[發(fā)明專利]基于靜電激勵(lì)壓阻檢測(cè)的硅微諧振壓力傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111040514.6
• 申請(qǐng)日: 2021-09-06
• 公開（公告）號(hào): CN113865755B
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方續(xù)東;高博楠;方子艷;吳俊俠;鄧武彬;趙立波;田邊;王淞立;朱楠;孫昊;吳晨;蔣莊德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/18
• 分類號(hào): G01L1/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發(fā)明公開了一種基于靜電激勵(lì)壓阻檢測(cè)的硅微諧振壓力傳感器，傳感器采用壓力敏感膜和諧振器復(fù)合的二次敏感結(jié)構(gòu)，其中諧振器為面內(nèi)平行反向振動(dòng)。諧振器與壓力敏感膜通過錨點(diǎn)連接，當(dāng)外界壓力作用于壓力敏感膜并使其發(fā)生變形時(shí)，該變形將通過壓力敏感膜上的硅島與錨點(diǎn)傳遞給諧振器，使諧振器上諧振梁的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，從而改變諧振器的固有諧振頻率。在拾振梁上布置有壓敏電阻用來完成諧振頻率的拾取，而后通過與耦合梁相連接的第一蛇形梁實(shí)現(xiàn)壓阻信號(hào)輸出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微納傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于靜電激勵(lì)壓阻檢測(cè)的硅微諧振壓力傳感器芯片。

背景技術(shù)

硅微諧振式壓力傳感器由于其為準(zhǔn)數(shù)字輸出，不需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且其精度主要受機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響，因此抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，是目前精度最高的壓力傳感器，同時(shí)也是各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和高校研究的重點(diǎn)。硅微諧振壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、深海探測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、軍事裝備以及工業(yè)過程控制等重要領(lǐng)域。

中國(guó)的硅微諧振壓力傳感器研究起步較晚，目前，各科研機(jī)構(gòu)和高校所研制的硅微諧振傳感器量程都較小，一般在300KPa左右，而在硅微諧振壓力傳感器的大量程研究中廣泛存在線性度差和靈敏度低等缺點(diǎn)，尚無法滿足在深海、化工等高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于靜電激勵(lì)壓阻檢測(cè)的硅微諧振壓力傳感器，可有效增大工作模態(tài)頻率與相鄰模態(tài)頻率的間隔，降低諧振器的非線性，并大幅度提升傳感器的壓力測(cè)量范圍。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述一種基于靜電激勵(lì)壓阻檢測(cè)的硅微諧振壓力傳感器，包括諧振器層和壓力敏感膜層；諧振器層包括兩個(gè)可動(dòng)錨點(diǎn)，敏感膜層包括壓力敏感膜和與壓力敏感膜連接的兩個(gè)對(duì)稱設(shè)置的硅島，兩個(gè)硅島分別與兩個(gè)可動(dòng)錨點(diǎn)連接；可動(dòng)錨點(diǎn)與第一諧振梁和第二諧振梁一端連接，第一諧振梁另一端與第一質(zhì)量塊連接，第一質(zhì)量塊上布置有第一可動(dòng)電極，第一可動(dòng)電極外側(cè)布置有第一固定電極；第二諧振梁另一端與第二質(zhì)量塊連接；第二質(zhì)量塊上布置有第二可動(dòng)電極，第二可動(dòng)電極外側(cè)布置有第二固定電極；第一質(zhì)量塊和第二質(zhì)量塊分別連接在拾振梁的兩側(cè)，拾振梁的另外兩側(cè)分別連接有兩根耦合梁；兩根耦合梁分別通過第一蛇形梁與兩個(gè)可動(dòng)錨點(diǎn)連接；拾振梁上布置有壓敏電阻。

進(jìn)一步的，可動(dòng)錨點(diǎn)為T形，包括連接部和設(shè)置在連接部?jī)蓚?cè)的第一外延懸置部和第二外延懸置部，連接部與硅島連接。

進(jìn)一步的，兩個(gè)第一諧振梁分別延伸連接至兩個(gè)可動(dòng)錨點(diǎn)的第一外延懸置部，兩個(gè)第二諧振梁分別延伸連接至兩個(gè)可動(dòng)錨點(diǎn)的第二外延懸置部。

進(jìn)一步的，可動(dòng)錨點(diǎn)外側(cè)通過第二蛇形梁與諧振器層的固定端連接。

進(jìn)一步的，硅島位于壓力敏感膜沿第一諧振梁長(zhǎng)度方向上的最大變形區(qū)。

進(jìn)一步的，兩個(gè)耦合梁對(duì)稱布置。

進(jìn)一步的，第一質(zhì)量塊與第一可動(dòng)電極為一體結(jié)構(gòu)，第二質(zhì)量塊與第二可動(dòng)電極為一體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，第一可動(dòng)電極、第二可動(dòng)電極、第一固定電極和第二固定電極均為梳齒電極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明的諧振器部分采用兩個(gè)第一蛇形梁將耦合梁與可動(dòng)錨點(diǎn)進(jìn)行連接，兩個(gè)第一蛇形梁對(duì)稱布置，通過此種布置方式，首先可以減小諧振梁的軸向應(yīng)力，從而減小頻率非線性，其次可以改變諧振器的剛度，有效增大傳感器工作模態(tài)與相鄰模態(tài)的頻率間隔，避免出現(xiàn)模態(tài)頻率交疊所導(dǎo)致的Q值跌落，此外也可增大傳感器的測(cè)量范圍，最后通過此種布置方式可以更方便地實(shí)現(xiàn)壓阻信號(hào)的輸出。