[發(fā)明專利]一種基于同步共振的壓力檢測裝置及檢測方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810051934.6
• 申請(qǐng)日: 2018-01-18
• 公開（公告）號(hào): CN107976274B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東方;田利峰;滕浩;杜旭;鄭果文;夏操;萬勝來;馮昊楠;孫超超;安臨君;楊旭;劉欣;殷志富;王昕
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L11/04
• 分類號(hào): G01L11/04
• 代理公司: 吉林長春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

本發(fā)明涉及一種基于同步共振的壓力檢測裝置及檢測方法，屬于壓力檢測裝置。包括2N個(gè)諧振單元、上基底和下基底，各諧振單元安裝在邊緣基座與中心基座之間，本發(fā)明利用布置于固支梁上的壓電片的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)梁振蕩，當(dāng)振動(dòng)頻率趨近于固支梁的固有頻率時(shí)，通過耦合部分的作用，固支梁與懸臂梁發(fā)生同步共振，實(shí)現(xiàn)頻率倍增。將N組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差對(duì)照，從而提高檢測靈敏度和精度。在閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)下對(duì)懸臂梁諧振頻率進(jìn)行檢測，諧振頻率的變化量表征待測壓力的大小，具有高靈敏度、高精度、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種壓力檢測裝置，尤其是涉及一種基于同步共振的壓力檢測裝置。

背景技術(shù)

現(xiàn)在市場上的壓力檢測裝置主要有諧振式、壓阻式和電容式。后兩者的輸出信號(hào)均為模擬量，需要用高精度調(diào)整電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，這種處理方式的缺點(diǎn)就是會(huì)導(dǎo)致測量精度的下降。而諧振式壓力檢測裝置則是利用壓力變化來改變梁的諧振頻率，從而通過測量頻率的變化來間接測量壓力，可提高測量精度。由于諧振式壓力檢測裝置輸出的是準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，因此具有測量靈敏度高、精度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有長距離傳輸而不會(huì)降低其精度的優(yōu)勢，比較適合對(duì)壓力進(jìn)行高精度檢測。

利用MEMS工藝、精密加工或者其他精密加工方法制造的微壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為世界范圍內(nèi)具有戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對(duì)MEMS諧振式壓力傳感器的研究主要是硅微諧振式壓力傳感器，傳感器的彈性元件和敏感元件均采用硅材料，利用硅工藝加工。例如中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的專利“一種梁膜分體結(jié)構(gòu)諧振梁壓力傳感器”和廈門大學(xué)的發(fā)明專利“一種全對(duì)稱硅微諧振式壓力傳感器”采用的都是一個(gè)振動(dòng)單元包含一個(gè)振動(dòng)梁。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種基于同步共振的壓力檢測裝置及檢測方法，目的是提高現(xiàn)有壓力傳感器的測量精度、靈敏度、分辨率。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：上基底的正面刻蝕上凹槽，在中心形成上單島；上基底的背面刻蝕下凹槽，在中心形成下單島，上凹槽內(nèi)側(cè)均布2N個(gè)邊緣基座，N為正整數(shù)；上凹槽、下凹槽的圓心均位于上基底的軸線上，下基底上方與下單島下方接觸、且下基底與上基底四周固定連接在一起，2N個(gè)諧振單元的耦合部分分別與2N個(gè)邊緣基座固定連接、固支梁分別與中心基底的側(cè)面固定連接，中心基底的下方與上單島上方接觸。

所述上基底與下基底具有相同的外形尺寸、呈現(xiàn)圓柱狀。

所述下基底的正面刻蝕了凹槽，凹槽和下單島密封連接，凹槽的中心加工一個(gè)壓力孔。

所述諧振單元的結(jié)構(gòu)是：懸臂梁和固支梁分別與耦合部分連接，壓電片一和壓電片二分別安裝在固支梁和懸臂梁的固定端。

一種基于同步共振的壓力檢測方法，包括下列步驟：

(1)在檢測壓力之前用電信號(hào)激勵(lì)固支梁諧振，然后將壓力或氣體作用于下基底中心，待信號(hào)穩(wěn)定后撤掉壓力或氣體；

(2)在壓力的作用下，上基底的薄膜向上移動(dòng)，進(jìn)而迫使中心基座向上移動(dòng)，改變固支梁的固有頻率，在懸臂梁上拾取被放大的頻率信號(hào)并輸出；

(3)N組數(shù)據(jù)中滿足誤差條件范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)求取平均值，作為最終的頻率輸出信號(hào)；

(4)通過輸出頻率和所受壓力之間的關(guān)系來確定待測壓力。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：采用一個(gè)諧振單元包含兩個(gè)耦合在一起的振動(dòng)梁，利用同步共振效應(yīng)，使得耦合在一起的固支梁與懸臂梁輸出信號(hào)將按照二者頻率比倍增，從而使得輸出的頻率更大，靈敏度和分辨率增大。此外，中心對(duì)稱布置的2N個(gè)諧振單元中，將N組數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差對(duì)照，以及單元信號(hào)的疊加放大，可提高檢測精度。采用MEMS工藝、精密加工或者其他精密加工方法制作的上下基底具有尺寸精度好、可靠性高、成本低等優(yōu)良特性，基底正面設(shè)計(jì)粘接凸臺(tái)和背面設(shè)計(jì)單島可以提高線性度。結(jié)合此二者優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)制作的基于新型同步共振結(jié)構(gòu)的諧振式壓力傳感器芯片，具有高靈敏度、高精度、高分辨率、線性度好等特點(diǎn)。