[发明专利]基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器

说明书

本发明公开了基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，基于双H型谐振梁对称耦合设计，包括谐振器和压力敏感膜，谐振器通过锚点与压力敏感膜连接，谐振器包括谐振梁和耦合梁、拾振梁，压力敏感膜受压力载荷后带动锚点运动，锚点将变形传递到谐振梁上，改变谐振梁的内应力，从而使谐振梁的固有频率发生变化。两侧谐振梁上布置有激励线路，激励线路内部通有交流电，在永磁场中产生方向相反的洛伦兹力，完成谐振梁驱动。拾振梁布置在耦合梁内侧，当谐振器处于工作模态时候，谐振梁产生相对运动，耦合梁带动拾振梁产生变形，从而改变拾振梁上压敏电阻的内应力，则压敏电阻阻值随之改变，通过检测电阻信号完成谐振频率拾取。

技术领域

本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于电磁激励压阻检测的面内振动谐振式压力传感器芯片。

背景技术

硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，通过检测谐振结构的固有频率来间接测量压力，为准数字输出。其精度主要受机械结构力学特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有频带宽、结构紧凑、功耗低、体积小、重量轻和可批量生产等优点，一直是各国科研机构研究的重点。硅微谐振式压力传感器可以应用于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，可以做成压力探头嵌入机身和机翼等用于分布压力测量，是大型运输机、新型战斗机、空天飞行器、巡航导弹、航空母舰、直升机和无人机等重大工程的核心器件。

在硅微谐振式压力传感器研发方面，英国、日本、法国、美国等国家已经取得了一系列的成果。目前已经成功商业化且大批量应用的硅微谐振式压力传感器主要有两家公司，分别是英国DRUCK公司与日本横河电机株式会社。英国的DRUCK公司的硅微谐振式压力传感器主要是静电激励和压阻检测的方式，其敏感部分主要由谐振层、锚点、压力敏感膜片和四周固定的边框四部分组成，其中谐振子是采用浓硼自停止刻蚀技术得到的，综合精度优于0.01％FS，测量范围为10-1300mbar。日本横河电机株式会社的硅微谐振式压力传感器则采用电磁激励、电磁检测的工作方式，其谐振层是利用选择性外延生长和牺牲层技术得到，谐振梁位于真空腔内，并嵌入在压力敏感膜片的上表面，综合精度优于0.02％FS，温度系数小于5ppm/K。

目前大多数的谐振式压力传感器均采用静电激励，静电激励普遍采用叉指电极驱动，驱动能力较小，需要通入较高的直流偏置电压与交流电压才能完成正常驱动，叉指电极的引入又会引入高深宽比的深硅刻蚀加工，提高了加工难度；大部分静电激励的谐振式传感器中，在加载后容易造成可动电极面外位移波动，从而加大闭环控制难度，所以需要开发其他激励方式来解决以上问题。同时，国内外广泛研究的电容拾振谐振式压力传感器的电容拾振信号极为微弱，需要配备较大倍数的放大电路才能完成，且激励电极与拾振电极之间非常容易造成信号的串扰，拾振较为困难，而压阻拾振则具有较高的信号抗干扰能力，无需外部放大即可对信号进行有效拾取。

发明内容

本发明提出了一种基于电磁激励压阻检测的面内振动硅微谐振式压力传感器，在保证谐振梁驱动性能的前提下，提升信号的抗干扰特性，提升传感器的测量稳定性，同时也降低了加工难度。