热激励氮化硅谐振梁压力传感器的设计与制作

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谐振器件通过检测振动元件的谐振频率或振幅的变化来测量应变、应力、加速度、压力、质量变化以及流量等,广泛应用于力学量传感器中。机械谐振式传感器精度高、信号以及频率输出适于计算机信息处理,而且其信号输出取决于机械参数,抗电干扰能力强,稳定性好。随着近年来微电子技术和微机械加工技术的迅猛发展和相互渗透,作为谐振式传感器重要组成部分的振动元件的尺度已从早期的米、厘米级发展至现今的微米级。目前的谐振传感器内大量采用的是基于硅微机械的谐振子,主要采用梁或膜结构,具有体积小、重量轻、精度高、响应快、长期稳定性好以及与大规模集成电路工艺兼容,易批量生产等优点,在航空航天、气象、地质、油井、航海、工业检测以及医疗仪器等方面都具有很好的应用前景。 本文介绍了作者设计、制作的一种谐振梁式压力传感器。从弹性力学角度对传感器的特性进行了理论分析;并用有限元方法,建立计算机模型,分析了不同材料、结构对梁的振动和敏感特性的影响。依据分析结果,选择氮化硅作为梁材料,采用梁膜一体结构,激励和检测方式为电热激振、电阻拾振。芯片利用微机械加工技术进行制作,采用了多孔硅牺牲层技术实现梁膜一体结构。采用了隔离垫片和应力隔离支柱来减小封装应力,完成了传感器的真空封装。通过开环和闭环两种方法对传感器的性能进行了测试。 传感器的测试结果与理论设计吻合较好。在10-2pa真空中,传感器的品质因数Q值约为19502;在10-2Pa真空中,0~300KPa范围内,传感器谐振频率与所受压力呈很好的线性关系,线性相关系数为0.9997,灵敏度达到54.89Hz/KPa。说明该传感器适合于0~300KPa范围内的压力测量。
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