【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及压力传感器，尤其涉及一种采用双膜三梁结构的压电谐振式压力传感器及压力测量方法。
技术介绍
1、压力传感器是用于测量液体或气体压强的检测装置，而高精度压力传感器是精确压力表征的核心组件。随着科学技术的发展与进步，系统的自动化程度和复杂性越来越高，导致系统对压力传感器精度要求高的同时对灵敏度的指标也提出了高要求。在许多应用中，都需要精确、快速的压力测量以确保安全性、性能评估、设计验证和工艺优化等。例如，在军事领域，高精度高灵敏度的压力传感器用于准确、快速测量飞机飞行的高度、速度、攻角等参数，以提高相应飞行的准确性与安全性；目前压力传感器可分为谐振式、电容式、压阻式。谐振式压力传感输出为准数字信号、抗干扰能力强、高的信噪比等优点，是目前精度最高的压力传感器，因此被广泛地应用。
2、现有技术中，谐振式压力传感器的精度和灵敏度是其主要工作指标。其主要受温度和封装的影响，单谐振器的结构无法实现温度的自补偿，容易受到温度和封装应力的影响；而集成温度传感器的压力传感器由于温度场的不确定性和传输的迟滞性，无法精确感知片上温度；基于静电激励电容检测/压阻检测的谐振式压力传感器结构复杂、工艺依赖性大，热激励会受到热噪声的影响。同时都需要高真空封装保证精度；单个敏感膜片的谐振式压力传感器压力灵敏度有限，无法在保证高精度输出的同时实现高灵敏度的压力表征，从而限制了谐振式压力传感器性能的提升。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种压电谐振式压力传感器及压力
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：所述的一种压电谐振式压力传感器，其特点在于包括应力隔离层、双膜基底层和压电谐振层，所述的应力隔离层上设置有第一导压孔和第二导压孔；所述的双膜基底层包括第一压力敏感薄膜、第二压力敏感薄膜和支撑边框，第一凸台和第二凸台设置在第一压力敏感薄膜上，第三凸台和第四凸台设置在第二压力敏感薄膜上；所述的压电谐振层包括通过电极依次相连的第一压电谐振梁、第二压电谐振梁和第三压电谐振梁。
3、所述的应力隔离层、双膜基底层和压电谐振层自下而上依次采用微机电系统(micro electro mechanical system mems)工艺中键合工艺连接，所述的第一压力敏感薄膜与第一导压孔同几何中心对应设置，所述的第二压力敏感薄膜与第二导压孔同几何中心对应设置。
4、所述的第一压电谐振梁一端设置有第一上电极和第二下电极，第一压电谐振梁另一端和第二压电谐振梁之间对应设置有第一下电极、第二上电极、第三上电极和第四下电极；第二压电谐振梁与第三压电谐振梁一端之间设置有第三下电极、第四上电极、第五上电极和第六下电极；所述的第三压电谐振梁另一端还设置有第五下电极和第六上电极，第一上电极、第一下电极、第三上电极、第三下电极、第五上电极和第五下电极为第一压电谐振梁、第二压电谐振梁和第三压电谐振梁实现逆压电激励的激励电极；第二上电极、第二下电极、第四上电极、第四下电极、第六上电极和第六下电极分别为第一压电谐振梁、第二压电谐振梁和第三压电谐振梁实现压电检测的检测电极。
5、所述的第一上电极和第二下电极设置在第一压电谐振梁端部并对应设置在第一凸台上；第一下电极和第二上电极、第三上电极和第四下电极对应设置在第一压电谐振梁与第二压电谐振梁相连的端部并设置在第二凸台上；第三下电极和第四上电极、第五上电极和第六下电极对应设置在第二压电谐振梁与第三压电谐振梁相连的端部并设置在第三凸台上；第五下电极和第六上电极设置在第三压电谐振梁端部并对应设置在第四凸台上；带有第一凸台和第二凸台的第一压力敏感薄膜、带有第三凸台、第四凸台的第二压力敏感薄膜和第一压电谐振梁、第二压电谐振梁、第三压电谐振梁形成双膜三梁结构。
6、所述的第一压电谐振梁、第二压电谐振梁和第三压电谐振梁为层状结构，层状结构是采用磁控溅射的工艺在主体材料层上一层一层自下而上依次叠加的上电极金层、压电材料层、下电极金层，所述的压电材料层为氧化锌、氮化铝或钛酸铅构成的压电材料层，所述的主体材料层为硅、氮化硅或碳化硅材料。
7、所述的第一压电谐振梁和第三压电谐振梁分别对应悬空设置在第一压力敏感薄膜和第二压力敏感薄膜上方，第二压电谐振梁悬空在第二凸台和第三凸台之间；所述的第一压力敏感薄膜和第二压力敏感薄膜将薄膜承受的外部压力转换成膜片的横向位移，并通过其上相应的凸台结构将该处受压时产生的位移进行放大，并传递到相应谐振梁上，提高压力灵敏度。
8、所述的第一压力敏感薄膜和第二压力敏感薄膜的形状为长方形、正方形或圆形。其尺寸设计需结合灵敏度需求进行设计。
9、所述的第一凸台、第二凸台、第三凸台和第四凸台设置在第一压力敏感薄膜和第二压力敏感薄膜的最小应力、最大横向位移处，形状为正方形、长方形或多边形。其尺寸设计需结合灵敏度需求进行设计。
10、一种压电谐振式压力传感器的压力测量方法，其特征在于采用逆压电激励压电检测的方式，包括如下步骤：
11、第一步：取两根压电谐振梁的频率变化进行待测压力的表征，根据不同压力下谐振梁的固有频率不同，测出前后的频率变化得到待测压力，测试时，三根压电谐振梁取其中两根梁作为测试对象，其中第一压电谐振梁和第三压电谐振梁取其一为第一根，第二压电谐振梁为第二根；
12、第二步：当待测压力作用于压力敏感膜片上时，基于双膜三梁结构，第一压电谐振梁、第三压电谐振梁基于凸台的耦合力学原理受拉，间接引起第二压电谐振梁受压，从而造成谐振梁轴向应力发生变化，最终引起谐振梁的固有频率发生变化；由于谐振梁的尺寸相同，因此谐振梁受拉和受压的变形相同，谐振梁的谐振频率变化相同，第一压电谐振梁、第三压电谐振梁和第二压电谐振梁灵敏度大小相等，方向相反，通过差频理论实现传感器压力灵敏度的提高。
13、进一步，所述的第一步中通过差频理论实现传感器灵敏度的提高，其原理如下：
14、根据双端固支梁谐振频率和轴向应力的关系，当第一压电谐振梁、第三压电谐振梁受拉时：
15、
16、
17、式中，f1p是当待测压力为p时第一压电谐振梁、第三压电谐振梁受拉时的谐振频率；f01是当待测压力为p0＝0pa时第一压电谐振梁的固有频率，σp是当待测压力为p时第一压电谐振梁、第二压电谐振梁、第三压电谐振梁的轴向应力；σc是第一压电谐振梁、第二压电谐振梁、第三压电谐振梁的临界应力；s拉是第一压电谐振梁、第三压电谐振梁的灵敏度；δf是谐振频率变化；δp是压力变化；
18、当第二压电谐振梁梁受压时：
19、
20、
21、式中，f2p是当待测压力为p时第二压电谐振梁受压的谐振频本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，包括应力隔离层(1)、双膜基底层(2)和压电谐振层(3)，所述的应力隔离层(1)上设置有第一导压孔(11)和第二导压孔(12)；所述的双膜基底层(2)包括第一压力敏感薄膜(21)、第二压力敏感薄膜(22)和支撑边框(23)，第一凸台(211)和第二凸台(212)设置在第一压力敏感薄膜(21)上，第三凸台(221)和第四凸台(222)设置在第二压力敏感薄膜(22)上；所述的压电谐振层(3)包括通过电极依次相连的第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)和第三压电谐振梁(33)。
2.如权利要求1所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的应力隔离层(1)、双膜基底层(2)和压电谐振层(3)自下而上依次采用微机电系统工艺中键合工艺连接，所述的第一压力敏感薄膜(21)与第一导压孔(11)同几何中心对应设置，所述的第二压力敏感薄膜(22)与第二导压孔(12)同几何中心对应设置。
3.如权利要求1所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一压电谐振梁(31)一端设置有第一上电极(311)和第二下电极(31
4.如权利要求1或2或3所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一上电极(311)和第二下电极(313)设置在第一压电谐振梁(31)端部并对应设置在第一凸台(211)上；第一下电极(312)和第二上电极(314)、第三上电极(321)和第四下电极(323)对应设置在第一压电谐振梁(31)与第二压电谐振梁(32)相连的端部并设置在第二凸台(212)上；第三下电极(322)和第四上电极(324)、第五上电极(331)和第六下电极(333)对应设置在第二压电谐振梁(32)与第三压电谐振梁(33)相连的端部并设置在第三凸台(221)上；第五下电极(332)和第六上电极(334)设置在第三压电谐振梁(33)端部并对应设置在第四凸台(222)上；带有第一凸台(211)和第二凸台(212)的第一压力敏感薄膜(21)、带有第三凸台(221)、第四凸台(222)的第二压力敏感薄膜(22)和第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)、第三压电谐振梁(33)形成双膜三梁结构。
5.如权利要求4所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)和第三压电谐振梁(33)为层状结构，层状结构是采用磁控溅射的工艺在主体材料层上一层一层自下而上依次叠加的下电极金层、压电材料层、上电极金层，所述的压电材料层为氧化锌、氮化铝或钛酸铅构成的压电材料层，所述的主体材料层为硅、氮化硅或碳化硅材料。
6.如权利要求4所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一压电谐振梁(31)和第三压电谐振梁(33)分别对应悬空设置在第一压力敏感薄膜(21)和第二压力敏感薄膜(22)上方，第二压电谐振梁(32)悬空在第二凸台(212)和第三凸台(221)之间。
7.如权利要求6所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一压力敏感薄膜(21)和第二压力敏感薄膜(22)的形状为长方形、正方形或圆形。
8.如权利要求4所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一凸台(211)、第二凸台(212)、第三凸台(221)和第四凸台(222)设置在第一压力敏感薄膜(21)和第二压力敏感薄膜(22)的最小应力、最大横向位移处，形状为正方形、长方形或多边形。
9.一种压电谐振式压力传感器的压力测量方法，其特征在于采用逆压电激励压电检测的方式，包括如下步骤：
10.如权利要求9所述的一种压电谐振式压力传感器的压力测...
【技术特征摘要】
1.一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，包括应力隔离层(1)、双膜基底层(2)和压电谐振层(3)，所述的应力隔离层(1)上设置有第一导压孔(11)和第二导压孔(12)；所述的双膜基底层(2)包括第一压力敏感薄膜(21)、第二压力敏感薄膜(22)和支撑边框(23)，第一凸台(211)和第二凸台(212)设置在第一压力敏感薄膜(21)上，第三凸台(221)和第四凸台(222)设置在第二压力敏感薄膜(22)上；所述的压电谐振层(3)包括通过电极依次相连的第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)和第三压电谐振梁(33)。
2.如权利要求1所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的应力隔离层(1)、双膜基底层(2)和压电谐振层(3)自下而上依次采用微机电系统工艺中键合工艺连接，所述的第一压力敏感薄膜(21)与第一导压孔(11)同几何中心对应设置，所述的第二压力敏感薄膜(22)与第二导压孔(12)同几何中心对应设置。
3.如权利要求1所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一压电谐振梁(31)一端设置有第一上电极(311)和第二下电极(313)，第一压电谐振梁(31)另一端和第二压电谐振梁(32)之间对应设置有第一下电极(312)、第二上电极(314)、第三上电极(321)和第四下电极(323)；第二压电谐振梁(32)与第三压电谐振梁(33)一端之间设置有第三下电极(322)、第四上电极(324)、第五上电极(331)和第六下电极(333)；所述的第三压电谐振梁(33)另一端还设置有第五下电极(332)和第六上电极(334)，第一上电极(311)、第一下电极(312)、第三上电极(321)、第三下电极(322)、第五上电极(331)和第五下电极(332)为第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)和第三压电谐振梁(33)实现逆压电激励的激励电极；第二上电极(314)、第二下电极(313)、第四上电极(324)、第四下电极(323)、第六上电极(334)和第六下电极(333)分别为第一压电谐振梁(31)、第二压电谐振梁(32)和第三压电谐振梁(33)实现压电检测的检测电极。
4.如权利要求1或2或3所述的一种压电谐振式压力传感器，其特征在于，所述的第一上电极(311)和第二下电极(313)设置在第一压电谐振梁(31)端部并对应设置在第一凸台(211)...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗剑，郭征，张元英，马炳和，邓进军，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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