基于静电激励压阻检测的差动式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静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，包括谐振梁、耦合梁、拾振梁、固定电极、可动电极、质量块、可动锚点、固定锚点、硅岛。可动锚点与压力敏感膜通过硅岛固定连接，当压力敏感膜受到载荷变形，带动与之连接的可动锚点，可动锚点从而带动谐振梁产生变形，使谐振梁的内应力产生变化，从而改变谐振器的振动频率，谐振梁的振动频率通过拾振梁上的压敏电阻测得，拾振梁与耦合梁采用特殊设计方法，使谐振器在工作模态时，拾振梁上产生直拉直压的作用力，通过惠斯通电桥，即可对谐振梁的振幅进行线性输出。

Differential silicon micro resonant pressure sensor based on electrostatic excitation piezoresistance detection

【技术实现步骤摘要】
基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器
本专利技术属于微纳电子传感器
，具体涉及一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器。
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。同时，硅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、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。但是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、压力敏感压力敏感膜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的上表面，综合精度优于0.02％FS，温度系数小于5ppm/K。硅微谐振式压力传感器的灵敏度与精度是其主要的工作指标，因此在设计过程中，将这两个参数作为优化目标来设计谐振式压力传感器的敏感结构。单谐振器模式硅微谐振式压力传感器非常容易受到温度以及封装应力的影响，从而降低了传感器的输出精度，并且传感器的灵敏度较低。通过文献检索，目前很少文献对静电激励、压阻检测的硅微谐振式压力传感器进行双谐振器差动设计与补偿进行研究。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，通过谐振器的差动输出，可有效提升传感器的灵敏度，并降低温度以及封装应力对谐振器造成的影响，从而提高传感器的输出精度。为达到上述目的，本专利技术所述基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，包括基底、可动锚点受压谐振器和受拉谐振器，所述可动锚点与基底相连，所述可动锚点两端分别相对设置有受压谐振器和受拉谐振器，所述受压谐振器和受拉谐振器的结构相同；所述受压谐振器包括耦合梁和谐振梁，所述谐振梁包括第一谐振梁和第二谐振梁，所述耦合梁内壁固定有两个相对设置的拾振梁，拾振梁上布置有压敏电阻，耦合梁两侧均连接有质量块，质量块外侧设置有可动电极，可动电极外侧设置有固定电极，质量块第一端与第一谐振梁的第一端连接，第一谐振梁的第二端与固定锚点连接，质量块第二端与第二谐振梁的第一端连接，第二谐振梁的第二端与可动锚点连接。进一步的，基底为压力传感器的压力敏感膜或加速度传感器的可动质量块。进一步的，可动锚点位于基底上沿谐振梁方向的最大变形区。进一步的，可动锚点与压力敏感膜通过硅岛固定连接。进一步的，拾振梁与耦合梁为一体式结构。进一步的，固定电极和可动电极均为梳齿电极。进一步的，质量块与可动电极为一体式结构。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：传感器采用完全结构相同的两个谐振器，两个谐振器共用一个可动锚点，与独立式差动芯片相比(即将两个谐振器分别放置在不同芯片上)，该结构可有效降低双谐振器芯片尺寸，同时使两个传感器具有相同的绝对值灵敏度，通过差动输出方式，可有效提升传感器的输出灵敏度，并降低温度以及封装应力对谐振器造成的影响，从而提升传感器的精度与可靠性；在谐振工作状态下，两个差动谐振器分别受到压应力与拉应力作用，从而使它们的谐振频率分别减小和增加。进一步的，可动锚点位于压力敏感膜沿谐振梁方向的最大变形区，使传感器获得最大灵敏度输出。进一步的，传感器的拾振梁与耦合梁采用一体设计，拾振梁布置在耦合梁上，当耦合梁在振动过程中产生变形时，带动拾振梁产生直拉直压的变形，当拾振梁上制作的压敏电阻通有恒流源时，会在谐振器的谐振点附近产生交变电压输出，进而拾取谐振器的谐振频率；进一步的，受拉谐振器和受压谐振器的可动电极的电势为等电势，固定电极通有交流和直流电压，通过梳齿固定电极和可动电极之间产生的静电力，产生交变的驱动力，从而使谐振器产生振动。进一步的，两个谐振器均采用面内振动，通过可动锚点隔离，两谐振器均无与外界产生能量交换，从而使谐振器获得较高的品质因子。附图说明图1为本专利技术整体示意图；图2为本专利技术局部立体图；图3为本专利技术局部示意图；图4为双谐振器在可动锚点变形后整体变形图；图5为耦合梁-拾振梁示意图；附图中：1、固定电极，2、固定锚点，3、谐振梁，31、第一谐振梁，32、第二谐振梁，4、质量块，5、耦合梁，6、硅岛，7、可动锚点，8、拾振梁，9、可动电极。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”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。参照图1至图3，一种基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其整体结构如图1所示，包括受压谐振器100、受拉谐振器200、硅岛6和可动锚点7，受压谐振器100和受拉谐振器200结构相同但谐振频率不同，受压谐振器100和受拉谐振器200共用硅岛6和可动锚点7。受压谐振器100包括固定电极1、固定锚点2、谐振梁3、质量块4、耦合梁5、拾振梁8、固定电极、可动电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，包括基底、可动锚点(7)受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述可动锚点(7)与基底相连，所述可动锚点(7)两端分别相对设置有受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)的结构相同；所述受压谐振器(100)包括耦合梁(5)和谐振梁(3)，所述谐振梁(3)包括第一谐振梁(31)和第二谐振梁(32)，所述耦合梁(5)内壁固定有两个相对设置的拾振梁(8)，拾振梁(8)上布置有压敏电阻，耦合梁(5)两侧均连接有质量块(4)，质量块(4)外侧设置有可动电极(9)，可动电极(9)外侧设置有固定电极(1)，质量块(4)第一端与第一谐振梁(31)的第一端连接，第一谐振梁(31)的第二端与固定锚点(2)连接，质量块(4)第二端与第二谐振梁(32)的第一端连接，第二谐振梁(32)的第二端与可动锚点(7)连接。/n

【技术特征摘要】
1.基于静电激励压阻检测的差动式硅微谐振式压力传感器，其特征在于，包括基底、可动锚点(7)受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述可动锚点(7)与基底相连，所述可动锚点(7)两端分别相对设置有受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)，所述受压谐振器(100)和受拉谐振器(200)的结构相同；所述受压谐振器(100)包括耦合梁(5)和谐振梁(3)，所述谐振梁(3)包括第一谐振梁(31)和第二谐振梁(32)，所述耦合梁(5)内壁固定有两个相对设置的拾振梁(8)，拾振梁(8)上布置有压敏电阻，耦合梁(5)两侧均连接有质量块(4)，质量块(4)外侧设置有可动电极(9)，可动电极(9)外侧设置有固定电极(1)，质量块(4)第一端与第一谐振梁(31)的第一端连接，第一谐振梁(31)的第二端与固定锚点(2)连接，质量块(4)第二端与第二谐振梁(32)的第一端连接，第二谐振梁(32)的第二端与可动锚点(7)连接。


2.根据权利要求1所述的基于静电激励压阻检测的差动...

【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