專利名稱：激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器。
背景技術(shù)：
硅微諧振式壓力傳感器由于分辨力、穩(wěn)定性、重復(fù)性優(yōu)異和便于與計算機接口等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀器儀表等領(lǐng)域，尤其適用于航空大氣壓力測試系統(tǒng)。圖1為一種典型的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括感壓膜片1、 雙端固支諧振梁2、激勵電阻5和拾振電阻6。被測壓力作用于感壓膜片1并使其發(fā)生變形， 感壓膜片1的變形引起固定于感壓膜片1上表面的雙端固支諧振梁2的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化， 進而改變諧振梁2的一階固有頻率。諧振梁2中部的熱激勵電阻5引起的材料熱膨脹效應(yīng)激勵諧振梁2以一階模態(tài)振動；諧振梁根部的拾振電阻6通過壓阻效應(yīng)拾取諧振梁2的振動信號，根據(jù)諧振梁2的固有振動頻率即可換算出被測壓力值。該電熱激勵-壓阻拾振方法的優(yōu)點在于激勵電阻5和拾振電阻6的加工工藝與硅微機械加工工藝完全兼容、傳感器結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低。然而，激勵信號通過激勵電阻5和拾振電阻6間的分布電容耦合到輸出端的同頻電容耦合干擾成為微弱拾振信號最主要的干擾源之一，極大增加了信號檢測難度。此外，電阻電熱效應(yīng)使諧振梁2溫度升高，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力使諧振梁2的固有頻率發(fā)生漂移，降低了傳感器測量精度。為降低同頻電容耦合干擾，發(fā)表在《航空學(xué)報》上的文獻《硅諧振壓力微傳感器開環(huán)測試中的信號處理技術(shù)》提出一種對稱激勵方法將激勵電阻5和拾振電阻6理想化為“點電荷”，在激勵電阻5的兩端施加幅度相同、相位相反的對稱激勵信號。然而，一方面將激勵電阻5和拾振電阻6理想化為點電荷存在一定理論誤差；另一方面受反相器性能影響，加在激勵電阻5兩端的激勵信號不可能完全對稱，影響了消除電容耦合干擾的效果。另外，為消除電容耦合干擾還可參考文獻T. Corman，et al，“Burst” Technology with Feedback-Loop Control for Capacitive Detection and Electrostatic Excitation of Resonant Silicon Sensors, IEEE Transactions on Electron Devices,2000,47 (11) 2228-2235中提出的間歇(Burst)激勵方法，拾取諧振梁2振動信號時斷開激勵信號，使激勵信號和拾振信號在時間上分離，從而消除激勵電阻5對拾振電阻6的電容耦合干擾。然而激勵信號斷開后諧振梁2自由振動的振幅按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，增加了信號檢測難度， 控制電路也較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是為解決現(xiàn)有電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器中激勵電阻對拾振電阻的同頻電容耦合干擾問題和減輕電阻電熱效應(yīng)引起的諧振梁固有頻率漂移，而將激勵電阻和拾振電阻合并，提出一種激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器。
3
本發(fā)明的技術(shù)解決方案激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器包括感壓膜片1、雙端固支諧振梁2、激勵-拾振電阻3和鎖相閉環(huán)電路4 ；雙端固支諧振梁2固定于感壓膜片1的上表面，被測壓力直接作用于感壓膜片1的下表面并使感壓膜片1發(fā)生變形，感壓膜片1的變形引起雙端固支諧振梁2的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，進而改變其固有頻率，檢測并跟蹤諧振梁2的固有頻率即可得到被測壓力值。所述檢測并跟蹤諧振梁2 固有頻率的實現(xiàn)方法為將頻率為ω的正弦電壓信號ue(t)施加于激勵-拾振電阻3，一方面(t)起到激勵作用，激勵-拾振電阻3產(chǎn)生的交變熱功率引起的材料熱膨脹效應(yīng)驅(qū)動諧振梁2以頻率2 ω振動，由于壓阻效應(yīng)，激勵-拾振電阻3的阻值也以頻率2 ω隨諧振梁2 振動而變化；另一方面ue(t)起到調(diào)制作用，使激勵-拾振電阻3中產(chǎn)生頻率為3ω的電流分量，該交變電流分量包含諧振梁2振動的相位信息，鎖相閉環(huán)電路4利用諧振梁2振動的相位信息將諧振梁2的振動頻率鎖定于固有頻率，實現(xiàn)了對固有頻率的跟蹤和檢測。所述激勵-拾振電阻3通過微機械加工工藝制作于諧振梁2的根部。所述感壓膜片1和雙端固支諧振梁2均采用硅作為材料。本發(fā)明的原理現(xiàn)有典型的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器中，諧振梁的激勵和諧振梁振動信號的拾取分別采用激勵電阻和拾振電阻兩個電阻實現(xiàn)，激勵電阻對拾振電阻的同頻電容耦合干擾是激勵信號通過兩電阻之間的分布電容直接耦合到拾振電阻端產(chǎn)生的。為此，本發(fā)明從電阻熱激勵和壓敏電阻檢測的機理入手，將激勵電阻和拾振電阻合并，利用激勵-拾振電阻中電流的三次諧波分量拾取諧振梁振動，拾振信號和激勵信號在頻域上分離，解決了同頻電容耦合干擾問題。引起諧振梁固有頻率漂移的電阻電熱效應(yīng)的強弱與電阻靜態(tài)熱功率大小和電阻在諧振梁上的位置有關(guān)。本發(fā)明將激勵和拾振電阻合并，降低了電阻產(chǎn)生的靜態(tài)熱功率。又由于合并后的激勵-拾振電阻位于諧振梁根部，有利于熱量向外界傳播。所以本發(fā)明可大幅降低熱效應(yīng)引起的諧振梁固有頻率漂移。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(1)本發(fā)明解決了現(xiàn)有電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器中激勵信號對拾振信號的同頻電容耦合干擾；(2)本發(fā)明可顯著降低電阻電熱效應(yīng)引起的諧振梁固有頻率漂移，提高傳感器測量精度；(3)本發(fā)明將激勵電阻和拾振電阻合并，簡化了傳感器結(jié)構(gòu)。


圖1為典型的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提出的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提出的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)分解示意圖；圖4為本發(fā)明采用的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器鎖相閉環(huán)系統(tǒng)示意圖；圖5為本發(fā)明鎖相閉環(huán)系統(tǒng)中三倍頻器原理框圖。
具體實施例方式如圖2所示，本發(fā)明涉及的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)采用硅作為材料，主要包括感壓膜片1、雙端固支諧振梁2、激勵-拾振電阻3 和鎖相閉環(huán)電路4 ；雙端固支諧振梁2固定于感壓膜片1的上表面，被測壓力直接作用于感壓膜片1的下表面并使感壓膜片1發(fā)生變形，感壓膜片1的變形引起雙端固支諧振梁2的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，進而改變其固有頻率，跟蹤檢測諧振梁2的固有頻率即可換算出被測壓力值。所述的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)可采用光刻、腐蝕及硅-硅鍵合等微機械加工工藝進行制作，先采用光刻和腐蝕將上下兩片N型硅晶片分別加工成圖3所示形狀；然后采用硅-硅鍵合工藝將兩者熔接成一整體；再以上晶片表面作為基準(zhǔn)面，拋光、蝕刻到需要的厚度，就得到雙端固支的諧振梁2。隨后，采用微機械加工工藝將激勵-拾振電阻3制作于諧振梁2根部。一方面，電熱激勵通過材料的熱膨脹效應(yīng)激勵諧振梁振動，屬于一種“應(yīng)變激勵”。諧振梁2按一階模態(tài)振動時，其根部的軸向應(yīng)變最大，因此將激勵-拾振電阻3制作于諧振梁2根部可獲得較高的對諧振梁一階振動模態(tài)的激勵效率。另一方面，諧振梁2按一階模態(tài)振動時，其根部的軸向應(yīng)力最大，因此將激勵-拾振電阻3制作于諧振梁2根部有利于利用壓阻效應(yīng)拾取諧振梁2的振動信號。 最后，在下晶片背面刻蝕槽，形成感壓膜片1，膜片1的厚度視被測壓力量程而定。這為本領(lǐng)域公知技術(shù)。如圖4所示為本發(fā)明用于跟蹤諧振梁2—階固有頻率的鎖相閉環(huán)電路原理框圖。壓控振蕩器輸出頻率為ω的正弦電壓信號Mva7=f/VOTC0S( i + ^ViJ，其中Uv。。和 Ai 分別為正弦電壓信號幅度和初始相位。Uv。。經(jīng)激勵信號放大器放大后可表示為
權(quán)利要求
1.激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器，包括感壓膜片(1)、雙端固支諧振梁( 、激勵-拾振電阻C3)和鎖相閉環(huán)電路；雙端固支諧振梁( 固定于感壓膜片(1)的上表面，被測壓力直接作用于感壓膜片(1)的下表面并使感壓膜片(1)發(fā)生變形，感壓膜片(1)的變形引起雙端固支諧振梁( 的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，進而改變其固有頻率，檢測并跟蹤諧振梁O)的固有頻率變化即可換算出被測壓力值；其特征在于所述檢測并跟蹤諧振梁O)固有頻率的實現(xiàn)為將頻率為ω的正弦電壓信號 (0施加于激勵-拾振電阻(3)，一方面ue(t)起到激勵作用，激勵-拾振電阻(3)產(chǎn)生的交變熱功率引起的材料熱膨脹效應(yīng)驅(qū)動諧振梁O)以頻率2 ω振動，由于壓阻效應(yīng)，激勵-拾振電阻(3)的阻值也以頻率2ω隨諧振梁(2)振動而變化；另一方面(t)起到調(diào)制作用，在激勵-拾振電阻 ⑶中產(chǎn)生頻率為3ω的電流分量，該交變電流分量包含諧振梁⑵振動的相位信息，鎖相閉環(huán)電路⑷利用諧振梁⑵振動的相位信息將諧振梁⑵的振動頻率鎖定于固有頻率， 實現(xiàn)了對固有頻率的檢測和跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器， 其特征在于所述激勵-拾振電阻(3)通過微機械加工工藝制作于諧振梁O)的根部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器， 其特征在于所述感壓膜片(1)和雙端固支諧振梁( 均采用硅作為材料。
全文摘要
激勵和拾振合一的電熱激勵-壓阻拾振諧振梁壓力傳感器，包括感壓膜片、雙端固支諧振梁、激勵-拾振電阻和鎖相閉環(huán)電路。被測壓力直接作用于感壓膜片的下表面并使其發(fā)生變形。感壓膜片的變形引起固定于感壓膜片上表面的雙端固支諧振梁內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，進而改變其一階固有頻率。跟蹤諧振梁一階固有頻率的變化即可實現(xiàn)對被測壓力的測量。本發(fā)明將激勵電阻和拾振電阻合并為一個“激勵-拾振”電阻，不僅簡化了傳感器結(jié)構(gòu)，而且拾振信號頻率為激勵信號頻率的三倍，拾振信號和激勵信號在頻域中相互分離，很好的解決了上述同頻電容耦合干擾問題；同時大幅降低了電阻電熱效應(yīng)引起的諧振梁固有頻率漂移。
文檔編號G01L1/10GK102507050SQ20111030741
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者孫苗苗, 李慶豐, 樊尚春, 湯章陽, 邢維巍 申請人:北京航空航天大學(xué)