电磁激励微谐振式传感器的设计与制作-工业控制

0 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。