高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法技术

本发明专利技术公开了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法，其相比现有传统压力传感器，本方案中的压力传感器通过检测梳齿结构测量第一质量块和第二质量块各自的振动幅值，然后计算它们的振动幅值比，由此将传统的频率检测型硅谐振压力传感器转换为振动幅值型检测，使得传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。一方面，减小了接口电路噪声对传感器性能的影响，另一方面，越高的灵敏度也意味着越小的物理量检测精度修：越高的灵敏度也意味着越高的检测分辨率，使得本发明专利技术的压力传感器可以对极小值的压力物理量进行高精度测量性。测量性。测量性。

【技术实现步骤摘要】
高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法


[0001]本专利技术涉及压力传感器
，尤其涉及高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法。

技术介绍

[0002]随着微机电技术的发展，MEMS硅谐振压力传感器由于其高精度和高稳定性等特点在航空航天、工业控制、气象测量等领域具有越来越广泛的应用。传统的硅谐振压力传感器由压力敏感膜片和谐振器组成，当外界压力作用于敏感膜片上时，敏感膜片会发生挠曲变形，引起膜片上谐振器刚度发生改变，最终导致谐振器的谐振频率发生变化，通过检测谐振频率的变化即可获得外界压力值的大小。传统的硅谐振压力传感器存在着压力灵敏度不高的缺陷，通常1KPa的压力值仅仅引起谐振频率400ppm左右的频率变化，这样对后端接口电路小信号提取就提出了很高的要求，否则传感器输出的谐振频率有效信号极易被后端放大器噪声所淹没，引起波形失真、性能降低乃至于器件失效无法正常工作。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的上述不足，本专利技术提供的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器及其压力计算方法，解决了传统的硅谐振压力传感器因压力灵敏度不高而导致无法正常工作的问题。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其包括硅衬底层，硅衬底层的顶部设置有第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的材料均为硅片，硅衬底层的下表面设置有空腔，具有空腔的硅衬底层为压力敏感膜片，空腔为受力面，第一质量块或第二质量块正对空腔；第一质量块和第二质量块之间通过耦合梁连接；第一质量块和第二质量块均通过多个悬臂梁与硅衬底层的上表面连接，第一质量块和第二质量块的下表面与硅衬底层的上表面之间存在间隙；第一质量块、第二质量块和耦合梁连接后形成一个双质量块的谐振器；谐振器的两端均设置有一个驱动梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个驱动梳齿配合的驱动电极；驱动电极使谐振器做面内反相谐振运动；第一质量块和第二质量块上均设置有一个检测梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个检测梳齿配合的检测电极；耦合梁的刚度小于所述悬臂梁刚度的十分之一。
[0005]本方案中高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的基本原理为：硅衬底层的材料为双面抛光的SOI硅片，在硅衬底层的下表面设置有空腔，形成压力敏感膜片，空腔作为受力面，将第一质量块或者第二质量块设置在空腔的正上方。通过在驱动电极上加载驱动电压，在驱动梳齿上形成了静电力，由驱动梳齿激励谐振器做面内反相振荡运动，由检测梳齿检测质量块振动幅值，并由检测电极将此振动幅值的电信号输出至接口电路中。在无外界
压力作用于压力敏感膜片时，谐振器类似一个2自由度的振动系统，第一质量块和第二质量块在静电力的驱使下，做面内反相运动，第一质量块和第二质量块的运动位移都是一致的。而当外界压力作用于压力敏感膜片时，引起压力敏感膜片在垂直方向的挠曲变形，对第一质量块或第二质量块质量块的悬臂梁造成拉应力，引起悬臂梁的刚度发生变化，悬臂梁刚度的变化会引起第一质量块和第二质量块在谐振运动过程中，各自位移振动幅值的改变，因此计算两个质量块之间的位移振动幅值比即可得到外界压力值的大小。将谐振器频率值的变化转换成了谐振器振动幅值比的变化，使得压力传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。
[0006]进一步地，第一质量块和第二质量块上均设置有调理梳齿和与所述调理梳齿配合的调理电极。由于在加工工艺上会存在一定的工艺误差，导致第一质量块和第二质量块形成的谐振器不一致，出现质量块静态位移偏移的情况，影响硅谐振压力传感器的检测精度，因此可通过调理电极对调理梳齿上加载固定电压，形成固定的静电力，将不对称的质量块的位移偏移拉回至零位，修正因工艺误差带来的谐振器结构的不对称性，提高硅谐振压力传感器的检测精度。
[0007]进一步地，作为悬臂梁的一种具体设置方式，所述第一质量块和第二质量块均匹配有4根所述悬臂梁；第一质量块和第二质量块上均设置多个有用于与悬臂梁配合的缺口，每个缺口匹配一根悬臂梁；悬臂梁的一端与缺口底部固定连接，悬臂梁的另一端位于缺口外部且悬臂梁的底部与所述硅衬底层的上表面固定连接；悬臂梁的长度方向与谐振器的谐振运动方向垂直。
[0008]进一步地，所述第一质量块和第二质量块的质量相同且对称布置于所述硅衬底层的顶部。
[0009]本方案还提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的压力计算方法，其包括以下步骤：S1、外界压力作用于压力敏感膜片，悬臂梁受拉应力的影响其刚度发生变化，悬臂梁的变化改变第一质量块和第二质量块位移振动幅值的改变，两个检测梳齿分别检测出第一质量块和第二质量块的位移振动幅值，并计算出第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比u；S2、通过位移振动幅值比计算公式，计算悬臂梁的刚度变化量ΔK；位移振动幅值比计算公式为：其中，u为第一质量块和第二质量块之间的位移振动幅值比，ΔK为悬臂梁的刚度变化量，K
c
为耦合梁的刚度；S3、将悬臂梁的刚度变化量ΔK代入压力值计算公式，计算外界压力值，压力值计算公式为：
其中，P为外界压力值，E为硅材料的杨氏模量；w为谐振器的等效宽度；l为谐振器的等效长度，h为谐振器的等效高度。
[0010]本专利技术的有益效果为：相比现有传统压力传感器，本方案中的压力传感器通过检测梳齿结构测量第一质量块和第二质量块各自的振动幅值，然后计算它们的振动幅值比，由此将传统的频率检测型硅谐振压力传感器转换为振动幅值型检测，使得传感器的灵敏度以数量级的方式得到了提升。一方面，减小了接口电路噪声对传感器性能的影响，另一方面，越高的灵敏度也意味着越小的物理量检测精度，越高的灵敏度也意味着越高的检测分辨率，使得本专利技术的压力传感器可以对极小值的压力物理量进行高精度测量。
附图说明
[0011]图1为高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器的结构示意图。
[0012]图2为硅衬底层的仰视结构示意图。
[0013]图3为第一质量块或第二质量块的结构示意图。
[0014]图4为悬臂梁的放大结构示意图。
[0015]图5 为本专利技术传感器灵敏度与传统压力传感器灵敏度的对比图。
[0016]其中，1、驱动梳齿，2、检测梳齿，3、调理梳齿，4、悬臂梁，5、耦合梁，6、空腔，7、硅衬底层，8、第一质量块，9、第二质量块，10、驱动电极，11、检测电极，12、调理电极。
具体实施方式
[0017]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。
[0018]如图1~4所示，本专利技术提供了高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其包括硅衬底层7，硅衬底层7的顶部设置有第一质量块8和第二质量块9，第一质量块8和第二质量块9的材料均为硅片。如图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，包括硅衬底层，所述硅衬底层的顶部设置有第一质量块和第二质量块，第一质量块和第二质量块的材料均为硅片，硅衬底层的下表面设置有空腔，具有空腔的硅衬底层为压力敏感膜片，所述空腔为受力面，所述第一质量块或第二质量块正对空腔；第一质量块和第二质量块之间通过耦合梁连接；第一质量块和第二质量块均通过多个悬臂梁与硅衬底层的上表面连接，第一质量块和第二质量块的下表面与硅衬底层的上表面之间存在间隙；第一质量块、第二质量块和耦合梁连接后形成一个双质量块的谐振器；谐振器的两端均设置有一个驱动梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个所述驱动梳齿配合的驱动电极；驱动电极使谐振器做面内反相谐振运动；第一质量块和第二质量块上均设置有一个检测梳齿，硅衬底层的上表面设置有两个分别与两个所述检测梳齿配合的检测电极。2.根据权利要求1所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述耦合梁的刚度小于所述悬臂梁刚度的十分之一。3.根据权利要求2所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，第一质量块和第二质量块上均设置有调理梳齿和与所述调理梳齿配合的调理电极。4.根据权利要求1所述的高灵敏度模态耦合型硅谐振压力传感器，其特征在于，所述第一质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宗达，彭鹏，李奇思，杨劼立，蒲艺，
申请(专利权)人：成都凯天电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：