CN110926659A - 一种基于mems技术的硅微机械谐振压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，包括芯片和光纤，所述芯片的一侧设有光测腔，所述芯片的另一侧设有感压腔，所述光测腔与所述感压腔之间设为感压片，所述感压片上设有微桥谐振片，所述光测腔底部错开所述感压片的区域设有微悬臂谐振片，所述光纤设有两根，其中一根光纤对准所述微桥谐振片设置，另一根光纤对准所述微悬臂谐振片设置。本发明可有效消除由于环境温度对压力测量精度的影响，扩大其适用范围。

Description

一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器

技术领域

本发明公开了一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，属于压力传感器领域。

背景技术

基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高的硅微压力传感器，它通过检测物体的固有频率间接地测量压力，为准数字信号输出。该压力传感器的精度主要受结构机械特性的影响，因此其抗干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微机械谐振压力传感器还具有响应快、频段宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点，一直是各国研究和开发的重点。

MEMS是Micro Elector Mechanical Systems的简称，其中文名称为微机电系统，有时也称为微机械、微系统或微电子机械系统。硅微机械谐振压力传感器是MEMS最早商业化的产品之一，至今已有四十多年的历史。

基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器由于其精度高、诸多性能优的特性被广泛应用于航空航天、海洋探测、石油化工等行业。近年来，在航空航天以及石油化工等领域对耐高温压力传感器的需求日益迫切，高性能、微型化耐高温压力传感器成为当前国际研究的热点之一。

目前，这类基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器由于温度交叉灵敏度较大，特别是在超高温环境下，其测量精度会受到极大的影响，因此亟需对其改进，以扩大其适用范围。

发明内容

本发明提供了一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，有效消除由于环境温度对压力测量精度的影响，扩大其适用范围。

本发明的一方面涉及一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，包括芯片和光纤，所述芯片的一侧设有光测腔，所述芯片的另一侧设有感压腔，所述光测腔与所述感压腔之间设为感压片，所述感压片上设有微桥谐振片，所述光测腔底部错开所述感压片的区域设有微悬臂谐振片，所述光纤设有两根，其中一根光纤对准所述微桥谐振片设置，另一根光纤对准所述微悬臂谐振片设置。

进一步地，所述微桥谐振片与所述微悬臂谐振片采用相同材料及设为相同的厚度制作而成。

进一步地，还包括壳体，所述芯片设于所述壳体内，所述光纤的一端位于所述壳体内，所述光纤的另一端位于所述壳体外，所述壳体内设有连通壳所述体外侧和所述感压腔的气孔。

进一步地，所述壳体包括上壳和下壳，所述上壳盖于所述下壳上，所述芯片设有光测腔的一侧贴靠于所述下壳上端，所述上壳下部设有容纳腔，所述芯片设于所述容纳腔中。

进一步地，所述气孔设于所述上壳内，且所述气孔贯通所述容纳腔，所述芯片与容纳腔的四周及顶侧内壁之间均设有间隙。

进一步地，所述上壳设为陶瓷上壳，所述下壳为陶瓷下壳，所述陶瓷上壳与所述陶瓷下壳之间采用高温陶瓷胶粘接。

进一步地，所述光测腔设为真空腔。

进一步地，还包括底板，所述底板盖设于所述芯片设有所述光测腔的一侧用于封盖所述光测腔。

进一步地，所述芯片设为硅片。

进一步地，所述光纤设为蓝宝石光纤。

本发明带来了以下有益效果：本发明的压力传感器在芯片上设有微桥谐振片和微悬臂谐振片，两者对温度变化可以同步响应。通过数据融合技术，作为温敏元件的微悬臂谐振片的谐振频率实时补偿温度变化对微桥谐振片谐振频率的影响，有效消除由于环境温度对压力测量精度的影响，扩大其适用范围。

附图说明

图1为本发明所述的压力传感器的芯片及光纤的结构示意图；

图2为本发明所述的芯片的其中一个方向的立体图；

图3为本发明所述的芯片的另一个方向的立体图；

图4为本发明所述的不设底板的压力传感器的立体图；

图5为本发明所述的增设底板的压力传感器的立体图。

图中：

1-芯片；

2-光测腔；

3-感压腔；

4-感压片；

5-微桥谐振片；

6-微悬臂谐振片；

7-光纤；

8-下壳；

9-上壳；

10-气孔；

11-容纳腔；

12-底板。

具体实施方案

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

实施例

请参照附图1-5所示，本实施例公开了一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，包括芯片1和光纤7，所述光纤7用于传入入射光束至所述芯片1。

在本发明的一个优选实施例中，还可以包括壳体，所述芯片1设于所述壳体内。具体的，所述壳体可以包括上壳9和下壳8，所述上壳9盖于所述下壳8上。

所述芯片1的一侧设有光测腔2，其另一侧设有感压腔3，所述光测腔2与所述感压腔3之间设为感压片4，所述感压片4上设有微桥谐振片5，所述光测腔2底部错开所述感压片4的区域设有微悬臂谐振片6。所述芯片1设有光测腔2的一侧贴靠于所述下壳8上端，所述上壳9下端对应所述芯片1的位置设有容纳腔11，所述芯片1设于所述容纳腔11中。

所述光纤7设有两根且均以一端朝向所述光测腔2、另一端远离所述光测腔2地设置，其中一根光纤7对准所述微桥谐振片5，另一根光纤7对准所述微悬臂谐振片6。

在本实施中，所述光纤7设为蓝宝石光纤7，两根光纤7均设于所述下壳8上，其远离所述光测腔2的一端穿出下壳8外侧。

所述光测腔2设为真空腔。在其中一种实施方式中，芯片1通过密封连接于所述下壳8上端，利用下壳8上端面封闭光测腔2的下侧，这时，对芯片1与下壳8之间的密封连接以及光纤7与下壳8之间的连接要求较高，才能保证光测腔2的真空度。在其中另一种实施方式中，可增设一底板12，所述底板12盖设于芯片1设有光测腔2的一侧用于封盖所述光测腔2。利用底板12封盖芯片1底部以密封光测腔2，且底板12采用与芯片1相同的材料制作，这种方式更能够保证光测腔2的真空度。

所述上壳9下端对应所述芯片1的设置位置设有容纳腔11，所述芯片1设于所述容纳腔11中。所述壳体上设有连通壳体外侧和所述感压腔3的气孔10，具体的所述气孔10设于所述上壳9上，且气孔10的内端贯通所述容纳腔11，所述芯片1在所述容纳腔11与容纳腔11的四周及顶侧均留有间隙。所述间隙一来方便安装时芯片1容易装入所述容纳腔11；二来由所述间隙连通于气孔10与感压腔3，形成感压腔3与壳体外侧连通的状态。

所述上壳9设为陶瓷上壳9，所述下壳8为陶瓷下壳8，所述陶瓷上壳9与所述陶瓷下壳8之间采用高温陶瓷胶粘接。

所述芯片1设为硅片，所述微桥谐振片5与所述微悬臂谐振片6采用相同材料及设为相同的厚度制作而成。在本实施例中，所述芯片1为采用一整块硅片通过机械加工获得上述光测腔2、感压腔3、微桥谐振片5以及微悬臂谐振片6。

使用时，所测的目标气体从所述气孔10进入所述感压腔3中，使感压片4敏感被测压力产生相应变形，所述微桥谐振片5设于感压片4上直接感应感压片4的变形，从而改变自身谐振频率。所述微悬臂谐振片6设于光测腔2的底部不受被测压力的作用，因此被测压力对其谐振频率无影响。与此同时，测量环境的温度对微桥谐振片5以及微悬臂谐振片6的谐振频率均有影响，且由于微桥谐振片5和微悬臂谐振片6材料相同，厚度相等或相近，制作工艺完全相同，同时制作，因而两者对温度变化可以同步响应，且两者对温度的影响作用相同。

因此，所述微桥谐振片5的谐振频率同时受被测压力和环境温度的影响；所述微悬臂谐振片6的谐振频率不受被测压力影响，其谐振频率只受环境温度的影响，将微桥谐振片5的谐振频率和微悬臂谐振片6的谐振频率进行差分，即可消除由于环境温度引起的微桥谐振片5谐振频率的变化，从而提高传感器的测量精度和稳定性。

入射光束经过光纤7射入传感器芯片1后打到振动的谐振片上，其中，对准所述微桥谐振片5的光纤7传入的入射光束打到微桥谐振片5上，对准所述微悬臂谐振片6的光纤7传入的入射光束打到微悬臂谐振片6上。入射光束在谐振片上发生反射和折射，这些反射和折射光具有相同的频率，当谐振片发生谐振时，可测出在谐振片振动改变前后的入射光束的反射和折射光的相位差。利用上述原理分别测出微桥谐振片5和微悬臂谐振片6上的反射和折射光的相位差，再利用补偿机制，从而计算出外界压力值P。

综上所述，本发明的压力传感器在芯片1上设有微桥谐振片5和微悬臂谐振片6，两者对温度变化可以同步响应。通过数据融合技术，作为温敏元件的微悬臂谐振片6的谐振频率实时补偿温度变化对微桥谐振片5谐振频率的影响，有效消除由于环境温度对压力测量精度的影响，扩大其适用范围。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，包括芯片和光纤，所述芯片的一侧设有光测腔，所述芯片的另一侧设有感压腔，所述光测腔与所述感压腔之间设为感压片，所述感压片上设有微桥谐振片，所述光测腔底部错开所述感压片的区域设有微悬臂谐振片，所述光纤设有两根，其中一根光纤对准所述微桥谐振片设置，另一根光纤对准所述微悬臂谐振片设置。

2.如权利要求1所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述微桥谐振片与所述微悬臂谐振片采用相同材料及设为相同的厚度制作而成。

3.如权利要求2所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，还包括壳体，所述芯片设于所述壳体内，所述光纤的一端位于所述壳体内，所述光纤的另一端位于所述壳体外，所述壳体内设有连通所述壳体外侧和所述感压腔的气孔。

4.如权利要求3所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述壳体包括上壳和下壳，所述上壳盖于所述下壳上，所述芯片设有光测腔的一侧贴靠于所述下壳上端，所述上壳下部设有容纳腔，所述芯片设于所述容纳腔中。

5.如权利要求4所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述气孔设于所述上壳内，且所述气孔贯通所述容纳腔，所述芯片与容纳腔的四周内壁及顶侧内壁之间均设有间隙。

6.如权利要求4所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述上壳为陶瓷上壳，所述下壳为陶瓷下壳，所述陶瓷上壳与所述陶瓷下壳之间采用高温陶瓷胶粘接。

7.如权利要求1所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述光测腔设为真空腔。

8.如权利要求7所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，还包括底板，所述底板盖设于所述芯片设有所述光测腔的一侧用于封盖所述光测腔。

9.如权利要求1所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述芯片为硅片。

10.如权利要求1所述的一种基于MEMS技术的硅微机械谐振压力传感器，其特征在于，所述光纤为蓝宝石光纤。

Images