专利名称：微结构谐振梁压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型压力传感器，具体涉及一种能够提高微型压力传 感器精度的微结构谐振梁压力传感器。
背景技术：
微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS)技术 的发展及其加工技术的逐渐趋于成熟使得研制集成度高，成本低，重量轻， 体积小以及功耗低的MEMS传感器成为可能，同时也成为未来传感器研究 的趋势。
对于微谐振式压力传感器，外加的待测压力并不是直接作用于谐振 器，而是通过压力膜间接的改变谐振器的刚度，从而改变梁的谐振频率， 因此可以通过检测梁的谐振频率的变化来达到检测外加压力的目的，属于 二次敏感原理。其特点在于，首先，谐振器与待测介质隔离，其震动不会 受到介质的影响。而且可以将谐振器放在较高的真空中，从而可以获得较 高的品质因数。其次，可以提高传感器的压力灵敏度，这是因为四周固支 薄膜具有应力放大的作用，放大倍数正比于薄膜尺寸与厚度之比的平方。 谐振式压力传感器是目前精度最高的压力传感器，它通过检测物体的固有 频率间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接接口，也容易 组成直接显示数字的仪表。谐振式压力传感器除了具有良好的温度稳定 性，较高的灵敏度之外，还具有响应快，频带宽，结构紧凑，功耗低，体 积小，重量轻，可批量生产等众多优点， 一直是各国研究和开发的重点。 影响谐振式压力传感器性能的参数主要有两个谐振敏感元件的固有谐振
频率和谐振子的机械品质因数Q。谐振敏感元件的固有谐振频率主要影响 传感器的精度，固有谐振频率越高，谐振式压力传感器的测量精度也就越 高，材料的固有谐振频率是由其自身的条件决定的，与外界其他的条件都 无关；而谐振子的品质因数主要反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗 能量快慢的程度，同时也反应了幅频特性曲线的陡峭程度。影响谐振子Q 值的因素主要有材料自身的特性，加工工艺，谐振子的结构(边界状况 及封装情况)和使用环境等。现在所研制的谐振式压力传感器都是用硅或 是硅的化合物来制作谐振梁，与传统的压力传感器相比，精度得到了较大 的提高，但是随着科学的不断发展， 一些工业应用领域，特别是现代的航 空航天领域对谐振式压力传感器的精度提出了更高的要求(目前国外的 DRUCK公司研制的静电激励，电容拾振的微谐振式压力传感器的精度优于 0.01%FS。但目前国内的最高精度还远达不到此精度，主要原因是因为用 硅或硅的化合物来制作梁，而它们的固有谐振频率都不高，因而无法进一 步提高其测量精度)，现有的精度已经不能满足它们的发展要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够大幅度提高谐振式压力传感器的精 度的微结构谐振梁压力传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括键合而成的上硅片 和下硅片，上硅片包括一个矩形框架以及开设在矩形框架内的对称的两个 半岛，由氮化钛制成的并排设置的两组谐振梁的两端分别与两个半岛相连 接，在各谐振梁上分别设置有与引线及电极相连的激振电阻和拾振电阻， 下硅片为一带有口形边框的结构，在口形边框内设置有压力膜。
本发明的半岛开设在矩形框架的纵向中线上；口形边框的厚度是压力 膜厚度的数倍。
由于本发明采用氮化钛作为压力传感器的谐振梁，氮化钛(TiN)具 有相当高的固有谐振频率，使用氮化钛(TiN)谐振梁可以大幅度的提高 谐振式压力传感器的精度。而固有谐振频率高之所以能提高测量精度，是 因为固有谐振频率越高，那么对应的0压力频率的移动也就越大，那么在 频率不稳定度相当的情况下(传感器的精度为频率不稳定度与对应O压力 频率移动的比值)精度也就越高，并且本发明采用双谐振梁结构，双梁结 构在完全相同的测量环境中可以得到两组数据，通过对测量数据的处理可 以大大减小测量误差，从而进一步提高测量精度。
图1是本发明的整体结构示意图； 图2是本发明的谐振梁13的结构图； 图3是本发明横截面示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括键合而成的上硅片11和下硅片12，上硅片11 包括一个矩形框架15以及开设在矩形框架15纵向中线上的对称的两个半 岛14，由氮化钛制成的并排设置的两组谐振梁13的两端分别与两个半岛 14相连接，下硅片12为一带有口形边框17的结构，在口形边框17内设 置有压力膜16。 口形边框17的厚度是压力膜16厚度的数倍。
参见图2，本发明的各谐振梁13上分别设置有与引线18及电极19 相连的激振电阻20和拾振电阻21 。
参见图3，由于上、下硅片ll、 12键合成一个整体，压力膜16感受 到外加力传递到谐振梁13上，改变了谐振梁13的轴向机械应力，进而改 变了谐振梁的刚度，这样就使得谐振梁13的固有谐振频率发生改变，通
过检测谐振梁13的谐振频率的变化实现压力测量。
本发明的谐振梁压力传感器，其谐振梁13采用电热激励，压阻拾振
的方式热激励包括电热激励和光热激励，他们在方法上有很大的差异，
但激励原理是一样的，都是通过热的扩散导致谐振梁13的变形和振动。 电热激励是在激振电阻20上施加交变电压，使谐振梁13产生交变的温度 应力，驱动谐振梁13振动，当振动频率与谐振梁13的固有谐振频率一致 时，谐振梁13发生共振，振幅达到最大。通过拾振电阻21来检测谐振梁 13的振动。光热激励是通过调制半导体激光脉冲通过光纤耦合照射到梁 上，梁吸收激光，产生与调制光脉冲频率相同的交变的热应力，在这个热 应力的作用下作受迫振动，当脉冲频率等于梁的固有谐振频率时，梁发生 共振，振幅达到最大。之所以采用电热激励，压阻拾振，而不采用光热激 励，是因为氮化钛(TiN)的导电性能比较好，而热传导系数相对比较低， 因此用同样的激励电压即同样的激励功率，在氮化钛(TiN)梁中产生的 温升及谐振频率的变化就比较大，从而有利于提高谐振式压力传感器的灵 敏度。
拾振就是通过拾振电阻21检测谐振梁13的振动。本发明中是利用压 阻拾振。压阻拾振是利用压阻材料的电阻率受其所受应力调制的压阻特 性，在谐振梁13上制作一个压敏电阻，当谐振梁13振动时，该压敏电阻 感受的应力会周期性的变化，应力的大小与梁的振幅成正比，测量压敏电 阻的变化即可检测梁的振动。
本发明使用氮化钛(TiN)做谐振梁的材料，不仅可以大大的提高谐振 式压力传感器的精度，由于氮化钛(TiN)具有良好的机械加工性能，这 对谐振式压力传感器中的敏感元件制作是非常有利的。
权利要求
1、微结构谐振梁压力传感器，包括键合而成的上硅片(11)和下硅片(12)，其特征在于所说的上硅片(11)包括一个矩形框架(15)以及开设在矩形框架(15)内的对称的两个半岛(14)，由氮化钛制成的并排设置的两组谐振梁(13)的两端分别与两个半岛(14)相连接，在各谐振梁(13)上分别设置有与引线(18)及电极(19)相连的激振电阻(20)和拾振电阻(21)，下硅片(12)为一带有口形边框(17)的结构，在口形边框(17)内设置有压力膜(16)。
2、 根据权利要求1所述的微结构谐振梁压力传感器，其特征在于 所说的半岛(14)开设在矩形框架(15)的纵向中线上。
3、 根据权利要求1所述的微结构谐振梁压力传感器，其特征在于 所说的口形边框(17)的厚度是压力膜(16)厚度的数倍。
全文摘要
微结构谐振梁压力传感器，包括键合而成的上硅片和下硅片，上硅片包括一个矩形框架以及开设在矩形框架内的对称的两个半岛，由氮化钛制成的并排设置的两组谐振梁的两端分别与两个半岛相连接，在各谐振梁上分别设置有与引线及电极相连的激振电阻和拾振电阻，下硅片为一带有口形边框的结构，在口形边框内设置有压力膜。本发明采用氮化钛作为压力传感器的谐振梁，氮化钛具有相当高的固有谐振频率，使用氮化钛谐振梁大幅度的提高谐振式压力传感器的精度。而固有谐振频率高之所以能提高测量精度，是因为固有谐振频率越高，那么对应的0压力频率的移动也就越大(传感器的精度为频率不稳定度与对应0压力频率移动的比值)，因此所测量压力的精度也就越高。
文档编号B81B7/00GK101348233SQ200810150878
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月9日 优先权日2008年9月9日
发明者川 杨, 灿 郭 申请人:西安交通大学