專利名稱：一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，涉及一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器。
背景技術(shù)：
基于硅微機(jī)械加工技術(shù)制造的具有力學(xué)諧振頻率的微諧振式傳感器是一類非常重要的傳感器。這類傳感器具有準(zhǔn)數(shù)字信號輸出、抗干擾能力強(qiáng)、制作成本低、功耗小、體積小、重量輕、易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。微諧振式傳感器利用微懸臂梁、微橋(雙端固支梁)和方膜等諧振元件的諧振頻率、相位和諧振幅值等來測量各種物理量的，如壓力、真空度、角速度、加速度、流量、溫度、濕度和氣體成分等。
相對于微懸臂梁諧振器，微橋諧振器在力學(xué)量測量以及制作濾波器、壓控振蕩器、倍頻器等電子器件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但其諧振頻率受溫度的影響很大。溫度變化引起橋諧振頻率的變化有以下幾個方面的原因(1)組成橋諧振器的材料之間熱膨脹系數(shù)的差異；(2)基底材料和組成橋諧振器的材料熱膨脹系數(shù)的差異；(3)組成橋諧振器的材料的楊氏膜量和密度隨溫度的變化；(4)橋長度和厚度隨溫度的變化。橋諧振頻率隨溫度變化的復(fù)雜原因使得結(jié)構(gòu)上的補(bǔ)償難以達(dá)到滿意的結(jié)果。
在智能傳感器系統(tǒng)中，為了消除溫度對被測的非溫度參量的干擾，通常采用一個溫度傳感器檢測溫度變化，并通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除溫度對被測量的影響。但是，目前已有的溫度傳感器體積較大、響應(yīng)時間較長，如果待測區(qū)域的溫度變化很快，很難保證溫度傳感器與測量傳感器對溫度變化同步響應(yīng)。另外，在這種情況下測溫元件與測量傳感器距離大，如果溫度場分布不均勻，則測溫元件所測量的溫度難以反映測量點(diǎn)的真實(shí)溫度。
而另一方面，微懸臂梁諧振器在溫度測量方面具有顯著的優(yōu)勢，根據(jù)我們研究的結(jié)果，如果測得在真空中振動的懸臂梁諧振器在某一溫度下的諧振頻率，可計算其在工作溫度區(qū)間內(nèi)任意溫度下的諧振頻率。這種微懸臂梁諧振式溫度傳感器具有功耗小、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以用來實(shí)時消除溫度對微橋諧振器的交叉靈敏度。
為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是由在同一芯片上制作的微橋諧振器、微懸臂梁諧振器和基片組成，微橋諧振器和微懸臂梁諧振器材料相同，厚度相等或相近，同時制作且工藝相同；微懸臂梁諧振器作為溫敏元件，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，微懸臂梁諧振器的諧振頻率能夠?qū)崟r補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度。
本發(fā)明的另一特點(diǎn)是微橋諧振器和微懸臂梁諧振器的距離在微米量級，微懸臂梁諧振器可精確反映微橋諧振器的溫度；微橋諧振器和微懸臂梁諧振器均具有雙層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)；微橋諧振器和微懸臂梁諧振器的激勵方式可以為電磁激勵、靜電激勵、逆壓電激勵、電熱激勵和光熱激勵；其檢測方式可以為壓電拾振、電容拾振、電磁拾振、光信號拾振以及壓敏電阻拾振。
由于本發(fā)明在同一硅片上制作微橋諧振器和微懸臂梁諧振器，二者材料相同，厚度相等或相近，同時制作且工藝相同，因而對溫度變化可以同步響應(yīng)；微橋諧振器和微懸臂梁諧振器距離在微米量級，因而溫敏元件可精確反映微橋諧振器的溫度，這樣微懸臂梁諧振器的諧振頻率能實(shí)時補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度，從而減小微橋諧振器諧振頻率的溫度系數(shù)，提高微橋諧振器工作溫度范圍。
實(shí)施例，參見

圖1，2，它包括微橋諧振器1、微懸臂梁諧振器2、基片3、引線4、差動放大器9、12、帶通濾波器10、13、移相器11、14、數(shù)據(jù)融合單元15和恒壓源16。
復(fù)合微梁諧振器由在同一芯片上通過微電子工藝和微機(jī)械加工技術(shù)制作的電熱激勵/壓敏電橋拾振的硅/二氧化硅微橋諧振器1和作為溫敏元件的硅/二氧化硅微懸臂梁諧振器2、基片3及引線4組成。微橋諧振器1和微懸臂梁諧振器2材料相同，厚度相等或相近，制作工藝相同，在制作微橋諧振器1的同時制作微懸臂梁諧振器2。微懸臂梁諧振器2作為溫敏元件，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，作為溫敏元件的微懸臂梁諧振器2的諧振頻率能夠?qū)崟r補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器1諧振頻率的交叉靈敏度。
微橋諧振器1的中部制作有激勵電阻5以激勵微橋諧振器1振動；固支端制作有壓敏電橋6以拾取振動信號。
微懸臂梁諧振器2的自由端制作有激勵電阻7，固支端制作有壓敏電橋8。
微橋諧振器1根部的壓敏電橋6的一個對角通過引線4與差動放大器9的兩個輸入端相連。差動放大器9的輸出端通過引線4與帶通濾波器10的輸入端相連。帶通濾波器10的輸出端通過引線4和移相器11的輸入端相連。移相器11的輸出端通過引線4與激勵電阻5的一端連接。激勵電阻5的另一端接地。微橋諧振器1、差動放大器9、帶通濾波器10和移相器11組成閉環(huán)諧振回路檢測微橋諧振器1的諧振頻率。
微懸臂梁諧振器2根部的壓敏電橋8的一個對角通過引線4與差動放大器12的兩個輸入端相連。差動放大器12的輸出端通過引線4與帶通濾波器13的輸入端相連。帶通濾波器13的輸出端通過引線4和移相器14的輸入端相連。移相器14的輸出端通過引線4與激勵電阻7的一端連接。激勵電阻7的另一端接地。微懸臂梁諧振器2、放大器12、帶通濾波器13和移相器14組成閉環(huán)諧振回路檢測微懸臂梁諧振器2的諧振頻率。
差動放大器9、12分別對微橋諧振器1和微懸臂梁諧振器2的輸出電壓進(jìn)行放大。
帶通濾波器10的中心頻率是橋諧振器1的諧振頻率。帶通濾波器13的中心頻率是懸臂梁諧振器2的諧振頻率。帶通濾波器10和13分別濾除微橋諧振器1和微懸臂梁諧振器2輸出信號中的二倍頻分量。
移相器11和14分別調(diào)整微橋諧振器1和微懸臂梁諧振器2諧振頻率閉環(huán)檢測回路的相位，使其滿足閉環(huán)自激相位條件。
壓敏電橋8剩余的一個對角中的一個角與壓敏電橋6剩余的一個對角中的一個角連接。壓敏電橋8剩余的最后一個角和壓敏電橋6剩余的最后一個角分別與恒壓源16的兩個輸出端連接。恒壓源16同時為橋諧振器1和懸臂梁諧振器2根部的壓敏電橋6、8提供工作電壓。
移相器11、14的輸出端通過引線4與數(shù)據(jù)融合單元15的兩個輸入端連接。數(shù)據(jù)融合單元15對微橋諧振器1和懸臂梁諧振器2的諧振頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理以實(shí)時消除溫度對微橋諧振器1諧振頻率的交叉靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器，其特征在于由在同一芯片上制作的微橋諧振器[1]、微懸臂梁諧振器[2]和基片[3]組成，微橋諧振器[1]和微懸臂梁諧振器[2]材料相同，厚度相等或相近，同時制作，工藝相同；微懸臂梁諧振器[2]作為溫敏元件，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，微懸臂梁諧振器[2]的諧振頻率能夠?qū)崟r補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器[1]諧振頻率的交叉靈敏度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器，其特征在于微橋諧振器[1]和微懸臂梁諧振器[2]的距離在微米量級，微懸臂梁諧振器[2]可精確反映微橋諧振器[1]的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器，其特征在于微橋諧振器[1]和微懸臂梁諧振器[2]均具有雙層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器，其特征在于微橋諧振器[1]和微懸臂梁諧振器[2]的激勵方式可以為電磁激勵、靜電激勵、逆壓電激勵、電熱激勵和光熱激勵；其檢測方式可以為壓電拾振、電容拾振、電磁拾振、光信號拾振以及壓敏電阻拾振。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有溫度自補(bǔ)償功能的頻率輸出型復(fù)合微梁諧振器,該諧振器由在同一芯片上制作的微橋諧振器和微懸臂梁諧振器組成,微橋諧振器和微懸臂梁諧振器材料相同,厚度相等或相近,制作工藝相同且同時制作,因而二者對溫度變化可以同步響應(yīng);微橋諧振器和微懸臂梁諧振器距離在微米量級,因而溫敏元件可精確反映微橋諧振器的溫度。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù),作為溫敏元件的微懸臂梁諧振器的諧振頻率能夠?qū)崟r補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度,從而減小微橋諧振器諧振頻率的溫度系數(shù),提高諧振器工作溫度范圍。
文檔編號H03H9/00GK1381397SQ0211461
公開日2002年11月27日 申請日期2002年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月7日
發(fā)明者朱長純, 韓建強(qiáng), 劉君華 申請人:西安交通大學(xué)