[發(fā)明專利]一種多級懸臂梁結構及其仿生壓差傳感器

有效

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• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113091993B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設計）人: 蔣永剛;趙鵬;張德遠
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01L13/06
• 分類號: G01L13/06;B81B7/02
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王愛濤

本發(fā)明公開了一種多級懸臂梁結構，該結構包括一個一級主梁、多個二級側梁以及多個三級輔梁；二級側梁與一級主梁連接，多個二級側梁對稱分布在一級主梁的兩側，二級側梁與一級主梁相互垂直；三級輔梁與二級側梁連接，多個三級輔梁對稱分布在二級側梁的兩側，三級輔梁與二級側梁相互垂直；二級側梁的剛度小于一級主梁的剛度，將本發(fā)明的多級懸臂梁結構應用到仿生壓差傳感器，實現(xiàn)了低壓差下傳感器靈敏度高以及高壓差下傳感器測量量程大的效果。

技術領域

本發(fā)明涉及微機械電子氣體壓差測量領域，特別是涉及一種多級懸臂梁結構及其仿生壓差傳感器。

背景技術

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)壓差傳感器以其小尺寸、低成本、可批量生產及高性能等優(yōu)點被廣泛地應用于航空航天及中央空調系統(tǒng)等領域。目前有薄膜式與懸臂梁式兩種MEMS壓差傳感器，在相同壓差作用下，由于懸臂梁是三端為自由端，所以懸臂梁能產生更大的彎曲變形即具有更高的靈敏度。因此，對于微小壓差的測量，懸臂梁式的MEMS壓差傳感器更具優(yōu)越性，但是，測量較大壓差時，懸臂梁更易彎曲變形的特性會更快達到彎曲程度的飽和，因此懸臂梁式的MEMS壓差傳感器的量程更小，通過減小單級懸臂梁的受力面積能增大量程，因為受力面積較小時，作用在懸臂梁上的力相同時，所需要的壓差是更大的，因此通過減小受力面積能增大測量的量程，現(xiàn)有技術中通過減小單級懸臂梁的尺寸進而減小單級懸臂梁的受力面積，從而提高測量的量程，但這同時會導致測低壓差時單級懸臂梁的靈敏度降低的問題，因此，僅通過改變單級懸臂梁的尺寸無法實現(xiàn)傳感器靈敏度與量程兩項指標的雙提升。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種多級懸臂梁結構及其仿生壓差傳感器，以解決現(xiàn)有技術中僅通過改變單級懸臂梁的尺寸無法實現(xiàn)傳感器靈敏度與量程兩項指標的雙提升的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種多級懸臂梁結構，包括：一個一級主梁、多個二級側梁以及多個三級輔梁；

所述二級側梁與所述一級主梁連接，多個所述二級側梁對稱分布在所述一級主梁的兩側，所述二級側梁與所述一級主梁相互垂直；所述三級輔梁與所述二級側梁連接，多個所述三級輔梁對稱分布在所述二級側梁的兩側，所述三級輔梁與所述二級側梁相互垂直；所述二級側梁的剛度小于所述一級主梁的剛度。

一種基于多級懸臂梁結構的仿生壓差傳感器，包括：上導壓口、上封裝腔體、傳感膜片、下封裝腔體、外接信號引線、下導壓口、參考電阻、信號引線、壓阻單元以及多級懸臂梁結構；所述多級懸臂梁結構包括一個一級主梁、多個二級側梁以及多個三級輔梁；所述二級側梁與所述一級主梁連接，多個所述二級側梁對稱分布在所述一級主梁的兩側，所述二級側梁與所述一級主梁相互垂直；多個所述三級輔梁對稱分布在所述二級側梁的兩側；所述二級側梁的剛度小于所述一級主梁的剛度；

所述傳感膜片位于所述上封裝腔體和所述下封裝腔體構成的密封腔體的中間位置，所述參考電阻、所述信號引線、所述壓阻單元以及所述多級懸臂梁結構均位于所述傳感膜片上，均與所述傳感膜片接觸；所述壓阻單元與所述多級懸臂梁結構的根部連接；所述信號引線分別與所述參考電阻以及所述壓阻單元相連接，所述信號引線用于輸出所述參考電阻以及所述壓阻單元的阻值信號；所述外接信號引線與所述信號引線連接，設置在所述下封裝腔體上；所述上導壓口與所述上封裝腔體連接；所述下導壓口與所述下封裝腔體連接；

第一氣體壓力通過所述上導壓口進入所述上封裝腔體，第二氣體壓力通過所述下導壓口進入所述下封裝腔體，所述第一氣體壓力與所述第二氣體壓力在所述傳感膜片的上、下兩側形成壓差，所述多級懸臂梁結構在所述壓差的作用下產生彎曲變形并在根部產生應變，所述壓阻單元根據(jù)所述應變產生阻值信號，所述信號引線通過所述外接信號引線將所述阻值信號輸出，根據(jù)所述壓差與所述阻值信號得到所述壓差與所述阻值信號的關系。

可選地，所述傳感膜片與所述多級懸臂梁結構的材質為樹脂；所述壓阻單元與所述參考電阻的材質為單晶硅。