電磁激勵微諧振式傳感器的設計與制作

0 引 言

諧振式壓力傳感器的基本機理是利用壓力敏感元件感受到壓力，使與之相關聯的諧振器的諧振頻率發生變化，通過測量諧振器頻率的變化來檢測壓力。與通常的諸如壓阻式和電容式壓力傳感器相比，諧振式壓力傳感器體積小、功耗低；以頻率為最后輸出量的特點使其具有更高的精度和穩定性，容易和大規模集成電路兼容。

近幾年來隨著微機械加工技術的進步以及微弱信號檢測技術的進步，基于MEMS工藝基礎的諧振式壓力傳感器的研究和制作越來越受到重視。本文介紹了一種具有差分檢測結構的諧振式壓力傳感器，諧振器采用電磁激勵-電磁拾振的激勵方式，采用閉環自激振蕩的檢測方式來檢測壓力。

1 工作原理

傳感器的整體結構如圖1。它由單晶Si壓力膜和單晶Si的梁諧振器組成。兩者通過鍵合技術結合為一個整體。上面的諧振器封裝于真空中，下面的Si膜下側與待測壓力源相接觸。膜的四周與封裝的管座底部固支接觸。當Si膜受到壓力的作用時，膜將產生形變。與膜相接觸的諧振梁支柱也將隨膜的形變而發生形變，這樣，位于支柱上端的梁諧振器將因為支柱的形變而受到軸向應力，從而改變其本身的固有振動頻率。其頻率的改變和軸向應力變化以及膜受到的壓力為近似線性關系，所以通過檢測諧振梁固有頻率的變化可以實現檢測壓力的目的。此傳感器采用差分檢測方式，分上、中、下三組諧振梁進行檢測。通過中梁和上下任意一組梁進行差分檢測，可以提高整個傳感器的靈敏度，大幅度地削弱溫漂對于諧振梁頻率飄移的影響。

傳感器諧振梁的結構見圖2，兩根梁和中間相連的橋組成了傳感器的諧振器。工作時外加垂直于諧振梁上表面的磁場，當在激振電極A和B之間外加周期性交變電壓時，激振梁因產生電流而受到洛侖茲力，隨著電壓方向的變化，洛侖茲力方向也隨之周期性變化，從而使得激振梁因受到方向周期性變化的力而產生振動，并通過中間的橋帶動上方拾振梁振動。當拾振梁振動時，因切割磁力線而在拾振電極C和D之間產生感應電動勢，其頻率與激振梁所加電壓相同。當所加電壓頻率接近或等于整個諧振梁的固有頻率時，諧振梁將發生共振，拾振梁的振幅達到最大，從而拾振電極之間的感生電動勢的幅值也達到最大。通過檢測拾振梁所產生的感生電動勢大小來確定諧振梁的固有頻率從而達到檢測壓力的目的。此結構稱作“H型”梁結構。

2 制作和封裝