CN113848001A - 一种rf谐振压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RF谐振压力传感器，包括敏感RF谐振器、RF谐振器和共面波导端口，敏感RF谐振器和RF谐振器形成对称弱耦合结构。本发明采用了对称弱耦合状态的RF谐振器，基于模态局域化原理，其谐振信号幅值将随施加的压力剧烈变化，因此传感器灵敏度极高；传感器工作在RF频段，因此不易受工频等低频信号干扰；传感器结构只包含金属和高阻衬底，传感器敏感结构受温漂的影响小。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种RF谐振压力传感器。
背景技术
压力传感器(Pressure Transducer)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。压力传感器被广泛应用于工业生产、科学研究和日常生活中。压力传感器的类型很多，针对的应用场景也各不相同。主要原理包括，压电式、压阻式、电容式和谐振式等。
压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。这类压力传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。
压阻式压力传感器主要基于压阻效应。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压阻式压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。
谐振式压力传感器的原理是当外界压力改变时传感器的谐振状态发生相应变化。主要类型有振弦式压力传感器、振筒式压力传感器、振膜式压力传感器和石英晶体谐振式压力传感器。传统的谐振式压力传感器的敏感原理为压力导致谐振频率变化。输出频率信号的优点是精度高、稳定性好，且容易转换成数字信号进行数字化处理。但是这类谐振压力传感器的缺点也比较明显，首先是灵敏度不够高，理论上归一化灵敏度的极限只有0.5；其次，由于采用机械谐振方式，其工作频率较低，容易受到工频等低频信号的干扰。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种RF谐振压力传感器，提高谐振压力传感器的灵敏度。
技术方案：一种RF谐振压力传感器，包括敏感RF谐振器和RF谐振器；所述敏感RF谐振器包括层叠设置的第一衬底、第二衬底以及衬底金属，在所述第一衬底的背面刻蚀腔体后形成压力敏感薄膜，在所述压力敏感薄膜正面中央设置第一带状金属，所述第二衬底正面正对所述第一带状金属处设置金属电极，所述金属电极通过金属通孔与衬底金属相连；所述RF谐振器包括在所述第一衬底的正面设置的第二带状金属，所述第二带状金属和第一带状金属关于第一衬底的中轴线对称设置；所述第一衬底上表面两侧还对称设有共面波导端口；所述敏感RF谐振器和RF谐振器之间形成弱耦合，当所述敏感RF谐振器受压后等效电容改变将产生模态局域化效应。
进一步的，所述敏感RF谐振器和RF谐振器的等效电阻和电感相等；通过调节金属电极，所述敏感RF谐振器的初始电容和RF谐振器的电容相等。
进一步的，所述第一衬底和第二衬底采用玻璃、石英或本征硅。
进一步的，所述共面波导端口包括信号线以及位于信号线两侧的两个地线。
有益效果：（1）本发明采用对称弱耦合状态的RF谐振器，基于模态局域化原理，其谐振信号幅值的归一化灵敏度与耦合系数成反比，因此在弱耦合状态下传感器灵敏度极高；
（2）本发明传感器工作在RF频段，因此不易受工频等低频信号干扰；
（3）本发明结构只包含金属和高阻衬底，传感器敏感结构受温漂的影响小。
附图说明
图1是本发明实施例的RF谐振压力传感器俯视图；
图2是本发明实施例的RF谐振压力传感器剖面图；
图3是本发明实施例的RF谐振压力传感器的读出信号图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种RF谐振压力传感器，包括敏感RF谐振器4和RF谐振器5。敏感RF谐振器4包括第一衬底1、第二衬底2以及衬底金属6，第一衬底1置于第二衬底2上方，第二衬底2的下表面由衬底金属6覆盖；在第一衬底1的背面刻蚀腔体后形成压力敏感薄膜4B，在压力敏感薄膜4B正面中央设置第一带状金属4A，第二衬底2正面正对第一带状金属4A处设置金属电极4D，金属电极4D通过金属通孔4C与衬底金属6相连。RF谐振器5包括在第一衬底1的正面设置的第二带状金属5A，第二带状金属5A和第一带状金属4A关于第一衬底1的中轴线MN对称设置。其中，第一衬底1和第二衬底2采用低RF损耗的高阻材料，如玻璃、石英或本征硅。
第一衬底1上表面两侧还对称设有共面波导端口3；共面波导端口3包括信号线3A以及位于信号线3A上下两侧的两个地线3B，地线3B通过接地通孔3C连接衬底金属6。
敏感RF谐振器4和RF谐振器5的等效电阻和电感相等；通过调节金属电极4D，敏感RF谐振器4的初始电容和RF谐振器5的电容相等。
本发明结构中，敏感RF谐振器4和RF谐振器5都是基于带状金属和覆盖金属的高阻衬底的微带型RF谐振结构。通过调节第一带状金属4A和第二带状金属5A之间的间隙，使敏感RF谐振器4和RF谐振器5之间形成弱耦合，当有压力F施加在敏感RF谐振器4上时，敏感RF谐振器4的等效电容的改变将产生模态局域化效应，使其RF谐振信号幅值将发生大幅变化。根据模态局域化理论，谐振信号幅值的归一化灵敏度与耦合系数成反比。因此在弱耦合状态下，该谐振信号幅值的变化量将远大于其频率的变化量。该幅值的变化量，即对应施加的压力值，因此传感器灵敏度将得到大幅提升。
本发明结构的制备工艺包括：
步骤1：在第一衬底1上溅射金属层并图形化，作为电镀种子层；
步骤2：电镀增厚第一衬底1上的金属层，作为共面波导端口3和第一带状金属4A、第二带状金属5A；
步骤3：将第一衬底1上的金属层保护，刻蚀第一衬底1背面形成压力敏感薄膜4B；
步骤4：在第二衬底2背面溅射金属层并电镀增厚，形成衬底金属6；
步骤5：第二衬底2刻蚀通孔，并电镀填充形成金属通孔4C；
步骤6：第二衬底2上溅射金属层并图形化，作为电镀种子层；
步骤7：电镀增厚第二衬底2上的金属层，作为金属电极4D；
步骤8：将第一衬底1和第二衬底2进行键合，形成最终传感器结构。
本发明的RF谐振压力传感器进行气体流量检测的过程为：
测量前，使用标准压力计对传感器的输出谐振频率幅值进行标定，建立不同压力对应输出振频率幅值的关系。测量时，将读到的输出振频率幅值与标定值进行对比，可以得到当前测量的压力值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种RF谐振压力传感器，其特征在于，包括敏感RF谐振器（4）和RF谐振器（5）；所述敏感RF谐振器（4）包括层叠设置的第一衬底（1）、第二衬底（2）以及衬底金属（6），在所述第一衬底（1）的背面刻蚀腔体后形成压力敏感薄膜（4B），在所述压力敏感薄膜（4B）正面中央设置第一带状金属（4A），所述第二衬底（2）正面正对所述第一带状金属（4A）处设置金属电极（4D），所述金属电极（4D）通过金属通孔（4C）与衬底金属（6）相连；所述RF谐振器（5）包括在所述第一衬底（1）的正面设置的第二带状金属（5A），所述第二带状金属（5A）和第一带状金属（4A）关于第一衬底（1）的中轴线对称设置；所述第一衬底（1）上表面两侧还对称设有共面波导端口（3）；所述敏感RF谐振器（4）和RF谐振器（5）之间形成弱耦合，当所述敏感RF谐振器（4）受压后等效电容改变将产生模态局域化效应。
2.根据权利要求1所述的RF谐振压力传感器，其特征在于，所述敏感RF谐振器（4）和RF谐振器（5）的等效电阻和电感相等；通过调节金属电极（4D），所述敏感RF谐振器（4）的初始电容和RF谐振器（5）的电容相等。
3.根据权利要求1所述的RF谐振压力传感器，其特征在于，所述第一衬底（1）和第二衬底（2）采用玻璃、石英或本征硅。
4.根据权利要求1所述的RF谐振压力传感器，其特征在于，所述共面波导端口（3）包括信号线（3A）以及位于信号线（3A）两侧的两个地线（3B）。
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