引 言
谐振式压力传感器的根本机理是使用压力灵敏元件感遭到压力，使与之相关联的谐振器的谐振频率发生改动，经过丈量谐振器频率的改动来检测压力。与一般的比如压阻式和电容式压力传感器比较，谐振式压力传感器体积小、功耗低；以频率为最终输出量的特色使其具有更高的精度和稳定性，简单和大规模集成电路兼容。
近几年来跟着微机械加工技能的前进以及弱小信号检测技能的前进，根据MEMS工艺根底的谐振式压力传感器的研讨和制造越来越遭到重视。本文介绍了一种具有差分检测结构的谐振式压力传感器，谐振器选用电磁鼓励-电磁拾振的鼓励方法，选用闭环自激振荡的检测方法来检测压力。
1、作业原理
传感器的全体结构如图1。它由单晶Si压力膜和单晶Si的梁谐振器组成。两者经过键合技能结合为一个全体。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触摸。膜的四周与封装的管座底部固支触摸。当Si膜遭到压力的作用时，膜将发生形变。与膜相触摸的谐振梁支柱也将随膜的形变而发生形变，这样，坐落支柱上端的梁谐振器将由于支柱的形变而遭到轴向应力，然后改动其自身的固有振荡频率。其频率的改动和轴向应力改动以及膜遭到的压力为近似线性关系，所以经过检测谐振梁固有频率的改动能够完结检测压力的意图。此传感器选用差分检测方法，分上、中、下三组谐振梁进行检测。经过中梁和上下恣意一组梁进行差分检测，能够进步整个传感器的灵敏度，大幅度地削弱温漂关于谐振梁频率飘移的影响。
传感器谐振梁的结构见图2，两根梁和中心相连的桥组成了传感器的谐振器。作业时外加垂直于谐振梁上外表的磁场，当在激振电极A和B之间外加周期性交变电压时，激振梁因发生电流而遭到洛仑兹力，跟着电压方向的改动，洛仑兹力方向也随之周期性改动，然后使得激振梁因遭到方向周期性改动的力而发生振荡，并经过中心的桥带动上方拾振梁振荡。当拾振梁振荡时，因切开磁力线而在拾振电极C和D之间发生感应电动势，其频率与激振梁所加电压相同。当所加电压频率挨近或等于整个谐振梁的固有频率时，谐振梁将发生共振，拾振梁的振幅到达最大，然后拾振电极之间的感生电动势的幅值也到达最大。经过检测拾振梁所发生的感生电动势巨细来确认谐振梁的固有频率然后到达检测压力的意图。此结构称作“H型”梁结构。
2、制造和封装
传感器的制造选用体硅微机械加工技能。首要分别在Si片上制造谐振器和硅压力感应膜，然后经过Si-Si键合将两Si片结合在一起，构成三维结构的芯片，最终经过真空封装完结整个器材的制造。其主要流程如图3所示。
芯片制造完结后，将其粘在管座上，超声压焊引线，盖上管帽，两头注册气孔，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），这样就完结了压力传感器的封装。
3、测 试
压力传感器测验体系由压力传感器、锁相扩大器和信号鼓励源、拾振恒流源等组成。选用纯沟通鼓励电压激振，使用锁相扩大器，经过操控频率扫描和数据收集以及检测振幅和相位等，能够检测谐振器的频率特性。
对压力传感器器材进行了动态剖析测验，使用频率扫描仪构成的开环扫描体系测验了器材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。核算得出谐振梁的质量因数Q大于1 200。
使用锁相扩大器构成的开环扫描体系测验了器材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。核算得出谐振梁的质量因数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验，测验选用英国Druck公司的DP1610型压力校验仪，电路为克己的锁相环扩大电路。压力特性曲线测验成果如图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。能够看出，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。最终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，线性度显着好于单个谐振器输出，灵敏度为225.77 Hz／kPa，高于前两者。这充沛证明了差分输出的作用，不管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，故测验还不行完善，存在体系误差，这些都对最终的测验成果发生影响，有待于进行进一步的实验。
4、结 论
使用微电子机械加工技能成功研制出电磁鼓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质量要素Q值大于1 200，真空中的Q值大于7 000。选用闭环自激振荡方法，测定压力传感器的压力特性在压力测验0～120 kPa内，差分输出的成果优于单个谐振梁的输出成果。差分输出成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
