基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，基于双H型谐振梁对称耦合设计，包括谐振器和压力敏感膜，谐振器通过锚点与压力敏感膜连接，谐振器包括谐振梁和耦合梁、拾振梁，压力敏感膜受压力载荷后带动锚点运动，锚点将变形传递到谐振梁上，改变谐振梁的内应力，从而使谐振梁的固有频率发生变化。两侧谐振梁上布置有激励线路，激励线路内部通有交流电，在永磁场中产生方向相反的洛伦兹力，完成谐振梁驱动。拾振梁布置在耦合梁内侧，当谐振器处于工作模态时候，谐振梁产生相对运动，耦合梁带动拾振梁产生变形，从而改变拾振梁上压敏电阻的内应力，则压敏电阻阻值随之改变，通过检测电阻信号完成谐振频率拾取。

【技术实现步骤摘要】
基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器
本专利技术属于微纳传感器
，具体涉及一种基于电磁激励压阻检测的面内振动谐振式压力传感器芯片。
技术介绍
硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，通过检测谐振结构的固有频率来间接测量压力，为准数字输出。其精度主要受机械结构力学特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻和可批量生产等优点，一直是各国科研机构研究的重点。硅微谐振式压力传感器可以应用于机载大气数据测试系统、航空大气数据校验仪、机舱压力测试、航空航天地面测试系统和高性能风洞等领域，可以做成压力探头嵌入机身和机翼等用于分布压力测量，是大型运输机、新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、直升机和无人机等重大工程的核心器件。在硅微谐振式压力传感器研发方面，英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列的成果。目前已经成功商业化且大批量应用的硅微谐振式压力传感器主要有两家公司，分别是英国DRUCK公司与日本横河电机株式会社。英国的DRUCK公司的硅微谐振式压力传感器主要是静电激励和压阻检测的方式，其敏感部分主要由谐振层、锚点、压力敏感膜片和四周固定的边框四部分组成，其中谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的，综合精度优于0.01％FS，测量范围为10-1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振式压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振层是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁位于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜片的上表面，综合精度优于0.02％FS，温度系数小于5ppm/K。目前大多数的谐振式压力传感器均采用静电激励，静电激励普遍采用叉指电极驱动，驱动能力较小，需要通入较高的直流偏置电压与交流电压才能完成正常驱动，叉指电极的引入又会引入高深宽比的深硅刻蚀加工，提高了加工难度；大部分静电激励的谐振式传感器中，在加载后容易造成可动电极面外位移波动，从而加大闭环控制难度，所以需要开发其他激励方式来解决以上问题。同时，国内外广泛研究的电容拾振谐振式压力传感器的电容拾振信号极为微弱，需要配备较大倍数的放大电路才能完成，且激励电极与拾振电极之间非常容易造成信号的串扰，拾振较为困难，而压阻拾振则具有较高的信号抗干扰能力，无需外部放大即可对信号进行有效拾取。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，在保证谐振梁驱动性能的前提下，提升信号的抗干扰特性，提升传感器的测量稳定性，同时也降低了加工难度。为达到上述目的，本专利技术所述一种基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，基于双H型谐振梁对称耦合设计，H型谐振梁包括第一激励梁、第二激励梁、第一信号输出梁和第二信号输出梁，包括谐振器和压力敏感膜，谐振器通过锚点与压力敏感膜连接；所述谐振器包括耦合梁，所述耦合梁内壁固定有两个拾振梁，耦合梁两侧对称设置有第一质量块和第二质量块；所述第一质量块两端均连接有第一激励梁和第一信号输出梁，连接在第一质量块两端的两个第一激励梁相对设置，连接在第一质量块两端的两个第一信号输出梁相对设置；所述第二质量块两端均连接有第二激励梁和第二信号输出梁，连接在第二质量块两端的两个第二激励梁相对设置，连接在第二质量块两端的两个第二信号输出梁相对设置；所述第一激励梁和第二激励梁上布置有激励线路，激励线路与传感器外驱动电路连接，激励线路中通有交流电，第一信号输出梁和第二信号输出梁上均布置有压阻信号输出线，压阻信号输出线上通有直流电，用于电阻信号检测；位于第一质量块和第二质量块同一端的第一激励梁和第一信号输出梁均与同一个扭转刚体固定连接，再通过扭转刚体与锚点相连接。进一步的，第一激励梁和第一信号输出梁之间设置有第一连接梁，所述第二激励梁和第二信号输出梁之间设置有第二连接梁。进一步的，扭转刚体两端均连接有延伸刚体，延伸刚体末端连接有锚点。进一步的，压阻信号与激励信号通过多个折形梁上布置的金属引线连接至外部控制电路。进一步的，第一质量块和第二质量块两端均开设有凹槽，所述第一激励梁、第一信号输出梁、第二激励梁和第二信号输出梁一端伸入凹槽中。进一步的，拾振梁以耦合梁的中心线为对称轴对称布置。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：通过双H型谐振梁对称耦合设计，可有效降低谐振器结构阻尼，从而提升谐振器的品质因子；谐振器两端采用锚点固定，两侧的锚点分别与压力敏感膜相连接，当膜片发生变形时，带动锚点发生位移，从而改变谐振梁的内应力；通过在激励梁上布置激励线路，激励线路固定在外界固定磁场中，激励线路中通有交变电流，用于激励谐振器使之处于谐振状态。谐振器对称两侧激励梁通入的交变电流的方向相反，当交变电流在恒定永磁体磁场中切割磁感线时，从而产生交变洛伦兹力，两侧的洛伦兹力方向相反，从而实现谐振器面内振动的驱动。进一步的，通过扭转刚体与延伸刚体，可有效地降低传感器的整体尺寸，谐振梁可延伸至锚点外侧，在确定长度的谐振梁情况下，锚点之间距离减小，从而使压力敏感膜尺寸减小。进一步的，第一激励梁和第一信号输出梁之间设置有第一连接梁，第二激励梁和第二信号输出梁之间设置有第二连接梁，连接梁的作用是消除施加的压力载荷通过锚点传递至拾振梁上的应力输出，降低拾振信号中来自载荷的噪声。附图说明图1为本专利技术整体示意图；图2为图1的A处局部放大图；图3为图2的B处局部放大图；图4为本专利技术立体示意图；图5为图4的局部放大图；图6为耦合梁与拾振梁的工作原理图。附图中：1、扭转刚体，2、延伸刚体，3、锚点，41、第一质量块，42、第二质量块，5、H型谐振梁，51、第一激励梁，52、第二激励梁，53、第一信号输出梁，54、第二信号输出梁，6、折形梁，9、拾振梁，10、耦合梁，11、外部框架、12、第一连接梁，13、第二连接梁。具体实施方式为了使本专利技术的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，其特征在于，基于双H型谐振梁(5)对称耦合设计，H型谐振梁包括第一激励梁(51)、第二激励梁(52)、第一信号输出梁(53)和第二信号输出梁(54)，包括谐振器和压力敏感膜，谐振器通过锚点(3)与压力敏感膜连接；所述谐振器包括耦合梁(10)，所述耦合梁(10)内壁固定有两个拾振梁(9)，耦合梁(10)两侧对称设置有第一质量块(41)和第二质量块(42)；所述第一质量块(41)两端均连接有第一激励梁(51)和第一信号输出梁(53)，连接在第一质量块(41)两端的两个第一激励梁(51)相对设置，连接在第一质量块(41)两端的两个第一信号输出梁(53)相对设置；所述第二质量块(42)两端均连接有第二激励梁(52)和第二信号输出梁(54)，连接在第二质量块(42)两端的两个第二激励梁(52)相对设置，连接在第二质量块(42)两端的两个第二信号输出梁(54)相对设置；所述第一激励梁(51)和第二激励梁(52)上布置有激励线路，激励线路与传感器外驱动电路连接，激励线路中通有交流电，第一信号输出梁(53)和第二信号输出梁(54)上均布置有压阻信号输出线，压阻信号输出线上通有直流电，用于电阻信号检测；位于第一质量块(41)和第二质量块(42)同一端的第一激励梁(51)和第一信号输出梁(53)均与同一个扭转刚体(1)固定连接，再通过扭转刚体(1)与锚点(3)相连接。/n...

【技术特征摘要】
1.基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，其特征在于，基于双H型谐振梁(5)对称耦合设计，H型谐振梁包括第一激励梁(51)、第二激励梁(52)、第一信号输出梁(53)和第二信号输出梁(54)，包括谐振器和压力敏感膜，谐振器通过锚点(3)与压力敏感膜连接；所述谐振器包括耦合梁(10)，所述耦合梁(10)内壁固定有两个拾振梁(9)，耦合梁(10)两侧对称设置有第一质量块(41)和第二质量块(42)；所述第一质量块(41)两端均连接有第一激励梁(51)和第一信号输出梁(53)，连接在第一质量块(41)两端的两个第一激励梁(51)相对设置，连接在第一质量块(41)两端的两个第一信号输出梁(53)相对设置；所述第二质量块(42)两端均连接有第二激励梁(52)和第二信号输出梁(54)，连接在第二质量块(42)两端的两个第二激励梁(52)相对设置，连接在第二质量块(42)两端的两个第二信号输出梁(54)相对设置；所述第一激励梁(51)和第二激励梁(52)上布置有激励线路，激励线路与传感器外驱动电路连接，激励线路中通有交流电，第一信号输出梁(53)和第二信号输出梁(54)上均布置有压阻信号输出线，压阻信号输出线上通有直流电，用于电阻信号检测；位于第一质量块(41)和第二质量块(42)同一端的第一激励梁(51)和第一信号输出梁(53)均与同一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，韩香广，李雪娇，王李，于明智，李支康，朱楠，杨萍，闫鑫，王淞立，赵玉龙，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61