CN114354024B - 高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法，其相比现有传统压力传感器，本方案中的压力传感器通过检测梳齿结构测量第一质量块和第二质量块各自的振动幅值，然后计算它们的振动幅值比，由此将传统的频率检测型硅谐振压力传感器转换为振动幅值型检测，使得传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。一方面，减小了接口电路噪声对传感器性能的影响，另一方面，越高的灵敏度也意味着越小的物理量检测精度修：越高的灵敏度也意味着越高的检测分辨率，使得本发明的压力传感器可以对极小值的压力物理量进行高精度测量性。

Description

高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法。

背景技术

随着微机电技术的发展，MEMS硅谐振压力传感器由于其高精度和高稳定性等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。传统的硅谐振压力传感器由压力敏感膜片和谐振器组成，当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片会发生挠曲变形，引起膜片上谐振器刚度发生改变，最终导致谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化即可获得外界压力值的大小。传统的硅谐振压力传感器存在着压力灵敏度不高的缺陷，通常1KPa的压力值仅仅引起谐振频率400ppm左右的频率变化，这样对后端接口电路小信号提取就提出了很高的要求，否则传感器输出的谐振频率有效信号极易被后端放大器噪声所淹没，引起波形失真、性能降低乃至于器件失效无法正常工作。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法，解决了传统的硅谐振压力传感器因压力灵敏度不高而导致无法正常工作的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其包括硅衬底层，硅衬底层的顶部设置有第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的材料均为硅片，硅衬底层的下表面设置有空腔，具有空腔的硅衬底层为压力敏感膜片，空腔为受力面，第一质量块或第二质量块正对空腔；

第一质量块和第二质量块之间通过耦合梁连接；第一质量块和第二质量块均通过多个悬臂梁与硅衬底层的上表面连接，第一质量块和第二质量块的下表面与硅衬底层的上表面之间存在间隙；第一质量块、第二质量块和耦合梁连接后形成一个双质量块的谐振器；

谐振器的两端均设置有一个驱动梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个驱动梳齿配合的驱动电极；驱动电极使谐振器做面内反相谐振运动；

第一质量块和第二质量块上均设置有一个检测梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个检测梳齿配合的检测电极；

耦合梁的刚度小于所述悬臂梁刚度的十分之一。

本方案中高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的基本原理为：硅衬底层的材料为双面抛光的SOI硅片，在硅衬底层的下表面设置有空腔，形成压力敏感膜片，空腔作为受力面，将第一质量块或者第二质量块设置在空腔的正上方。通过在驱动电极上加载驱动电压，在驱动梳齿上形成了静电力，由驱动梳齿激励谐振器做面内反相振荡运动，由检测梳齿检测质量块振动幅值，并由检测电极将此振动幅值的电信号输出至接口电路中。在无外界压力作用于压力敏感膜片时，谐振器类似一个2自由度的振动系统，第一质量块和第二质量块在静电力的驱使下，做面内反相运动，第一质量块和第二质量块的运动位移都是一致的。而当外界压力作用于压力敏感膜片时，引起压力敏感膜片在垂直方向的挠曲变形，对第一质量块或第二质量块质量块的悬臂梁造成拉应力，引起悬臂梁的刚度发生变化，悬臂梁刚度的变化会引起第一质量块和第二质量块在谐振运动过程中，各自位移振动幅值的改变，因此计算两个质量块之间的位移振动幅值比即可得到外界压力值的大小。将谐振器频率值的变化转换成了谐振器振动幅值比的变化，使得压力传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。

进一步地，第一质量块和第二质量块上均设置有调理梳齿和与所述调理梳齿配合的调理电极。由于在加工工艺上会存在一定的工艺误差，导致第一质量块和第二质量块形成的谐振器不一致，出现质量块静态位移偏移的情况，影响硅谐振压力传感器的检测精度，因此可通过调理电极对调理梳齿上加载固定电压，形成固定的静电力，将不对称的质量块的位移偏移拉回至零位，修正因工艺误差带来的谐振器结构的不对称性，提高硅谐振压力传感器的检测精度。

进一步地，作为悬臂梁的一种具体设置方式，所述第一质量块和第二质量块均匹配有4根所述悬臂梁；第一质量块和第二质量块上均设置多个有用于与悬臂梁配合的缺口，每个缺口匹配一根悬臂梁；悬臂梁的一端与缺口底部固定连接，悬臂梁的另一端位于缺口外部且悬臂梁的底部与所述硅衬底层的上表面固定连接；悬臂梁的长度方向与谐振器的谐振运动方向垂直。

进一步地，所述第一质量块和第二质量块的质量相同且对称布置于所述硅衬底层的顶部。

本方案还提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的压力计算方法，其包括以下步骤：

S1、外界压力作用于压力敏感膜片，悬臂梁受拉应力的影响其刚度发生变化，悬臂梁的变化改变第一质量块和第二质量块位移振动幅值的改变，两个检测梳齿分别检测出第一质量块和第二质量块的位移振动幅值，并计算出第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比u；

S2、通过位移振动幅值比计算公式，计算悬臂梁的刚度变化量ΔK；位移振动幅值比计算公式为：

其中，u为第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比，ΔK为悬臂梁的刚度变化量，K _c 为耦合梁的刚度；

S3、将悬臂梁的刚度变化量ΔK代入压力值计算公式，计算外界压力值，压力值计算公式为：

其中，P为外界压力值，E为硅材料的杨氏模量；w为谐振器的等效宽度；l为谐振器的等效长度，h为谐振器的等效高度。

本发明的有益效果为：相比现有传统压力传感器，本方案中的压力传感器通过检测梳齿结构测量第一质量块和第二质量块各自的振动幅值，然后计算它们的振动幅值比，由此将传统的频率检测型硅谐振压力传感器转换为振动幅值型检测，使得传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。一方面，减小了接口电路噪声对传感器性能的影响，另一方面，越高的灵敏度也意味着越小的物理量检测精度，越高的灵敏度也意味着越高的检测分辨率，使得本发明的压力传感器可以对极小值的压力物理量进行高精度测量。

附图说明

图1为高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的结构示意图。

图2为硅衬底层的仰视结构示意图。

图3为第一质量块或第二质量块的结构示意图。

图4为悬臂梁的放大结构示意图。

图5 为本发明传感器灵敏度与传统压力传感器灵敏度的对比图。

其中，1、驱动梳齿，2、检测梳齿，3、调理梳齿，4、悬臂梁，5、耦合梁，6、空腔，7、硅衬底层，8、第一质量块，9、第二质量块，10、驱动电极，11、检测电极，12、调理电极。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1~4所示，本发明提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其包括硅衬底层7，硅衬底层7的顶部设置有第一质量块8和第二质量块9，第一质量块8和第二质量块9的材料均为硅片。如图2所示，硅衬底层7的材料为双面抛光的SOI硅片，通过KOH或TMAH湿法腐蚀工艺刻蚀出倾斜角为54.74°的空腔6，由此形成压力敏感膜片，空腔6为受力面，第一质量块8或第二质量块9正对空腔6。

第一质量块8和第二质量块9之间通过耦合梁5连接；第一质量块8和第二质量块9均通过多个悬臂梁4与硅衬底层7的上表面连接；第一质量块8和第二质量块9的下表面与硅衬底层7的上表面之间存在间隙；第一质量块8、第二质量块9和耦合梁5连接后形成一个双质量块的谐振器。耦合梁5的刚度远远小于悬臂梁4的刚度，优选为耦合梁5的刚度小于所述悬臂梁4刚度的十分之一，耦合梁5的刚度越小，则谐振器的灵敏度越高。

第一质量块8和第二质量块9的质量相同且对称布置于所述硅衬底层7的顶部。使得谐振器的结构对称，提高硅谐振压力传感器的检测精度。

谐振器的两端均设置有一个驱动梳齿1，硅衬底层7的上表面设置有两个分别与两个驱动梳齿1配合的驱动电极10；驱动电极10使谐振器做面内反相谐振运动。

第一质量块8和第二质量块9上均设置有一个检测梳齿2，硅衬底层7的上表面设置有两个分别与两个检测梳齿2配合的检测电极11。

本方案中高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的基本原理为：硅衬底层7的材料为双面抛光的SOI硅片，在硅衬底层7的下表面设置有空腔6，形成压力敏感膜片，空腔6作为受力面，将第一质量块8或者第二质量块9设置在空腔6的正上方。通过在驱动电极10上加载直流和交流的混合电压，在驱动梳齿1上形成了静电力，由驱动梳齿1激励谐振器做面内反相振荡运动；由检测梳齿2检测质量块振动幅值，并由检测电极11将此振动幅值的电信号输出至接口电路中。在无外界压力作用于压力敏感膜片时，谐振器类似一个2自由度的振动系统，第一质量块8和第二质量块9在静电力的驱使下，做面内反相运动，第一质量块8和第二质量块9的运动位移都是一致的。

而当外界压力作用于压力敏感膜片时，引起压力敏感膜片在垂直方向的挠曲变形，对第一质量块8或第二质量块9的悬臂梁4造成拉应力，引起悬臂梁4的刚度发生变化，悬臂梁4刚度的变化会引起第一质量块8和第二质量块9在谐振运动过程中，各自位移振动幅值的改变，通过检测梳齿2检测第一质量块8和第二质量块9的振动幅值，并通过检测电极11输出相对应的电信号，计算出两个质量块之间的位移振动幅值比，即可得到外界压力值的大小。将谐振器频率值的变化转换成了谐振器振动幅值比的变化，使得压力传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。

第一质量块8和第二质量块9上均设置有调理梳齿3和与所述调理梳齿3配合的调理电极12。由于在加工工艺上会存在一定的工艺误差，导致第一质量块8和第二质量块9形成的谐振器不一致，出现质量块静态位移偏移的情况，影响硅谐振压力传感器的检测精度，因此可通过调理电极12对调理梳齿3上加载固定电压，形成固定的静电力，将不对称的质量块的位移偏移拉回至零位，修正因工艺误差带来的谐振器结构的不对称性，提高硅谐振压力传感器的检测精度。

进一步地，作为悬臂梁4的一种具体设置方式，第一质量块8和第二质量块9均匹配有4根悬臂梁4；第一质量块8和第二质量块9上均设置多个有用于与悬臂梁4配合的缺口，每个缺口匹配一根悬臂梁4；悬臂梁4的一端与缺口底部固定连接，悬臂梁4的另一端位于缺口外部且悬臂梁4的底部与所述硅衬底层7的上表面固定连接；悬臂梁4的长度方向与谐振器的谐振运动方向垂直。

本方案还提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的压力计算方法，其包括以下步骤：

S1、外界压力作用于压力敏感膜片，悬臂梁4受拉应力的影响其刚度发生变化，悬臂梁4的变化改变第一质量块8和第二质量块9位移振动幅值的改变，两个检测梳齿2分别检测出第一质量块8和第二质量块9的位移振动幅值，并计算出第一质量块8和第二质量块9之间的位移振动幅值比u；

S2、通过位移振动幅值比计算公式，计算悬臂梁4的刚度变化量ΔK；位移振动幅值比计算公式为：

其中，u为第一质量块8和第二质量块9之间的位移振动幅值比，ΔK为悬臂梁4的刚度变化量，K _c 为耦合梁5的刚度；

S3、将悬臂梁4的刚度变化量ΔK代入压力值计算公式，计算外界压力值，压力值计算公式为：

其中，P为外界压力值，E为硅材料的杨氏模量；w为谐振器的等效宽度；l为谐振器的等效长度。

传统的硅谐振压力传感器通过检测谐振器谐振频率的变化来获得外界待测压力值的大小。双质量块谐振器的谐振频率与悬臂梁刚度的变化关系式如下所示：

其中，

为传统压力传感器中双质量块谐振器的谐振频率，

为传统压力传感器中悬臂梁的刚度，

为传统压力传感器中悬臂梁刚度变化量、

为传统压力传感器中耦合梁的刚度，M为单个质量块的质量。

传统压力传感器的灵敏度的关系表达式为：

其中，

为传统压力传感器的灵敏度，

，

。

本发明中压力传感器的双质量块谐振器的振动幅值比与悬臂梁4刚度的变化关系式如下所示：

其中，u为第一质量块8和第二质量块9之间的位移振动幅值比，ΔK为悬臂梁4的刚度变化量，K _c 为耦合梁5的刚度；

本发明中压力传感器的灵敏度的关系表达式为：

若传统压力传感器和本发明中的悬臂梁4和耦合梁5的刚度相同，即

，

，本发明对比传统压力传感器的灵敏度而言，其增大的灵敏度倍数为：

τ越小，即K_c/K越小，即保证两个质量块间的耦合梁5是个弱耦合梁，则灵敏度的放大倍数越大，如图5所示，当

时，本发明采用振动幅值比测量的灵敏度比采用谐振频率变化的灵敏度要高出2个数量级。

Claims (4)

1.高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，包括硅衬底层，所述硅衬底层的顶部设置有第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的材料均为硅片，硅衬底层的下表面设置有空腔，具有空腔的硅衬底层为压力敏感膜片，所述空腔为受力面，所述第一质量块或第二质量块正对空腔；

第一质量块和第二质量块之间通过耦合梁连接；第一质量块和第二质量块均通过多个悬臂梁与硅衬底层的上表面连接，第一质量块和第二质量块的下表面与硅衬底层的上表面之间存在间隙；第一质量块、第二质量块和耦合梁连接后形成一个双质量块的谐振器；

谐振器的两端均设置有一个驱动梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个所述驱动梳齿配合的驱动电极；驱动电极使谐振器做面内反相谐振运动；

第一质量块和第二质量块上均设置有一个检测梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个所述检测梳齿配合的检测电极；所述耦合梁的刚度小于所述悬臂梁刚度的十分之一；第一质量块和第二质量块上均设置有调理梳齿和与所述调理梳齿配合的调理电极。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述第一质量块和第二质量块均匹配有4根所述悬臂梁；

第一质量块和第二质量块上均设置多个有用于与悬臂梁配合的缺口，每个缺口匹配一根悬臂梁；

悬臂梁的一端与缺口底部固定连接，悬臂梁的另一端位于缺口外部且悬臂梁的底部与所述硅衬底层的上表面固定连接；

悬臂梁的长度方向与谐振器的谐振运动方向垂直。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述第一质量块和第二质量块的质量相同且对称布置于所述硅衬底层的顶部。

4.一种采用权利要求1~3任一所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、当外界压力作用于压力敏感膜片，根据第一质量块和第二质量块的位移振动幅值计算出第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比u；

S2、通过位移振动幅值比计算公式，计算悬臂梁的刚度变化量ΔK；位移振动幅值比计算公式为：

其中，u为第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比，ΔK为悬臂梁的刚度变化量，K _c 为耦合梁的刚度；

S3、将悬臂梁的刚度变化量ΔK代入压力值计算公式，计算外界压力值，压力值计算公式为：

其中，P为外界压力值，E为硅材料的杨氏模量；w为谐振器的等效宽度；l为谐振器的等效长度，h为谐振器的等效高度。

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