專利名稱：一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器。
背景技術：
硅微諧振式壓力傳感器是目前精度最高的壓力傳感器，它通過檢測物體的固有頻率來間接測量壓力，為準數字信號輸出。其精度主要受結構機械特性的影響，因此其抗干擾能力強，性能穩定。除此之外，硅微諧振式壓力傳感器還具有頻帶寬、結構緊湊、功耗低、體積小、重量輕、可批量生產等許多優點，一直是各國研究和開發的重點。
在硅微諧振式壓力傳感器研發方面，英國、日本、法國、美國等國家已經取得了一系列成果。但是目前已成功商品化并且大量使用的硅微諧振式壓力傳感器主要有兩種，分別是英國的Druck公司和日本的橫河電機株式會社。英國的Druck公司的硅微諧振式壓力傳感器主要是采用靜電激勵、電容檢測的工作方式，其敏感部分包括諧振子、硅島、壓力敏感膜片和四周固定的邊框四部分。其中的諧振子是采用濃硼自停止刻蝕技術得到的，整體誤差小于0. 01%，測量范圍10 1300mbar。日本橫河電機株式會社的硅微諧振式壓力傳感器則采用電磁激勵、電磁檢測的工作方式，其諧振器是利用選擇性外延生長和犧牲層技術得到，為內置于真空腔中的諧振梁，并嵌入在壓力敏感膜片上表面，整體精度優于0. 01 % FS，溫度系數小于5ppm/K。然而上述硅微諧振式壓力傳感器采用的驅動方式都為上下平板結構驅動，制作工藝比較復雜，外部電路的檢測也有一定難度，并且還必須保證穩定的高真空封裝環境。
本申請人在中國專利CN102162756A中公開一種可解決上下平板驅動結構中驅動力的非線性問題，以及驅動力與壓力敏感膜片間的耦合問題，基于側向驅動的一種全對稱硅微諧振式壓力傳感器。設有諧振子、棱臺形硅島、正方形硅壓力敏感膜片、硅邊框和下層玻璃；硅邊框內部與正方形壓力敏感膜片連為一體，在正方形硅壓力敏感膜片的對角線上對稱設有4個棱臺形硅島，所述4個棱臺形硅島的四邊與所述正方形硅壓力敏感膜片的四邊平行，4個棱臺形硅島通過與之相連的4根支撐梁將諧振子平行懸置于正方形硅壓力敏感膜片上方；設于硅邊框上表面的4根對角線上的4個引線電極通過4根柔性梁與諧振子連接，實現諧振子與外界的電氣連接。
中國專利CN101149298公開一種新的硅微諧振式壓力傳感器及其制作方法。采用 4個對稱布置在正方形壓力敏感膜片對角線上的正方形硅島，諧振子通過該正方形硅島懸置于正方形壓力敏感膜片表面。該諧振子由4根支撐梁、4個振動葉片及1個中心連接端構成。4根支撐梁和4個振動葉片間隔對稱分布于中心連接端的四周，而4根支撐梁的另一端分別置于4個正方形硅島的上表面，4個振動葉片處于懸置狀態。
中國專利CN101614604公開一種基于滑膜差動結構的硅諧振式壓力傳感器及其制作方法，該硅諧振式壓力傳感器主要包括諧振器、支撐柱、壓力敏感膜片及邊框四部分， 其中邊框上部與壓力敏感膜片四邊相連，下部與壓力敏感膜片對應位置形成有空腔，使被測氣體通過該空腔與壓力敏感膜片相接觸。支撐柱位于壓力敏感膜片上表面，而諧振器則通過支撐柱和邊框懸置于壓力敏感膜片上表面。發明內容
本發明的目的在于針對現有的諧振式壓力傳感器為了提高諧振子的品質因子，需要對諧振子進行高真空密封，而且溫度變化也會引起諧振子諧振頻率的變化等難題，提供一種帶有機械梁差動結構的基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器。
本發明設有諧振子、2個矩形硅島、矩形壓力敏感膜片、硅邊框和下層玻璃；所述諧振子設有8根支撐梁、1根耦合梁、4個可動梳齒激勵電極、2個可動梳齒檢測電極、4個固定梳齒激勵電極、2個固定梳齒檢測電極和2個振動質量塊，所述矩形壓力敏感膜片固定在硅邊框內部，所述2個矩形硅島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，2個矩形硅島通過8根支撐梁將諧振子懸置于矩形壓力敏感膜片表面，所述8根支撐梁與2個矩形硅島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；8根支撐梁分別布置在諧振子的四角，2個振動質量塊通過8根支撐梁與矩形硅島相連，設于諧振子中間的機械耦合梁用于連接2個振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處于懸置狀態，其中振動質量塊上設有孔或孔陣列，用于降低阻尼或在工藝上實現結構的釋放；所述4個固定梳齒激勵電極與4個可動梳齒激勵電極構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極與2個可動梳齒檢測電極構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃設于硅邊框底部。
所述柔性梁可采用S型柔性梁，采用柔性梁是為了減小其變形對矩形壓力敏感膜剛度的影響。
所述諧振子可為水平振動的基于滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形硅島延伸方向平行。
所述諧振子、硅邊框和下層玻璃可通過鍵合工藝粘接在一起，下層玻璃中心設有導壓孔，導壓孔與矩形硅壓力敏感膜片中心正對。
本發明采用了梳齒彈性梁結構作為諧振子，諧振子的振動方式采用水平振動，其本身的空氣阻尼為滑膜阻尼，對封裝腔體真空度的變化也相對不敏感，可以取得較高的品質因子，并獲得較好的長期穩定性。該諧振子自帶的機械耦合梁，能使得壓力傳感器產生較好的差分效果，減小溫度對諧振子頻率的影響，提高器件的靈敏度，并且降低了外部電路的檢測難度。
圖1為本發明實施例的結構示意圖。
圖2為本發明實施例的分解結構示意圖。
具體實施方式
參見圖1和2，本發明實施例設有諧振子1、2個矩形硅島2、矩形壓力敏感膜片3、 硅邊框4和下層玻璃14 ；所述諧振子1設有8根支撐梁5、1根耦合梁6、4個可動梳齒激勵電極7、2個可動梳齒檢測電極8、4個固定梳齒激勵電極9、2個固定梳齒檢測電極10和2 個振動質量塊11，所述矩形壓力敏感膜片3固定在硅邊框4內部，所述2個矩形硅島2設在矩形壓力敏感膜片3受力偏轉角度最大的位置，2個矩形硅島2通過8根支撐梁5將諧振子1懸置于矩形壓力敏感膜片3表面，所述8根支撐梁5與2個矩形硅島2相連；引線電極 13通過柔性梁12與諧振子1連接；8根支撐梁5分別布置在諧振子1的四角，2個振動質量塊11通過8根支撐梁5與矩形硅島2相連，設于諧振子1中間的機械耦合梁6用于連接 2個振動質量塊11，振動質量塊11和耦合梁6都處于懸置狀態，其中振動質量塊11上設有孔或孔陣列，用于降低阻尼或在工藝上實現結構的釋放；所述4個固定梳齒激勵電極9與4 個可動梳齒激勵電極7構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極10與2個可動梳齒檢測電極8構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃14設于硅邊框4底部。
所述柔性梁可采用S型柔性梁，采用柔性梁是為了減小其變形對矩形壓力敏感膜 3剛度的影響。
所述諧振子1可為水平振動的基于滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形硅島延伸方向平行。
所述諧振子1、硅邊框4和下層玻璃14可通過鍵合工藝粘接在一起，下層玻璃14 中心設有導壓孔15，導壓孔15與矩形硅壓力敏感膜片3中心正對。
以下給出本發明的工作過程
當外界壓力通過導壓孔15作用于矩形壓力敏感膜片3時，矩形壓力敏感膜片3發生變形，帶動矩形硅島2發生偏轉，從而改變8根支撐梁5的內應力，進而改變8根支撐梁5 的剛度，即諧振子1的固有頻率發生變化。將固定梳齒激勵電極9、固定梳齒檢測電極10、 引線電極13分別與外部電路連接引入3路電信號，其中第1路電信號作用于固定梳齒激勵電極9，第2路電信號作用于固定梳齒檢測電極10，第3路電信號通過引線電極13、柔性梁 12、支撐梁5、質量塊11作用于可動梳齒激勵電極7和可動梳齒檢測電極8。通過梳齒電容間的靜電激勵、電容檢測即可得到諧振子1與外界壓力相關的固有諧振信號。
權利要求
1.一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于設有諧振子、2 個矩形硅島、矩形壓力敏感膜片、硅邊框和下層玻璃；所述諧振子設有8根支撐梁、1根耦合梁、4個可動梳齒激勵電極、2個可動梳齒檢測電極、4個固定梳齒激勵電極、2個固定梳齒檢測電極和2個振動質量塊，所述矩形壓力敏感膜片固定在硅邊框內部，所述2個矩形硅島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，2個矩形硅島通過8根支撐梁將諧振子懸置于矩形壓力敏感膜片表面，所述8根支撐梁與2個矩形硅島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；8根支撐梁分別布置在諧振子的四角，2個振動質量塊通過8根支撐梁與矩形硅島相連，設于諧振子中間的機械耦合梁用于連接2個振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處于懸置狀態，其中振動質量塊上設有孔或孔陣列；所述4個固定梳齒激勵電極與4個可動梳齒激勵電極構成梳齒激勵電容，2個固定梳齒檢測電極與2個可動梳齒檢測電極構成梳齒檢測電容；所述下層玻璃設于硅邊框底部。
2.如權利要求1所述的一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于所述柔性梁采用S型柔性梁。
3.如權利要求1所述的一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于所述諧振子為水平振動的基于滑膜阻尼的梳齒彈性梁結構，其運動方向與矩形硅島延伸方向平行。
4.如權利要求1所述的一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于所述諧振子、硅邊框和下層玻璃通過鍵合工藝粘接在一起。
5.如權利要求1所述的一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，其特征在于下層玻璃中心設有導壓孔，導壓孔與矩形硅壓力敏感膜片中心正對。
全文摘要
一種基于帶有耦合梁差動結構的硅微諧振式壓力傳感器，涉及一種傳感器。設諧振子、矩形硅島、矩形壓力敏感膜片、硅邊框和下層玻璃；諧振子設有支撐梁、耦合梁、可動梳齒激勵電極、可動梳齒檢測電極、固定梳齒激勵電極、固定梳齒檢測電極和振動質量塊，矩形壓力敏感膜片固定在硅邊框內部，矩形硅島設在矩形壓力敏感膜片受力偏轉角度最大的位置，矩形硅島通過支撐梁將諧振子懸置于矩形壓力敏感膜片表面，支撐梁與矩形硅島相連；引線電極通過柔性梁與諧振子連接；支撐梁設在諧振子四角，振動質量塊與矩形硅島相連，設于諧振子中間的機械耦合梁用于連接振動質量塊，振動質量塊和耦合梁都處于懸置狀態，振動質量塊上設有孔；下層玻璃設于硅邊框底部。
文檔編號B81B3/00GK102494813SQ20111039469
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者呂文龍, 孫道恒, 杜曉輝, 江毅文, 王凌云, 蘇源哲 申請人:廈門大學