[发明专利]激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，涉及一种激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器。

背景技术

硅微谐振式压力传感器由于分辨力、稳定性、重复性优异和便于与计算机接口等优点广泛应用于工业自动化、仪器仪表等领域，尤其适用于航空大气压力测试系统。图1为一种典型的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器敏感结构示意图，主要包括感压膜片1、双端固支谐振梁2、激励电阻5和拾振电阻6。被测压力作用于感压膜片1并使其发生变形，感压膜片1的变形引起固定于感压膜片1上表面的双端固支谐振梁2的内应力发生变化，进而改变谐振梁2的一阶固有频率。谐振梁2中部的热激励电阻5引起的材料热膨胀效应激励谐振梁2以一阶模态振动；谐振梁根部的拾振电阻6通过压阻效应拾取谐振梁2的振动信号，根据谐振梁2的固有振动频率即可换算出被测压力值。该电热激励-压阻拾振方法的优点在于激励电阻5和拾振电阻6的加工工艺与硅微机械加工工艺完全兼容、传感器结构简单、加工成本低。然而，激励信号通过激励电阻5和拾振电阻6间的分布电容耦合到输出端的同频电容耦合干扰成为微弱拾振信号最主要的干扰源之一，极大增加了信号检测难度。此外，电阻电热效应使谐振梁2温度升高，由此产生的热应力使谐振梁2的固有频率发生漂移，降低了传感器测量精度。

为降低同频电容耦合干扰，发表在《航空学报》上的文献《硅谐振压力微传感器开环测试中的信号处理技术》提出一种对称激励方法：将激励电阻5和拾振电阻6理想化为“点电荷”，在激励电阻5的两端施加幅度相同、相位相反的对称激励信号。然而，一方面将激励电阻5和拾振电阻6理想化为点电荷存在一定理论误差；另一方面受反相器性能影响，加在激励电阻5两端的激励信号不可能完全对称，影响了消除电容耦合干扰的效果。另外，为消除电容耦合干扰还可参考文献T.Corman，et al，“Burst”Technology with Feedback-Loop Control for Capacitive Detection and Electrostatic Excitation of Resonant Silicon Sensors，IEEE Transactions on Electron Devices，2000，47(11)：2228-2235中提出的间歇(Burst)激励方法，拾取谐振梁2振动信号时断开激励信号，使激励信号和拾振信号在时间上分离，从而消除激励电阻5对拾振电阻6的电容耦合干扰。然而激励信号断开后谐振梁2自由振动的振幅按指数规律迅速衰减，增加了信号检测难度，控制电路也较复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为解决现有电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器中激励电阻对拾振电阻的同频电容耦合干扰问题和减轻电阻电热效应引起的谐振梁固有频率漂移，而将激励电阻和拾振电阻合并，提出一种激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器。

本发明的技术解决方案：激励和拾振合一的电热激励-压阻拾振谐振梁压力传感器包括：感压膜片1、双端固支谐振梁2、激励-拾振电阻3和锁相闭环电路4；双端固支谐振梁2固定于感压膜片1的上表面，被测压力直接作用于感压膜片1的下表面并使感压膜片1发生变形，感压膜片1的变形引起双端固支谐振梁2的内应力发生变化，进而改变其固有频率，检测并跟踪谐振梁2的固有频率即可得到被测压力值。所述检测并跟踪谐振梁2固有频率的实现方法为：将频率为ω的正弦电压信号u_e(t)施加于激励-拾振电阻3，一方面u_e(t)起到激励作用，激励-拾振电阻3产生的交变热功率引起的材料热膨胀效应驱动谐振梁2以频率2ω振动，由于压阻效应，激励-拾振电阻3的阻值也以频率2ω随谐振梁2振动而变化；另一方面u_e(t)起到调制作用，使激励-拾振电阻3中产生频率为3ω的电流分量，该交变电流分量包含谐振梁2振动的相位信息，锁相闭环电路4利用谐振梁2振动的相位信息将谐振梁2的振动频率锁定于固有频率，实现了对固有频率的跟踪和检测。

所述激励-拾振电阻3通过微机械加工工艺制作于谐振梁2的根部。

所述感压膜片1和双端固支谐振梁2均采用硅作为材料。