0  引  言

諧振式壓力傳感器的基本機(jī)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(cè)量諧振器頻率的變化來(lái)檢測(cè)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(wěn)定性，容易和大規(guī)模集成電路兼容。

近幾年來(lái)隨著微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步以及微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，基于MEMS工藝基礎(chǔ)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(cè)結(jié)構(gòu)的諧振式壓力傳感器，諧振器采用電磁激勵(lì)-電磁拾振的激勵(lì)方式，采用閉環(huán)自激振蕩的檢測(cè)方式來(lái)檢測(cè)壓力。

1  工作原理

傳感器的整體結(jié)構(gòu)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(jié)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(cè)與待測(cè)壓力源相接觸。膜的四周與封裝的管座底部固支接觸。當(dāng)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?yàn)橹е男巫兌艿捷S向應(yīng)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(yīng)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(cè)諧振梁固有頻率的變化可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)壓力的目的。此傳感器采用差分檢測(cè)方式，分上、中、下三組諧振梁進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)中梁和上下任意一組梁進(jìn)行差分檢測(cè)，可以提高整個(gè)傳感器的靈敏度，大幅度地削弱溫漂對(duì)于諧振梁頻率飄移的影響。

傳感器諧振梁的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率與激振梁所加電壓相同。當(dāng)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(dá)到最大，從而拾振電極之間的感生電動(dòng)勢(shì)的幅值也達(dá)到最大。通過(guò)檢測(cè)拾振梁所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)大小來(lái)確定諧振梁的固有頻率從而達(dá)到檢測(cè)壓力的目的。此結(jié)構(gòu)稱(chēng)作“H型”梁結(jié)構(gòu)。

2  制作和封裝

傳感器的制作采用體硅微機(jī)械加工技術(shù)。首先分別在Si片上制作諧振器和硅壓力感應(yīng)膜，然后通過(guò)Si-Si鍵合將兩Si片結(jié)合在一起，形成三維結(jié)構(gòu)的芯片，最后經(jīng)過(guò)真空封裝完成整個(gè)器件的制作。其主要流程如圖3所示。

芯片制作完成后，將其粘在管座上，超聲壓焊引線(xiàn)，蓋上管帽，兩邊開(kāi)通氣孔，將有諧振梁的一邊封在真空(10-3 Pa)中，另一端的壓力膜與待測(cè)壓力源相通(圖4)，這樣就完成了壓力傳感器的封裝。

3  測(cè)  試

壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)由壓力傳感器、鎖相放大器和信號(hào)激勵(lì)源、拾振恒流源等組成。采用純交流激勵(lì)電壓激振，利用鎖相放大器，通過(guò)控制頻率掃描和數(shù)據(jù)采集以及檢測(cè)振幅和相位等，可以檢測(cè)諧振器的頻率特性。

對(duì)壓力傳感器器件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析測(cè)試，利用頻率掃描儀構(gòu)成的開(kāi)環(huán)掃描系統(tǒng)測(cè)試了器件在空氣中的頻率特性曲線(xiàn)如圖5，諧振梁的峰值大約在72.30 kHz處，-3 dB帶寬約為50 Hz。計(jì)算得出諧振梁的品質(zhì)因數(shù)Q大于1 200。

利用鎖相放大器構(gòu)成的開(kāi)環(huán)掃描系統(tǒng)測(cè)試了器件在高真空中的頻率特性曲線(xiàn)如圖6，諧振梁的峰值大約在72.395 kHz處，-3 dB帶寬約為10 Hz。計(jì)算得出諧振梁的品質(zhì)因數(shù)Q大于7 000。

在室溫條件下，對(duì)真空封裝的壓力傳感器進(jìn)行了壓力特性測(cè)試，測(cè)試采用英國(guó)Druck公司的DP1610型壓力校驗(yàn)儀，電路為自制的鎖相環(huán)放大電路。壓力特性曲線(xiàn)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。(激振電壓峰值為50 mV)

圖7中前兩根曲線(xiàn)分別是壓力傳感器的中、下諧振器的壓力輸出曲線(xiàn)?？梢钥闯觯瑑烧叩木€(xiàn)性度較差，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.996 6和0.999 6，靈敏度(曲線(xiàn)斜率)分別為144.16、81.612 Hz／kPa。最后一根曲線(xiàn)是將上面兩個(gè)諧振器的輸出信號(hào)作差分得出的輸出曲線(xiàn)，其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2為0.999 9，線(xiàn)性度明顯好于單個(gè)諧振器輸出，靈敏度為225.77 Hz／kPa，高于前兩者。這充分證明了差分輸出的效果，無(wú)論從靈敏度和線(xiàn)性度上都好于單個(gè)諧振器輸出。此壓力傳感器滿(mǎn)量程刻度為120 kPa，滿(mǎn)量程時(shí)頻率漂移量為27.331 kHz，相當(dāng)于諧振器固有頻率的38％。此壓力傳感器為試樣，故測(cè)試還不夠完善，存在系統(tǒng)誤差，這些都對(duì)最后的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，有待于進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。

4  結(jié)  論

利用微電子機(jī)械加工技術(shù)成功研制出電磁激勵(lì)一電磁拾振硅諧振梁式壓力傳感器。該傳感器的諧振器在空氣中的品質(zhì)因素Q值大于1 200，真空中的Q值大于7 000。采用閉環(huán)自激振蕩方式，測(cè)定壓力傳感器的壓力特性在壓力測(cè)試0～120 kPa內(nèi)，差分輸出的結(jié)果優(yōu)于單個(gè)諧振梁的輸出結(jié)果。差分輸出結(jié)果的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.999 9，靈敏度為225.77 Hz／kPa。