[發明專利]一種實時測量水壓的MEMS器件及其測量方法

在審

• 申請號: 201510051617.0
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN104614115A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 劉海韻
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01L9/00
• 分類號: G01L9/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明涉及一種實時測量水壓的MEMS器件及其測量方法，涉及微電子機械系統制造、海洋測量應用場合，特別適用于海洋水深快速變化場合下實時水壓測量。

背景技術

目前，海洋應用受到了廣泛關注，在海洋水深快速變化的場合下，例如潛水器的快速下潛和上浮，水深快速變化時的實時水壓是一個重要的環境參數，它能夠實時反映被測目標所處的水深位置，也可以為被測目標下潛和上浮的速度提供間接的監控參數。

然而，傳統的水深測量設備一般是壓力計之類的水壓測量設備，雖然傳統的水壓測量設備對于水壓的測量精度較高，但是響應速度嚴重滯后，不適合海洋水深快速變化場合下的實時水壓測量；所以提供一種能夠對水壓變化快速響應的測量器件，是能夠較好地適用于水深快速變化的場合，更可為海水中快速下潛和上浮的潛水類設備提供重要的環境參數和工作參數。

發明內容

本發明的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種實時測量水壓的MEMS器件及其測量方法，特別適用于海洋水深快速變化場合。

本發明所要解決的技術問題是提供結構簡單、操作方便、安全可靠、實用性強的實時測量水壓的MEMS器件，不僅測量精度高，而且響應速度快，能夠實現快速、高效、準確的測量；還提供簡單易行、高速反應的MEMS器件實時測量水壓的測量方法。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種實時測量水壓的MEMS器件，包括絕緣襯底、保護硅帽、雙端固支諧振器、焊盤和底電極；所述保護硅帽覆蓋在絕緣襯底上端面、與絕緣襯底之間形成封閉型的容置內腔；所述雙端固支諧振器、焊盤和底電極均容納于容置內腔中。

其中，所述底電極與絕緣襯底上端面相連；所述雙端固支諧振器包括架空橫梁、分別連接于架空橫梁兩端呈對稱分布的臺階錨；所述臺階錨底邊的下端面均與絕緣襯底上端面相連，形成雙端固支諧振器架設在底電極正上方并與底電極之間存在間距空隙；所述焊盤固設在臺階錨底邊的上端面；所述焊盤和底電極通過連接引線與外界鎖相環電路相連。

本發明進一步設置為：所述絕緣襯底采用硅基材料制成，所述絕緣襯底的上端面為氮化硅絕緣層。

本發明進一步設置為：所述雙端固支諧振器采用多晶硅材料由表面微加工制成。

本發明進一步設置為：所述焊盤采用金屬材料由表面微加工制成。

本發明進一步設置為：所述金屬材料為鋁或金。

本發明進一步設置為：所述保護硅帽與絕緣襯底上端面通過密封鍵合材料密封。

本發明還提供一種實時測量水壓的MEMS器件的測量方法，包括以下步驟：

步驟1：驅動雙端固支諧振器諧振；

將MEMS器件中的焊盤和底電極通過連接引線與外界的鎖相環電路相連，由鎖相環電路給雙端固支諧振器提供與諧振器諧振頻率相同的周期性驅動信號；

步驟2：絕緣襯底受水壓發生形變，使雙端固支諧振器的諧振頻率發生改變；

在海洋環境中，MEMS器件中絕緣襯底的底面直接和海水接觸，海水壓力會引起絕緣襯底的底面發生形變，絕緣襯底的形變傳遞到雙端固支諧振器上，造成雙端固支諧振器的臺階錨發生形變，使得雙端固支諧振器的架空橫梁產生應力變化，從而使雙端固支諧振器的諧振頻率發生改變；

步驟3：由鎖相環電路測量發生改變的雙端固支諧振器的諧振頻率；

雙端固支諧振器的諧振頻率發生改變后，鎖相環電路會對其響應，因鎖相環電路是負反饋電路，鎖相環電路會自動改變其施加給雙端固支諧振器的頻率直到符合已改變的諧振頻率值；

由鎖相環電路跟蹤獲取已改變的雙端固支諧振器的諧振頻率，通過諧振頻率和水壓關系的數據映射表，得出絕緣襯底所受海水的對應壓力大??；

步驟4：依次重復步驟2和步驟3；

當MEMS器件所處海水水深發生變化時，受海水壓力的變化影響，如步驟2所述絕緣襯底的形變隨之改變，使雙端固支諧振器的諧振頻率隨著發生改變；再如步驟3所述，可由鎖相環電路的頻率獲取已改變的雙端固支諧振器的諧振頻率，通過諧振頻率和水壓關系的數據映射表，得到絕緣襯底所受海水的對應壓力大小。

其中，所述數據映射表存儲于外置控制芯片中，可進行數據的調取和換算。