一种微机械压力传感器的制造方法
【技术领域】
:
[0001]本发明涉及一种硅微压力传感器，特别是一种微机械压力传感器。
【背景技术】
:
[0002]基于微机电系统技术的娃微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，这种传感器的特征尺寸一般为微米或亚微米量级，采用硅微机械加工工艺制造，通过检测硅微机械敏感谐振器或振动膜的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，适用于远距离传输，信号采集和处理方便。由于工作于机械谐振状态，其精度主要受传感器机械特性的影响，因此其信噪比高，抗干扰能力强，性能稳定。在过去的数十年内，随着MEMS制造工艺的进步，结构设计以及配套电路的改进，谐振式压力传感器在综合性能上得到了进一步提高。
[0003]大多数谐振式压力传感器芯体由压力敏感膜片和一个包含活动质量块的微机电结构构成。
[0004]当外界压力作用在敏感膜片上时，敏感膜片发生变形，变形传递到微机电结构上使结构的固有频率发生变化，通过检测该微机电结构的频率便可以检测压力。
[0005]为了检测微机电结构的频率，需要一定的压力传感器来使微机电结构发生振动，通过测试微机电结构的振动情况可以测试其固有频率。
[0006]文献“汤章阳，樊尚春，蔡晨光.一种新型的硅谐振式微传感器频率特性测试系统，仪表技术与传感器，2009，增刊，pp.239-240”中，提出一种开环测试系统，利用微处理器产生变化频率的驱动信号，并记录每一个频率点的检测数据，通过分析检测数据便可得到传感器的固有频率和品质因数等重要参数。这种实现方法比较简单，但单次测试时间较长，无法实现压力的实时测量。
[0007]文献“李海娟，周浩敏.硅谐振式压力微传感器闭环系统，北京航空航天大学学报，2005，Vol.31，n0.3，pp.332-335”中，针对电阻热激励、压敏电阻拾振的传感器结构，提出了一种采用锁相环和分频技术的压力传感器，利用锁相环输出作为传感器的驱动信号。采用这种方法结构比较复杂，且会引入锁相环的噪声，影响传感器的精度。
【发明内容】
:
[0008]本发明的目的在于提供一种结构简单可靠的微机械压力传感器。
[0009]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0010]—种微机械压力传感器，包括固定结构以及能够相对于该固定结构运动的质量块，用于检测质量块相对于固定结构位移的检测装置，用于驱动质量块产生相对于固定结构位移的驱动装置，用于控制检测装置输出信号并给驱动装置提供输入信号的控制装置。
[0011]本发明进一步的改进在于，检测装置包括电荷放大器或跨阻放大器。
[0012]本发明进一步的改进在于，检测装置包括电荷放大器时，该电荷放大器包括运算放大器和反馈电容器，反馈电容器配置在运算放大器输入和输出之间；检测装置包括跨阻放大器时，该跨阻放大器包括运算放大器和反馈电阻器，反馈电阻器配置在运算放大器输入和输出之间。
[0013]本发明进一步的改进在于，当检测装置中包括电荷放大器时，控制装置中还包括移相器。
[0014]本发明进一步的改进在于，检测装置通过其检测端与质量块电容性地耦合连接；驱动装置其通过驱动端与质量块电容性地耦合连接。
[0015]本发明进一步的改进在于，控制装置用于控制检测装置输出信号的幅值，包括依次连接的整流器、低通滤波器以及可变增益放大器，其中，检测装置输出连接整流器输入端和可变增益放大器输入端，可变增益放大器输出端连接驱动装置输入端。
[0016]本发明进一步的改进在于，还包括读取装置，该读取装置的输入端与检测装置的输出连接，或者与驱动装置的输出连接，或者与控制装置的输出连接。
[0017]本发明进一步的改进在于，该读取装置中包括比较器，用于将读取装置的输出信号转变为方波电压信号。
[0018]本发明进一步的改进在于，检测装置、控制装置和驱动装置的输入信号和输出信号分别为单端信号，或者为差分式的双端信号。
[0019]相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果:
[0020]本发明提供的微机械压力传感器工作时，驱动装置产生的驱动交流信号加载在其驱动端上，驱动端与质量块之间电容性的耦合连接，加载在驱动端上的驱动交流信号将驱动质量块产生水平方向的振动，该振动将使其检测端与质量块之间的耦合电容发生交流变化，检测装置用于检测该变化的耦合电容并将其转变为交流变化的电压；检测装置输出的电压输入到控制装置中进行幅值和相位的处理，经过处理的交流电压作为控制装置的输出并输入到驱动装置中，驱动装置可以对交流电压进行进一步的放大处理，之后该交流电压便作为驱动装置的输出加载在驱动端上。
[0021]进一步的，控制装置包括的整流器、低通滤波器和可变增益放大器用于处理交流电压的幅值，移相器用于处理交流电压的相位。
[0022]由此可以看出本发明提供的微机械压力传感器形成一个闭合环路，而该闭合环路在工作时可以形成一个自激振荡的系统，该自激振荡系统的振荡幅值可以由控制装置控制，频率由包含活动质量块的微机电结构控制。
[0023]当传感器用来测试压力时，压力会引起微机电结构的固有频率发生变化，而该自激振荡系统的振荡频率由微机电结构的固有频率决定，因此系统的振动频率将自动跟随其频率，实现压力的实时测量。
[0024]综上所述，本发明提供的一种微机械压力传感器可以实现传感器对压力的实时跟踪测量。并且本发明结构较为简单，实现比较方便，功耗较低，易于实现集成化设计。
【附图说明】
:
[0025]图1为本发明实施例1的结构框图。
[0026]图2为本发明实施例2的结构框图。
【具体实施方式】
:
[0027]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028]实施例1:
[0029]图1所示为本发明微机械压力传感器的第一个实施实例，包括固定结构I以及能够相对于固定结构I运动的质量块2，用于检测质量块2相对于固定结构I位移的检测装置3，用于驱动质量块2产生相对于固定结构I位移的驱动装置8，用于控制检测装置3输出信号并给驱动装置8提供输入信号的控制装置4 ;其中，驱动装置8通过驱动端12与固定结构I相连，检测装置3通过检测端9与固定结构I相连，质量块2分别与驱动端12和检测端9形成单端可变电容11和可变电容10。控制装置4包含整流器5、低通滤波器6和可变增益放大器7。在该实例中，检测装置3由跨阻放大器构成，控制装置4中不含移相器。读取装置13的输入与控制装置4的输出相连。读取装置13的输出为方波电压信号。
[0030]实施例2
[0031]图2所示为本发明微机械压力传感器的第二个实施实例，包括固定结构I以及可以相对于固定结构I运动的质量块2，用于检测质量块2相对于固定结构I位移的检测装置3，用于驱动质量块2产生相对于固定结构I位移的驱动装置8，用于控制检测装置3输出信号并给驱动装置8提供输入信号的控制装置4 ;其中，驱动装置8通过两个驱动端12a和驱动端12b与固定结构I相连，检测装置通过两个检测端9a和检测端9b与固定结构I相连，质量块2分别与驱动端12a和驱动端12b形成差分式的可变电容Ila和可变电容11b，即可变电容Ila和可变电容Ilb变化方向相反。质量块2分别与检测端9a和检测端9b形成差分式的可变电容1a和可变电容10b，即可变电容1a和可变电容1b变化方向相反。
[0032]控制装置4包含整流器5、低通滤波器6和可变增益放大器7和移相器14。在该实例中，检测装置3由电荷放大器构成，控制装置4中还包括移相器。读取装置13的输入与控制装置4的输出相连。读取装置13的输出为方波电压信号。
【主权项】
1.一种微机械压力传感器，其特征在于，包括固定结构(I)以及能够相对于该固定结构⑴运动的质量块(2)，用于检测质量块⑵相对于固定结构⑴位移的检测装置(3)，用于驱动质量块(2)产生相对于固定结构(I)位移的驱动装置(8)，用于控制检测装置(3)输出信号并给驱动装置(8)提供输入信号的控制装置(4)。2.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，检测装置(3)包括电荷放大器或跨阻放大器。3.根据权利要求2所述的微机械压力传感器，其特征在于，检测装置(3)包括电荷放大器时，该电荷放大器包括运算放大器和反馈电容器，反馈电容器配置在运算放大器输入和输出之间；检测装置(3)包括跨阻放大器时，该跨阻放大器包括运算放大器和反馈电阻器，反馈电阻器配置在运算放大器输入和输出之间。4.根据权利要求2或3所述的微机械压力传感器，其特征在于，当检测装置(3)中包括电荷放大器时，控制装置⑷中还包括移相器(14)。5.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，检测装置(3)通过其检测端(9)与质量块(2)电容性地耦合连接；驱动装置⑶其通过驱动端(12)与质量块(2)电容性地耦合连接。6.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，控制装置(4)用于控制检测装置(3)输出信号的幅值，包括依次连接的整流器(5)、低通滤波器￠)以及可变增益放大器(7)，其中，检测装置(3)输出连接整流器(5)输入端和可变增益放大器(7)输入端，可变增益放大器(7)输出端连接驱动装置(8)输入端。7.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，还包括读取装置(10)，该读取装置(10)的输入端与检测装置(3)的输出连接，或者与驱动装置⑶的输出连接，或者与控制装置(4)的输出连接。8.根据权利要求7所述的微机械压力传感器，其特征在于，该读取装置(10)中包括比较器，用于将读取装置(10)的输出信号转变为方波电压信号。9.根据权利要求1所述的微机械压力传感器，其特征在于，检测装置(3)、控制装置(4)和驱动装置(8)的输入信号和输出信号分别为单端信号，或者为差分式的双端信号。
【专利摘要】本发明提供了一种微机械压力传感器，包括固定结构(1)以及能够相对于该固定结构(1)运动的质量块(2)，用于检测质量块(2)相对于固定结构(1)位移的检测装置(3)，用于驱动质量块(2)产生相对于固定结构(1)位移的驱动装置(8)，用于控制检测装置(3)输出信号并给驱动装置(8)提供输入信号的控制装置(4)。本发明提供的一种微机械压力传感器可以实现传感器对压力的实时跟踪测量。并且本发明结构较为简单，实现比较方便，功耗较低，易于实现集成化设计。
【IPC分类】G01L1/10
【公开号】CN105021324
【申请号】CN201510419147
【发明人】孙明
【申请人】西安励德微系统科技有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年7月16日