電磁激勵微諧振式傳感器的設計與制作

0 引 言

諧振式壓力傳感器的基本機理是利用壓力敏感元件感受到壓力，使與之相關(guān)聯(lián)的諧振器的諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)測量諧振器頻率的變化來(lái)檢測壓力。與通常的諸如壓阻式和電容式壓力傳感器相比，諧振式壓力傳感器體積小、功耗低；以頻率為最后輸出量的特點(diǎn)使其具有更高的精度和穩定性，容易和大規模集成電路兼容。

近幾年來(lái)隨著(zhù)微機械加工技術(shù)的進(jìn)步以及微弱信號檢測技術(shù)的進(jìn)步，基于MEMS工藝基礎的諧振式壓力傳感器的研究和制作越來(lái)越受到重視。本文介紹了一種具有差分檢測結構的諧振式壓力傳感器，諧振器采用電磁激勵-電磁拾振的激勵方式，采用閉環(huán)自激振蕩的檢測方式來(lái)檢測壓力。

1 工作原理

傳感器的整體結構如圖1。它由單晶Si壓力膜和單晶Si的梁諧振器組成。兩者通過(guò)鍵合技術(shù)結合為一個(gè)整體。上面的諧振器封裝于真空中，下面的Si膜下側與待測壓力源相接觸。膜的四周與封裝的管座底部固支接觸。當Si膜受到壓力的作用時(shí)，膜將產(chǎn)生形變。與膜相接觸的諧振梁支柱也將隨膜的形變而發(fā)生形變，這樣，位于支柱上端的梁諧振器將因為支柱的形變而受到軸向應力，從而改變其本身的固有振動(dòng)頻率。其頻率的改變和軸向應力變化以及膜受到的壓力為近似線(xiàn)性關(guān)系，所以通過(guò)檢測諧振梁固有頻率的變化可以實(shí)現檢測壓力的目的。此傳感器采用差分檢測方式，分上、中、下三組諧振梁進(jìn)行檢測。通過(guò)中梁和上下任意一組梁進(jìn)行差分檢測，可以提高整個(gè)傳感器的靈敏度，大幅度地削弱溫漂對于諧振梁頻率飄移的影響。

傳感器諧振梁的結構見(jiàn)圖2，兩根梁和中間相連的橋組成了傳感器的諧振器。工作時(shí)外加垂直于諧振梁上表面的磁場(chǎng)，當在激振電極A和B之間外加周期性交變電壓時(shí)，激振梁因產(chǎn)生電流而受到洛侖茲力，隨著(zhù)電壓方向的變化，洛侖茲力方向也隨之周期性變化，從而使得激振梁因受到方向周期性變化的力而產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)中間的橋帶動(dòng)上方拾振梁振動(dòng)。當拾振梁振動(dòng)時(shí)，因切割磁力線(xiàn)而在拾振電極C和D之間產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，其頻率與激振梁所加電壓相同。當所加電壓頻率接近或等于整個(gè)諧振梁的固有頻率時(shí)，諧振梁將發(fā)生共振，拾振梁的振幅達到最大，從而拾振電極之間的感生電動(dòng)勢的幅值也達到最大。通過(guò)檢測拾振梁所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢大小來(lái)確定諧振梁的固有頻率從而達到檢測壓力的目的。此結構稱(chēng)作“H型”梁結構。

2 制作和封裝