CN116448286A - 一种硅谐振压力传感器及其在线校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅谐振压力传感器,其包括谐振层、衬底层和盖板层,谐振层上设置有谐振梁,谐振梁的两端均设置有第一校准电容,盖板层靠近谐振层的一端设置有与第一校准电容相匹配的第二校准电容;本发明还公开了一种硅谐振压力传感器的在线校准方法,包括步骤S1‑S4。本发明中,第一校准电容和第二校准电容形成校准电容对,在校准电容对两端加上直流电压即可在第一校准电容和第二校准电容之间形成静电力,方便模拟压力控制器的校准功能,实现了硅谐振压力传感器在整机系统内部在线校准的功能,避免了整机系统因更换传感器或拆卸重校准而带来的成本和时间上的不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及半导体微机电系统技术领域,具体涉及一种硅谐振压力传感器及其在线校准方法。
背景技术
随着微机电技术的发展,MEMS硅谐振压力传感器因其高精度、高稳定性、可批量化制造、尺寸小和功耗低等特点在航空航天、工业控制和气象测量等领域被广泛地应用。硅谐振压力传感器通常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,从而通过检测谐振频率的变化来获得外界压力值的大小。
然而,硅谐振压力传感器通常由于加工热应力和封装应力等因素的影响而导致传感器出现时漂现象,使得其测量精度随使用时间增长而降低;此时,为使硅谐振压力传感器满足高精度的测量需求,通常采用“更换新的压力传感器或者将传感器从安装部件或整机系统中取出,并外接高精度压力控制器来重新校准恢复精度,校准恢复精度后再安装”的方法,但这种方法需要将传感器的整机系统停机,且异常繁琐,特别是针对带有成百上千个压力传感器阵列的复杂系统而言,其工作量极为巨大、耗时长、成本高,且频繁地更换极易造成压力传感器安装部件的损坏,严重降低了工作效率。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种校准效率高的硅谐振压力传感器及其在线校准方法。
为达到上述发明目的,本发明所采用的技术方案为:
第一方面,提供了一种硅谐振压力传感器,其包括:
谐振层,其上设置有谐振梁,谐振梁的两侧分别设置有第一检测梳齿和第二检测梳齿,谐振梁的两侧均设置有驱动梳齿,谐振梁的两端均设置有第一校准电容;
衬底层,其两端均设置有用于感应外界压力的压力敏感膜片,压力敏感膜片上设置有与谐振梁连接的硅岛;
盖板层,其设置在谐振层远离衬底层的一端,其靠近谐振层的一端设置有与第一校准电容相匹配的第二校准电容。
采用上述技术方案的有益效果为:第一校准电容和第二校准电容形成校准电容对,在校准电容对两端加上直流电压即可在第一校准电容和第二校准电容之间形成静电力,方便模拟压力控制器的校准功能,实现了硅谐振压力传感器在整机系统内部在线校准的功能,避免了整机系统因更换传感器或拆卸重校准而带来的成本和时间上的不利影响;其中,直流电压的幅值大小对应静电力的大小,从而有利于通过改变直流电压幅值来获得相应的静电力;
驱动梳齿、第一检测梳齿和第二检测梳齿外接直流电压后,谐振梁会在驱动梳齿静电力的作用下以自身谐振频率作来回往复运动,并会引起第一检测梳齿和第二检测梳齿之间电容间距的变化,通过检测该电容间距的变化值,可以得到谐振梁的谐振频率;
压力敏感膜片感应外界压力,在外界压力的作用下,压力敏感膜片带动硅岛发生旋转位移,使得与硅岛连接的谐振梁向中间压缩,导致改变谐振梁的刚度,从而改变谐振梁的谐振频率,即通过第一检测梳齿和第二检测梳齿检测到的谐振梁频率即可获得外界压力的大小。
进一步地,盖板层远离谐振层的一端设置有第一电极、第二电极和第三电极;第一电极与驱动梳齿电连接,方便驱动梳齿通过第一电极外接直流电压;第二电极与第二校准电容电连接,方便第二校准电容通过第二电极外接直流电压;第三电极与第一检测梳齿和第二检测梳齿电连接,方便第一检测梳齿和第二检测梳齿通过第三电极外接直流电压。
进一步地,第一电极的数量等于驱动梳齿的数量,第二电极的数量等于第二校准电容的数量,第三电极的数量等于第一检测梳齿与第二检测梳齿的数量之和,从而使第一电极与驱动梳齿逐一连接、第二电极与第二校准电容逐一连接、第三电极与第一检测梳齿或第二检测梳齿逐一连接,避免驱动梳齿、第二校准电容、第一检测梳齿和第二检测梳齿之间发生干扰。
进一步地,盖板层为玻璃盖板层,盖板层上设置有若干通孔,若干通孔中分别设置有用于使第一电极与驱动梳齿电连接、第二电极与第二校准电容电连接、第三电极与第一检测梳齿和第二检测梳齿电连接的金属镀层;金属镀层使第一电极与驱动梳齿电连接、第二电极与第二校准电容电连接、第三电极与第一检测梳齿和第二检测梳齿电连接;另外,玻璃盖板层为绝缘体,使得第一电极、第二电极和第三电极仅能通过金属镀层通电。
进一步地,盖板层靠近谐振层的一端设置有用于为谐振梁提供变形空间的凹槽。
第二方面,本方案还提供了一种硅谐振压力传感器的在线校准方法,包括以下步骤:
S1:采用压力控制器输出m个标准压力荷载P1,P2,···,Pm至压力敏感膜片,并记录此时谐振梁输出的谐振频率f1,f2,···,fm;
S2:关闭压力控制器,接入直流电压至第二电极,调整直流电压,使谐振梁输出的谐振频率f1’,f2’,···,fm’等于步骤S1中谐振梁输出的谐振频率f1,f2,···,fm,并记录外部直流电压大小V1,V2,···,Vm;
S3:当硅谐振压力传感器出现时漂现象时,调节外部直流电压至V1,V2,···,Vm,记录谐振梁输出的谐振频率f1”,f2”,···,fm”;
S4:根据标准压力荷载P1,P2,···,Pm和谐振频率f1”,f2”,···,fm”,计算拟合系数K1,K2,···,Km:
其中,Ki为第i个拟合系数。
附图说明
图1为硅谐振压力传感器的结构示意图;
图2为图1的爆炸图;
图3为本方案中谐振层的结构示意图;
图4为本方案中衬底层的结构示意图;
图5为图4的后视图;
图6为硅谐振压力传感器的工作原理图;
图7为硅谐振压力传感器在线校准时的工作原理图;
其中,1、第二校准电容,2、第一校准电容,3、驱动梳齿,4、第一检测梳齿,5、第二检测梳齿,6、谐振梁,7、硅岛,8、盖板层,9、谐振层,10、衬底层,11、第一电极,12、第二电极,13、第三电极,14、压力敏感膜片。
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1-5所示,本方案提供了一种硅谐振压力传感器,其包括:
谐振层9,其上设置有谐振梁6,谐振梁6的两侧分别设置有第一检测梳齿4和第二检测梳齿5,谐振梁6的两侧均设置有驱动梳齿3,谐振梁6的两端均设置有第一校准电容2;
衬底层10,其两端均设置有用于感应外界压力的压力敏感膜片14,压力敏感膜片14上设置有与谐振梁6连接的硅岛7;
盖板层8,其设置在谐振层9远离衬底层10的一端,其靠近谐振层9的一端设置有与第一校准电容2相匹配的第二校准电容1。
如图7所示,第一校准电容2和第二校准电容1形成校准电容对,在校准电容对两端加上直流电压即可在第一校准电容2和第二校准电容1之间形成静电力,方便模拟压力控制器的校准功能,实现了硅谐振压力传感器在整机系统内部在线校准的功能,避免了整机系统因更换传感器或拆卸重校准而带来的成本和时间上的不利影响;其中,直流电压的幅值大小对应静电力的大小,从而有利于通过改变直流电压幅值来获得相应的静电力。
驱动梳齿3、第一检测梳齿4和第二检测梳齿5外接直流电压后,谐振梁6会在驱动梳齿3静电力的作用下以自身谐振频率作来回往复运动,并会引起第一检测梳齿4和第二检测梳齿5之间电容间距的变化,通过检测该电容间距的变化值,可以得到谐振梁6的谐振频率;
如图6所示,压力敏感膜片14感应外界压力,在外界压力的作用下,压力敏感膜片14受到朝向谐振层9的作用载荷并带动硅岛7发生旋转位移,使得与硅岛7连接的谐振梁6在径向压应力σ的作用下向中间压缩,导致改变谐振梁6的刚度,从而改变谐振梁6的谐振频率,即通过第一检测梳齿4和第二检测梳齿5检测到的谐振梁6频率即可获得外界压力的大小。
实施时,本方案优选盖板层8远离谐振层9的一端设置有第一电极11、第二电极12和第三电极13;第一电极11与驱动梳齿3电连接,方便驱动梳齿3通过第一电极11外接直流电压;第二电极12与第二校准电容1电连接,方便第二校准电容1通过第二电极12外接直流电压;第三电极13与第一检测梳齿4和第二检测梳齿5电连接,方便第一检测梳齿4和第二检测梳齿5通过第三电极13外接直流电压。
在本发明的一个实施例中,第一电极11的数量等于驱动梳齿3的数量,第二电极12的数量等于第二校准电容1的数量,第三电极13的数量等于第一检测梳齿4与第二检测梳齿5的数量之和,从而使第一电极11与驱动梳齿3逐一连接、第二电极12与第二校准电容1逐一连接、第三电极13与第一检测梳齿4或第二检测梳齿5逐一连接,避免驱动梳齿3、第二校准电容1、第一检测梳齿4和第二检测梳齿5之间发生干扰。
设计时,本方案优选盖板层8为玻璃盖板层,盖板层8上设置有若干通孔,若干通孔中分别设置有用于使第一电极11与驱动梳齿3电连接、第二电极12与第二校准电容1电连接、第三电极13与第一检测梳齿4和第二检测梳齿5电连接的金属镀层;金属镀层使第一电极11与驱动梳齿3电连接、第二电极12与第二校准电容1电连接、第三电极13与第一检测梳齿4和第二检测梳齿5电连接;另外,玻璃盖板层为绝缘体,使得第一电极11、第二电极12和第三电极13仅能通过金属镀层通电;其中,通孔为TGV玻璃通孔,金属镀层可采用电镀工艺制成。
实施时,本方案优选盖板层8靠近谐振层9的一端设置有用于为谐振梁6提供变形空间的凹槽。
本方案还提供了一种硅谐振压力传感器的在线校准方法,包括以下步骤:
S1:硅谐振压力传感器安装前,采用压力控制器输出m个标准压力荷载P1,P2,···,Pm至压力敏感膜片14,并记录此时谐振梁6输出的谐振频率f1,f2,···,fm;
S2:关闭压力控制器,接入直流电压至第二电极12,调整直流电压,使谐振梁6输出的谐振频率f1’,f2’,···,fm’等于步骤S1中谐振梁6输出的谐振频率f1,f2,···,fm,并记录此时外部直流电压大小V1,V2,···,Vm;
S3:当硅谐振压力传感器出现时漂现象时,调节外部直流电压至V1,V2,···,Vm,记录此时谐振梁6输出的谐振频率f1”,f2”,···,fm”;
S4:根据标准压力荷载P1,P2,···,Pm和谐振频率f1”,f2”,···,fm”,计算拟合系数K1,K2,···,Km:
其中,Ki为第i个拟合系数。
传统的校准方法需要将硅谐振压力传感器从整机系统中取出后利用压力控制器来进行校准;而本方案通过在第二电极12上外接直流电压,在第一校准电容2和第二校准之间形成静电力,并以不同直流电压的大小对应不同的静电力,从而通过静电力模拟压力控制器的标准压力输出,以避免将硅谐振传感器取出,实现了在线校准。
Claims (6)
1.一种硅谐振压力传感器,其特征在于,包括:
谐振层(9),其上设置有谐振梁(6),所述谐振梁(6)的两侧分别设置有第一检测梳齿(4)和第二检测梳齿(5),所述谐振梁(6)的两侧均设置有驱动梳齿(3),所述谐振梁(6)的两端均设置有第一校准电容(2);
衬底层(10),其两端均设置有用于感应外界压力的压力敏感膜片(14),所述压力敏感膜片(14)上设置有与所述谐振梁(6)连接的硅岛(7);
盖板层(8),其设置在所述谐振层(9)远离所述衬底层(10)的一端,其靠近谐振层(9)的一端设置有与第一校准电容(2)相匹配的第二校准电容(1)。
2.根据权利要求1所述的硅谐振压力传感器,其特征在于,所述盖板层(8)远离谐振层(9)的一端设置有第一电极(11)、第二电极(12)和第三电极(13),所述第一电极(11)与所述驱动梳齿(3)电连接,所述第二电极(12)与所述第二校准电容(1)电连接,所述第三电极(13)与所述第一检测梳齿(4)和所述第二检测梳齿(5)电连接。
3.根据权利要求2所述的硅谐振压力传感器,其特征在于,所述第一电极(11)的数量等于所述驱动梳齿(3)的数量,所述第二电极(12)的数量等于所述第二校准电容(1)的数量,所述第三电极(13)的数量等于第一检测梳齿(4)与第二检测梳齿(5)的数量之和。
4.根据权利要求2所述的硅谐振压力传感器,其特征在于,所述盖板层(8)为玻璃盖板层,所述盖板层(8)上设置有若干通孔,若干所述通孔中分别设置有用于使第一电极(11)与驱动梳齿(3)电连接、第二电极(12)与第二校准电容(1)电连接、第三电极(13)与第一检测梳齿(4)和第二检测梳齿(5)电连接的金属镀层。
5.根据权利要求1所述的硅谐振压力传感器,其特征在于,所述盖板层(8)靠近谐振层(9)的一端设置有用于为谐振梁(6)提供变形空间的凹槽。
6.一种权利要求1-5任一项所述的硅谐振压力传感器的在线校准方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:采用压力控制器输出m个标准压力荷载P1,P2,···,Pm至压力敏感膜片(14),并记录此时谐振梁(6)输出的谐振频率f1,f2,···,fm;
S2:关闭压力控制器,接入直流电压至第二电极(12),调整直流电压使谐振梁(6)输出的谐振频率f1 ’,f2 ’,···,fm ’等于步骤S1中谐振梁(6)输出的谐振频率f1,f2,···,fm,并记录外部直流电压大小V1,V2,···,Vm;
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CN117889998A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 成都凯天电子股份有限公司 | 一种带有应力放大结构的传感器芯片及制备方法 |
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2022
- 2022-10-10 CN CN202211237834.5A patent/CN116448286A/zh active Pending
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