一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115265850A(43)申请公布日2022.11.01(21)申请号202210759226.4(22)申请日2022.06.30(71)申请人中国科学院空天信息创新研究院地址100190北京市海淀区北四环西路19号(72)发明人陈德勇谢波秦佳新鲁毓岚尉洁王军波(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251专利代理师金怡(51)Int.Cl.G01L1/16(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图4页(54)发明名称一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器(57)摘要本发明提出一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器。所述传感器通过平板式静电致动器驱动，为获得高信噪比信号采用压阻检测振动幅度，为更好的平衡线性范围和灵敏度将谐振梁的振动幅值比作为最终的输出信号。所述传感器为纯硅结构，可最大程度降低传感器的温度系数，有助于提高精度。两根谐振梁分别处于压力敏感膜的正应力和负应力主导区，以产生差分刚度扰动，二者通过一根细梁实现弱耦合，在待测压力作用下产生模态局域化效应，振动幅值比可发生数倍甚至数十倍变化。两根弱耦合谐振梁由于刚度变化方向相反致使振动幅度一增一减，灵敏度相比振动幅度同向变化的情况可提高至少一倍。本发明由于采用了简化结构，因此兼具高可靠性。CN115265850ACN115265850A权利要求书1/1页1.一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：包括硅盖板和SOI层；所述硅盖板包括一个位于其中间的空腔；所述SOI层由器件层、埋氧层和衬底层组成，用于制作压力敏感单元；所述器件层中设置结构与尺寸参数相同的边谐振梁和中谐振梁，二者平行但不共线地放置于位于衬底层的压力敏感膜中间，所述边谐振梁位于负应力为主的区域，所述中谐振梁位于正应力为主的区域，施加压力时两根谐振梁分别产生压缩形变和拉伸形变，两个锚点分别固定所述边谐振梁和中谐振梁且均贯穿器件层和埋氧层；一根细梁连接在所述边谐振梁和中谐振梁交叠处；所述边谐振梁的左右两侧分别设有边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极，所述中谐振梁的左右两侧分别设有中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电，用于激励边谐振梁和中谐振梁；所述边谐振梁上驱动电极、边谐振梁下驱动电极和中谐振梁上驱动电极、中谐振梁下驱动电极分别与边谐振梁上驱动电极焊盘、边谐振梁下驱动电极焊盘、中谐振梁上驱动电极焊盘、中谐振梁下驱动电极焊盘相连，所述边谐振梁上驱动电极与中谐振梁下驱动电极的激励电压的交流分量相位差为180°或0°以使得所述边谐振梁和中谐振梁处于同向或反向振动工作状态；所述边谐振梁具有边谐振梁压阻结构，与边谐振梁压阻结构焊盘相连，所述中谐振梁具有中谐振梁压阻结构，与中谐振梁压阻结构焊盘相连，用于检测振动幅度。2.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述一根细梁距离两个锚点的距离相等且为可变量，所述边谐振梁、中谐振梁以及一根细梁的长度为可变量，所述边谐振梁和中谐振梁径向延长线关于压力敏感膜的水平中心线对称。3.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述传感器为硅材料，所述硅材料包括SOI、单晶硅和多晶硅一种或几种的组合。4.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述压力敏感膜的膜厚大于边谐振梁和中谐振梁的高度的2倍以上。5.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述边谐振梁和中谐振梁为双端固支单梁、H型梁或双端音叉梁。6.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述压力敏感膜为正方形、圆形或矩形。7.根据权利要求1所述的一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器，其特征在于：所述硅盖板和SOI层利用金硅共晶键合或硅‑硅键合实现真空封装，并在所述空腔上表面沉积吸气剂吸收封装过程中的残余气体和材料释放的气体，为所述边谐振梁和中谐振梁提供真空环境。2CN115265850A说明书1/5页一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏微压传感器技术领域[0001]本发明属于MEMS微传感器领域，具体涉及一种差分刚度扰动模态局域化的高灵敏度微压传感器。背景技术[0002]微压力传感器在真空设备、医疗设备以及高速飞行器等领域具有广泛应用。目前成熟的微压传感器主要采用压阻效应和可变电容原理，具有结构简单、低成本等优势，精度在1％FS～0.1％FS左右，可满足一般民用和医疗需求。然而在航空航天、工业控制等对精度和可靠性要求较高的领域，一般采用谐振式压力传感器。谐振式压力传感器普遍采用梁膜复合一体化结构，通过膜片变形将应力传