谐振式MEMS压力传感器封装和仪表研究

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谐振式MEMS压力传感器具有精度高、功耗低、稳定性好、准数字信号输出等优点,广泛应用于气象探测、农业生产、工业控制、航空航天等领域。本文围绕一种电磁激励、差分检测的谐振式MEMS压力传感器,主要对其真空封装、低应力组装、闭环检测电路、性能测试和仪表进行了研究。  首先理论分析了谐振梁固有频率和动力学特性,得出一种采用检测速度谐振频率的检测方式,阐述了处于恒定磁场中谐振梁的电磁激振、磁感应拾振的检测原理,分析了传感器真空封装和组装固定的应力问题,提出了BCB黏合键合的正面真空封装与机械紧固的组装方法。  其次,根据传感器芯片的结构和尺寸,结合MEMS加工工艺设计了玻璃封装盖帽结构,并基于MEMS技术,优化了PYREX7740玻璃封装盖帽的加工工艺参数,采用非光敏BCB树脂材料在低温条件下实现了传感器芯片与PYREX7740玻璃的黏合键合真空封装;选择可伐合金材料金属管座作为支撑装置,设计了一种机械紧固方法完成了传感器芯片与金属管壳的低应力组装,有效降低了传感器的温度系数,并提高了传感器的工作稳定性。  在原有闭环检测电路基础上,设计了精密半波整流和带通滤波电路,提高了传感器检测信号的信噪比和闭环电路的工作稳定性。搭建了传感器测试平台,系统测试了传感器的开环和闭环特性。测试结果表明传感器整体性能良好:封装后传感器具有较高的Q值(9455),传感器检测范围500~1100hPa,灵敏度为9.6Hz/hPa,满量程最大非线性度为0.08%;在-40℃~50℃内传感器温度系数为0.9Hz/℃;传感器开机稳定后差频输出最大漂移小于0.005%F.S.;对比分析了不同封装和组装方式的传感器温度特性和零点长时稳定性。  基于传感器和相关测试数据,进行了谐振式压力传感器仪表的研究。提出了一种高精度、快响应的频率精确采集方法,采用STC12C5A60S2单片机作为系统处理器,搭建系统硬件电路并在Keil-C开发平台进行软件编程,完成了传感器仪表的初样机。
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