專利名稱：一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器。
技術(shù)背景壓力傳感器是一種航空、航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的對大氣壓力進行測量的傳感器。諧振式 微機械壓力傳感器由于體積小、質(zhì)量輕、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強、測量精度高而非常適 合航空航天應(yīng)用，成為國內(nèi)外研究熱點。目前，國外已有許多科研機構(gòu)在進行相關(guān)研究并有 相關(guān)產(chǎn)品問世，典型的產(chǎn)品有英國DRUCK公司Greenwood等人J.C.Greenwood and D."W.Satchell, Miniature silicon resonant pressure sensor, IEE Proc. 135(5)， 1988: 369-372.禾口 J. Greenwood and T.Wray， High accuracy pressure measurement with a silicon resonant sensor, Sensors and Actiators, A37-38, 1993:82-85.研制的利用靜電激勵、電容拾振的具有"蝶"形結(jié)構(gòu)敏 感元件的硅諧振式壓力傳感器以及日本橫河電機株式會社研制的采用電磁激勵、電磁拾取的 諧振式硅壓力傳感器K.Ikeda, H.Kuwayama， T.Kobayashi， et al, Silicon pressure sensor integrates resonant strain gauge on diaphragm, Sensors and Actuators, A21，卜3，1990:146-150.。雖然上述該 兩種傳感器目前己經(jīng)實現(xiàn)了市場化，但是其共同存在的問題就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作成本高、成 品率相對較低，依我國目前的微機械加工工藝技術(shù)水平，加工難度很大。另一方面，對于諧 振式傳感器，不管采取靜電激勵或者電磁激勵，還是其他激勵方式，溫度等環(huán)境因素的變化， 都會不可避免地引起敏感元件諧振頻率的變化，從而引起測量誤差。其中，溫度變化引起的 諧振頻率的漂移，不僅影響了傳感器的測量精度，更是影響了傳感器的工作穩(wěn)定性。目前， 大多數(shù)傳感器都采用測溫原理進行補償，一方面由于測得的溫度與敏感元件實際溫度有偏差， 另一方面所采用溫度補償模型和實際情況也有偏差，測溫補償只能部分消除溫度變化引起的 測量誤差。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、補償精度高、 測試精度高的雙諧振梁式微機械壓力傳感器。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于它由感壓膜片、非感壓區(qū)、諧振工作 梁和諧振補償梁四部分組成；感壓膜片為一矩形膜片，位于整個壓力傳感器結(jié)構(gòu)的中央；非 感壓區(qū)位于感壓膜片周邊，感壓膜片周邊固支在非感壓區(qū)的內(nèi)壁上；諧振工作梁雙端固支于 感壓膜片上表面中央處，諧振補償梁雙端固支于非感壓區(qū)上表面上。所述非感壓區(qū)為中間開孔的結(jié)構(gòu)，開孔的長寬尺寸沿厚度方向在感壓膜片的厚度范圍內(nèi)， 與感壓膜片的長寬尺寸完全一致，.在其他厚度位置處，可以與感壓膜片的長寬方向的尺寸保 持一致，也可以不一致。所述感壓膜片的上表面可以和非感壓區(qū)的上表面處于同一水平面，也可以高于或者低于 非感壓區(qū)的上表面。所述感壓膜片和非感壓區(qū)在結(jié)構(gòu)上可以由相互獨立的部分組成，也可以加工成為一個整體。所述感壓膜片同時敏感被測壓力和環(huán)境因素的共同作用并產(chǎn)生相應(yīng)變形。 所述非感壓區(qū)只受環(huán)境因素的影響，不敏感被測壓力的作用。所述諧振補償梁位于非感壓區(qū)的內(nèi)邊界和外邊界之間滿足雙端固支條件的區(qū)域內(nèi)，諧振 補償梁與諧振工作梁平行且?guī)缀纬叽绱笮∫恢?。所述的諧振補償梁與諧振工作梁所采用的振動激勵、振動檢測方式以及相關(guān)參數(shù)均一致。所述的各部分所采用的材料均一致，可以為硅、或者氮化硅、或者石英、或者金屬鎢、 或者恒彈合金以及其他材料。本發(fā)明的原理和工作過程是被測壓力作用于感壓膜片下表面，使膜片發(fā)生相應(yīng)變形， 該變形通過諧振工作梁的固支邊界轉(zhuǎn)化為其內(nèi)應(yīng)力，從而改變諧振工作梁的諧振頻率，工作 過程中諧振工作梁始終處于諧振狀態(tài)，理想情況下，諧振工作梁的諧振頻率與外界壓力的對應(yīng)關(guān)系為Z-g(p)，其中^為外界壓力，/為與之對應(yīng)的諧振工作梁的諧振頻率，故由檢測到的諧振工作梁的諧振頻率可以解算出當前被測壓力值，實現(xiàn)壓力測量。但是在實際應(yīng)用過 程中，環(huán)境因素如溫度等的變化也將引起諧振工作梁諧振頻率的變化，即,。=/ (77)，其中^為 環(huán)境因素，人為環(huán)境因素引起的諧振工作梁諧振頻率的變化，故實際檢測到的頻率為 /。=/ + /。 =g(P) + ^7)，導(dǎo)致了測量誤差。本發(fā)明通過諧振補償梁實時消除該偏差。諧振 補償梁雙端固支于非感壓區(qū)表面上，和諧振工作梁平行且?guī)缀纬叽缫恢拢ぷ鲿r諧振補償梁 始終處于諧振狀態(tài)，它不敏感感壓膜片的變形，因此不敏感被測壓力的變化，它只敏感與諧 振工作梁相同的環(huán)境因素如溫度等的實時變化，又由于諧振補償梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及振動激勵和拾取方式均與諧振工作梁一致，故諧振補償梁的諧振頻率與環(huán)境因素的變化關(guān)系為 《=/Z(77)=/。，其中7為環(huán)境因素，,為環(huán)境因素引起的諧振補償梁的頻率變化。檢測時將諧振工作梁和諧振補償梁的諧振頻率進行差分，即乂 =/。—, =/+ /;-/。 =/，就能獲得諧 振工作梁諧振頻率的理想值，達到實時補償?shù)哪康模瑥亩岣邆鞲衅鞯臏y量精度和穩(wěn)定性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1) 本發(fā)明采用雙端固支梁作為敏感結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，降低了制作難度，同時也提高了 成品率。(2) 本發(fā)明采用雙諧振梁的結(jié)構(gòu)，完全補償由于環(huán)境因素引起的誤差，相對于測溫補償， 提高了補償?shù)木群蛡鞲衅鞯臏y量精度和穩(wěn)定性。


圖1為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的仰視圖； 圖2b為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的俯視圖； 圖3a為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的c-c'剖視圖； 圖3b為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的b-b'剖視圖； 圖3c為一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器的a-a'剖視圖； 圖中l(wèi)為感壓膜片、2為非感壓區(qū)、3為諧振工作梁、4為諧振補償梁。
具體實施方式
下面結(jié)合一種具體實施方式
及其附圖詳細介紹本發(fā)明。如圖l、圖2、圖3所示，本實施例的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，包括感壓膜片 1、非感壓區(qū)2、諧振工作梁3和諧振補償梁4四部分；其中各部分所采用的材料均一致，可 以為硅、或者氮化硅、或者石英、或者金屬鎢、或者恒彈合金以及其他材料，本實施例以選 取材料硅為例來介紹；其中感壓膜片1位于結(jié)構(gòu)中央，為一正方形膜片，其邊長方向的尺寸 遠大于厚度尺寸；非感壓區(qū)2位于感壓膜片1周邊，為中間開孔的結(jié)構(gòu)，在感壓膜片1的厚 度范圍內(nèi)，孔徑與感壓膜片1的孔徑完全一致，從與感壓膜片1的下表面相平的厚度位置開 始，孔徑沿厚度方向逐漸增加，為一個方形孔和方形喇叭孔的結(jié)合；感壓膜片l周邊固支在 非感壓區(qū)2的內(nèi)壁上；感壓膜片1和非感壓區(qū)2在功能上為兩個獨立的部分，在結(jié)構(gòu)上可以 由相互獨立的部分組成，也可以加工成為一個整體；感壓膜片1敏感被測壓力產(chǎn)生相應(yīng)變形， 非感壓區(qū)2不敏感被測壓力的作用；諧振工作梁3雙端固支于感壓膜片1上表面中央處，直接感受感壓膜片l的變形，從而改變自身諧振頻率，諧振工作梁3在工作過程中始終處于諧 振狀態(tài)，通過閉環(huán)系統(tǒng)檢測該諧振頻率，獲得對應(yīng)的被測壓力值；實際上，諧振工作梁3的 諧振頻率同時受被測壓力和環(huán)境因素如溫度等的影響；諧振補償梁4雙端固支于非感壓區(qū)2 上表面上，位于非感壓區(qū)2的內(nèi)邊界和外邊界之間滿足雙端固支條件的區(qū)域內(nèi)，與諧振工作 梁3平行且?guī)缀纬叽缫恢?，諧振工作梁4在工作過程中也始終處于諧振狀態(tài)，通過閉^^系統(tǒng) 檢測該諧振頻率；諧振補償梁4不受被測壓力的影響，其諧振頻率只受環(huán)境因素如溫度等的 影響，將諧振工作梁3的諧振頻率和諧振補償梁4的諧振頻率進行差分，即可消除由于環(huán)境 因素，特別是環(huán)境溫度引起的諧振工作梁3諧振頻率的變化，從而提高了傳感器的測量精度 和穩(wěn)定性。雙諧振梁微機械壓力傳感器的感壓膜片1固支在非感壓區(qū)2的內(nèi)壁上，其上表面可以和 非感壓區(qū)2的上表面在同一水平面上，也可以高于或者低于非感壓區(qū)2的上表面，本實施例 選取的是感壓膜片1的上表面和非感壓區(qū)2的上表面在同一水平面上。雙諧振梁微機械壓力傳感器的非感壓區(qū)2為中間開孔的結(jié)構(gòu)，該開孔的長寬尺寸在厚度 方向上可以保持一致，也可以沿厚度方向有變化；本實施例選取的就是孔徑沿厚度方向逐漸 增加情況，但是都要保證在感壓膜片1的厚度范圍內(nèi)，開孔的長寬尺寸與感壓膜片的長寬尺 寸完全一致。雙諧振梁微機械壓力傳感器的敏感結(jié)構(gòu)在制作過程中都要保證諧振補償梁4和諧振工作 梁3平行且?guī)缀纬叽缫恢拢捎玫恼駝蛹?、振動檢測方式以及相關(guān)參數(shù)均一致。諧振工作梁3和諧振補償梁4的振動激勵一振動拾取機制可以采用多種實現(xiàn)方式，比如 可以采用電熱激勵一壓阻拾振機制，在諧振工作梁3和諧振補償梁4的中部各制作一個參數(shù) 一致的熱電阻，作為振動激勵元件，在諧振工作梁3和諧振補償梁4的根部各制作一個參數(shù) 一致的壓敏電阻，作為振動拾取元件；又比如采用靜電激勵-壓阻拾振機制，在諧振工作梁3 和諧振補償梁4對應(yīng)的淺槽中間各制作一個參數(shù)一致的驅(qū)動電極，作為振動激勵元件，在諧 振工作梁3和諧振補償梁4的根部各制作一個參數(shù)一致的壓敏電阻，作為振動拾取元件。但 是不管采用何種方式，都要保證諧振補償梁和諧振工作梁的振動激勵一振動拾取方式以及相 關(guān)參數(shù)一致，以達到最佳的補償效果。
權(quán)利要求
1. 一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于它由感壓膜片(1)、非感壓區(qū)(2)、諧振工作梁(3)和諧振補償梁(4)四部分組成；感壓膜片(1)為一矩形膜片，位于整個壓力傳感器結(jié)構(gòu)的中央；非感壓區(qū)(2)位于感壓膜片(1)周邊，感壓膜片(1)周邊固支在非感壓區(qū)(2)的內(nèi)壁上；諧振工作梁(3)雙端固支于感壓膜片(1)上表面中央處，諧振補償梁(4)雙端固支于非感壓區(qū)(2)上表面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述非感壓 區(qū)(2)為中間開孔的結(jié)構(gòu)，開孔的長寬尺寸沿厚度方向在感壓膜片(1)的厚度范圍內(nèi)，與感壓膜片(1)的長寬尺寸完全一致，在其他厚度位置處，可以與感壓膜片(1)的長寬方向 的尺寸保持一致，也可以不一致。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述感壓膜 片(1)的上表面可以和非感壓區(qū)(2)的上表面處于同一水平面，也可以高于或者低于非感 壓區(qū)(2)的上表面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述感壓膜 片(1)和非感壓區(qū)(2)在結(jié)構(gòu)上可以由相互獨立的部分組成，也可以加工成為一個整體。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述感壓膜片(1)同時敏感被測壓力和環(huán)境因素的共同作用并產(chǎn)生相應(yīng)變形。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述非感壓區(qū)(2)只受環(huán)境因素的影響，不敏感被測壓力的作用。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述諧振補 償梁(4)位于非感壓區(qū)(2)的內(nèi)邊界和外邊界之間滿足雙端固支條件的區(qū)域內(nèi)，諧振補償 梁(4)與諧振工作梁(3)平行且?guī)缀纬叽绱笮∫恢隆?br> 8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述的諧振補償梁(4)與諧振工作梁(3)所采用的振動激勵、振動檢測方式以及相關(guān)參數(shù)均一致。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，其特征在于所述各部分所采用的材料均一致，可以為硅、或者氮化硅、或者石英、或者金屬鎢、或者恒彈合金以及 其他材料。
全文摘要
一種雙諧振梁式微機械壓力傳感器，主要包括感壓膜片、非感壓區(qū)、諧振工作梁和諧振補償梁四部分，結(jié)構(gòu)中央為矩形感壓膜片，敏感被測壓力產(chǎn)生相應(yīng)變形；感壓膜片周邊部分為非感壓區(qū)，不敏感被測壓力；感壓膜片周邊固支在非感壓區(qū)的內(nèi)壁上；諧振工作梁雙端固支于感壓膜片上表面中央處，感受被測壓力，從而改變自身諧振頻率，通過閉環(huán)系統(tǒng)檢測該諧振頻率，獲得對應(yīng)的被測壓力值；諧振補償梁雙端固支于非感壓區(qū)上表面，和諧振工作梁平行且?guī)缀纬叽缫恢?，對被測壓力不敏感，只感受與諧振工作梁相同的溫度等環(huán)境因素；用諧振工作梁的諧振頻率和諧振補償梁的諧振頻率進行差分，即可消除由于溫度等環(huán)境因素引起的工作梁諧振頻率的變化，從而提高了傳感器的測量精度和穩(wěn)定性。
文檔編號B81B7/00GK101281071SQ20081011342
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月29日
發(fā)明者劉廣玉, 樊尚春, 湯章陽 申請人:北京航空航天大學(xué)