[发明专利]一种基于同步共振的压力检测装置及检测方法

说明书

本发明涉及一种基于同步共振的压力检测装置及检测方法，属于压力检测装置。包括2N个谐振单元、上基底和下基底，各谐振单元安装在边缘基座与中心基座之间，本发明利用布置于固支梁上的压电片的逆压电效应驱动梁振荡，当振动频率趋近于固支梁的固有频率时，通过耦合部分的作用，固支梁与悬臂梁发生同步共振，实现频率倍增。将N组数据进行误差对照，从而提高检测灵敏度和精度。在闭环反馈控制系统下对悬臂梁谐振频率进行检测，谐振频率的变化量表征待测压力的大小，具有高灵敏度、高精度、高分辨率的优点。

技术领域

本发明涉及一种压力检测装置，尤其是涉及一种基于同步共振的压力检测装置。

背景技术

现在市场上的压力检测装置主要有谐振式、压阻式和电容式。后两者的输出信号均为模拟量，需要用高精度调整电路对其进行信号处理，这种处理方式的缺点就是会导致测量精度的下降。而谐振式压力检测装置则是利用压力变化来改变梁的谐振频率，从而通过测量频率的变化来间接测量压力，可提高测量精度。由于谐振式压力检测装置输出的是准数字信号，因此具有测量灵敏度高、精度高、分辨率高、抗干扰能力强等特点，具有长距离传输而不会降低其精度的优势，比较适合对压力进行高精度检测。

利用MEMS工艺、精密加工或者其他精密加工方法制造的微压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高等优点，成为世界范围内具有战略性的研究领域。目前国内外对MEMS谐振式压力传感器的研究主要是硅微谐振式压力传感器，传感器的弹性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工艺加工。例如中国科学院电子学研究所的专利“一种梁膜分体结构谐振梁压力传感器”和厦门大学的发明专利“一种全对称硅微谐振式压力传感器”采用的都是一个振动单元包含一个振动梁。

发明内容

本发明提供一种基于同步共振的压力检测装置及检测方法，目的是提高现有压力传感器的测量精度、灵敏度、分辨率。

本发明采取的技术方案是：上基底的正面刻蚀上凹槽，在中心形成上单岛；上基底的背面刻蚀下凹槽，在中心形成下单岛，上凹槽内侧均布2N个边缘基座，N为正整数；上凹槽、下凹槽的圆心均位于上基底的轴线上，下基底上方与下单岛下方接触、且下基底与上基底四周固定连接在一起，2N个谐振单元的耦合部分分别与2N个边缘基座固定连接、固支梁分别与中心基底的侧面固定连接，中心基底的下方与上单岛上方接触。

所述上基底与下基底具有相同的外形尺寸、呈现圆柱状。

所述下基底的正面刻蚀了凹槽，凹槽和下单岛密封连接，凹槽的中心加工一个压力孔。

所述谐振单元的结构是：悬臂梁和固支梁分别与耦合部分连接，压电片一和压电片二分别安装在固支梁和悬臂梁的固定端。

一种基于同步共振的压力检测方法，包括下列步骤：

(1)在检测压力之前用电信号激励固支梁谐振，然后将压力或气体作用于下基底中心，待信号稳定后撤掉压力或气体；

(2)在压力的作用下，上基底的薄膜向上移动，进而迫使中心基座向上移动，改变固支梁的固有频率，在悬臂梁上拾取被放大的频率信号并输出；

(3)N组数据中满足误差条件范围内的所有数据求取平均值，作为最终的频率输出信号；

(4)通过输出频率和所受压力之间的关系来确定待测压力。

本发明的优点在于：采用一个谐振单元包含两个耦合在一起的振动梁，利用同步共振效应，使得耦合在一起的固支梁与悬臂梁输出信号将按照二者频率比倍增，从而使得输出的频率更大，灵敏度和分辨率增大。此外，中心对称布置的2N个谐振单元中，将N组数据进行误差对照，以及单元信号的叠加放大，可提高检测精度。采用MEMS工艺、精密加工或者其他精密加工方法制作的上下基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等优良特性，基底正面设计粘接凸台和背面设计单岛可以提高线性度。结合此二者优点，本发明设计制作的基于新型同步共振结构的谐振式压力传感器芯片，具有高灵敏度、高精度、高分辨率、线性度好等特点。