CN1986385A - 一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器 - Google Patents

一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器主要包括：基底、膜片以及敏感元件三部分，其中感受外界压力的膜片利用MEMS工艺制作在基片上，在敏感元件上有两个对称的固定在基底的锚点以及中间固定在膜片上的“回”形结构，三个锚点通过两个悬臂梁连接，“回”形锚点与与其相连的一对悬臂梁组成一个“中”字，称该传感器为“中”字形谐振式压力传感器；在每个悬臂梁上各用微机械工艺制作了两个热电阻，其中一个作激励电阻，产生测试需要的位移，另一个用来拾取激励信号。本发明结构简单、抗干扰能力强、成本低、测试精度高，适用于对气体压力进行测试。

Description

一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器
技术领域
本发明属微机电系统技术领域，为一种新型的“中”字形微机械压力传感器。
背景技术
微机电系统(Microelectromechanical System，简称MEMS)技术的发展及其加工技术的逐渐趋于成熟使得研制集成度高、成本低、重量轻、体积小以及功耗低的MEMS传感器成为可能，同时也成为未来传感器研究的趋势。
压力传感器是一种航空、航天等领域广泛应用的对大气压力进行测试的传感器。在许多领域尤其是航空航天等对器件质量和体积要求都非常严格的领域，发展MEMS压力传感器已经成为必然。在众多种类的MEMS压力传感器中，谐振式硅微机械压力传感器由于具有受外界干扰低、测试精度高等优点而成为国内外研究热点。目前，国外已有许多科研机构在进行相关研究并有相关产品问世，最典型的产品就是英国DRUCK公司Greenwood等人J.C.Greenwood and D.W.Satchell，Miniature silicon resonant pressure sensor，IEE Proc.135(5)，1988：369-372.和J.Greenwood and T.Wray，High accuracy pressure measurement with a siliconresonant sensor，Sensors and Actiators，A37-38，1993：82-85.研制的利用静电激励、电容拾振的具有“蝶”形结构敏感元件的硅谐振式压力传感器以及日本横河电机株式会社研制的采用电磁激励、电磁拾取的谐振式硅压力传感器[33.K.Ikeda，H.Kuwayama，T.Kobayashi，et al，Siliconpressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm，Sensors and Actuators，A21，1-3，1990：146-150.。虽然上述该两种传感器目前已经实现了市场化，但是其共同存在的问题就是制作工艺非常复杂、成本高，且成品率相对较低，依我国目前的MEMS加工工艺水平，很难加工出类似的传感器。
发明内容
本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种结构简单、抗干扰性强、测试精度高和低成本的“中”字形谐振式硅微机械压力传感器。
本发明的技术解决方案：本包括：基底、膜片以及敏感元件三部分，都采用硅作为材料，其中感受外界压力的膜片利用MEMS工艺制作在基片上，在敏感元件上有两个对称的固定在基底的锚点以及中间固定在膜片上的“回”形结构，三个锚点通过两个悬臂梁连接，“回”形锚点和与其相连的一对悬臂梁组成一个“中”字，称该传感器为“中”字形谐振式压力传感器，在每个悬臂梁上各用微机械工艺制作了两个热电阻，其中一个作激励电阻，产生测试需要的位移，另一个用来拾取激励信号。
所述的基底膜片利用MEMS体硅工艺制作成一种方形结构，其具有方形结构的一面通过键合工艺固定在以玻璃为材料的基底上，另一面与“中”字型敏感元件连接。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用了具有非常良好的机械、力学等特性的硅作为材料(熔点高，即使在高温的情况下也能保持其尺寸的稳定，热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍、没有机械迟滞等)因此，相对于利用其它材料制作的器件，本发明抵抗温度变化、振动、噪声等外界因素干扰的能力比较强。
(2)本发明相对于利用压阻效应、电容效应以及压电效应制作的压力传感器，由于输出的是频率信号毋须经过A/D转换便可方便地与计算机接口，因此其测试精度也得到了大大提高。
(3)由于本发明利用MEMS工艺制作，使得器件的批量化生产成为可能，同时也降低了其制作成本。
因此，本发明具有抗冲击能力强、抗干扰性能好、灵敏度高、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中膜片从底部看到的结构。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明“中”字形硅微机械压力传感器包括：基片3、膜片7以及“中”字形敏感元件三部分，其中感受外界压力的膜片7利用MEMS工艺制作在基片上，敏感元件包括两个固定在基片上的锚点1和11，一个固定在膜片7中央的“回”字形锚点6，对称分布于“回”字形锚点6上的一对悬臂梁5和9，其中“回”字形锚点6和悬臂梁5和9共同组成一个“中”字形结构，制作在悬臂梁5和9上的一对激振电阻4和8以及一对拾振电阻2和10组成，敏感元件通过MEMS键合工艺分别和基片3及膜片7相连接。为能够清楚的表达本发明的结构，图2把传感器结构中的基片3底部结构进行了表达，其基本上是一个矩形的槽型结构。
如图1所示，悬臂梁5和9，对称分布于“回”字形锚点两侧，每一个悬臂梁都是一端与固定于基片3上的锚点1和11连接，另一端与膜片7中央的“回”字形锚点相6连接。在每一个悬臂梁5和9的中央和根部(与基片3衔接的部分)，利用MEMS扩散技术制作了两个电阻，即激振电阻4和拾振电阻2，及激振电阻8和振电阻10。信号的激励及拾取就是通过这两个热电阻来实现的。测试过程中通过在激励电阻4或8上施加具有一定谐振频率的驱动电压，使得电阻产生一定的热量而产生膨胀，由于电阻与敏感梁的膨胀系数不同，导致梁产生反复变形，当驱动电压的频率达到与谐振梁的固有频率相同时，悬臂梁产生最大的变形，通过拾振电阻2或10对位移量的测量，便可以得到该状态下的谐振频率。
本发明的原理和工作过程是：当一定的气压工作在该传感器矩形膜片底部时，膜片在大气压力的作用下产生一定变形，进而带动“回”形锚点产生一定的位移，带动悬臂梁产生变形。悬臂梁变形后，由于梁的内应力产生了变化，使得其谐振频率发生了变化；然后，对激励电阻通电，使得悬臂梁产生谐振并通过拾振电阻对其谐振频率进行拾取；最后，通过一定的换算，把获取的频率信号转换为压力信号，达到压力测试的目的。

Claims (3)

1、一种“中”字形谐振式硅微机械压力传感器，其特征在于：主要包括：基底、膜片以及敏感元件三部分，其中感受外界压力的膜片利用微机械工艺制作在基片上，在敏感元件上有两个对称的固定在基底的锚点以及中间固定在膜片上的“回”形结构，三个锚点通过两个悬臂梁连接，“回”形锚点和与其相连的一对悬臂梁组成一个“中”字；在每个悬臂梁上各用微机械工艺制作了两个热电阻，其中一个作激励电阻，产生测试需要的位移，另一个用来拾取激励信号。
2、根据权利要求1所述的“中”字形谐振式硅微机械压力传感器，其特征在于：所述的基底、膜片以及敏感元件均采用硅作为材料。
3、根据权利要求1或2所述的“中”字形谐振式硅微机械压力传感器，其特征在于：所述的基底膜片利用MEMS体硅工艺制作成一种方形结构，其具有方形结构的一面通过键合工艺固定在以玻璃为材料的基底上，另一面与“中”字型敏感元件连接。
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