基于双侧梁结构的谐振式压力传感器设计

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谐振式压力传感器是一种通过检测谐振器固有频率的变化来间接测量压力的MEMS器件,具备精度高、抗扰性好等特点,并且其输出频率信号为准数字信号,易于和计算机、电路等数字接口相连组成高精度的检测系统,其代表着目前世界MEMS压力传感器的顶尖技术,非常适用于航空航天、气象监控、石油勘测等对传感器精度等性能有更高要求的复杂环境中,在军事与民用领域都具备广阔的发展潜力。本文设计的谐振器和压力敏感薄膜采用相互垂直的工作模态以减少传感器工作过程中的能量耦合,通过设计测梁抑制谐振器的Z向位移,进一步提高传感器工作的稳定性。对谐振梁、侧梁等部件的物理模型进行推导与建立,完成谐振器的建模,同时基于此谐振器在不同压力载荷下侧向振动时其等效刚度随轴向应力的改变而变化的原理,最终完成压力敏感薄膜-硅岛-谐振器三体耦合的传感器整体结构的优化设计与建模。在ANSYSWorkbench平台下对其进行仿真与验证,结果表明:侧梁可有效的抑制谐振器的Z向位移,在0-100MPa范围内谐振器具有良好的正向应力特性;传感器基础谐振频率为29.834k Hz,在0-120k Pa范围内灵敏度可达29.6Hz/k Pa,且最大过压1.5×FS时仍具备频率稳定性。在器件结构设计的基础上,对其刻蚀、键合、封装等制备工艺进行研究,采用各向异性湿法刻蚀的方法释放硅岛与敏感薄膜,并通过DRIE工艺释放谐振器,传感器由溅射有吸气剂的盖帽层与谐振器结构层通过硅硅键合实现真空封装,进而通过硅通孔引出电信号,最终完成了与工艺步骤对应的光刻掩膜版版图的设计。
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