[发明专利]一种多级悬臂梁结构及其仿生压差传感器

说明书

本发明公开了一种多级悬臂梁结构，该结构包括一个一级主梁、多个二级侧梁以及多个三级辅梁；二级侧梁与一级主梁连接，多个二级侧梁对称分布在一级主梁的两侧，二级侧梁与一级主梁相互垂直；三级辅梁与二级侧梁连接，多个三级辅梁对称分布在二级侧梁的两侧，三级辅梁与二级侧梁相互垂直；二级侧梁的刚度小于一级主梁的刚度，将本发明的多级悬臂梁结构应用到仿生压差传感器，实现了低压差下传感器灵敏度高以及高压差下传感器测量量程大的效果。

技术领域

本发明涉及微机械电子气体压差测量领域，特别是涉及一种多级悬臂梁结构及其仿生压差传感器。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)压差传感器以其小尺寸、低成本、可批量生产及高性能等优点被广泛地应用于航空航天及中央空调系统等领域。目前有薄膜式与悬臂梁式两种MEMS压差传感器，在相同压差作用下，由于悬臂梁是三端为自由端，所以悬臂梁能产生更大的弯曲变形即具有更高的灵敏度。因此，对于微小压差的测量，悬臂梁式的MEMS压差传感器更具优越性，但是，测量较大压差时，悬臂梁更易弯曲变形的特性会更快达到弯曲程度的饱和，因此悬臂梁式的MEMS压差传感器的量程更小，通过减小单级悬臂梁的受力面积能增大量程，因为受力面积较小时，作用在悬臂梁上的力相同时，所需要的压差是更大的，因此通过减小受力面积能增大测量的量程，现有技术中通过减小单级悬臂梁的尺寸进而减小单级悬臂梁的受力面积，从而提高测量的量程，但这同时会导致测低压差时单级悬臂梁的灵敏度降低的问题，因此，仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现传感器灵敏度与量程两项指标的双提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级悬臂梁结构及其仿生压差传感器，以解决现有技术中仅通过改变单级悬臂梁的尺寸无法实现传感器灵敏度与量程两项指标的双提升的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多级悬臂梁结构，包括：一个一级主梁、多个二级侧梁以及多个三级辅梁；

所述二级侧梁与所述一级主梁连接，多个所述二级侧梁对称分布在所述一级主梁的两侧，所述二级侧梁与所述一级主梁相互垂直；所述三级辅梁与所述二级侧梁连接，多个所述三级辅梁对称分布在所述二级侧梁的两侧，所述三级辅梁与所述二级侧梁相互垂直；所述二级侧梁的刚度小于所述一级主梁的刚度。

一种基于多级悬臂梁结构的仿生压差传感器，包括：上导压口、上封装腔体、传感膜片、下封装腔体、外接信号引线、下导压口、参考电阻、信号引线、压阻单元以及多级悬臂梁结构；所述多级悬臂梁结构包括一个一级主梁、多个二级侧梁以及多个三级辅梁；所述二级侧梁与所述一级主梁连接，多个所述二级侧梁对称分布在所述一级主梁的两侧，所述二级侧梁与所述一级主梁相互垂直；多个所述三级辅梁对称分布在所述二级侧梁的两侧；所述二级侧梁的刚度小于所述一级主梁的刚度；

所述传感膜片位于所述上封装腔体和所述下封装腔体构成的密封腔体的中间位置，所述参考电阻、所述信号引线、所述压阻单元以及所述多级悬臂梁结构均位于所述传感膜片上，均与所述传感膜片接触；所述压阻单元与所述多级悬臂梁结构的根部连接；所述信号引线分别与所述参考电阻以及所述压阻单元相连接，所述信号引线用于输出所述参考电阻以及所述压阻单元的阻值信号；所述外接信号引线与所述信号引线连接，设置在所述下封装腔体上；所述上导压口与所述上封装腔体连接；所述下导压口与所述下封装腔体连接；

第一气体压力通过所述上导压口进入所述上封装腔体，第二气体压力通过所述下导压口进入所述下封装腔体，所述第一气体压力与所述第二气体压力在所述传感膜片的上、下两侧形成压差，所述多级悬臂梁结构在所述压差的作用下产生弯曲变形并在根部产生应变，所述压阻单元根据所述应变产生阻值信号，所述信号引线通过所述外接信号引线将所述阻值信号输出，根据所述压差与所述阻值信号得到所述压差与所述阻值信号的关系。

可选地，所述传感膜片与所述多级悬臂梁结构的材质为树脂；所述压阻单元与所述参考电阻的材质为单晶硅。