專利名稱：微結構諧振梁壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微型壓力傳感器，具體涉及一種能夠提高微型壓力傳 感器精度的微結構諧振梁壓力傳感器。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems,簡稱MEMS)技術 的發(fā)展及其加工技術的逐漸趨于成熟使得研制集成度高，成本低，重量輕， 體積小以及功耗低的MEMS傳感器成為可能，同時也成為未來傳感器研究 的趨勢。
對于微諧振式壓力傳感器，外加的待測壓力并不是直接作用于諧振 器，而是通過壓力膜間接的改變諧振器的剛度，從而改變梁的諧振頻率， 因此可以通過檢測梁的諧振頻率的變化來達到檢測外加壓力的目的，屬于 二次敏感原理。其特點在于，首先，諧振器與待測介質隔離，其震動不會 受到介質的影響。而且可以將諧振器放在較高的真空中，從而可以獲得較 高的品質因數。其次，可以提高傳感器的壓力靈敏度，這是因為四周固支 薄膜具有應力放大的作用，放大倍數正比于薄膜尺寸與厚度之比的平方。 諧振式壓力傳感器是目前精度最高的壓力傳感器，它通過檢測物體的固有 頻率間接測量壓力，為準數字信號輸出，既能與計算機直接接口，也容易 組成直接顯示數字的儀表。諧振式壓力傳感器除了具有良好的溫度穩(wěn)定 性，較高的靈敏度之外，還具有響應快，頻帶寬，結構緊湊，功耗低，體 積小，重量輕，可批量生產等眾多優(yōu)點， 一直是各國研究和開發(fā)的重點。 影響諧振式壓力傳感器性能的參數主要有兩個諧振敏感元件的固有諧振
頻率和諧振子的機械品質因數Q。諧振敏感元件的固有諧振頻率主要影響 傳感器的精度，固有諧振頻率越高，諧振式壓力傳感器的測量精度也就越 高，材料的固有諧振頻率是由其自身的條件決定的，與外界其他的條件都 無關；而諧振子的品質因數主要反映了諧振子振動中阻尼比的大小及消耗 能量快慢的程度，同時也反應了幅頻特性曲線的陡峭程度。影響諧振子Q 值的因素主要有材料自身的特性，加工工藝，諧振子的結構(邊界狀況 及封裝情況)和使用環(huán)境等?，F在所研制的諧振式壓力傳感器都是用硅或 是硅的化合物來制作諧振梁，與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，精度得到了較大 的提高，但是隨著科學的不斷發(fā)展， 一些工業(yè)應用領域，特別是現代的航 空航天領域對諧振式壓力傳感器的精度提出了更高的要求(目前國外的 DRUCK公司研制的靜電激勵，電容拾振的微諧振式壓力傳感器的精度優(yōu)于 0.01%FS。但目前國內的最高精度還遠達不到此精度，主要原因是因為用 硅或硅的化合物來制作梁，而它們的固有諧振頻率都不高，因而無法進一 步提高其測量精度)，現有的精度已經不能滿足它們的發(fā)展要求。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠大幅度提高諧振式壓力傳感器的精 度的微結構諧振梁壓力傳感器。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是包括鍵合而成的上硅片 和下硅片，上硅片包括一個矩形框架以及開設在矩形框架內的對稱的兩個 半島，由氮化鈦制成的并排設置的兩組諧振梁的兩端分別與兩個半島相連 接，在各諧振梁上分別設置有與引線及電極相連的激振電阻和拾振電阻， 下硅片為一帶有口形邊框的結構，在口形邊框內設置有壓力膜。
本發(fā)明的半島開設在矩形框架的縱向中線上；口形邊框的厚度是壓力 膜厚度的數倍。
由于本發(fā)明采用氮化鈦作為壓力傳感器的諧振梁，氮化鈦(TiN)具 有相當高的固有諧振頻率，使用氮化鈦(TiN)諧振梁可以大幅度的提高 諧振式壓力傳感器的精度。而固有諧振頻率高之所以能提高測量精度，是 因為固有諧振頻率越高，那么對應的0壓力頻率的移動也就越大，那么在 頻率不穩(wěn)定度相當的情況下(傳感器的精度為頻率不穩(wěn)定度與對應O壓力 頻率移動的比值)精度也就越高，并且本發(fā)明采用雙諧振梁結構，雙梁結 構在完全相同的測量環(huán)境中可以得到兩組數據，通過對測量數據的處理可 以大大減小測量誤差，從而進一步提高測量精度。
圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖； 圖2是本發(fā)明的諧振梁13的結構圖； 圖3是本發(fā)明橫截面示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的結構原理和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1，本發(fā)明包括鍵合而成的上硅片11和下硅片12，上硅片11 包括一個矩形框架15以及開設在矩形框架15縱向中線上的對稱的兩個半 島14，由氮化鈦制成的并排設置的兩組諧振梁13的兩端分別與兩個半島 14相連接，下硅片12為一帶有口形邊框17的結構，在口形邊框17內設 置有壓力膜16。 口形邊框17的厚度是壓力膜16厚度的數倍。
參見圖2，本發(fā)明的各諧振梁13上分別設置有與引線18及電極19 相連的激振電阻20和拾振電阻21 。
參見圖3，由于上、下硅片ll、 12鍵合成一個整體，壓力膜16感受 到外加力傳遞到諧振梁13上，改變了諧振梁13的軸向機械應力，進而改 變了諧振梁的剛度，這樣就使得諧振梁13的固有諧振頻率發(fā)生改變，通
過檢測諧振梁13的諧振頻率的變化實現壓力測量。
本發(fā)明的諧振梁壓力傳感器，其諧振梁13采用電熱激勵，壓阻拾振
的方式熱激勵包括電熱激勵和光熱激勵，他們在方法上有很大的差異，
但激勵原理是一樣的，都是通過熱的擴散導致諧振梁13的變形和振動。 電熱激勵是在激振電阻20上施加交變電壓，使諧振梁13產生交變的溫度 應力，驅動諧振梁13振動，當振動頻率與諧振梁13的固有諧振頻率一致 時，諧振梁13發(fā)生共振，振幅達到最大。通過拾振電阻21來檢測諧振梁 13的振動。光熱激勵是通過調制半導體激光脈沖通過光纖耦合照射到梁 上，梁吸收激光，產生與調制光脈沖頻率相同的交變的熱應力，在這個熱 應力的作用下作受迫振動，當脈沖頻率等于梁的固有諧振頻率時，梁發(fā)生 共振，振幅達到最大。之所以采用電熱激勵，壓阻拾振，而不采用光熱激 勵，是因為氮化鈦(TiN)的導電性能比較好，而熱傳導系數相對比較低， 因此用同樣的激勵電壓即同樣的激勵功率，在氮化鈦(TiN)梁中產生的 溫升及諧振頻率的變化就比較大，從而有利于提高諧振式壓力傳感器的靈 敏度。
拾振就是通過拾振電阻21檢測諧振梁13的振動。本發(fā)明中是利用壓 阻拾振。壓阻拾振是利用壓阻材料的電阻率受其所受應力調制的壓阻特 性，在諧振梁13上制作一個壓敏電阻，當諧振梁13振動時，該壓敏電阻 感受的應力會周期性的變化，應力的大小與梁的振幅成正比，測量壓敏電 阻的變化即可檢測梁的振動。
本發(fā)明使用氮化鈦(TiN)做諧振梁的材料，不僅可以大大的提高諧振 式壓力傳感器的精度，由于氮化鈦(TiN)具有良好的機械加工性能，這 對諧振式壓力傳感器中的敏感元件制作是非常有利的。
權利要求
1、微結構諧振梁壓力傳感器，包括鍵合而成的上硅片(11)和下硅片(12)，其特征在于所說的上硅片(11)包括一個矩形框架(15)以及開設在矩形框架(15)內的對稱的兩個半島(14)，由氮化鈦制成的并排設置的兩組諧振梁(13)的兩端分別與兩個半島(14)相連接，在各諧振梁(13)上分別設置有與引線(18)及電極(19)相連的激振電阻(20)和拾振電阻(21)，下硅片(12)為一帶有口形邊框(17)的結構，在口形邊框(17)內設置有壓力膜(16)。
2、 根據權利要求1所述的微結構諧振梁壓力傳感器，其特征在于 所說的半島(14)開設在矩形框架(15)的縱向中線上。
3、 根據權利要求1所述的微結構諧振梁壓力傳感器，其特征在于 所說的口形邊框(17)的厚度是壓力膜(16)厚度的數倍。
全文摘要
微結構諧振梁壓力傳感器，包括鍵合而成的上硅片和下硅片，上硅片包括一個矩形框架以及開設在矩形框架內的對稱的兩個半島，由氮化鈦制成的并排設置的兩組諧振梁的兩端分別與兩個半島相連接，在各諧振梁上分別設置有與引線及電極相連的激振電阻和拾振電阻，下硅片為一帶有口形邊框的結構，在口形邊框內設置有壓力膜。本發(fā)明采用氮化鈦作為壓力傳感器的諧振梁，氮化鈦具有相當高的固有諧振頻率，使用氮化鈦諧振梁大幅度的提高諧振式壓力傳感器的精度。而固有諧振頻率高之所以能提高測量精度，是因為固有諧振頻率越高，那么對應的0壓力頻率的移動也就越大(傳感器的精度為頻率不穩(wěn)定度與對應0壓力頻率移動的比值)，因此所測量壓力的精度也就越高。
文檔編號B81B7/00GK101348233SQ200810150878
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權日2008年9月9日
發(fā)明者川 楊, 燦 郭 申請人:西安交通大學