CN117129110A - 一种超高灵敏度的mems微压传感器 - Google Patents

一种超高灵敏度的mems微压传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，包括基座，两个谐振梁，两个调谐电极、两个弱耦合梁以及四个相同的压力膜。调谐电极用于调节谐振梁的刚度，实现两个谐振梁的固有频率相等；两个弱耦合梁采用对称的“S”型分布，提升了传感器微压测量灵敏度和品质因子。通过MEMS微压传感器，采用分段幅值比差值的检测方法即可实现待测压力的超高灵敏度检测。本发明的超高灵敏度的MEMS微压传感器，可用于航空航天等领域的微压测量，具有超高的灵敏度，且检测范围广，品质因数高，稳定性好。

Description

一种超高灵敏度的MEMS微压传感器
技术领域
本发明涉及MEMS压力传感器技术领域，具体为一种超高灵敏度的MEMS微压传感器。
背景技术
压力传感器通常用于航空航天和医学等领域中，根据不同的敏感机制，压力传感器通常分为应变式，压阻式，电容式，压电式和谐振式。其中谐振式由于其体积小，重量轻等优点而被广泛使用。
谐振式压力传感器的原理是利用外界压力变化导致谐振器特征频率的变化，通过测量特征频率的变化来间接测量压力。但是基于现有的微机械加工条件和结构设计，谐振式压力传感器一般用于大量程范围的压力测量，而在测量绝对微压时，其灵敏度受限，难以用于对微压测量灵敏度要求极高的领域。
针对现有的频率输出谐振压力传感器测量微压灵敏度低的问题，有学者提出两个机械耦合的谐振器组成的新型谐振式压力传感器，并且通过测量谐振器的振动幅值比来测量压力，相较传统的以频率作为输出的压力传感器，其灵敏度有了大幅提升。但由于微加工引起的谐振器残余应力、刻蚀尺寸误差等原因，导致弱耦合谐振系统的两个谐振器刚度不完全一致，影响了谐振系统的初始平衡，在一定程度上制约了传感器的性能。另外，相关文献均采用了以幅值比作为压力传感器的输出，当传感器在微小压力扰动(输入)时，其输出存在模态转向区域，在该区域输出曲线非线性较大，因此采用幅值比输出的方式只能用于测量比较大的待测压力，从而限制了压力传感器的检测范围，直接用于测量微压时其灵敏度和测量精度均较差。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，以解决以上缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，包括：基座，第一谐振梁，第二谐振梁，第一弱耦合梁，第二弱耦合梁，以及设置在基座上的四个完全相同的第一压力膜、第二压力膜、第三压力膜、第四压力膜；所述第一谐振梁两端分别通过第一锚点、第二锚点并分别固定在第一压力膜和第二压力膜上；所述第二谐振梁两端分别通过第三锚点、第四锚点并分别固定在第三压力膜和第四压力膜上；所述第一谐振梁、第二谐振梁的外表面分别设置有第一调谐电极和第二调谐电极；所述第一弱耦合梁、第二弱耦合梁为S型结构并呈左右对称设置在第一谐振梁与第二谐振梁之间；
所述的MEMS微压传感器实现超高灵敏度的方法包括如下步骤：
步骤1、测量MEMS微压传感器中不同谐振梁在不同压力扰动下的频率响应，得到每个谐振梁在不同振动模态下的振幅，并以xi，j表示谐振梁j在i阶模态下的振幅；
步骤2：对由步骤1中测量得到的每个谐振梁在不同模态下的振幅，通过除法运算计算得到第i阶模态下不同谐振梁之间的振幅比，其计算公式为ηi，j1，j2＝xi，j1/xi，j2(j1≠j2)；在计算振幅比时，符号由系统所处振动模态决定；具体而言，若i等于1，则一阶振动模态的振幅比计算结果符号为正，即η1，j1，j2结果取正值；若i等于2，则二阶振动模态的振幅比计算结果符号为负，即η2，j1，j2结果取负值；
步骤3：将步骤2中所求的不同模态下的振幅比进行求差运算，得到MEMS微压传感器的振幅比之差D：当压力膜所受压力为负压力时D-＝η1，1，2-η2，2，1，当压力膜所受压力为正压力时D+＝η2，1，2-η1，2，1，当压力膜不受压力时|η1，2，1-η2，1，2|；
步骤4：由步骤3所求得的D即为不同压力扰动下的分段振幅比之差，从而得到MEMS微压传感器基于振幅比之差和压力扰动变化的输出曲线,通过该方法可实现MEMS微压传感器的超高灵敏度检测。
优选地，所述第一锚点、第二锚点、第三锚点、第四锚点分别固定于第一压力膜、第二压力膜、第三压力膜、第四压力膜上端面外侧中央处，具体为其上端面外侧四分之一长、二分之一宽位置处。
优选地，所述第一调谐电极与第二调谐电极的长度、宽度均相等。
优选地，所述第一调谐电极的长度小于第一谐振梁的长度；第一调谐电极的宽度、高度，分别与第一谐振梁的宽度、高度相等；所述第二调谐电极的长度小于第二谐振梁的长度；第二调谐电极的宽度、高度，分别与第二谐振梁的宽度、高度相等。
本发明的有益效果在于：
本发明一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，通过调谐电极调节谐振梁刚度，实现两个谐振梁的固有频率相等；通过两个对称分布的“S”型弱耦合梁获得更高的品质因子；根据压力膜所受压力(正压力、负压力、不受压力)不同，使用不同的(分段式)输出方式来获取待测压力值。本发明中MEMS微压传感器的超高灵敏度实现方法，检测范围广，用于测量微压时也具有超高的灵敏度和精准的测量精度，使用方便，稳定性好。
附图说明
图1：本发明的MEMS微压传感器的结构示意图；
图2：本发明的MEMS微压传感器的结构俯视图；
图3：本发明的MEMS微压传感器中调谐电极调节谐振梁固有频率的原理图；
图4：本发明的MEMS微压传感器中利用弹簧软化效应调节谐振梁固有频率曲线图；
图5：本发明的MEMS微压传感器中经过调谐电极弥补加工误差前后两谐振梁振动示意图；
图6：本发明的MEMS微压传感器的超高灵敏度实现方法的流程图。
图7：本发明的MEMS微压传感器中基于特征频率的输出曲线图；
图8：本发明中实现MEMS微压传感器超高灵敏度检测的分段振幅比差值曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是，仅仅是对本发明构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应视为落入本发明的保护范围。
实施例：
图1为本发明实施例的MEMS微压传感器的结构示意图，图2为本发明实施例的MEMS微压传感器的结构俯视图。如图1、2所示，本发明的一种超高灵敏度的MEMS微压传感器：包括：基座1-1，第一谐振梁4-1，第二谐振梁4-2，第一弱耦合梁5-1，第二弱耦合梁5-2，以及设置在基座1-1上的四个完全相同的第一压力膜3-1(受压力)、第二压力膜3-2(受压力)、第三压力膜3-3(不受压力)、第四压力膜3-4(不受压力)。
第一谐振梁4-1两端分别通过第一锚点2-1、第二锚点2-2并分别固定在第一压力膜3-1和第二压力膜3-2上；第二谐振梁4-2两端分别通过第三锚点2-3、第四锚点2-4并分别固定在第三压力膜3-3和第四压力膜3-4上。第一锚点2-1、第二锚点2-2、第三锚点2-3、第四锚点2-4分别固定于第一压力膜3-1、第二压力膜3-2、第三压力膜3-3、第四压力膜3-4上端面外侧中央处，具体为其上端面外侧四分之一长、二分之一宽位置处。
第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2的外表面分别设置有第一调谐电极6-1和第二调谐电极6-2，通过第一调谐电极6-1、第二调谐电极6-2分别对第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2的刚度进行调节，调整后拥有相同的固有频率。通过第一调谐电极6-1、第二调谐电极6-2的作用，可以精确地调整第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2的固有频率，从而弥补加工误差，确保第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2具有相同的频率特性。
第一调谐电极6-1与第二调谐电极6-2的长度、宽度均相等。第一调谐电极6-1的长度小于第一谐振梁4-1的长度；第一调谐电极6-1的宽度、高度，分别与第一谐振梁4-1的宽度、高度相等；第二调谐电极6-2的长度小于第二谐振梁4-2的长度；第二调谐电极6-2的宽度、高度，分别与第二谐振梁4-2的宽度、高度相等。
图3为本发明实施例的MEMS微压传感器中调谐电极调节谐振梁固有频率的原理图。如图3所示，对第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2接地，第一调谐电极6-1、第二调谐电极6-2接直流电压源，通过改变直流电压源的电压大小调节第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2的固有频率。
图4为本发明实施例中MEMS微压传感器中利用弹簧软化效应调节谐振梁固有频率曲线图。如图4所示，随着电压的增大，谐振梁的固有频率减小，呈负相关关系，这种现象称为弹簧软化效应。
图5为本发明实施例中超高灵敏度MEMS微压传感器中经过调谐电极弥补加工误差前后两谐振梁振动示意图。如图5所示，因微加工引起的谐振器内部残余应力、加工误差等原因导致第一谐振梁4-1和第二谐振梁4-2的固有频率不同，继而导致其初始振幅不同。其中第一谐振梁4-1的固有频率小于第二谐振梁4-2的固有频率；根据图3的描述，增大施加在第二调谐电极6-2上的直流电压，利用弹簧软化效应，降低第二谐振梁4-2的固有频率，达到第一谐振梁4-1和第二谐振梁4-2具有相同的固有频率的目的，从而解决由加工误差导致的初始振幅不同的问题，以获得具有超高灵敏度的MEMS微压传感器。
第一弱耦合梁5-1、第二弱耦合梁5-2为S型结构并呈左右对称设置在第一谐振梁4-1与第二谐振梁4-2之间并形成一个弱耦合系统。第一弱耦合梁5-1和第二弱耦合梁5-2设计为“S”型，可通过延长弱耦合梁的长度，降低弱耦合梁的刚度，以获得更高的品质因子。第一弱耦合梁5-1和第二弱耦合梁5-2呈左右对称分布，能使的传感器在工作过程中更加稳定，减少外界因素对传感器的影响，从而提高传感器测量的稳定性和可靠性。
MEMS微压传感器测量原理：当四个压力膜都不受压力，两个谐振梁(第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2)自由振动时，第一谐振梁4-1和第二谐振梁4-2的振幅相等，其振幅比值为1；当第一压力膜3-1和第二压力膜3-2受到压力扰动作用时，破坏了初始平衡，导致第一谐振梁4-1和第二谐振梁4-2的振幅比不再是1，通过测量在不同压力扰动下第一谐振梁4-1与第二谐振梁4-2振幅比相关的量可以获得待测压力值。
图6本发明的MEMS微压传感器的超高灵敏度实现方法的流程图。如图6所示，本发明一种MEMS微压传感器实现超高灵敏度的方法包括如下步骤：
步骤1、如图1、2所示，通过对第一压力膜3-1和第二压力膜3-2施加不同大小和不同方向的压力对第一谐振梁4-1施加不同大小的扰动。在每一个压力下，用动态信号分析仪对第一谐振梁4-1和第二谐振梁4-2的振幅的频率响应进行测量。测量MEMS微压传感器中不同谐振梁(包括第一谐振梁4-1、第二谐振梁4-2)在不同压力扰动下的频率响应，得到每个谐振梁在不同振动模态下的振幅；为了方便描述，并以xi，j表示不同谐振梁j＝1、2在i＝1、2阶模态下的振幅；如：x1，2表示谐振梁2在一阶模态下的振动幅值。
步骤2：对由步骤1中测量得到的每个谐振梁在不同模态下的振幅，通过除法运算计算得到第i阶i＝1、2模态下不同谐振梁j(j＝1,2)之间的振幅比，其计算公式为ηi，j1，j2＝xi，j1/xi，j2(j1≠j2)；如：η1，1，2＝x1，1/x1，2表示谐振梁1与谐振梁2在一阶模态下的振幅比。在计算振幅比时，符号由系统所处振动模态决定；具体而言，若i等于1，则一阶振动模态的振幅比计算结果符号为正，即η1，j1，j2结果取正值；若i等于2，则二阶振动模态的振幅比计算结果符号为负，即η2，j1，j2结果取负值。
步骤3：将步骤2中所求的不同模态下的振幅比进行求差运算，得到MEMS微压传感器的振幅比之差D：当压力膜所受压力为负压力时D-＝η1，1，2-η2，2，1，当压力膜所受压力为正压力时D+＝|η2，1，2-η1，2，1|，当压力膜不受压力时D0＝|η1，2，1-η2，1，2|。
步骤4：由步骤3所求得的D即为不同压力扰动下的分段振幅比之差，从而得到MEMS微压传感器基于振幅比之差和压力扰动变化的输出曲线,通过该方法可实现MEMS微压传感器的超高灵敏度检测。
表1：本发明的MEMS微压传感器的结构参数。
表1中所述的结构尺寸为将本发明提出的超高灵敏度实现方法与传统方法作对比而设计，但该方法不仅限于该尺寸下的MEMS微压传感器的超高灵敏度检测。
表2为经本发明MEMS微压传感器的检测方法得到的幅值比相关输出数据，详细见下表：
表2-1压力膜所受压力为负压力时的输出
表2-2压力膜所受压力为0时的输出
压力(MPa) η1，2，1 η2，1，2 D0
0 1.00734 -1.00583 0.00151
表2-3压力膜所受压力为正压力时的输出
压力(MPa) η2，1，2 η1，2，1 D+
0.1 -2.74113 2.88271 -5.62383
0.2 -4.59010 5.11866 -9.70876
0.3 -6.23627 7.29557 -13.53185
0.4 -7.67758 9.37954 -17.05712
图7为本发明MEMS微压传感器中基于特征频率的输出曲线图。如图7所示，仿真结果表明，在所受压力较小时，特征频率随压力的变化呈现出明显的非线性特性。这说明以特征频率作为输出时，微压传感器在低压力范围内的响应不是简单的线性关系。通过表3中二三列数据计算得到在一阶和二阶模态下以特征频率作为输出的灵敏度分别为821.682ppm/kPa和431.340ppm/kPa。
表3：以特征频率和幅值比作为输出的传统检测方法相关数据
图8：本发明中实现MEMS微压传感器超高灵敏度检测的分段振幅比差值曲线图。如图8所示，比较了使用不同输出方式计算得到的MEMS微压传感器的灵敏度。首先，由表3中的最后一列数据得到以幅值比作为输出度量的灵敏度为2.138×104ppm/kPa。其次，使用本发明提出的实现超高灵敏度的方法(分段幅值比差值)作为输出，根据表2中由步骤2、3求得的与幅值比相关的输出数据计算得到的灵敏度为34.435×106ppm/kPa。该方法得到的灵敏度是传统以幅值比作为输出的压力传感器的41907倍，灵敏度得到了大幅提升；同时，在阴影所示的微压区域，该方法同样表现出良好的线性。
本发明的一种MEMS微压传感器，采用分段式的输出方式，即根据所受压力不同(正压力、负压力和不受压力)采用不同的计算方式，由此可以根据微压传感器所受压力不同，灵活地选择合适的公式进行计算，有效地扩展传感器的测量范围、提高灵敏度；经对本实施例中微压传感器研究分析，其灵敏度与传统的谐振式微压力传感器相比提高了五个数量级，可用于航空航天飞行器、颅压检测等需要高灵敏度微压测量的领域。
针对由于加工、刻蚀等原因很难得到两个完全一样的谐振梁这个问题，本发明引入了分布在谐振梁上的调谐电极，并利用弹簧软化效应来实现两个谐振梁固有频率的完全一致。通过调谐电极的作用，可以精确地调整谐振梁的固有频率，从而弥补加工误差，确保两个谐振梁具有相同的频率特性。这种设计导致传感器具有更好的鲁棒性，在保证灵敏度的同时提高传感器测量精度。
本发明设计的MEMS微压传感器具有两个呈对称分布的“S”型弱耦合梁，通过调节耦合梁长度的方式调整耦合梁刚度，从而导致传感器在工作的过程中获得更高的品质因子，获得更高的灵敏度。
本发明一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，通过调谐电极调节谐振梁刚度，实现两个谐振梁的固有频率相等；通过两个对称分布的“S”型弱耦合梁获得更高的品质因子；根据压力膜所受压力(正压力、负压力、不受压力)不同，使用不同的(分段式)输出方式来获取待测压力值。本发明中实现MEMS微压传感器的超高灵敏度检测方法，检测范围广，用于测量微压时也具有超高的灵敏度和精准的测量精度，使用方便，稳定性好。
上述是对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，其特征在于，包括：基座(1-1)，第一谐振梁(4-1)，第二谐振梁(4-2)，第一弱耦合梁(5-1)，第二弱耦合梁(5-2)，以及设置在基座(1-1)上的四个完全相同的第一压力膜(3-1)、第二压力膜(3-2)、第三压力膜(3-3)、第四压力膜(3-4)；所述第一谐振梁(4-1)两端分别通过第一锚点(2-1)、第二锚点(2-2)并分别固定在第一压力膜(3-1)和第二压力膜(3-2)上；所述第二谐振梁(4-2)两端分别通过第三锚点(2-3)、第四锚点(2-4)并分别固定在第三压力膜(3-3)和第四压力膜(3-4)上；所述第一谐振梁(4-1)、第二谐振梁(4-2)的外表面分别设置有第一调谐电极(6-1)和第二调谐电极(6-2)；所述第一弱耦合梁(5-1)、第二弱耦合梁(5-2)为S型结构并呈左右对称设置在第一谐振梁(4-1)与第二谐振梁(4-2)之间；
所述MEMS微压传感器的超高灵敏度实现方法包括如下步骤：
步骤1、测量MEMS微压传感器中不同谐振梁在不同压力扰动下的频率响应，得到每个谐振梁在不同振动模态下的振幅，并以xi，j表示谐振梁j在i阶模态下的振幅；
步骤2：对由步骤1中测量得到的每个谐振梁在不同模态下的振幅，通过除法运算计算得到第i阶模态下不同谐振梁之间的振幅比，其计算公式为ηi，j1，j2＝xi，j1/xi，j2(j1≠j2)；在计算振幅比时，符号由系统所处振动模态决定；具体而言，若i等于1，则一阶振动模态的振幅比计算结果符号为正，即η1，j1，j2结果取正值；若i等于2，则二阶振动模态的振幅比计算结果符号为负，即η2，j1，j2结果取负值；
步骤3：将步骤2中所求的不同模态下的振幅比进行求差运算，得到MEMS微压传感器的振幅比之差D：当压力膜所受压力为负压力时D-＝η1，1，2-η2，2，1，当压力膜所受压力为正压力时D+＝η2，1，2-η1，2，1，当压力膜不受压力时|η1，2，1-η2，1，2|；
步骤4：由步骤3所求得的D即为不同压力扰动下的分段振幅比之差，从而得到MEMS微压传感器基于振幅比之差和压力扰动变化的输出曲线，通过该方法可实现MEMS微压传感器的超高灵敏度检测。
2.根据权利要求1所述的一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，所述第一锚点(2-1)、第二锚点(2-2)、第三锚点(2-3)、第四锚点(2-4)分别固定于第一压力膜(3-1)、第二压力膜(3-2)、第三压力膜(3-3)、第四压力膜(3-4)上端面外侧中央处，具体为其上端面外侧四分之一长、二分之一宽位置处。
3.根据权利要求1所述的一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，其特征在于，所述第一调谐电极(6-1)与第二调谐电极(6-2)的长度、宽度均相等。
4.根据权利要求1所述的一种超高灵敏度的MEMS微压传感器，其特征在于，所述第一调谐电极(6-1)的长度小于第一谐振梁(4-1)的长度；第一调谐电极(6-1)的宽度、高度，分别与第一谐振梁(4-1)的宽度、高度相等；所述第二调谐电极(6-2)的长度小于第二谐振梁(4-2)的长度；第二调谐电极(6-2)的宽度、高度，分别与第二谐振梁(4-2)的宽度、高度相等。
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