[發明專利]一種微機械壓力傳感器

在審

• 申請號: 201510419147.9
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105021324A
• 公開（公告）日: 2015-11-04
• 發明（設計）人: 孫明
• 申請（專利權）人: 西安勵德微系統科技有限公司
• 主分類號: G01L1/10
• 分類號: G01L1/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

技術領域：

本發明涉及一種硅微壓力傳感器，特別是一種微機械壓力傳感器。

背景技術：

基于微機電系統技術的硅微機械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長期穩定性最好的壓力傳感器之一，這種傳感器的特征尺寸一般為微米或亞微米量級，采用硅微機械加工工藝制造，通過檢測硅微機械敏感諧振器或振動膜的固有頻率間接測量壓力，為準數字信號輸出，適用于遠距離傳輸，信號采集和處理方便。由于工作于機械諧振狀態，其精度主要受傳感器機械特性的影響，因此其信噪比高，抗干擾能力強，性能穩定。在過去的數十年內，隨著MEMS制造工藝的進步，結構設計以及配套電路的改進，諧振式壓力傳感器在綜合性能上得到了進一步提高。

大多數諧振式壓力傳感器芯體由壓力敏感膜片和一個包含活動質量塊的微機電結構構成。

當外界壓力作用在敏感膜片上時，敏感膜片發生變形，變形傳遞到微機電結構上使結構的固有頻率發生變化，通過檢測該微機電結構的頻率便可以檢測壓力。

為了檢測微機電結構的頻率，需要一定的壓力傳感器來使微機電結構發生振動，通過測試微機電結構的振動情況可以測試其固有頻率。

文獻“湯章陽，樊尚春，蔡晨光.一種新型的硅諧振式微傳感器頻率特性測試系統，儀表技術與傳感器，2009，增刊，pp.239-240”中，提出一種開環測試系統，利用微處理器產生變化頻率的驅動信號，并記錄每一個頻率點的檢測數據，通過分析檢測數據便可得到傳感器的固有頻率和品質因數等重要參數。這種實現方法比較簡單，但單次測試時間較長，無法實現壓力的實時測量。

文獻“李海娟，周浩敏.硅諧振式壓力微傳感器閉環系統，北京航空航天大學學報，2005，Vol.31，no.3，pp.332-335”中，針對電阻熱激勵、壓敏電阻拾振的傳感器結構，提出了一種采用鎖相環和分頻技術的壓力傳感器，利用鎖相環輸出作為傳感器的驅動信號。采用這種方法結構比較復雜，且會引入鎖相環的噪聲，影響傳感器的精度。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種結構簡單可靠的微機械壓力傳感器。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案予以實現：

一種微機械壓力傳感器，包括固定結構以及能夠相對于該固定結構運動的質量塊，用于檢測質量塊相對于固定結構位移的檢測裝置，用于驅動質量塊產生相對于固定結構位移的驅動裝置，用于控制檢測裝置輸出信號并給驅動裝置提供輸入信號的控制裝置。

本發明進一步的改進在于，檢測裝置包括電荷放大器或跨阻放大器。

本發明進一步的改進在于，檢測裝置包括電荷放大器時，該電荷放大器包括運算放大器和反饋電容器，反饋電容器配置在運算放大器輸入和輸出之間；檢測裝置包括跨阻放大器時，該跨阻放大器包括運算放大器和反饋電阻器，反饋電阻器配置在運算放大器輸入和輸出之間。

本發明進一步的改進在于，當檢測裝置中包括電荷放大器時，控制裝置中還包括移相器。

本發明進一步的改進在于，檢測裝置通過其檢測端與質量塊電容性地耦合連接；驅動裝置其通過驅動端與質量塊電容性地耦合連接。

本發明進一步的改進在于，控制裝置用于控制檢測裝置輸出信號的幅值，包括依次連接的整流器、低通濾波器以及可變增益放大器，其中，檢測裝置輸出連接整流器輸入端和可變增益放大器輸入端，可變增益放大器輸出端連接驅動裝置輸入端。

本發明進一步的改進在于，還包括讀取裝置，該讀取裝置的輸入端與檢測裝置的輸出連接，或者與驅動裝置的輸出連接，或者與控制裝置的輸出連接。

本發明進一步的改進在于，該讀取裝置中包括比較器，用于將讀取裝置的輸出信號轉變為方波電壓信號。

本發明進一步的改進在于，檢測裝置、控制裝置和驅動裝置的輸入信號和輸出信號分別為單端信號，或者為差分式的雙端信號。

相對于現有技術，本發明具有如下的有益效果：

本發明提供的微機械壓力傳感器工作時，驅動裝置產生的驅動交流信號加載在其驅動端上，驅動端與質量塊之間電容性的耦合連接，加載在驅動端上的驅動交流信號將驅動質量塊產生水平方向的振動，該振動將使其檢測端與質量塊之間的耦合電容發生交流變化，檢測裝置用于檢測該變化的耦合電容并將其轉變為交流變化的電壓；檢測裝置輸出的電壓輸入到控制裝置中進行幅值和相位的處理，經過處理的交流電壓作為控制裝置的輸出并輸入到驅動裝置中，驅動裝置可以對交流電壓進行進一步的放大處理，之后該交流電壓便作為驅動裝置的輸出加載在驅動端上。