[发明专利]具有三梁音叉的微谐振式压差传感器及压差检测方法

说明书

本发明公开了一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器及压差检测方法。传感器中设有基底、谐振梁、受压力板，压电层、驱动电极、和感应电极。采用三梁音叉作为谐振单元，谐振梁一端与基底相连，另一端与受压力面相连；谐振梁上覆有压电层和驱动电极，利用压电材料的逆压电效应，驱动谐振梁工作在所需振动模态，根据输入气压引起的谐振频率的变化测量压力差；本发明提出了新型的具有三梁式音叉的谐振器设计，基于弹性变形模态提出新型压力感应机制，使谐振器工作在特定谐振模态，具有能量损耗小灵敏度高，呈线性输出的优势；该谐振式压差传感器受加速度影响小，结构简单，在室温下工作，无需真空封装；适用于对气体压力进行测试，易于实现批量生产。

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)技术领域中的传感器领域，特别是涉及一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器及压差检测方法。

背景技术

现代微机电系统(MEMS)技术提供了基于微纳米尺度设计传感器的思路。微型的传感器对比宏观传感器具有小尺寸、低成本和低功耗的优势。并且与传统的微电子电路集成工艺兼容，可以实现单片化集成整个传感器以及外围信号处理电路。压力传感器是一种航空、航天等领域广泛应用的对压力进行测量的传感器。在许多领域尤其是航空航天领域对器件质量以及体积要求非常严格的领域，MEMS谐振器能测量微小信号，有着较高的稳定性并且发展MEMS压力传感器已经成为必然。在现有的MEMS压力传感器中，存在线性度不好，加工工艺难度大，灵敏度不高的问题。日本的Yutaka Tomimatsu等人设计了基于压电效应的MEMS压差传感器【1】，能检测正负20Pa内的微小信号，但基于变形产生的电压具有不稳定性且易受环境影响。美国加州大学伯克利分校的Fabian T.Goericke等人设计了带三梁音叉的谐振式加速度计【2】，能达到较好的灵敏度但线性度不理想。

因此，有必要提供一种输出高灵敏度，抗干扰，线性输出的微谐振式压差传感器。

引用文献：

【1】Tomimatsu Y,Takahashi H,Kobayashi T,et al.AlN cantilever fordifferential pressure sensor[C]//Applications of Ferroelectric and Workshopon the Piezoresponse Force Microscopy.IEEE,2013:336-339.

【2】Goericke F T,Vigevani G,Pisano A P.Bent-beam sensing with triple-beam tuning forks[J].Applied Physics Letters,2013,102(25):859.

发明内容

本发明提出一种具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，通过提出的新型压力敏感元件，使传感器具有高的灵敏度、结构简单、抗干扰和线性输出的优势。通过使谐振器工作在弹性变形模态，可以有效降低频率的温漂系数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

具有三梁音叉的微谐振式压差传感器，其设有基底、感应电极、三梁音叉谐振单元和受压力板；基底上开设有用于容纳三梁音叉谐振单元和受压力板的凹槽；三梁音叉谐振单元包括谐振梁、压电层和驱动电极；所述的谐振梁包括两根侧边梁、一根中间梁和两个连接端，三根梁平行连接于两个连接端之间，三根梁上均覆有所述的压电层，每根梁上的压电层上分别覆有独立的驱动电极，中间梁上的驱动电极与两条侧边梁上的驱动电极连接相反的激励源；谐振梁的一个连接端与感应电极相连，另一个连接端与受压力板相连；感应电极固定于所述的凹槽中且两者之间设有绝缘层；谐振梁和受压力板与基底之间具有缝隙，从而使三梁音叉谐振单元和受压力板以感应电极为固定支座在所述凹槽中形成悬臂梁结构。