CN207649822U - 具有三梁音叉的微谐振式压差传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器。传感器中设有基底、谐振梁、受压力板，压电层、驱动电极、和感应电极。采用三梁音叉作为谐振单元，谐振梁一端与基底相连，另一端与受压力面相连；谐振梁上覆有压电层和驱动电极，利用压电材料的逆压电效应，驱动谐振梁工作在所需振动模态，根据输入气压引起的谐振频率的变化测量压力差；本实用新型提出了新型的具有三梁式音叉的谐振器设计，基于弹性变形模态提出新型压力感应机制，使谐振器工作在特定谐振模态，具有能量损耗小灵敏度高，呈线性输出的优势；该谐振式压差传感器受加速度影响小，结构简单，在室温下工作，无需真空封装；适用于对气体压力进行测试，易于实现批量生产。

Description

具有三梁音叉的微谐振式压差传感器

技术领域

本实用新型属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器。

背景技术

现代微机电系统(MEMS)技术提供了基于微纳米尺度设计传感器的思路。微型的传感器对比宏观传感器具有小尺寸、低成本和低功耗的优势。并且与传统的微电子电路集成工艺兼容，可以实现单片化集成整个传感器以及外围信号处理电路。压力传感器是一种航空、航天等领域广泛应用的对压力进行测量的传感器。在许多领域尤其是航空航天领域对器件质量以及体积要求非常严格的领域，MEMS谐振器能测量微小信号，有着较高的稳定性并且发展MEMS压力传感器已经成为必然。在现有的MEMS压力传感器中，存在线性度不好，加工工艺难度大，灵敏度不高的问题。日本的Yutaka Tomimatsu等人设计了基于压电效应的MEMS压差传感器【1】，能检测正负20Pa内的微小信号，但基于变形产生的电压具有不稳定性且易受环境影响。美国加州大学伯克利分校的Fabian T.Goericke等人设计了带三梁音叉的谐振式加速度计【2】，能达到较好的灵敏度但线性度不理想。

因此，有必要提供一种输出高灵敏度，抗干扰，线性输出的微谐振式压差传感器。

引用文献：

【1】Tomimatsu Y,Takahashi H,Kobayashi T,et al.AlN cantilever fordifferential pressure sensor[C]//Applications of Ferroelectric and Workshopon the Piezoresponse Force Microscopy.IEEE,2013:336-339.

【2】Goericke F T,Vigevani G,Pisano AP.Bent-beam sensing with triple-beam tuning forks[J].Applied Physics Letters,2013,102(25):859.

发明内容

本实用新型提出一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，通过提出的新型压力敏感元件，使传感器具有高的灵敏度、结构简单、抗干扰和线性输出的优势。通过使谐振器工作在弹性变形模态，可以有效降低频率的温漂系数。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其设有基底、感应电极、三梁音叉谐振单元和受压力板；基底上开设有用于容纳三梁音叉谐振单元和受压力板的凹槽；三梁音叉谐振单元包括谐振梁、压电层和驱动电极；所述的谐振梁包括两根侧边梁、一根中间梁和两个连接端，三根梁平行连接于两个连接端之间，三根梁上均覆有所述的压电层，每根梁上的压电层上分别覆有独立的驱动电极，中间梁上的驱动电极与两条侧边梁上的驱动电极连接相反的激励源；谐振梁的一个连接端与感应电极相连，另一个连接端与受压力板相连；感应电极固定于所述的凹槽中且两者之间设有绝缘层；谐振梁和受压力板与基底之间具有缝隙，从而使三梁音叉谐振单元和受压力板以感应电极为固定支座在所述凹槽中形成悬臂梁结构。

作为优选，谐振梁的每根梁上的驱动电极均有三段，三段驱动电极长度之比为1:2:1～1:3:1；每根梁上位于中间的驱动电极与位于两端的驱动电极连接相反的激励源；中间梁上位于中间的驱动电极与两根侧边梁上位于中间的驱动电极连接的激励源相反。

作为优选，所述的中间梁宽与侧边梁宽之比为1.5:1～2.5:1。

作为优选，所述的受压力板、感应电极、谐振梁和基底的材料是单晶硅或多晶硅。

作为优选，所述的压电层的材料为氮化铝。

作为优选，所述的驱动电极材料为金属导体。

作为优选，所述的缝隙厚度为5um～50um。

作为优选，所述的感应电极由硅结构层和设置于硅结构层上的金属电极构成，通过金属电极引出导线。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，通过提出了新型的压力敏感元件，使传感器具有高的灵敏度，输出线性，线性输出的优势。通过使谐振器工作在特定弹性变形模态，可以有效的降低频率的温漂系数并且受加速度影响小。器件的结构简单，可以在室温环境下工作，无需真空封装；结构材料可以采用单晶硅或多晶硅。

附图说明

图1是本实用新型的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器的结构层示意图；

图2是本实用新型的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器的测量原理图；

图3是本实用新型的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器的剖面图；

图4是本实用新型的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器的谐振工作模态；

图5是COMSOL仿真得到的输入气压差与谐振频率变化量的关系图。

图中：基底1，三梁音叉谐振单元2，受压力板3，感应电极4，压电层5，第一驱动电极6，第二驱动电极7，第三驱动电极8，第四驱动电极9，第五驱动电极10，第六驱动电极11，绝缘层12，金属电极13，谐振梁14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步阐述和说明。本实用新型中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1～3所示，一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，设有基底1、感应电极4、三梁音叉谐振单元2和受压力板3。三梁音叉谐振单元2和受压力板3所在的基底1被预先掏空形成一个凹槽，三梁音叉谐振单元2和受压力板3置于该凹槽中。基底1、三梁音叉谐振单元2和受压力板3等结构可采用单晶硅或多晶硅等导体材料进行单片刻蚀工艺制备。

如图2，三梁音叉谐振单元2由谐振梁14、压电层5和若干个驱动电极组成。谐振梁14中共有三根梁(包括两根侧边梁、一根中间梁)和两个连接端，三根梁平行连接于两个连接端之间，三根梁上均覆有压电材料制成的压电层5，每根梁上的压电层5上分别覆有独立的驱动电极，中间梁上的驱动电极与两条侧边梁上的驱动电极连接相反的激励源，使中间梁的振动方向与两条侧边梁相反。谐振梁14的一个连接端与感应电极4相连，另一个连接端与受压力板3相连。感应电极4固定于凹槽中且两者之间通过绝缘层12间隔。谐振梁14和受压力板3与基底1之间具有气流缝隙，高度范围5um～50um，从而使三梁音叉谐振单元2和受压力板3以感应电极4为固定支座在所述凹槽中形成悬臂梁结构。为了便于从硅基的感应电极4上引出导线，也可以在感应电极4上设置一个金属电极13。在本实施例中，谐振梁14采用单晶硅材料，中间压电层5采用氮化铝材料，顶部激励电极采用铝作为电极。

每根梁上的驱动电极可以是一段或者多段，只要能够使侧边梁在激励源的作用下产生与中间梁相反的振动即可。如图2所示，在一实施例中，侧边梁和中间梁上的驱动电极都分为三段，每根梁上从左到右的三段驱动电极长度之比均为1:2.5:1。考虑到谐振梁14在振动时，其端部的形变方向与中间部分的形变方向是不同的，因此本实施例中将每根梁上位于中间的驱动电极与位于两端的驱动电极连接相反的激励源，并保持中间梁上位于中间的驱动电极与两根侧边梁上位于中间的驱动电极连接的激励源相反。在图2中，最上方的侧边梁中，两端的第一驱动电极6和第三驱动电极8与中间的第二驱动电极7连接相反的激励源，而对于中间梁，第四驱动电极9和第六驱动电极11与中间的第五驱动电极10也连接相反的激励源，由此使每根梁达到最理想的谐振模态。但需要注意的是，中间梁上的第五驱动电极10需要与侧边梁上的第二驱动电极7保持激励源相反，同理第四驱动电极9和第一驱动电极6、第六驱动电极11和第三驱动电极8也需要保持激励源相反。

本实施例中，激励源为正弦交流信号，正弦交流信号分成相位差为180°的两路反向信号，作为两个相反的激励源分别激励图2中的黑色电极和白色电极。由于谐振梁14两端固定在感应电极4和受压力板3上，谐振梁14在弯曲变形时，中间部分与两端部分受应力相反，利用逆压电效应，对中间与两端施加极性相反的交流电，将谐振梁14激励到如图4所示的谐振模态。此时中间梁与两边梁运动方向相反，相互抵消谐振时产生的平面外的力，减少能量损耗，提高品质因素，使传感器工作更加稳定，从而达到最理想的激励效果。

本实用新型中压差检测的原理是：在压力面板3处施加气压，由于受压面板上部和下部所受压力不一样形成作用于受压面板上的压差，压差可以改变谐振单元振动的等效刚度造成谐振单元的谐振频率按一定规律变化，谐振频率变化信号由感应电极4输出。根据上述的检测原理，从微谐振式压差传感器输出的谐振频率变化计算出被检测的压差，实现压差检测功能。

本实用新型中，受压力板3、感应电极4、谐振梁14和基底1可以采用单晶硅或多晶硅等导体材料，可采用对单晶硅或多晶硅等导体材料进行单片刻蚀的工艺进行制备。如利用SOIsilicon on insulator晶片作为衬底，在一片晶片上完成压差传感器的结构层即受压力板3、感应电极4、谐振梁和基底1的制备，降低生产成本，制作流程简单。

如图5所示，通过COMSOL有限元仿真得到了输入压差与谐振器谐振频率变化量的关系。对基底1施加固定约束，对受力面板3施加均布压力，对谐振单元2施加压电耦合单元，通过模态分析得到不同输入压差下的固有频率曲线，呈良好的灵敏度和线性输出。

利用上述微谐振式压差传感器的压差检测方法，其步骤如下：

1驱动电极连通激励源，激励谐振梁14实现弹性谐振模态，并通过感应电极4输出带有谐振频率的交流信号；

2待检测压力加载于受压力板3上，产生应力传导至三梁音叉谐振单元2的一端，利用该应力对三梁音叉谐振单元2的弹性谐振模态做功实现振动的干扰，改变其振动的等效刚度从而改变三梁音叉谐振单元2谐振频率；

3根据加载待检测压力前后的谐振频率差，通过谐振梁14谐振频率的变化量与输入压差量之间的对应关系(可以通过预先测试获取其频率曲线)，得出受压力板3上下面的压差。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，设有基底(1)、感应电极(4)、三梁音叉谐振单元(2)和受压力板(3)；基底(1)上开设有用于容纳三梁音叉谐振单元(2)和受压力板(3)的凹槽；三梁音叉谐振单元(2)包括谐振梁(14)、压电层(5)和驱动电极；所述的谐振梁(14)包括两根侧边梁、一根中间梁和两个连接端，三根梁平行连接于两个连接端之间，三根梁上均覆有所述的压电层(5)，每根梁上的压电层(5)上分别覆有独立的驱动电极，中间梁上的驱动电极与两条侧边梁上的驱动电极连接相反的激励源；谐振梁(14)的一个连接端与感应电极(4)相连，另一个连接端与受压力板(3)相连；感应电极(4)固定于所述的凹槽中且两者之间设有绝缘层(12)；谐振梁(14)和受压力板(3)与基底(1)之间具有缝隙，从而使三梁音叉谐振单元(2)和受压力板(3)以感应电极(4)为固定支座在所述凹槽中形成悬臂梁结构。

2.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，谐振梁(14)的每根梁上的驱动电极均有三段，三段驱动电极长度之比为1:2:1～1:3:1；每根梁上位于中间的驱动电极与位于两端的驱动电极连接相反的激励源；中间梁上位于中间的驱动电极与两根侧边梁上位于中间的驱动电极连接的激励源相反。

3.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的中间梁宽与侧边梁宽之比为1.5:1～2.5:1。

4.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的受压力板(3)、感应电极(4)、谐振梁(14)和基底(1)的材料是单晶硅或多晶硅。

5.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的压电层的材料为氮化铝。

6.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的驱动电极材料为金属导体。

7.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的缝隙厚度为5um～50um。

8.根据权利要求1所述的具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其特征在于，所述的感应电极(4)由硅结构层和设置于硅结构层上的金属电极(13)构成，通过金属电极引出导线。