CN114046911B - 一种静电激励梳齿检测的mems谐振式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种静电激励梳齿检测的MEMS谐振式压力传感器,包括压力敏感层,谐振结构单元及激励检测结构。其中压力敏感层包含一压力敏感薄片及四个锚区,压力敏感薄片经锚区与谐振结构单元相连。谐振结构单元包括侧梁及谐振梁。静电激励和检测结构包括上端面、固定梳齿、振动梳齿,固定梳齿与上端面连接,振动梳齿与谐振梁相连接,分别用于驱动谐振结构单元发生谐振和检测输出信号。本发明设计的静电激励梳齿检测的MEMS谐振式压力传感器,采用十字形谐振梁、静电梳齿和侧梁结构,提高了传感器的工作稳定性和灵敏度,降低了激励能耗。
Description
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)传感器技术领域,具体涉及一种静电激励梳齿检测的谐振式压力传感器。
背景技术
MEMS硅微机械谐振式压力传感器是一种通过检测谐振梁固有频率变化量来对压力进行测量的仪器。相较于传统传感器,谐振式压力传感器具有体积小,质量轻,易于集成化,测量精度高可批量生产等优势。在未来有着广阔的发展前景。
目前主流的静电激励电容检测MEMS谐振式压力传感器在激励和检测方面仍存在一些不足之处。静电激励/电容检测型MEMS传感器存在着在微小形变下检测电容变化不明显的缺点,这会使得出的检测电流信号过小,导致检测信号丢失,从而产生误差。传统的梁膜型结构的信号采集电容通常为变极距型,采集得到的信号线性度较差,不利于后续的信号处理。谐振梁通常为单梁结构,在谐振过程中容易产生工作模态以外的振动,导致测量结果产生较大的误差。
发明内容
针对这些现存的问题,我们对静电激励/电容检测型MEMS传感器进行了研究。本发明提出了一种静电激励梳齿检测的MEMS压力传感器,具有对微小形变灵敏,输出信号线性度高且工作模态稳定的特点。
本发明采用的结构为。
一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其结构包括激励检测结构、谐振结构单元、压力敏感层。
激励与检测结构包括激励层1、绝缘层2、信号引出层3、连接块4、固定梳齿7、振动梳齿8。固定梳齿7与连接块4键合连接。
谐振结构单元包括谐振梁6、侧梁9、谐振梁引线12。
压力敏感层由锚区11、压力敏感薄片10组成。
激励层1、绝缘层2、信号引出层3、连接块4为SOI硅板腐蚀而成,其中在二氧化硅绝缘层腐蚀出十字形凹槽,使激励层1下表面暴露在空气中,作为静电激励端。八个连接块沿二氧化硅绝缘层上的十字形凹槽对称分布,且与信号引出层3形成台阶状结构。
信号引出层3下表面氧化后键合硅板,依次腐蚀出谐振梁6、固定梳齿7、振动梳齿8、侧梁9、谐振梁引线12。其中十字形谐振梁6与十字形凹槽相对应,腐蚀出的激励层与谐振梁构成电容,作为传感器激励结构。谐振梁采用十字形谐振梁结构,相比于单梁结构谐振时会出现的水平振动问题,十字梁具有良好的水平振动抑制效果,具有更高的谐振稳定性。
刻蚀出的固定梳齿7与振动梳齿8的梳齿结构交错分布,构成梳齿电容。相比于传统的静电激励/电容检测传感器,采用梳齿结构作为传感器检测结构,增加了检测电容的相对面积,提高了电容的变化幅度,增大了电流信号。固定梳齿7键合在八个连接块4下表面,通过引出层3将产生的电信号传出,振动梳齿8与谐振梁6连接,工作时随谐振梁6上下振动而产生相对于固定梳齿7上下方向的位移,固定梳齿7与振动梳齿8构成变面积型电容。对比变极距型电容检测结构,变面积型电容检测结构测得的输出信号具有良好的线性度,有效降低了后续传输信号的分析难度。
压力敏感层由锚区11、压力敏感薄片10组成。压力敏感薄片下表面向内腐蚀,使敏感薄片与底端产生一定距离。压力敏感层与谐振层键合连接,连接面氧化处理,使压力敏感层与谐振层绝缘。
本次发明的谐振式MEMS压力传感器增加了侧梁结构作为应力及变形传导结构,当压力作用于压力敏感薄片下表面时,下表面的变形通过锚区和侧梁传递到谐振梁上,使谐振梁的特征频率产生变化。侧梁在这一过程中发生弯曲变形,使谐振梁变形及位移减小,降低了谐振梁水平方向的位移。
工作时谐振梁引线12接入直流电压使谐振梁表面产生电荷,激励层1通入直流加交流电压,激励层与谐振梁构成激励电容,谐振梁6通过与激励层之间的交变库仑力进入谐振状态。
振动梳齿8与谐振梁6相连接,通过引入谐振梁6的电压,振动梳齿8表面产生电荷。固定梳齿7通过连接块4与信号引出层3连接,信号引出层3接地。振动梳齿8随谐振梁6进行竖直方向振动,固定梳齿保持不动,振动梳齿8与固定梳齿7构成变面积型电容检测,固定梳齿7产生的电信号由连接块4传导至信号引出层3引出。通过分析引出信号,测得谐振梁谐振频率,进而计算出压力敏感膜片上所施加压力。
本发明的有益效果为。
本发明提出的静电激励/电容检测MEMS压力传感器,采用梳齿检测结构进行输出信号检测,增大了静电激励/电容检测型MEMS传感器微小的检测电流信号,提高了传感器的灵敏度。采用的梳齿检测结构为变面积型电容结构,使得采集的信号具有良好的线性度。采用了十字形谐振梁作为谐振结构,避免了单梁谐振时的水平振动,减小了测量误差。采用了侧梁结构连接锚区与谐振梁,在压力作用下谐振梁在垂直方向的位移减少,减小了激励极板的设计间距,降低了因激励而产生的能耗。
为了更加清晰直观的理解本发明,特提供附图对本发明做进一步详细的说明。并且附图构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。
附图说明
图1为本发明传感器结构剖视图。
图2为本发明传感器沿谐振梁的结构剖视图。
图3为本发明传感器内部结构示意图。
图4为本发明传感器的激励结构示意图。
图5为本发明传感器的激励检测结构示意图。
图6为本发明传感器的梳齿检测结构示意图。
图7为本发明传感器的谐振结构示意图。
图8为本发明传感器的外观图。
以下结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1、图2、图3,一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,包括激励检测结构、谐振结构单元、压力敏感层。激励与检测结构包括激励层1、绝缘层2、信号引出层3、连接块4、固定梳齿7、振动梳齿8。谐振结构单元包括谐振梁6、侧梁9、谐振梁引线12。压力敏感层由锚区11、压力敏感薄片10组成。
参照图1、图4,激励层1、绝缘层2、信号引出层3、连接块4为SOI硅板腐蚀而成,其中在二氧化硅绝缘层腐蚀出十字形凹槽5,使激励层1下表面暴露在空气中,作为静电激励端。八个连接块4沿二氧化硅绝缘层上的十字形凹槽5对称分布。
参照图1、图4、图5,信号引出层3下表面氧化后键合硅板,依次腐蚀出谐振梁6、固定梳齿7、振动梳齿8、侧梁9、谐振梁引线12。其中十字形谐振梁6与十字形凹槽5相对应,腐蚀出的激励层与谐振梁构成电容,作为传感器激励结构。
参照图6,固定梳齿7与连接块4键合连接,连接块4位于信号引出层3下表面。固定梳齿7与振动梳齿8的梳齿交错分布,构成梳齿电容。
参照图2、图3、图7压力敏感层由锚区11、压力敏感薄片10组成。谐振梁6、侧梁9、谐振梁引线12、锚区11、压力敏感薄片10构成传感器的谐振部分,压力作用于压力敏感薄片10,薄片产生的应力及形变通过锚区11和侧梁9传递到谐振梁6,引起谐振梁谐6振频率的变化。
参照图1、图2,锚区11、压力敏感薄片10由硅板采用刻蚀工艺加工制成,压力敏感薄片下表面进行刻蚀处理,使敏感薄片悬空。
参照图8,一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其整体外观为图8所示。
参照图1、图2、图3,本发明的工作原理为当压力作用于压力敏感薄片10下表面时,下表面的变形通过锚区11和侧梁9传递到谐振梁6上,使谐振梁的特征频率产生变化。
谐振梁引线12接入直流电压,激励检测结构上表面激励层1通入直流加交流电压,激励槽5表面产生电势,通过与谐振梁6之间的交变库仑力的作用,使谐振梁6进入谐振状态。
振动梳齿8与谐振梁6相连接,固定梳齿7通过连接块4与信号引出层3连接,谐振梁引线12接入直流电压,信号引出层3接地,振动梳齿8与固定梳齿7构成变面积型电容,振动梳齿8随谐振梁6振动,固定梳齿7产生的电信号由连接块4传导至信号引出层3引出。通过对引出信号进行分析,测得谐振梁6谐振频率,进而测得所施加压力。
以上所述,本发明示出和描述的实施例仅用于举例使用,本专利的保护范围并不局限于此。对于任何熟悉本领域的普通技术人员而言,在不脱离本发明的构思和宗旨的情况下对这些实施例进行多种改进和变型,这些改进也应视为本发明的保护范围。因此,本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其特征在于,包括激励检测结构、谐振结构单元、压力敏感层;
激励与检测结构包括激励层(1)、绝缘层(2)、信号引出层(3)、连接块(4)、固定梳齿(7)、振动梳齿(8);
谐振结构单元包括谐振梁(6)、侧梁(9)、谐振梁引线(12);
压力敏感层由锚区(11)、压力敏感薄片(10)组成;
谐振结构单元下表面与压力敏感层键合连接构成传感器的谐振结构,压力敏感薄片(10)通过锚区(11)和侧梁(9)将应力及变形传递到谐振梁(6);
激励层(1)、绝缘层(2)、信号引出层(3)、连接块(4)为SOI硅板腐蚀而成,绝缘层(2)为二氧化硅材料;
在二氧化硅绝缘层腐蚀出十字形凹槽(5),使激励层(1)下表面暴露在空气中,作为静电激励端;
八个连接块与信号引出层下表面相连,且与信号引出层(3)形成台阶状结构,沿二氧化硅绝缘层上的十字形凹槽(5)对称分布;
信号引出层(3)下表面做氧化处理,键合硅板,刻蚀出谐振梁(6)、固定梳齿(7)、振动梳齿(8)、侧梁(9)、谐振梁引线(12);
其中十字形谐振梁(6)与十字形凹槽(5)相对应,激励层(1)与谐振梁(6)构成电容,作为传感器激励结构;
固定梳齿(7)键合在八个连接块(4)下表面,与振动梳齿(8)交错分布,构成梳齿检测结构。
2.根据权利要求1所述的一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其特征在于,锚区(11)、压力敏感薄片(10)由硅板采用刻蚀工艺加工制成,压力敏感薄片下表面进行刻蚀处理,使敏感薄片悬空;
谐振结构单元下表面与压力敏感层键合连接,传感器结构从上到下依次为激励检测结构、谐振结构单元、压力敏感层;
其中谐振结构单元与压力敏感层键合处的表面需做氧化处理。
3.根据权利要求1所述的一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其特征在于,谐振梁引线(12)接入直流电压使谐振梁表面产生电荷,激励层(1)通入直流加交流电压,激励层与谐振梁构成激励电容,谐振梁(6)通过激励电容产生的交变库仑力进入谐振状态。
4.根据权利要求1所述的一种静电激励梳齿检测的谐振式MEMS压力传感器,其特征在于,振动梳齿(8)与谐振梁(6)相连接,谐振梁(6)通过引线(12)接入直流电压,振动梳齿(8)表面产生电荷;
固定梳齿(7)通过连接块(4)与信号引出层(3)连接,信号引出层(3)接地;
振动梳齿(8)随谐振梁(6)进行竖直方向振动,振动梳齿(8)与固定梳齿(7)构成变面积型电容检测,固定梳齿(7)产生的电信号由连接块(4)传导至信号引出层(3)引出。
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