一种力敏谐振元件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种力敏谐振元件，包括两基部和两谐振梁，谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，凹槽的内壁以及谐振梁的侧壁分别覆盖有电极，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。谐振梁上每面的凹槽至少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为一体的端部浅凹槽构成。本力敏谐振元件电极的作用面距离短，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高，更适于传感器微型化制作。设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁的激振效率更高。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种力敏谐振元件
本技术涉及传感器
，尤其是一种应用于微型力学传感器上的力敏谐 振元件。
技术介绍
微型力学传感器作为一种检测力学参数的传感器，在多个领域得到了广泛的应 用。依据检测原理的不同，可以将力学传感器分为电容式、压阻式、谐振式等多个种类，其中 谐振式的灵敏度较高且为频率输出，可直接连接数字电路进行信号处理而无需模数信号转 换，成为目前一个重要的研究方向。力敏谐振元件是谐振式力学传感器的敏感元件，是谐振 式力学传感器的核心元件，它的结构及参数将直接影响传感器的整体性能。《传感器世界》(2007)上的文献《基于石英谐振器的测压传感器设计》，该文献中 采用AT切型的石英晶体平凸片作为谐振元件设计了一种高精度的谐振式压力传感器。该 种结构的谐振元件采用传统机械工艺进行加工，体积大且一致性差，不适合大批量生产。中国专利，专利名称《压力传感器元件及压力传感器》，申请号为: 201010126148.1。该专利设计了一种采用矩形截面且反向振动的双振梁作为谐振元件的压 力传感器，比较适合采用微加工工艺进行低成本批量化制作，但其谐振梁采用矩形截面结 构，电极的激励效率低，随着元件尺寸的进一步降低，振梁的激励振动幅值也会下降，稳定 性变差。
技术实现思路
有鉴于此，本技术所要解决的技术问题是提供一种适合批量化生产、微型化、 激振效率高的力敏谐振元件。为了实现上述目的，本技术采用的技术方案如下:一种力敏谐振元件，包括两基部和位于两基部之间且工作于宽度弯曲谐振模态的 谐振梁，所述谐振梁为相同结构的两根，谐振梁的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽， 所述凹槽的内壁以及谐振梁的侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方 向与所述谐振梁的振动方向垂直，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。进一步地，所述谐振梁上每面的凹槽至少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个 端部凹槽由两侧平行的端部深凹槽和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为 一体的端部浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧端部深凹槽和端部浅凹槽。所述谐振梁正面和背面均设置有所述凹槽且正面和背面对称设置。在所述谐振梁上位于两端部凹槽中部设有中部凹槽，每个中部凹槽由两侧平行的 中部深凹槽和位于两个中部深凹槽之间且与两个中部深凹槽连为一体的中部浅凹槽构成， 凹槽上的电极覆盖两侧中部深凹槽和中部浅凹槽。本技术谐振梁上的凹槽既可以正面和背面均设置，也可以单面设置，谐振梁 较薄时单面设置即可，避免刻蚀穿透。如果谐振梁较短，则不设置中部凹槽，只设置两端部凹槽。本技术的积极效果是:在谐振梁的前后两个面中至少一个面上制作凹槽，谐振梁的侧壁和凹槽的内壁分 别覆盖电极，在电极上施加电压，使得两根谐振梁内部产生电场方向相反的激励电场，由逆 压电效应激励两根谐振梁产生反向弯曲振动。当沿谐振梁长度方向的外部拉伸力或压缩力 作用到一对基部上时，基部将该作用力传递到谐振梁上并引起谐振梁产生沿长度方向的应 变，进而使得谐振梁的弯曲谐振频率发生变化并输出到外部电路。与现有矩形截面的谐振梁结构不同，本力敏谐振元件采用表面制作有凹槽的振梁 结构，电极的作用面距离短，相对于现有技术，谐振梁内的场强增大，电极的激励效率提高， 更适于传感器微型化制作。设置深凹槽，增加凹槽的侧壁陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁的激 振效率更高。端部浅凹槽和中部浅凹槽的中轴线重合，谐振梁的谐振稳定性强。【附图说明】图1a是本技术实施例1力敏谐振元件的结构示意图，图1b是其A-A剖视图，图1c是谐振梁内部的电场分布图；图2a是本技术实施例2力敏谐振元件的结构示意图，图2b是其A-A剖视图；图3a是本技术实施例3力敏谐振元件的结构示意图，图3b是其A-A剖视图；图4a至图4 e是本技术制作实施例1所述力敏谐振元件的工艺流程图。其中:1-力敏谐振元件；2-基部；3_谐振梁；4a_端部深凹槽；4b_端部浅凹槽； 5a_中部深凹槽；5b_中部浅凹槽；6a_第一电极；6b_第二电极；10_基片；11_下层掩蔽膜； 12-上层掩蔽膜；13_光刻胶。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本技术作进一步详细说明。实施例1:如图1a和图1b所示，一种力敏谐振元件I，包括上下平行设置的两个基部2，该两 个基部2之间平行对称设置有工作于宽度弯曲谐振模态的两根谐振梁3，所述谐振梁3的前 后两个面分别设置有三个凹槽-位于两端的端部凹槽和端部凹槽之间的中部凹槽。在凹槽 的内壁以及谐振梁的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方向与所 述谐振梁的振动方向垂直，两根谐振梁通过激励电源方向设置使之振动方向相反。每个端 部凹槽由两侧平行的端部深凹槽4a和位于两个端部深凹槽之间且与两个端部深凹槽连为 一体的端部浅凹槽4b构成，凹槽上的电极覆盖两侧端部深凹槽4a和端部浅凹槽4b。每个 中部凹槽由两侧平行的中部深凹槽5a和位于两个中部深凹槽之间且与两个中部深凹槽连 为一体的中部浅凹槽5b构成，凹槽上的电极覆盖两侧中部深凹槽5a和中部浅凹槽5b。图1c是谐振梁内部的电场分布图，从图上可以看出，谐振梁3设置的连接激励源 的一对电极:第一电极6a和第二电极6b,该两个电极之间施加一定的电压并在谐振梁3内 部产生激励电场，由逆压电效应激励谐振梁3产生宽度弯曲振动。如图1c所示，左、右两侧 的谐振梁3的第一电极6a和第二电极6b电动势相反，因此谐振梁内电场方向相反，两根谐 振梁3振动方向相反。当沿谐振梁3长度方向的外部拉伸力或压缩力作用到基部2上时，基部2将该作 用力传递到两根谐振梁3上并引起该两根谐振梁3产生沿长度方向的应变，进而使得谐振 梁3的弯曲谐振频率发生变化并输出到外部电路，外部电路根据弯曲谐振频率的变化得到 作用在基部2上的压力大小。谐振梁通过设置凹槽使两个电极之间的距离缩短，在一定电压下，谐振梁内的电 场强度更大。与现有的矩形截面的谐振梁相比，本力敏谐振元件的谐振梁3内的场强大，电 极的激励效率高，即使减小元件的尺寸，谐振梁的激励振幅下降也较小，力敏谐振元件的稳 定性较强，更适于传感器的微型化制作。端部浅凹槽4b和中部浅凹槽5b的两侧沿着该凹槽的侧壁下沉分别形成端部深 凹槽4a和中部深凹槽5a，在上述深凹槽内填充有与浅凹槽内壁的电极一体连接的电极，设 置深凹槽，增加凹槽侧壁的陡直度，以便提高电极的激励效率，使得谐振梁3的激振效率更闻。与矩形截面的谐振梁相比，在同等激励电压条件下，制作有深凹槽结构的谐振梁3 的有效激励电场强度明显增强，谐振梁3的振荡强度增大，动态阻抗值降低，有利于谐振元 件结构的进一步微型化。上述的端部浅凹槽4b和中部浅凹槽5b的中轴线都重合，谐振梁的谐振稳定性强。实施例2:如图2a和图2b所示，该实施例的力敏谐振元件与实施例1的力敏谐振元件结构 类似，不同的是谐振梁3只在前后面中一个面设置凹槽。为突出横截面的形状，图2b并没 有示出电极。对于厚度较薄的谐振梁，双面同时制作凹槽时，端部深凹槽4a和中部深凹槽5a处 易刻蚀穿，降低了谐振梁3的动态强度，同时谐振梁3谐振时的动态阻抗会增大，降低力敏 谐振元件的稳定性。本实施例中的单面制作凹槽的谐振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种力敏谐振元件，包括两基部（2）和位于两基部之间且工作于宽度弯曲谐振模态的谐振梁（3），其特征在于：所述谐振梁（3）为相同结构的两根，谐振梁（3）的正面和背面中至少有一个面上设有凹槽，所述凹槽的内壁以及谐振梁（3）的侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，该凹槽的开口方向与所述谐振梁（3）的振动方向垂直，两根谐振梁（3）通过激励电源方向设置使之振动方向相反。

【技术特征摘要】
1.一种力敏谐振元件，包括两基部(2)和位于两基部之间且工作于宽度弯曲谐振模态 的谐振梁(3)，其特征在于:所述谐振梁(3)为相同结构的两根，谐振梁(3)的正面和背面中 至少有一个面上设有凹槽，所述凹槽的内壁以及谐振梁(3)的侧壁分别覆盖有用于连接激 励电源的电极，该凹槽的开口方向与所述谐振梁(3)的振动方向垂直，两根谐振梁(3)通过 激励电源方向设置使之振动方向相反。2.根据权利要求1所述的力敏谐振元件，其特征在于:所述谐振梁(3)上每面的凹槽至 少包括位于谐振梁两端的端部凹槽，每个端部凹槽由两...

【专利技术属性】
技术研发人员：林丙涛，赵建华，董宏奎，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：实用新型
国别省市：