精确度和减少非线性问题的效果。比如第一折叠梁24c与第二折叠梁24d分别为位于第一传递梁24a与第二传递梁24b一侧的U型柔性结构。
实施例3
本实施例中的谐振式MEMS压力传感器(如图6所示)，包括敏感膜31、谐振梁32、驱动器35、检测器36和转向机构38。
谐振梁32的两端分别通过第一锚点33a和第二锚点33b固定在敏感膜31上。
驱动器35的驱动器可动梳齿组352通过弹性梁连接到第五锚点37c和第六锚点37d上，第五锚点37c和第六锚点37d固定在基底上。驱动器固定梳齿组351固定在基底上。检测器36的检测器可动梳齿组362通过弹性梁连接到第三锚点37a和第四锚点37b上，第三锚点37a和第四锚点37b固定在基底上。检测器固定梳齿组361固定在基底上。
转向机构38为L形，包括第一臂381和第二臂382。第一臂381具有第一端383，第二臂382具有第二端384。第一臂381和第二臂382的连接处为转点385。谐振梁32和第一臂381的第一端383通过第一传递梁34a连接。转点385通过连接部39连接到第三锚点37a上，转向机构38能绕转点385转动。通过转向机构38使检测器36的可动梳齿组与固定梳齿组之间的运动方向(图6中为竖直方向)正交于将谐振梁22的振动方向(图6中为水平方向)
驱动器可动梳齿组352和第一臂381的第一端383通过第三传递臂34e连接，使得驱动器可动梳齿组352处的运动能通过第三传递臂34e和第一传递臂34a传递到谐振梁32上。检测器可动梳齿组362和第二臂382的第二端384通过第二传递梁34b连接，使得谐振梁32的振动能通过第一传递梁34a、转向机构38和第二传递梁34b传递给检测器可动梳齿组362，从而检测谐振梁的位移幅度。检测器和驱动器一起构成闭环系统，使系统振动在谐振点。
在如上结构中，谐振梁32的运动方向(图6中为水平方向)和驱动器的运动方向一致(图6中为水平方向)，而谐振梁32的运动方式经过转向机构38的转变，转变为正交于检测器36的运动方向(图6中为垂直方向)。因此，当敏感膜31发生面外运动时，检测器36的检测器可动梳齿组362被带动发生面外运动的位移会被转向机构降低，从而降低了检测器可动梳齿组362和检测器固定梳齿组361之间的静态电容值变化，起到减少相位误差及非线性的问题。
在一些实施例中，驱动器和检测器的位置可以互换。
在一些实施例中，在谐振梁32和第一传递梁34a之间设置有第一折叠梁34c，和/或在检测器36和第二传递梁34b之间设置有第二折叠梁34d。通过折叠梁的设计可以进一步降低检测器36面外运动产生的位移，从而进一步减少相位误差及非线性的问题。在一些实施例中，第一折叠梁34c和第二折叠梁34d可以具有如实施例2中所述的结构，以及相应的设置方式(比如只设置其中一个)。
在一些实施例中，转向机构38的第一臂381和第二臂382也可以进行长度比的调整，其方式和调整后的作用与实施例1中描述的一致。
在一些实施方式中，连接部39可以为两段U型弹簧，其设置方式与实施例1中的描述的一致。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，包括：
敏感膜；
至少一根谐振梁，所述谐振梁的两端分别通过第一锚点和第二锚点固定在所述敏感膜上；
至少一个驱动器，用于驱动所述谐振梁；
至少一个检测器，用于检测谐振梁位移幅度，和驱动器一起构成闭环系统，使系统振动在谐振点；
转向机构，与所述谐振梁连接，还与所述驱动器和所述检测器中的一个或两个连接，使得所述驱动器和所述检测器中的一个或两个的运动方向正交于所述谐振梁的运动方向。
2.如权利要求1所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述转向机构为L型，包括：
第一臂，通过第一传递梁与所述谐振梁连接；和
第二臂，和所述第一臂相连，通过第二传递梁与所述驱动器或所述检测器中的一个或两个连接。
3.如权利要求2所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第二臂的长度大于所述第一臂的长度，使得所述检测器的运动幅度大于所述谐振梁的运动幅度，从而增强检测信号。
4.如权利要求2所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一传递梁通过第一折叠梁与所述谐振梁相连；和/或
所述第二传递梁通过第二折叠梁与所述驱动器或所述检测器中的一个或两个相连。
5.如权利要求4所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述第一折叠梁与所述第二折叠梁分别为位于第一传递梁与第二传递梁一侧的U型柔性结构；或者分别为位于第一传递梁与第二传递梁两侧对称分布的两个U型柔性结构。
6.如权利要求2所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述转向机构的第一臂和第二臂的连接处为转点；所述转向机构的转点通过连接部与第三锚点相连，使得转向机构能绕所述转点转动。
7.如权利要求1所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述驱动器和所述检测器的运动方向均正交于所述谐振梁的运动方向；或者，所述驱动器的运动方向平行于所述谐振梁的运动方向，所述检测器的运动方向正交于所述谐振梁的运动方向；或者，所述驱动器的运动方向正交于所述谐振梁的运动方向，所述检测器的运动方向平行于所述谐振梁的运动方向。
8.如权利要求1所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述驱动器包括互相配合的驱动器固定梳齿组和驱动器可动梳齿组，所述驱动器的运动方向为所述驱动器可动梳齿组的运动方向；所述检测器包括互相配合的检测器固定梳齿组和检测器可动梳齿组，所述检测器的运动方向为所述检测器可动梳齿组的运动方向。
9.如权利要求1所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，所述至少一根谐振梁为两根及两根以上，两根及两根以上谐振梁之间采用耦合或非耦合的方式连接。
10.如权利要求1所述的谐振式MEMS压力传感器，其特征在于，驱动及检测方式为静电、压电、压阻、电磁、电热中的一种或多种。
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