0 引 言
諧振式壓力傳感器的基本機(jī)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(diǎn)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(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步以及微弱信號檢測技術(shù)的進(jìn)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(gè)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(shí)，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?yàn)橹е男巫兌艿捷S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(shí)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(jìn)行檢測。通過中梁和上下任意一組梁進(jìn)行差分檢測，可以提高整個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)諧振梁的固有頻率時(shí)，諧振梁將發(fā)生共振，拾振梁的振幅達(dá)到最大，從而拾振電極之間的感生電動勢的幅值也達(dá)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(dá)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(jī)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(gè)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)行了壓力特性測試，測試采用英國Druck公司的DP1610型壓力校驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)諧振器輸出。此壓力傳感器滿量程刻度為120 kPa，滿量程時(shí)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(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。
4 結(jié) 論
利用微電子機(jī)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(gè)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。
