一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，包括依次设置的玻璃层，谐振器层以及敏感膜层，敏感膜层包括压力敏感膜和固定在压力敏感膜层上的两个硅岛；所述谐振器层包括分别与两个硅岛连接的两个可动锚点；每个可动锚点一端两侧分别与两个谐振梁第一端连接，位于同一侧的谐振梁第二端与同一个质量块连接，两个质量块通过耦合梁连接；所述耦合梁包括四根一端连接至连接点的单梁；谐振梁外侧设置有激励结构，激励结构外设置有检测结构。本发明专利技术的耦合梁为四点接触式耦合梁，在满足对两质量块耦合并为谐振器提供刚度增大模态频率间隔的同时，也能够有效减少加速度冲击对耦合梁结构的影响，从而保证传感器工作的稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器


[0001]本专利技术属于压力传感器
，具体涉及一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器。

技术介绍

[0002]硅谐振压力传感器的输出信号为频率信号，具有“准数字”输出的特点，易与计算机数字设备组成电测控系统，具有高稳定性和高分辨率；此外，谐振频率是结构的固有属性，只取决于结构的机械性能，不受电路信号漂移的影响。因此，谐振式压力传感器具有精度高、长期稳定性好、分辨率高、抗干扰能力强和功耗低等优点，且精度优于0.01％FS。MEMS谐振式压力传感器是当今世界最具有综合技术优势的压力传感器，代表着高水平压力传感器技术，广泛应用于各类高精度测试领域，例如，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，成为各国传感器领域研究和开发的重点。
[0003]现有技术的缺陷和不足：在现有技术中，硅谐振压力传感器设计时主要考虑的因素为温度对传感器频率漂移的影响，但是如何避免加速度冲击对传感器的影响未见公开。在某些实际应用场景中，传感器会受到不同方向和大小的加速度作用，甚至会造成传感器结构发生较大的扭转变形，使得谐振梁的频率、应力和抬升高度等发生改变，导致传感器频率的非线性增大，进而影响传感器的性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，有效减少加速度冲击对耦合梁结构的影响，保证传感器工作的稳定性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所述一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，包括依次设置的玻璃层、谐振器层和敏感膜层，所述敏感膜层包括压力敏感膜和固定在压力敏感膜层上的两个硅岛；所述谐振器层包括分别与两个硅岛连接的第一可动锚点和第二可动锚点；
[0006]所述第一可动锚点一端的两侧分别与第一谐振梁以及第四谐振梁一端连接，第二可动锚点一端的两侧分别与第二谐振梁以及第三谐振梁一端连接，第一谐振梁和第二谐振梁另一端与第一质量块连接，第三谐振梁和第四谐振梁另一端与第二质量块连接；第一质量块与第二质量块通过耦合梁连接；所述耦合梁包括四根一端连接至连接点的单梁；
[0007]所述第一谐振梁和第二谐振梁外侧设置有第一激励结构，所述第一激励结构外设置有第一检测结构；所述第三谐振梁和第四谐振梁外侧设置有第二激励结构，第二激励结构外设置有第二检测结构。
[0008]进一步的，第一激励结构和第二激励结构相同，所述第一激励结构包括第一激励定齿和第二激励定齿，所述第一激励定齿一侧设置有第一激励动齿，另一侧与第一激励电极连接；所述第二激励定齿一侧设置有第二激励动齿，另一侧与第二激励电极连接。
[0009]进一步的，第一检测结构和第二检测结构相同；所述第一检测结构包括第一检测动齿，所述第一检测动齿)外侧设置有第一检测定齿，所述第一检测定齿与第一检测电极连接。
[0010]进一步的，第一激励结构和第一检测结构之间，以及第二激励结构和第二检测结构之间设置有屏蔽电极外框。
[0011]进一步的，第一可动锚点一端的两侧向外延伸悬置，两侧悬置部位分别与第一谐振梁和第四谐振梁一端连接；所述第二可动锚点一端的两侧向外延伸悬置，两侧悬置部位分别与第二谐振梁和第三谐振梁一端连接。
[0012]进一步的，压力敏感膜的平面尺寸为1500μm
×
1500μm至2000μm
×
2000μm，厚度为50μm～80μm。
[0013]进一步的，第一谐振梁、第二谐振梁、第三谐振梁和第四谐振梁的长度为400μm～600μm。
[0014]进一步的，第一谐振梁、第二谐振梁、第三谐振梁和第四谐振梁的宽度为16μm～24μm。
[0015]进一步的，硅岛布置于压力敏感膜沿谐振梁长度方向的最大变形区。
[0016]进一步的，玻璃层和谐振器层真空阳极键合封装。
[0017]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：
[0018](1)本专利技术的基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，其耦合梁由四个单梁组成，且四个单梁的一端通过连接点固定连接，另一端分别与两个质量块连接并构成四点接触式耦合梁，在满足对两质量块耦合并为谐振器提供刚度增大模态频率间隔的同时，还能够有效减少加速度冲击对耦合梁结构的影响，从而保证传感器工作的稳定性。
[0019](2)本专利技术采用的静电激励/电容检测结构，具有体积小、响应快、功耗低等优点，属于非接触式激励与检测方式，能够有效减少物理接触对传感器寿命的影响。
[0020](3)本专利技术采用压力敏感膜和谐振梁的二次敏感机理，即通过外界压力与敏感膜，敏感膜上硅岛与谐振梁的两次应力传递，将轴向应力放大的同时也隔绝了谐振梁振动方向与敏感膜片外界压力作用方向的直接能量耦合，可以提高传感器的品质因子，增加传感器工作的稳定性。
[0021]进一步的，屏蔽电极框结构的设计能够大幅减少激励结构与检测结构之间的耦合电容，并对谐振器中存在的某些寄生电容进行屏蔽，以保证传感器信号检测的稳定性。
[0022]进一步的，本专利技术在压力敏感膜片和谐振梁理论研究的基础上，通过优化压力敏感膜的平面尺寸和厚度、硅岛在敏感膜上的布置位置、谐振梁的长宽尺寸，采用桁架结构降低谐振器面外抬升高度等方法，结合ANSYS有限元仿真进行结构验证以及对上述参数进行迭代优化，使得本专利技术所设计的传感器结构在2MPa以内的外界压力下能够保持良好的精度与稳定性，满足较大压力工程领域应用需求。
[0023]进一步的，传感器采用硅—玻璃真空阳极键合封装，为谐振器层提供了更好的激励与检测环境。
[0024]进一步的，本专利技术中的谐振器为对称结构，其振动模态为平行反向振动，在振动过程中重心固定不动，振动方向与压力敏感膜片平行，能够有效减少外界压力与谐振器的能量耦合，进而提升传感器的品质因数Q。
附图说明
[0025]图1是本专利技术的整体结构的剖面示意图；
[0026]图2是本专利技术的谐振器层结构的平面示意图；
[0027]图3是图2中蛇形梁12的局部放大图；
[0028]图4是图2中虚线框局部结构的放大示意图；
[0029]图5是本专利技术的局部半剖图。
[0030]其中：1
‑
玻璃层，2
‑
谐振器层，3
‑
敏感膜层，4
‑
电极引线孔，5
‑
压力敏感膜，6
‑
硅岛，7
‑
背腔，81
‑
第一激励电极，82
‑
第二激励电极，83
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第三激励电极，84
‑
第四激励电极，91
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第一检测电极，92
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第二检测电极，10
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引线电极，11
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屏蔽电极外框，12
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蛇形梁，131
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，其特征在于，包括依次设置的玻璃层(1)、谐振器层(2)和敏感膜层(3)，所述敏感膜层(3)包括压力敏感膜(5)和固定在压力敏感膜(5)层上的两个硅岛(6)；所述谐振器层(2)包括分别与两个硅岛(6)连接的第一可动锚点(131)和第二可动锚点(132)；所述第一可动锚点(131)一端的两侧分别与第一谐振梁(141)以及第四谐振梁(144)一端连接，第二可动锚点(132)一端的两侧分别与第二谐振梁(142)以及第三谐振梁(143)一端连接，第一谐振梁(141)和第二谐振梁(142)另一端与第一质量块(191)连接，第三谐振梁(143)和第四谐振梁(144)另一端与第二质量块(192)连接；第一质量块(191)与第二质量块(192)通过耦合梁(20)连接；所述耦合梁(20)包括四根一端连接至连接点的单梁；所述第一谐振梁(141)和第二谐振梁(142)外侧设置有第一激励结构，所述第一激励结构外设置有第一检测结构；所述第三谐振梁(143)和第四谐振梁(144)外侧设置有第二激励结构，第二激励结构外设置有第二检测结构。2.根据权利要求1所述的一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，其特征在于，所述第一激励结构和第二激励结构相同，所述第一激励结构包括第一激励定齿(171)和第二激励定齿(172)，所述第一激励定齿(171)一侧设置有第一激励动齿(181)，另一侧与第一激励电极(81)连接；所述第二激励定齿(172)一侧设置有第二激励动齿(182)，另一侧与第二激励电极(82)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种基于静电激励电容检测的硅谐振压力传感器，其特征在于，所述第一检测结构和第二检测结构相同；所述第一检测结构包括第一检测动齿(161)，所述第一检测动齿(161)外侧设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：方续东，高博楠，方子艳，李瑜，饶浩，孙昊，吴晨，邓武彬，吴俊侠，赵立波，田边，韩香广，王淞立，王鑫垚，陈兆翔，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：