基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器
阅读说明：本技术 基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器 (Silicon micro-resonance pressure sensor based on electrostatic excitation piezoresistive detection ) 是由 方续东 高博楠 方子艳 吴俊侠 邓武彬 赵立波 田边 王淞立 朱楠 孙昊 吴晨 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器,传感器采用压力敏感膜和谐振器复合的二次敏感结构,其中谐振器为面内平行反向振动。谐振器与压力敏感膜通过锚点连接,当外界压力作用于压力敏感膜并使其发生变形时,该变形将通过压力敏感膜上的硅岛与锚点传递给谐振器,使谐振器上谐振梁的内应力发生改变,从而改变谐振器的固有谐振频率。在拾振梁上布置有压敏电阻用来完成谐振频率的拾取,而后通过与耦合梁相连接的第一蛇形梁实现压阻信号输出。(The invention discloses a silicon micro-resonance pressure sensor based on electrostatic excitation piezoresistive detection. The resonator is connected with the pressure sensitive film through the anchor point, when the external pressure acts on the pressure sensitive film and causes the pressure sensitive film to deform, the deformation is transmitted to the resonator through the silicon island on the pressure sensitive film and the anchor point, so that the internal stress of the resonant beam on the resonator is changed, and the inherent resonant frequency of the resonator is changed. The piezoresistor is arranged on the vibration pickup beam to pick up the resonance frequency, and then the piezoresistor signal output is realized through the first snake-shaped beam connected with the coupling beam.)
技术领域
本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器芯片。
背景技术
硅微谐振式压力传感器由于其为准数字输出，不需要进行模数转换，并且其精度主要受机械结构力学特性的影响，因此抗干扰能力强，性能稳定，是目前精度最高的压力传感器，同时也是各国科研机构和高校研究的重点。硅微谐振压力传感器被广泛应用于航空航天、生物医疗、深海探测、气象监测、军事装备以及工业过程控制等重要领域。
中国的硅微谐振压力传感器研究起步较晚，目前，各科研机构和高校所研制的硅微谐振传感器量程都较小，一般在300KPa左右，而在硅微谐振压力传感器的大量程研究中广泛存在线性度差和灵敏度低等缺点，尚无法满足在深海、化工等高压领域的应用。
发明内容
本发明提供了一种基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器，可有效增大工作模态频率与相邻模态频率的间隔，降低谐振器的非线性，并大幅度提升传感器的压力测量范围。
为达到上述目的，本发明所述一种基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器，包括谐振器层和压力敏感膜层；谐振器层包括两个可动锚点，敏感膜层包括压力敏感膜和与压力敏感膜连接的两个对称设置的硅岛，两个硅岛分别与两个可动锚点连接；可动锚点与第一谐振梁和第二谐振梁一端连接，第一谐振梁另一端与第一质量块连接，第一质量块上布置有第一可动电极，第一可动电极外侧布置有第一固定电极；第二谐振梁另一端与第二质量块连接；第二质量块上布置有第二可动电极，第二可动电极外侧布置有第二固定电极；第一质量块和第二质量块分别连接在拾振梁的两侧，拾振梁的另外两侧分别连接有两根耦合梁；两根耦合梁分别通过第一蛇形梁与两个可动锚点连接；拾振梁上布置有压敏电阻。
进一步的，可动锚点为T形，包括连接部和设置在连接部两侧的第一外延悬置部和第二外延悬置部，连接部与硅岛连接。
进一步的，两个第一谐振梁分别延伸连接至两个可动锚点的第一外延悬置部，两个第二谐振梁分别延伸连接至两个可动锚点的第二外延悬置部。
进一步的，可动锚点外侧通过第二蛇形梁与谐振器层的固定端连接。
进一步的，硅岛位于压力敏感膜沿第一谐振梁长度方向上的最大变形区。
进一步的，两个耦合梁对称布置。
进一步的，第一质量块与第一可动电极为一体结构，第二质量块与第二可动电极为一体结构。
进一步的，第一可动电极、第二可动电极、第一固定电极和第二固定电极均为梳齿电极。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明的谐振器部分采用两个第一蛇形梁将耦合梁与可动锚点进行连接，两个第一蛇形梁对称布置，通过此种布置方式，首先可以减小谐振梁的轴向应力，从而减小频率非线性，其次可以改变谐振器的刚度，有效增大传感器工作模态与相邻模态的频率间隔，避免出现模态频率交叠所导致的Q值跌落，此外也可增大传感器的测量范围，最后通过此种布置方式可以更方便地实现压阻信号的输出。
本发明利用锚点放大原理，将敏感膜的应力和形变进行放大后，传递给谐振器层，提高了传感器的灵敏度；谐振器的结构对称且二阶工作模态为面内平行反向振动，振动过程中重心固定不动，可有效避免谐振梁与压力敏感膜直接的能量交换，提高了传感器的品质因子，降低了外部能量耦合，进而提升了检测精度；传感器采用谐振原理，具有Q值高的优点，进而使得谐振器具有功耗低、精度高、抗外界干扰能力强、系统振动稳定性好等特点。
进一步的，可动锚点两侧延伸悬置为T型，两个第一谐振梁分别延伸连接至两个可动锚点后端两侧的第一外延悬置部，两个第二谐振梁分别延伸连接至两个可动锚点后端两侧的第二外延悬置部，可以有效降低谐振器的面外抬升高度，有利于谐振器的激励并提升传感器的稳定性。
进一步的，谐振器的可动电极的电势为等电势，固定电极通有交流和直流电压，通过梳齿固定电极和可动电极之间产生的静电力，产生交变的驱动力，从而使谐振器产生振动。
附图说明
图1为本发明整体示意图；
图2为图1谐振器层的局部放大图；
图3为本发明立体示意图；
图4为图3的局部放大图；
图5为耦合梁与拾振梁的工作原理图；
图6为
具体实施方式
中敏感膜所施加压力与谐振梁频率的二次拟合曲线。
附图中：1、谐振器层，2、敏感膜层，3、压力敏感膜，4、硅岛，5、可动锚点，61、第一谐振梁，62、第二谐振梁，71、第一质量块，72、第二质量块，81、第一固定电极，82、第二固定电极，9、第二蛇形梁，10、第一蛇形梁，11、耦合梁，12、拾振梁；
图5中的实线为耦合梁和拾振梁变形前的轮廓，虚线为为耦合梁和拾振梁变形后的轮廓。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1至图4，基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器，传感器采用压力敏感膜和谐振器复合的二次敏感结构，其中谐振器为面内平行反向振动。基于双谐振梁对称耦合设计，包括谐振器层1和压力敏感膜层2。
谐振器层1包括两个可动锚点5，第一谐振梁61，第二谐振梁62，第一质量块71，第二质量块72，第一固定电极81，第一固定电极82，第二蛇形梁9，第一蛇形梁10，耦合梁11和拾振梁12。敏感膜层2包括压力敏感膜3和与压力敏感膜3连接的两个对称设置的硅岛4。
两个硅岛4上端分别与两个可动锚点5连接，可动锚点5通过硅岛4与压力敏感膜3固定连接，其外形为T形，即两侧向外延伸悬置，包括连接部，和连接在连接部两侧的第一外延悬置部和第二外延悬置部，连接部与硅岛4上端连接，第一外延悬置部与第一谐振梁61一端连接，第一谐振梁61另一端与第一质量块71连接；第一质量块71上布置有梳齿电极，作为第一可动电极，第一可动电极外侧布置有第一固定电极81，与第一质量块71一同构成第一静电激励结构；第二外延悬置部与第二谐振梁62一端连接，第二谐振梁62另一端与第二质量块72连接；第二质量块72上布置有梳齿电极，作为第二可动电极，第二可动电极外侧布置有第二固定电极82，第一和第二固定电极均为梳齿电极，与第二质量块72一同构成第二静电激励结构。
第一质量块71和第二质量块72分别连接在拾振梁12的前侧和后侧，拾振梁12的左侧和右侧分别连接有耦合梁11。拾振梁12上布置有压敏电阻，此外拾振梁12与耦合梁11和第一蛇形梁10上均布置有压阻信号输出线，压阻信号输出线一端和压敏电阻连接；第一蛇形梁10一端与耦合梁11连接，另一端与可动锚点5的连接部连接；每个可动锚点5外侧通过两根第二蛇形梁9与谐振器层1的固定端连接。
在本传感器中，硅岛4布置于压力敏感膜沿谐振梁长度方向的最大变形区；两个耦合梁将拾振梁、质量块和谐振梁的振动耦合在一起，保证两个谐振梁的频率相同，以保证振动过程的稳定性。
在两个耦合梁的一侧布置有第一蛇形梁，第一蛇形梁与耦合梁和拾振梁上均布置有压阻信号输出线，压阻信号输出线为铝线或金线，方便对拾振梁上压阻信号的检测与输出。
两个第一谐振梁61分别延伸连接至两个可动锚点5后端两侧的第一外延悬置部，两个第二谐振梁62分别延伸连接至两个可动锚点5后端两侧的第二外延悬置部，可以有效降低谐振器的面外抬升高度，有利于谐振器的激励。
本发明的工作原理如下：
参照图5，当外界压力作用于压力敏感膜上并使其发生变形，该变形将通过硅岛和可动锚点传递至谐振梁，谐振梁的内应力发生改变，从而改变谐振梁的固有频率，通过布置有压敏电阻检测谐振器的谐振频率，从而测量施加在压力敏感膜上的压力大小，通过与耦合梁相连接的第一蛇形梁实现压阻信号输出。基于静电激励压阻检测的硅微谐振压力传感器采用对称工作模态。在质量块上布置有梳齿电极，与之相对应的外侧布置有固定电极，固定电极通有交流+直流电压，通过梳齿电极之间产生的静电力，产生交变的驱动力，从而使谐振器产生振动，当驱动力达到谐振器的谐振频率附近时，谐振器发生谐振，然后通过检测拾振梁上压敏电阻的变化将压阻信号输出，以完成谐振频率的检测，通过该方法可有效地提升信号的抗干扰特性，提升传感器的测量稳定性。
图6为敏感膜所施加压力与谐振梁谐振频率的二次拟合曲线，拟合函数为f＝-0.1014p2+4.672p+110.1，线性相关系数为R2＝1，传感器灵敏度为4.38Hz/KPa，该灵敏度符合对3MPa大量程压力传感器的要求。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
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