双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和测量方式的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方 法和测量方式。
【背景技术】
[0002] 微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称 MEMS)是一种在融 合多种微细加工技术，利用从半导体技术中发展而来的成熟技术，MEMS器件可进行大批量、 低成本生产。另外，MEMS器件普遍具有体积小，稳定性好等特点，在航空航天、汽车制造等 多个领域中广泛应用。谐振式微机械压力传感器的输出检测信号由谐振器的振动频率信号 直接转换而成，相对于电容式、电阻式和压电式等输出的幅度信号（主要是电压幅值），频 率信号具有更高的稳定性和抗干扰能力。
[0003] 本申请的申请人在2013年提交了基于SOI工艺的电磁激励电磁检测的高精度硅 微谐振式气压传感器的专利申请（201310429703. 1)。该专利申请的全部内容纳入本发明中 作为参考。
[0004]如图1所示，该高精度硅微谐振式气压传感器包括：传感器芯片1、应力隔离层2、 金属管座3、管帽4和磁铁5。其中，传感器芯片1通过应力隔离层2固定在金属管座3上； 金属管座3置有八个管针6,通过金丝球焊的引线7与传感器芯片1上引线孔8中的金属电 极相连，起到电信号引出的作用；磁铁5固定在带有导气孔的管帽4上，管帽4盖在金属管 座3上，其下端与金属管座3周缘密封固接。
[0005] 传感器芯片1由SOI硅片9和硼硅玻璃盖片10组成。SOI硅片9上有两个H型谐 振器11、八个支撑锚点12、气压敏感膜13、八个引线端14和真空密封框15 ;硼硅玻璃盖片 10上制作了引线孔8和真空密封腔16,通过阳极键合的方法与SOI硅片9紧密地结合在一 起，形成真空参考腔16,使得两个H型谐振器11被密封在真空参考腔16内。
[0006] H型谐振器11由两根长度、宽度和厚度完全一致的双端固支矩形梁构成，两根梁 的中心部位用一个厚度与梁一样的矩形块连接，这样能确保两根梁在低阶频率时能够同时 同相同频振动。其中两个H型谐振器11悬空，两个H型谐振器11中每一个的四个端点各 自通过八个支撑锚点12固支于气压敏感膜13上。H型谐振器11的单根梁与支撑其的相应 两个支撑锚点12和两个引线端14构成驱动电流（或检测电流）的通路。
[0007] H型谐振器11采用电磁激励检测的方式实现传感器的信号检测和输出，当H型谐 振器11的单根梁通过交变电流时，由于磁铁提供了垂直于纸面方向的磁场，H型谐振器11 受到平行于纸面的安培力。当通过的交变电流频率与谐振器的固有频率一致时，谐振器振 动幅度最大，另一根单梁由于切割磁感线产生了交变电动势，因此会对外输出电信号，而此 电信号频率与H型谐振器11固有频率相同。由于气压敏感膜13的一侧为真空参考腔16， 当有Z轴方向气体压力作用在气压敏感膜13的另一侧，气压敏感膜13将会发生形变。使 得放置在气压敏感膜13边缘的H型谐振器11 (如图1所示的左边的H型谐振器）受到压 应力，而另一个谐振器11受到拉应力。两个H型谐振器所受到的弯曲应力会导致其固有频 率的变化，因此谐振器固有频率的大小能表征气压的大小。
[0008] 由于谐振式微机械压力传感器具有极高的压力灵敏度，它对环境温度也非常敏 感，环境温度带来的谐振梁内应力等变化将导致较大的压力输出，使得器件的温度稳定性 变差。因此谐振式微机械压力传感器的温度补偿技术成为了影响传感器综合精度的重要因 素。
[0009] 传统的温度补偿方法是通过外置温度传感器来实现温度补偿，但这种方法存在温 度场分布不确定以及热传导延迟等问题。温度自补偿是指利用传感器自身性质，而不需要 额外的温度敏感元件来实现的温度补偿。清华大学王劲松等人在《石英谐振式力传感器的 温度特性及其自补偿》一文中提出一种利用谐振器基频振动与三次谐波振动温度特性不同 的方法来实现温度自补偿，但这就使得谐振器无法连续稳定地工作在某一频率下，导致测 量精度偏低。
[0010] 此外，采用一元补偿方式时，是在一个标准的载荷下，测量传感器的温度特性，然 后认为在其他的载荷条件下器件的温度特性不变，并依此进行补偿。这就使得补偿仅在标 准载荷下精度较高，而传感器量程内的其他载荷下精度较低。最终使得器件难以在满量程 压力载荷下达到满意的补偿效果。
【发明内容】
[0011] (一）要解决的技术问题
[0012] 鉴于上述技术问题，本发明提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法和 测量方式，以提高双谐振器压力传感器的测量精度。
[0013] (二）技术方案
[0014] 根据本发明的一个方面，提供了一种双谐振器压力传感器的温度自补偿方法。所 述双谐振器压力传感器为利用第一谐振器和第二谐振器的频率计算压力的传感器。该温度 自补偿方法包括：在预设温度范围内，选定m个温度标定点；在预设压力范围内，选定n个 压力标定点；分别在每个温度标定点、每个压力标定点下测量两谐振器的频率，分别测试得 到第一谐振器的频率和第二谐振器的频率f 2，共得到mXn组标定数据；以及利用上述 mXn组标定数据，采用二元函数拟合法得到所述双谐振器压力传感器的压力函数匕的表达 式，即 p = G! (f\，f2)。
[0015] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种双谐振器压力传感器的测量方式。该测 量方式包括：获取第一谐振器的频率和第二谐振器的频率f 2;将第一谐振器的频率f :和 第二谐振器的频率f2代入压力函数G i的表达式中，计算当前压力，其中，所述压力函数G : 为：p = Gi (f\，f2)。
[0016] (三）有益效果
[0017] 本发明通过测量两个谐振梁的频率进行温度自补偿，无需外部温度敏感元件，可 以克服温度场分布不确定导致的温度测量不准确的问题，提高补偿精度。并且无需额外测 量其他物理量，可降低测量的复杂度。此外，本发明采用二元数据拟合的方法，可以做到在 满压力量程、全温度范围内的补偿，提高在满量程内的补偿效果。
【附图说明】
[0018] 图1为现有技术硅微谐振式气压传感器的结构示意图；
[0019] 图2为根据本发明实施例双谐振器压力传感器的温度自补偿方法的示意图；
[0020] 图3为根据本发明实施例双谐振器压力传感器温度自补偿的测量方式的示意图。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部 分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员 所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了