電磁激勵微諧振式傳感器的設(shè)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，通過測量諧振器頻率的變化來檢測壓力。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。

近幾年來隨著微機械加工技術(shù)的進步以及微弱信號檢測技術(shù)的進步，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越受到重視。本文介紹了一種具有差分檢測結(jié)構(gòu)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檢測壓力。

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。兩者通過鍵合技術(shù)結(jié)合為一個整體。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，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(yīng)力，從而改變其本身的固有振動頻率。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性關(guān)系，所以通過檢測諧振梁固有頻率的變化可以實現(xiàn)檢測壓力的目的。此傳感器采用差分檢測方式，分上、中、下三組諧振梁進行檢測。通過中梁和上下任意一組梁進行差分檢測，可以提高整個傳感器的靈敏度，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(jié)構(gòu)見圖2，兩根梁和中間相連的橋組成了傳感器的諧振器。工作時外加垂直于諧振梁上表面的磁場，當(dāng)在激振電極A和B之間外加周期性交變電壓時，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，并通過中間的橋帶動上方拾振梁振動。當(dāng)拾振梁振動時，因切割磁力線而在拾振電極C和D之間產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，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諧振梁的固有頻率時，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勢的幅值也達到最大。通過檢測拾振梁所產(chǎn)生的感生電動勢大小來確定諧振梁的固有頻率從而達到檢測壓力的目的。此結(jié)構(gòu)稱作“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)過真空封裝完成整個器件的制作。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，蓋上管帽，兩邊開通氣孔，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壓力源相通(圖4)，這樣就完成了壓力傳感器的封裝。

3  測  試

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

對壓力傳感器器件進行了動態(tài)分析測試，利用頻率掃描儀構(gòu)成的開環(huán)掃描系統(tǒng)測試了器件在空氣中的頻率特性曲線如圖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)成的開環(huán)掃描系統(tǒng)測試了器件在高真空中的頻率特性曲線如圖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，對真空封裝的壓力傳感器進行了壓力特性測試，測試采用英國Druck公司的DP1610型壓力校驗儀，電路為自制的鎖相環(huán)放大電路。壓力特性曲線測試結(jié)果如圖7所示。(激振電壓峰值為50 mV)

圖7中前兩根曲線分別是壓力傳感器的中、下諧振器的壓力輸出曲線。可以看出，兩者的線性度較差，線性相關(guān)系數(shù)R2分別為0.996 6和0.999 6，靈敏度(曲線斜率)分別為144.16、81.612 Hz／kPa。最后一根曲線是將上面兩個諧振器的輸出信號作差分得出的輸出曲線，其線性相關(guān)系數(shù)R2為0.999 9，線性度明顯好于單個諧振器輸出，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，無論從靈敏度和線性度上都好于單個諧振器輸出。此壓力傳感器滿量程刻度為120 kPa，滿量程時頻率漂移量為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，故測試還不夠完善，存在系統(tǒng)誤差，這些都對最后的測試結(jié)果產(chǎn)生影響，有待于進行進一步的試驗。

4  結(jié)  論

利用微電子機械加工技術(shù)成功研制出電磁激勵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，測定壓力傳感器的壓力特性在壓力測試0～120 kPa內(nèi)，差分輸出的結(jié)果優(yōu)于單個諧振梁的輸出結(jié)果。差分輸出結(jié)果的線性相關(guān)系數(shù)為0.999 9，靈敏度為225.77 Hz／kPa。