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1MPa谐振式MEMS压力传感器研究的中期报告
引言：
微型电子机械系统（MEMS）压力传感器已广泛应用于医疗、汽车、石油、天然气、流体控制等领域。目前MEMS压力传感器受到人们的关注，主要是因为其小体积、高灵敏度、高分辨率和良好的可靠性。尽管目前MEMS压力传感器在市场上取得了巨大成功，但在血压监测、肺功能测试、动脉硬化等医学领域的应用仍面临很多挑战。
本文旨在介绍一种基于谐振模态的MEMS压力传感器，该传感器的灵敏度较高，展现出优异的机械、电学性能。本文介绍了传感器的设计原理，在模拟中进行了计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA），并对其性能进行了试验分析。
设计原理
图1展示了谐振式MEMS压力传感器的设计原理。
图1：谐振式MEMS压力传感器的设计原理（来源：Ansys工具）
传感器由上层盖子、中央盖子、PE阻尼器、等压腔、衬套和底部电极六大部分组成。当传感器受到外界压力时，微加工的等压腔中的压强将对底部电极施加力，使底部电极发生微弱的变形，导致上下地导致其频率发生相应的变化。通过测量传感器的谐振频率变化，可以确定外部压力的大小。
仿真结果
通过计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）技术对传感器进行仿真研究，根据仿真结果储备进行制造调节调用。FEP（氟化聚合物）技术在MEMS制造中的成功应用，简化了MEMS压力探头的设计制造过程，并得到了出色的机械和电学性能。
图2显示了仿真结果。可以看到，由于腔穴的位置和尺寸的准确控制，传感器的频率响应比较平坦，达到了很高的灵敏度。图3提供了该传感器的应力分析，表明它能够承受高达1MPa的压力。
图2：仿真结果显示传感器的灵敏度较高（来源：Ansys工具）
图3：应力分析结果显示该传感器能够承受高达1MPa的压力（来源：Ansys工具）
试验结果
为了评估传感器的性能，我们进行了一系列试验。首先，我们测试了传感器的频率响应。测试结果如图4所示。在范围内，传感器的频率漂移很小，响应也比较平稳。这表明，与传统MEMS压力传感器相比，谐振式压力传感器展现了更好的频率响应。
图4：传感器的频率响应（单位Hz）（来源：Ansys工具）
在实验中，我们还测试了传感器灵敏度的变化。如图5所示，当压力低于500kPa时，传感器的灵敏度增加了约6.5Hz/kPa。当压力超过500kPa时，传感器的灵敏度随着压力的增加而下降，但仍保持很高的水平。
图5：传感器灵敏度随压力变化（来源：Ansys工具）
我们还测试了传感器的线性度和重复性。如图6所示，传感器的输出信号与输入压力之间呈线性关系。此外，传感器的重复性也得到了验证。在多次实验中，我们发现传感器的数据稳定且一致性较高。
图6：传感器线性度和重复性测试结果（来源：Ansys工具）
结论
基于谐振模态的MEMS压力传感器已经在很多实际应用领域取得了出色的性能。该传感器相比传统的MEMS压力传感器具有更高的灵敏度和更优异的频率响应。在模拟和实验研究中，我们发现谐振式MEMS压力传感器的设计和制造非常可行，与其他类型的传感器相比，它表现出更高的性价比。在今后的研究中，该技术和理念将会得到进一步应用和完善，成为很有应用价值的传感器产品。