基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法与流程

本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法。

背景技术：

应变传感器又称应变计(strain gauge)是一种常用的传感器，它利用了弹性材料(金属，合金，半导体或者金属陶瓷)的压阻特性来检测被测结构的正应变与剪切应变，它广泛应用于结构健康监测中，涵盖的领域有土木工程，机械，航天，医疗以及可穿戴系统。

谐振式应变传感器通过测量应变引起谐振结构的共振频率改变来测量应变值，具有稳定性高，温漂小，准数字化输出，抗干扰能力强等特点，是一类高性能的应变传感器。

硅基谐振式应变传感器的一个问题是量程较窄，与应用需求难以匹配。硅基谐振式应变传感器的工作谐振频率随应变迅速变化，特别是当应变为压应变时共振频率可变化到0，过大的谐振频率改变会引起严重非线性。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法，利用量程拓展结构来降低谐振敏感结构上的应变量，实现谐振式应变传感器量程的拓展。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于量程拓展的谐振式应变结构，所述基于量程拓展的谐振式应变结构包括：双端固支音叉及量程拓展梁；

所述量程拓展梁位于所述双端固支音叉的两端，且与所述双端固支音叉的两端相连接。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构的一种优选方案，所述量程拓展梁的数量为两根，所述量程拓展梁平行排布，且分别位于所述双端固支音叉的两端。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构的一种优选方案，所述双端固支音叉的两端与所述量程拓展梁的中部垂直连接。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构的一种优选方案，所述双端固支音叉包括：敏感梁及连接块；

所述敏感梁的数量为两根，所述敏感梁平行排布且相隔一定间距；

所述连接块的数量为两块，所述连接块分别位于所述敏感梁的两端，且位于所述敏感梁与所述量程拓展梁之间，并与所述敏感梁及所述量程拓展梁相连接。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构的一种优选方案，所述基于量程拓展的谐振式应变结构还包括锚点、绝缘层及衬底；

所述锚点固定于所述量程拓展梁的两端；

所述绝缘层位于所述锚点的下表面，所述锚点通过所述绝缘层固连于所述衬底的上表面；

所述衬底的上表面与所述双端固支音叉的下表面及所述量程拓展梁的下表面相隔一定的间距。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构的一种优选方案，所述双端固支音叉、所述量程拓展梁及所述锚点为一体化结构。

本发明还提供一种基于量程拓展的谐振式应变传感器，所述基于量程拓展的谐振式应变传感器包括：双端固支音叉、量程拓展梁、敏感电极及驱动电极；

所述量程拓展梁位于所述双端固支音叉的两端，且与所述双端固支音叉的两端相连接；

所述敏感电极位于所述量程拓展梁之间，且位于所述双端固支音叉的两侧，适于与所述双端固支音叉及所述量程拓展梁共同构成敏感电容；

所述驱动电极位于所述量程拓展梁之间，且位于所述双端固支音叉的两侧，适于驱动所述双端固支音叉及所述量程拓展梁。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述量程拓展梁的数量为两根，所述量程拓展梁平行排布，且分别位于所述双端固支音叉的两端。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述双端固支音叉的两端与所述量程拓展梁的中部垂直连接。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述双端固支音叉包括：敏感梁及连接块；

所述敏感梁的数量为两根，所述敏感梁平行排布且相隔一定间距；

所述连接块的数量为两块，所述连接块分别位于所述敏感梁的两端，且位于所述敏感梁与所述量程拓展梁之间，并与所述敏感梁及所述量程拓展梁相连接。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述基于量程拓展的谐振式应变传感器还包括锚点、金属压焊块、绝缘层及衬底；

所述锚点固定于所述量程拓展梁的两端；

所述金属压焊块位于所述锚点、所述敏感电极及所述驱动电极的上表面；

所述绝缘层位于所述锚点、所述敏感电极及所述驱动电极的下表面，所述锚点、所述敏感电极及所述驱动电极通过所述绝缘层固连于所述衬底的上表面；

所述衬底的上表面与所述双端固支音叉的下表面及所述量程拓展梁的下表面相隔一定的 间距。

作为本发明的基于量程拓展的谐振式应变传感器的一种优选方案，所述双端固支音叉、所述量程拓展梁、所述敏感电极、所述驱动电极及所述锚点为一体化结构。

本发明还提供一种基于量程拓展的谐振式应变传感器的制备方法，所述制备方法包括：

1)提供SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅；

2)在所述顶层硅表面对应于后续要形成锚点、敏感电极及驱动电极的位置形成金属压焊块；

3)刻蚀所述顶层硅，形成双端固支音叉、量程拓展梁、锚点、敏感电极及驱动电极；

4)去除所述锚点、所述敏感电极及所述驱动电极对应区域之外的所述埋氧层。

如上所述，本发明的基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法，具有以下有益效果：本发明中，量程拓展梁可以降低双端固支音叉的应变量，从而实现谐振式应变传感器量程的拓展；通过设计量程拓展梁与双端固支音叉的尺寸，可以设定双端固支音叉上的应变与实际应变的比例；整个结构为一体化结构，制作工艺简单，便于实现工业化。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的基于量程拓展的谐振式应变结构的立体结构示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的基于量程拓展的谐振式应变结构的俯视结构示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的基于量程拓展的谐振式应变结构中固支音叉的工作振型。

图4显示为本发明实施例一中提供的基于量程拓展的谐振式应变结构的工作振型。

图5显示为本发明实施例二中提供的基于量程拓展的谐振式应变传感器的立体结构示意图。

图6显示为本发明实施例三中提供的基于量程拓展的谐振式应变传感器的制备方法的流程示意图。

图7至图10为本发明实施例三中提供的基于量程拓展的谐振式应变传感器的制备方法在各步骤中的结构示意图。

元件标号说明

11 双端固支音叉

111 敏感梁

112 连接块

12 量程拓展梁

13 锚点

14 绝缘层

15 衬底

16 敏感电极

17 驱动电极

18 金属压焊块

21 SOI硅片

211 硅衬底

212 埋氧层

213 顶层硅

S1～S4 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图10需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图2，本发明提供一种基于量程拓展的谐振式应变结构，所述基于量程拓展的谐振式应变结构包括：双端固支音叉11及量程拓展梁12；所述量程拓展梁12位于所述双端固支音叉11的两端，且与所述双端固支音叉11的两端相连接。

作为示例，所述量程拓展梁12的数量为两根，所述量程拓展梁12平行排布，且分别位于所述双端固支音叉11的两端。

作为示例，所述双端固支音叉11的两端与所述量程拓展梁12的中部垂直连接。

作为示例，所述双端固支音叉11包括：敏感梁111及连接块112；所述敏感梁111的数量为两根，所述敏感梁111平行排布且相隔一定间距；所述连接块112的数量为两块，所述连接块112分别位于所述敏感梁111的两端，且位于所述敏感梁111与所述量程拓展梁12之间，并与所述敏感梁111及所述量程拓展梁12相连接，即所述敏感梁111通过所述连接块112与所述量程拓展梁12的中部垂直连接。

作为示例，所述敏感梁111的材料可以为但不仅限于单晶硅；所述敏感梁111的横截面形状可以为矩形或正方形，优选地，本实施例中，所述敏感梁111的横截面形状为矩形，且所述敏感梁111的厚度大于其宽度。

作为示例，所述连接块112的材料可以为但不仅限于单晶硅；所述质量块112的横截面形状可以为矩形或正方形，所述质量块112的宽度优选为所述量程拓展梁12的宽度的一半。所述连接块112的作用是在所述谐振式应变结构的应变较大时，降低所述量程拓展梁12中心处的变形。

作为示例，所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构，所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111的厚度相等。

作为示例，所述量程拓展梁12应满足如下条件：

1)所述量程拓展梁12的倔强系数与所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的总倔强系数之比为：

式中，k_a为所述量程拓展梁12的倔强系数，k_t为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的总倔强系数，ε_tm为所述基于量程拓展的谐振式应变结构的设计最大应变，ε_sm为所述敏感梁111的设计最大应变；k_a和k_t可通过有限元分析得到。

2)所述量程拓展梁12的长度应满足如下公式，以确保所述量程拓展梁12的最大应力小于断裂应力：

式中L_a为所述量程拓展梁12的长度，h为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的厚度，E为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的杨氏模量，L_s为所述敏感梁111的长度，T_y为单晶硅最大安全应力；T_y为实验值，设计时可取T_y＝500Mpa。

3)所述量程拓展梁12的横截面形状为矩形或正方形，所述量程拓展梁12的材料可以为但不仅限于单晶硅。

作为示例，所述基于量程拓展的谐振式应变结构还包括锚点13、绝缘层14及衬底15；所述锚点13固定于所述量程拓展梁12的两端；所述绝缘层14位于所述锚点13的下表面，所述锚点13通过所述绝缘层14固连于所述衬底15的上表面；所述锚点13的厚度与所述量程拓展梁12、所述敏感梁111及所述连接块112的厚度相同，以使得所述衬底15的上表面与所述双端固支音叉11的下表面及所述量程拓展梁12的下表面相隔一定的间距。

作为示例，所述锚点13的材料可以为但不仅限于单晶硅。所述锚点13的长度和宽度远大于所述敏感梁111、所述连接块112及所述量程拓展梁12的宽度。

作为示例，所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12及所述锚点13为一体化结构；即构成所述双端固支音叉11的所述敏感梁111及所述连接块112与所述量程拓展梁12及所述锚点13通过常规的微机械加工技术加工同一单晶硅层而得到。

需要说明的是，为了展示所述基于量程拓展的谐振式应变结构中各部分的功能以及更好的区分各部分，图2中将所述基于量程拓展的谐振式应变结构按各部分名称划分为不同功能块的组合，而在实际的所述基于量程拓展的谐振式应变结构中，所述基于量程拓展的谐振式应变结构由同一均质的单晶硅材料层同时制作而成，各部分之间并没有界限。

作为示例，所述敏感梁111及所述连接块112组成的所述双端固支音叉11用于应力敏感，所述双端固支音叉11的工作振型如图3所示，由图3可知，所述敏感梁111及所述连接块112均以双端固支梁的一阶振型以相同频率振动，同时，两根所述敏感梁111的相位相差180°；该振型的共振频率应在50kHz～5MHz的范围之内。

作为示例，所述基于量程拓展的谐振式应变结构的工作振型如图4所示，由图4可知，当整个结构的应变为ε_t时，所述量程拓展梁12发生弯曲形变，所述敏感梁111发生拉伸形变，所述敏感梁111拉伸形变的应变为ε_s。由于所述量程拓展梁12发生弯曲形变，所述敏感梁111的应变ε_s小于整个结构的应变为ε_t，使得所述基于量程拓展的谐振式应变结构的量程得以拓展。需要说明的是，可以通过设定所述敏感梁111、所述连接块112及所述量程拓展梁12的尺寸调节所述敏感梁111的应变ε_s与整个结构的应变的比例ε_t。

实施例二

请参阅图5，本发明还提供一种基于量程拓展的谐振式应变传感器，所述基于量程拓展的谐振式应变传感器包括：双端固支音叉11、量程拓展梁12、敏感电极16及驱动电极17；所述量程拓展梁12位于所述双端固支音叉11的两端，且与所述双端固支音叉11的两端相连接；所述敏感电极16位于所述量程拓展梁12之间，且位于所述双端固支音叉11的两侧，适 于与所述双端固支音叉11及所述量程拓展梁12共同构成敏感电容，通过测量所述敏感电容的变化可以量测所述双端固支音叉11及所述量程拓展梁12的振动；所述驱动电极17位于所述量程拓展梁12之间，且位于所述双端固支音叉11的两侧，适于驱动所述双端固支音叉11及所述量程拓展梁12。

作为示例，所述量程拓展梁12的数量为两根，所述量程拓展梁12平行排布，且分别位于所述双端固支音叉11的两端。

作为示例，所述双端固支音叉11的两端与所述量程拓展梁12的中部垂直连接。

作为示例，所述双端固支音叉11包括：敏感梁111及连接块112；所述敏感梁111的数量为两根，所述敏感梁111平行排布且相隔一定间距；所述连接块112的数量为两块，所述连接块112分别位于所述敏感梁111的两端，且位于所述敏感梁111与所述量程拓展梁12之间，并与所述敏感梁111及所述量程拓展梁12相连接。

作为示例，所述敏感梁111的材料可以为但不仅限于单晶硅；所述敏感梁111的横截面形状可以为矩形或正方形，优选地，本实施例中，所述敏感梁111的横截面形状为矩形，且所述敏感梁111的厚度大于其宽度。

作为示例，所述连接块112的材料可以为但不仅限于单晶硅；所述质量块112的横截面形状可以为矩形或正方形，所述质量块112的宽度优选为所述量程拓展梁12的宽度的一半。所述连接块112的作用是在所述谐振式应变结构的应变较大时，降低所述量程拓展梁12中心处的变形。

作为示例，所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构，所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111的厚度相等。

作为示例，所述量程拓展梁12应满足如下条件：

1)所述量程拓展梁12的倔强系数与所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的总倔强系数之比为：

式中，k_a为所述量程拓展梁12的倔强系数，k_t为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的总倔强系数，ε_tm为所述基于量程拓展的谐振式应变结构的设计最大应变，ε_sm为所述敏感梁111的设计最大应变；k_a和k_t可通过有限元分析得到。

2)所述量程拓展梁12的长度应满足如下公式，以确保所述量程拓展梁12的最大应力小于断裂应力：

式中L_a为所述量程拓展梁12的长度，h为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的厚度，E为所述量程拓展梁12与所述连接块112及所述敏感梁111共同组成量程拓展结构的杨氏模量，L_s为所述敏感梁111的长度，T_y为单晶硅最大安全应力；T_y为实验值，设计时可取T_y＝500Mpa。

3)所述量程拓展梁12的横截面形状为矩形或正方形，所述量程拓展梁12的材料可以为但不仅限于单晶硅。

作为示例，所述敏感电极16的数量及位置可以根据实际需要设定，图5中以所述敏感电极16的数量为两个作为示例，两个所述敏感电极16对应地设置于所述双端固支音叉11的两侧，且对应于所述双端固支音叉11的中部，但实际结构中并不以此为限。

作为示例，所述敏感电极16的材料可以为但不仅限于单晶硅材料。所述敏感电极16的长度和宽度远大于所述敏感梁111、所述连接块112及所述量程拓展梁12的宽度。

作为示例，所述驱动电极17的数量及位置可以根据实际需要设定，图5中以所述驱动电极17的数量为四个作为示例，四个所述驱动电极17分别两两对应地设置于所述双端固支音叉11的两侧，且位于所述双端固支音叉11同一侧的两个所述驱动电极17对应地设置于所述敏感电极16沿所述敏感111长度方向的两侧，但实际结构中并不以此为限。

作为示例，所述驱动电极17的材料可以为但不仅限于单晶硅材料。所述驱动电极17的长度和宽度远大于所述敏感梁111、所述连接块112及所述量程拓展梁12的宽度。

作为示例，所述基于量程拓展的谐振式应变传感器还包括锚点13、金属压焊块18、绝缘层14及衬底15；所述锚点13固定于所述量程拓展梁12的两端；所述金属压焊块18位于所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的上表面；所述绝缘层14位于所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的下表面，所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17通过所述绝缘层14固连于所述衬底15的上表面；所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的厚度与所述量程拓展梁12、所述敏感梁111及所述连接块112的厚度相同，以使得所述衬底15的上表面与所述双端固支音叉11的下表面及所述量程拓展梁12的下表面相隔一定的间距。所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17通过所述金属压焊块18实现电学引出。

作为示例，所述锚点13的材料可以为但不仅限于单晶硅。所述锚点13的长度和宽度远大于所述敏感梁111、所述连接块112及所述量程拓展梁12的宽度。

作为示例，所述金属压焊块18的材料可以为但不仅限于铝。

作为示例，所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述敏感电极16、所述驱动电极17及所述锚点13为一体化结构；即构成所述双端固支音叉11的所述敏感梁111及所述连接块112与所述量程拓展梁12、所述敏感电极16、所述驱动电极17及所述锚点13通过常规的微机械加工技术加工同一单晶硅层而得到。

本实施例中，所述双端固支音叉11的工作振型与实施例一中的相同，具体可参阅实施例一中的图3及相关描述，此处不再累述。所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述敏感电极16、所述驱动电极17及所述锚点13构成的结构的工作振型与实施例一中的相同，具体可参阅实施例一中的图4及相关描述，此处不再累述。

实施例三

请参阅图6，本发明还提供一种基于量程拓展的谐振式应变传感器的制备方法，所述制备方法包括：

1)提供SOI硅片，所述SOI硅片由下至上依次包括硅衬底、埋氧层及顶层硅；

2)在所述顶层硅表面对应于后续要形成锚点、敏感电极及驱动电极的位置形成金属压焊块；

3)刻蚀所述顶层硅，形成双端固支音叉、量程拓展梁、锚点、敏感电极及驱动电极；

4)去除所述锚点、所述敏感电极及所述驱动电极对应区域之外的所述埋氧层。

在步骤1)中，请参阅图6中的S1步骤及图7，提供SOI硅片21，所述SOI硅片21由下至上依次包括硅衬底211、埋氧层212及顶层硅213。

作为示例，所述SOI硅片21没有特殊要求，可以为现有半导体领域所述使用的常规SOI硅片。

在步骤2)中，请参阅图6中的S2步骤及图8，在所述顶层硅213表面对应于后续要形成锚点、敏感电极及驱动电极的位置形成金属压焊块18。

作为示例，在所述顶层硅213表面对应于后续要形成锚点、敏感电极及驱动电极的位置形成金属压焊块18的具体方法为：首先，采用溅射工艺在所述顶层硅213表面溅射金属膜(未示出)，所述金属膜可以为但不仅限于铝膜；其次，在所述金属膜表面涂覆光刻胶层(未示出)，通过曝光、显影工艺图形化所述光刻胶层，在所述光刻胶层内定义出所述金属压焊块18的图形；然后，依据图形化的所述光刻胶层刻蚀所述金属膜，形成所述金属压焊块18；最后，去除所述光刻胶层。

在步骤3)中，请参阅图6中的S3步骤及图9，刻蚀所述顶层硅213，形成双端固支音叉11、量程拓展梁12、锚点13、敏感电极16及驱动电极17。

作为示例，刻蚀所述顶层硅213，形成双端固支音叉11、量程拓展梁12、锚点13、敏感 电极16及驱动电极17的具体方法为：首先，在所述顶层硅213及所述金属压焊块18表面涂覆光刻胶层(未示出)，通过曝光、显影工艺图形化所述光刻胶层，在所述光刻胶层内定义出所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的图形；然后，依据图形化的所述光刻胶层采用反应离子刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅213，形成所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17；最后，去除所述光刻胶层。

作为示例，所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的具体结构特征及位置关系与实施例二中所述的基于量程拓展的谐振式应变传感器中的所述双端固支音叉11、所述量程拓展梁12、所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17的具体结构特征及位置关系相同，具体请参阅实施例二，此处不再累述。

在步骤4)中，请参阅图6中的S4步骤及图10，去除所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17对应区域之外的所述埋氧层212。

作为示例，可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺去除所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17对应区域之外的所述埋氧层212，以在所述锚点13、所述敏感电极16及所述驱动电极17下方形成绝缘层14。

步骤4)完成之后，即可得到如实施例二中所述的基于量程拓展的谐振式应变传感器。

综上所述，本发明提供一种基于量程拓展的谐振式应变结构、应变传感器及制备方法，所述基于量程拓展的谐振式应变结构包括：双端固支音叉及量程拓展梁；所述量程拓展梁位于所述双端固支音叉的两端，且与所述双端固支音叉的两端相连接。本发明中，量程拓展梁可以降低双端固支音叉的应变量，从而实现谐振式应变传感器量程的拓展；通过设计量程拓展梁与双端固支音叉的尺寸，可以设定双端固支音叉上的应变与实际应变的比例；整个结构为一体化结构，制作工艺简单，便于实现工业化。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。