基于微电子机械加工技术实现电磁拾振谐振式压力传感器的设计

引 言

谐振式压力传感器的基本机理是利用压力敏感元件感受到压力，使与之相关联的谐振器的谐振频率发生变化，通过测量谐振器频率的变化来检测压力。与通常的诸如压阻式和电容式压力传感器相比，谐振式压力传感器体积小、功耗低；以频率为最后输出量的特点使其具有更高的精度和稳定性，容易和大规模集成电路兼容。

近几年来随着微机械加工技术的进步以及微弱信号检测技术的进步，基于MEMS工艺基础的谐振式压力传感器的研究和制作越来越受到重视。本文介绍了一种具有差分检测结构的谐振式压力传感器，谐振器采用电磁激励-电磁拾振的激励方式，采用闭环自激振荡的检测方式来检测压力。

1、工作原理

传感器的整体结构如图1。它由单晶Si压力膜和单晶Si的梁谐振器组成。两者通过键合技术结合为一个整体。上面的谐振器封装于真空中，下面的Si膜下侧与待测压力源相接触。膜的四周与封装的管座底部固支接触。当Si膜受到压力的作用时，膜将产生形变。与膜相接触的谐振梁支柱也将随膜的形变而发生形变，这样，位于支柱上端的梁谐振器将因为支柱的形变而受到轴向应力，从而改变其本身的固有振动频率。其频率的改变和轴向应力变化以及膜受到的压力为近似线性关系，所以通过检测谐振梁固有频率的变化可以实现检测压力的目的。此传感器采用差分检测方式，分上、中、下三组谐振梁进行检测。通过中梁和上下任意一组梁进行差分检测，可以提高整个传感器的灵敏度，大幅度地削弱温漂对于谐振梁频率飘移的影响。

传感器谐振梁的结构见图2，两根梁和中间相连的桥组成了传感器的谐振器。工作时外加垂直于谐振梁上表面的磁场，当在激振电极A和B之间外加周期性交变电压时，激振梁因产生电流而受到洛仑兹力，随着电压方向的变化，洛仑兹力方向也随之周期性变化，从而使得激振梁因受到方向周期性变化的力而产生振动，并通过中间的桥带动上方拾振梁振动。当拾振梁振动时，因切割磁力线而在拾振电极C和D之间产生感应电动势，其频率与激振梁所加电压相同。当所加电压频率接近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振梁将发生共振，拾振梁的振幅达到最大，从而拾振电极之间的感生电动势的幅值也达到最大。通过检测拾振梁所产生的感生电动势大小来确定谐振梁的固有频率从而达到检测压力的目的。此结构称作“H型”梁结构。

2、制作和封装

传感器的制作采用体硅微机械加工技术。首先分别在Si片上制作谐振器和硅压力感应膜，然后通过Si-Si键合将两Si片结合在一起，形成三维结构的芯片，最后经过真空封装完成整个器件的制作。其主要流程如图3所示。

芯片制作完成后，将其粘在管座上，超声压焊引线，盖上管帽，两边开通气孔，将有谐振梁的一边封在真空（10-3 Pa）中，另一端的压力膜与待测压力源相通（图4），这样就完成了压力传感器的封装。

3、测 试

压力传感器测试系统由压力传感器、锁相放大器和信号激励源、拾振恒流源等组成。采用纯交流激励电压激振，利用锁相放大器，通过控制频率扫描和数据采集以及检测振幅和相位等，可以检测谐振器的频率特性。

对压力传感器器件进行了动态分析测试，利用频率扫描仪构成的开环扫描系统测试了器件在空气中的频率特性曲线如图5，谐振梁的峰值大约在72.30 kHz处，-3 dB带宽约为50 Hz。计算得出谐振梁的品质因数Q大于1 200。

利用锁相放大器构成的开环扫描系统测试了器件在高真空中的频率特性曲线如图6，谐振梁的峰值大约在72.395 kHz处，-3 dB带宽约为10 Hz。计算得出谐振梁的品质因数Q大于7 000。

在室温条件下，对真空封装的压力传感器进行了压力特性测试，测试采用英国Druck公司的DP1610型压力校验仪，电路为自制的锁相环放大电路。压力特性曲线测试结果如图7所示。（激振电压峰值为50 mV）

图7中前两根曲线分别是压力传感器的中、下谐振器的压力输出曲线。可以看出，两者的线性度较差，线性相关系数R2分别为0.996 6和0.999 6，灵敏度（曲线斜率）分别为144.16、81.612 Hz／kPa。最后一根曲线是将上面两个谐振器的输出信号作差分得出的输出曲线，其线性相关系数R2为0.999 9，线性度明显好于单个谐振器输出，灵敏度为225.77 Hz／kPa，高于前两者。这充分证明了差分输出的效果，无论从灵敏度和线性度上都好于单个谐振器输出。此压力传感器满量程刻度为120 kPa，满量程时频率漂移量为27.331 kHz，相当于谐振器固有频率的38％。此压力传感器为试样，故测试还不够完善，存在系统误差，这些都对最后的测试结果产生影响，有待于进行进一步的试验。

4、结 论

利用微电子机械加工技术成功研制出电磁激励一电磁拾振硅谐振梁式压力传感器。该传感器的谐振器在空气中的品质因素Q值大于1 200，真空中的Q值大于7 000。采用闭环自激振荡方式，测定压力传感器的压力特性在压力测试0～120 kPa内，差分输出的结果优于单个谐振梁的输出结果。差分输出结果的线性相关系数为0.999 9，灵敏度为225.77 Hz／kPa。

责任编辑：gt