CN111289156B - 基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，包括谐振梁、耦合梁、拾振梁、固定电极、可动电极、质量块、可动锚点、固定锚点、硅岛。可动锚点与压力敏感膜通过硅岛固定连接，当压力敏感膜受到载荷变形，带动与之连接的可动锚点，可动锚点从而带动谐振梁产生变形，使谐振梁的内应力产生变化，从而改变谐振器的振动频率，谐振梁的振动频率通过拾振梁上的压敏电阻测得，拾振梁与耦合梁采用特殊设计方法，使谐振器在工作模态时，拾振梁上产生直拉直压的作用力，通过惠斯通电桥，即可对谐振梁的振幅进行线性输出。

Description

基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器

技术领域

本发明属于微纳电子传感器技术领域，具体涉及一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器。

背景技术

硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，通过检测谐振结构的固有频率来间接测量压力，为准数字输出。其精度主要受机械结构力学特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定。同时，硅谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等优点，一直是各国科研机构研究的重点。硅微谐振式压力传感器可以应用于机载大气数据测试系统、航空大气数据校验仪、机舱压力测试、航空航天地面测试系统和高性能风洞等领域，可以做成压力探头嵌入机身和机翼等用于分布压力测量，是大型运输机、新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、直升机和无人机等重大工程的核心器件。

在硅微谐振式压力传感器研发方面，英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列的成果。但是目前已经成功商业化且大批量应用的硅微谐振式压力传感器主要有两家公司，分别是英国DRUCK公司与日本横河电机株式会社。英国的DRUCK公司的硅微谐振式压力传感器主要是静电激励和压阻检测的方式，其敏感部分主要由谐振层、锚点、压力敏感压力敏感膜和四周固定的边框四部分组成，其中谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的，综合精度优于0.01%FS，测量范围为10-1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振式压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振层是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁位于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜的上表面，综合精度优于0.02%FS，温度系数小于5ppm/K。

硅微谐振式压力传感器的灵敏度与精度是其主要的工作指标，因此在设计过程中，将这两个参数作为优化目标来设计谐振式压力传感器的敏感结构。单谐振器模式硅微谐振式压力传感器非常容易受到温度以及封装应力的影响，从而降低了传感器的输出精度，并且传感器的灵敏度较低。通过文献检索，目前很少文献对静电激励、压阻检测的硅微谐振式压力传感器进行双谐振器差动设计与补偿进行研究。

发明内容

本发明提供了一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，通过谐振器的差动输出，可有效提升传感器的灵敏度，并降低温度以及封装应力对谐振器造成的影响，从而提高传感器的输出精度。

为达到上述目的，本发明所述基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，包括基底、可动锚点受压谐振器和受拉谐振器，所述可动锚点与基底相连，所述可动锚点两端分别相对设置有受压谐振器和受拉谐振器，所述受压谐振器和受拉谐振器的结构相同；所述受压谐振器包括耦合梁和谐振梁，所述谐振梁包括第一谐振梁和第二谐振梁，所述耦合梁内壁固定有两个相对设置的拾振梁，拾振梁上布置有压敏电阻，耦合梁两侧均连接有质量块，质量块外侧设置有可动电极，可动电极外侧设置有固定电极，质量块第一端与第一谐振梁的第一端连接，第一谐振梁的第二端与固定锚点连接，质量块第二端与第二谐振梁的第一端连接，第二谐振梁的第二端与可动锚点连接。

进一步的，基底为压力传感器的压力敏感膜或加速度传感器的可动质量块。

进一步的，可动锚点位于基底上沿谐振梁方向的最大变形区。

进一步的，可动锚点与压力敏感膜通过硅岛固定连接。

进一步的，拾振梁与耦合梁为一体式结构。

进一步的，固定电极和可动电极均为梳齿电极。

进一步的，质量块与可动电极为一体式结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

传感器采用完全结构相同的两个谐振器，两个谐振器共用一个可动锚点，与独立式差动芯片相比（即将两个谐振器分别放置在不同芯片上），该结构可有效降低双谐振器芯片尺寸，同时使两个传感器具有相同的绝对值灵敏度，通过差动输出方式，可有效提升传感器的输出灵敏度，并降低温度以及封装应力对谐振器造成的影响，从而提升传感器的精度与可靠性；在谐振工作状态下，两个差动谐振器分别受到压应力与拉应力作用，从而使它们的谐振频率分别减小和增加。

进一步的，可动锚点位于压力敏感膜沿谐振梁方向的最大变形区，使传感器获得最大灵敏度输出。

进一步的，传感器的拾振梁与耦合梁采用一体设计，拾振梁布置在耦合梁上，当耦合梁在振动过程中产生变形时，带动拾振梁产生直拉直压的变形，当拾振梁上制作的压敏电阻通有恒流源时，会在谐振器的谐振点附近产生交变电压输出，进而拾取谐振器的谐振频率；

进一步的，受拉谐振器和受压谐振器的可动电极的电势为等电势，固定电极通有交流和直流电压，通过梳齿固定电极和可动电极之间产生的静电力，产生交变的驱动力，从而使谐振器产生振动。

进一步的，两个谐振器均采用面内振动，通过可动锚点隔离，两谐振器均无与外界产生能量交换，从而使谐振器获得较高的品质因子。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明局部立体图；

图3为本发明局部示意图；

图4为双谐振器在可动锚点变形后整体变形图；

图5为耦合梁-拾振梁示意图；

附图中：1、固定电极，2、固定锚点，3、谐振梁，31、第一谐振梁，32、第二谐振梁，4、质量块，5、耦合梁，6、硅岛，7、可动锚点，8、拾振梁，9、可动电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图3，一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其整体结构如图1所示，包括受压谐振器100、受拉谐振器200、硅岛6和可动锚点7，受压谐振器100和受拉谐振器200结构相同但谐振频率不同，受压谐振器100和受拉谐振器200共用硅岛6和可动锚点7。

受压谐振器100包括固定电极1、固定锚点2、谐振梁3、质量块4、耦合梁5、拾振梁8、可动电极9和压力敏感膜，谐振梁3包括第一谐振梁31和第二谐振梁32，耦合梁5内壁固定有两个相对设置的拾振梁8，拾振梁8上布置有压敏电阻，耦合梁5两侧均连接有质量块4，质量块4外侧与可动电极9固定连接，质量块4与可动电极9为一体式结构。可动电极9外侧设置有固定电极1，固定电极1和可动电极9上均布置有梳齿电极。质量块4第一端与第一谐振梁31的第一端连接，第一谐振梁31的第二端与固定锚点2连接，质量块4第二端与第二谐振梁32的第一端连接，第二谐振梁32的第二端与可动锚点7连接。

可动锚点7与压力敏感膜通过硅岛6固定连接，当压力敏感膜受到载荷变形，带动与之连接的可动锚点7，可动锚点7带动谐振梁3产生变形，使谐振梁3的内应力产生变化，从而改变谐振器的振动频率，谐振梁的振动频率通过拾振梁8上的压敏电阻测得，拾振梁8与耦合梁5为一体式结构，当谐振器在工作模态时，拾振梁8上产生直拉直压的作用力，通过对压敏电阻两端的电压进行测量，即可对拾振梁的振幅进行线性输出。

受压谐振器100和受拉谐振器200共用一个可动锚点7，可动锚点7的移动主要由与其相连的硅岛6移动带动，可动锚点7位于压力敏感膜沿谐振梁方向的最大变形区；受拉谐振器200还可以采用双端可动锚点，即将固定锚点替换为可动锚点，采用双端可动锚点时，受拉谐振器200的两个锚点运动方向相反；该结构可有效降低差动式硅微谐振式压力传感器尺寸，同时使两个谐振器具有相同的绝对值灵敏度，通过差动输出方式，可有效提升传感器的灵敏度，并降低温度以及封装应力对谐振器造成的影响，从而提升传感器的精度与可靠性；差动变形后如图4所示，受压谐振器的谐振梁与受拉谐振器的谐振梁分别受到压应力与拉应力，谐振频率分别减小或者增加，对两个谐振器频率的差值进行测量，进而计算压力大小。

拾振梁8与耦合梁5采用一体设计，拾振梁固定在耦合梁5上，当耦合梁5在振动过程中产生变形，从而带动拾振梁8产生直拉直压的变形，当拾振梁8上压敏电阻通有恒流源时，在谐振器的谐振点附近产生交变电压输出，传感器耦合梁-拾振梁示意图如图5所示；

可动锚点7与基底相连，基底可为压力感知压力敏感膜或者为加速度传感器的可动质量块；谐振器固定锚点2则与谐振层的非可动部分固定连接，在载荷发生变化时，无位移或变形发生。受压谐振器和受拉谐振器的可动电极电势为等电势，固定电极9通有交流+直流电压，通过梳齿电极之间产生的静电力，产生交变的驱动力，从而使谐振器产生振动；

受压谐振器和受拉谐振器均采用对称面内振动，通过可动锚点隔离，两谐振器均无与外界产生能量交换，从而使谐振器获得较高的品质因子。

拾振梁8分别位于耦合梁5两侧，每个谐振器共有两组拾振梁8，拾振梁8上的两个压敏电阻采用惠斯通电桥对臂布置；压敏电阻通过引线与外部形成电连接。

本发明优选实例可达到的技术指标如下：

1)压力量程：0-300kPa；

2)测量精度：0.01%FS；

3)响应时间：≤100ms；

4)过压保护压力：200%FS；

5)使用温度范围：-50℃-125℃。

本发明的工作原理如下：

拾振梁8与耦合梁5采用一体设计，拾振梁8附加在耦合梁5上，当谐振器处于对称振动模态时，质量块做面内对称振动，同时耦合梁5也产生对称变形，因拾振梁8与耦合梁5采用一体式结构，所以会引起拾振梁8产生直拉直压的变形，拾振梁8上布置有压敏电阻，当拾振梁的应变状态发生变化时，压敏电阻的阻值发生线性变化，压敏电阻在恒流供电的条件下，两端的电压发生变化，从而可以进行高频拾振，进而感知加载压力的大小。

传感器采用双谐振器设计，两个谐振器采用完全相同的设计，并共用中间可动锚点7，当可动锚点7发生位移时，一个谐振器的谐振梁受到拉应力，而另外一个谐振器受到压应力，所以受到拉应力的谐振器的工作频率将会增加，而受到压应力的谐振器工作频率将会减小；两个谐振器均采用静电激励压阻检测的工作原理，每个谐振器的两侧均布置有固定电极，固定电极上布置有梳齿电极，固定电极上的梳齿电极与可动电极上的梳齿电极之间产生静电力从而使谐振器产生振动，当驱动力达到谐振器的谐振频率附近时，两个谐振器的谐振梁均发生谐振，两个谐振器谐振频率的差值和压力呈线性关系，可以通过谐振频率差值计算压力大小。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，包括基底、可动锚点(7)受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述可动锚点(7)与基底相连，所述可动锚点(7)两端分别相对设置有受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)的结构相同；所述受压谐振器(100)包括耦合梁(5)和谐振梁(3)，所述谐振梁(3)包括第一谐振梁(31)和第二谐振梁(32)，所述耦合梁(5)内壁固定有两个相对设置的拾振梁(8)，拾振梁(8)上布置有压敏电阻，耦合梁(5)两侧均连接有质量块(4)，质量块(4)外侧设置有可动电极(9)，可动电极(9)外侧设置有固定电极(1)，质量块(4)第一端与第一谐振梁(31)的第一端连接，第一谐振梁(31)的第二端与固定锚点(2)连接，质量块(4)第二端与第二谐振梁(32)的第一端连接，第二谐振梁(32)的第二端与可动锚点(7)连接。

2.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述基底为压力传感器的压力敏感膜或加速度传感器的可动质量块。

3.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述可动锚点(7)位于基底上沿谐振梁(3)方向的最大变形区。

4.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述可动锚点(7)与压力敏感膜通过硅岛(6)固定连接。

5.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述拾振梁(8)与耦合梁(5)为一体式结构。

6.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，所述固定电极(1)和可动电极(9)均为梳齿电极。

7.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，质量块(4)与可动电极(9)为一体式结构。

Images