[發(fā)明專利]一種基于拓?fù)涔庾痈逹腔的MEMS壓力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110971644.5
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113639921B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭芃;姜穎;鄔俊杰;馮立輝;盧繼華
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01L11/02
• 分類號: G01L11/02;G01L9/08
• 代理公司: 北京眾元弘策知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11462
• 代理人: 宋磊

本發(fā)明涉及一種基于拓?fù)涔庾痈逹腔的MEMS壓力傳感器，屬于MEMS壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域。所述壓力傳感器為敏感元件，包含1個有序列光子晶體板的Si片梁；所述光子晶體板為正多邊體且厚度范圍為0.5um～0.6um，邊長范圍為20um～250um；所述光子晶體板上設(shè)有周期為519.25nm的圓孔陣列，圓孔半徑為175nm；所述Si片梁工作時：激光器發(fā)出的光通過光環(huán)形器耦合到Si片梁上，環(huán)境壓力的變化使Si片梁發(fā)生形變，從而影響信號光返回值，使光譜儀上光的波長值發(fā)生變化。所述傳感器有效減少了平面外散射的影響，從而Q值很高，高達(dá)1×10supgt;6/supgt;，探測靈敏度也高達(dá)2.17×10supgt;6/supgt;pm/kPa；具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低及利于量產(chǎn)的優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明具體涉及一種基于拓?fù)涔庾痈逹腔的MEMS壓力傳感器，屬于MEMS壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

MEMS壓力傳感器是MEMS領(lǐng)域的一個經(jīng)典研究方向，其可以用類似集成電路設(shè)計技術(shù)和制造工藝，進(jìn)行高精度、低成本的大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械量壓力傳感器是基于金屬彈性體受力變形，由機(jī)械量彈性形變到電量轉(zhuǎn)換輸出來進(jìn)行測量。相對于傳統(tǒng)的壓力傳感器，MEMS壓力傳感器具有尺寸小、穩(wěn)定性高、功耗小、可批量制作和集成等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工、地質(zhì)勘探等各個領(lǐng)域。其中，硅微壓力傳感器以其材料性能優(yōu)勢、工藝可靠性、優(yōu)越的性能參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)成MEMS技術(shù)迅速發(fā)展背景下壓力檢測領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

目前根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，市場上常見的硅微壓力傳感器大概主要有壓阻式、電容式、諧振式和光纖式四種結(jié)構(gòu)。其中，硅諧振式壓力傳感器相比于其他類型傳感器，具有高精度、高穩(wěn)定性和高抗干擾能力等特點(diǎn)。

壓阻式硅微壓力傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，在硅膜片特定方向上注入連接成惠斯通電橋的半導(dǎo)體電阻形成感壓元件，再結(jié)合電—力轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)微壓檢測。該結(jié)構(gòu)制作工藝簡單，成本較低，輸入輸出之間存在良好的線性關(guān)系，但傳感器的靈敏度受硅材料的溫漂影響，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，建立一套完整的溫度補(bǔ)償技術(shù)，不僅增加成本，同時也增加了人力資源，從某種意義上來說，極大地限制了硅壓阻壓力傳感器的廣泛應(yīng)用。

電容式硅微壓力傳感器有極距變化型和面積變化型兩種，工作原理是利用極距或面積的變化量反應(yīng)壓力改變，轉(zhuǎn)化為電容量的變化進(jìn)行測量。該類傳感器溫度穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)好。其中極距變化型壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應(yīng)，但它具有較大的線性誤差。面積變化型壓力傳感器具備線性優(yōu)勢，但靈敏度不夠，工藝制備相對復(fù)雜。

光纖式硅壓力傳感器是光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖傳輸并投射到膜片的內(nèi)表面上，然后反射，再由接收光纖接收并傳回光敏元件，從而輸出的信號隨之發(fā)生變化。這種方法容易實(shí)現(xiàn)，成本低，但靈敏度普遍較低。

諧振式硅壓力傳感器是利用硅諧振器與選頻放大器構(gòu)成一個正反饋振蕩系統(tǒng)，當(dāng)此系統(tǒng)受到壓力作用時，其固有的振蕩頻率發(fā)生變化，因此，根據(jù)其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。諧振式硅微壓力傳感器的性能主要取決于諧振子的機(jī)械品質(zhì)，精度、穩(wěn)定性和分辨力相對于壓阻式和電容式都具有數(shù)量級的優(yōu)勢。但是諧振式結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，給加工造成很大難度。

目前硅諧振式壓力傳感器的相關(guān)研究已經(jīng)進(jìn)入成熟階段，國外起步較早，日本橫河電機(jī)株式會社設(shè)計的一種基于硅材料的雙諧振應(yīng)變計結(jié)構(gòu)壓力傳感器，真空下Q值約為50000，精度達(dá)到了0.01％FS。國內(nèi)也有很多研究團(tuán)隊進(jìn)行了MEMS諧振式壓力傳感器相關(guān)研究，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所2020年提出的一種微型共振式壓差傳感器，Q值達(dá)到了18000。

綜上所述，尋找新的途徑研究更高靈敏度、小型化的硅微壓傳感器十分有必要，本發(fā)明提供了一種基于拓?fù)涔庾痈逹腔的MEMS壓力傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有MEMS壓力傳感器存在結(jié)構(gòu)簡單、小型化與靈敏度高不可兼得的問題，提出了一種基于拓?fù)涔庾痈逹腔的MEMS壓力傳感器。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案。