静电激励硅微机械谐振压力传感器设计

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静电驱动MEMS谐振式压力传感器闭环拓扑研究

ＡｂｔａｔＣｏｅ —ｏｐｔｐｌｇｌｙｎｉｏｔｎｏｅｉｕｔｉｉｇｒｌｂｅｏｃｌａｉｎｆｒｒｓｎａｔｐｅｓｒｅｓｒＡｓｒｃ：ｌｓｄｌｏｏｏｏｙｐａｓａｍｐｒａｔｒｌｎｓｓａｎｎｅｉｌｓｉｔｏｅｏｎｒｓｕｅｓｎｏ．ａｌｏｈｂｉｄｌｆｙｉａＭＥＭＳｅｏａｔｐｒｓｕｅｅｓｒｗｈｉｈｓｒｖｎｂｅｅｔｏｔｔｆｒｅｎｄｅｓｄｙｙｒｄｍｏｅｏａｔｐｃｌｒｓｎｎｅｓｒｓｎｏ，ｃｉｄｉｅｙｌｃｒｓａｉｏｃａｓｎｅｂｃｃｐｃｔｎｅｃａｅｗａｃｎｓｒｃｅｔｅｅｒｈｔｅｉｆｕｎｅｏｌｓｄｌｏｏｏｏ．ｕｌｓｄｌｏｏｏｏｉｓａａｉａｃｈｎｇｓ，ｓｏｔｕｔｄｏｒｓａｃｈｎｌｅｃｆｃｏｅｏｐｔｐｌｇＦｏｒｃｏｅ —ｏｐｔｐｌｇｅｙ
ｃｍｐｒｓｎａｎｉｅｅｔｔｐｌｇｅｓｉｅｎｅｎｔｒｆｓａｔｐｃｐｂｌｙ，ｕｏｔｒｑｅｃｒｃｉｇｏａｏｍｏｇｄｆｒｎｏｏｏｉｓｗａｍｐｌｍｅｔｄｉｅｍｓｏｔｒｕａａｉｔａｔｍａｉｆｅｕｎｙｔａｋｎｉｆｉｃ
（西北工业大学微／纳米系统陕西省重点实验室，西安７０７）１０２
摘要：谐振式压力传感器闭环拓扑结构对保持机械谐振器振荡的稳定性和可靠性起着重要作用。针对一种典型结构的静电

新型谐振传感器的设计与实现

新型谐振传感器的设计与实现一、新型谐振传感器设计原理（一）传感机制剖析新型谐振传感器基于独特的物理或化学原理实现对目标量的感知。

例如，在压电谐振传感中，压电材料的压电效应是核心机制。

当受到外界应力作用时，压电晶体内部的正负电荷中心发生相对位移，致使晶体表面产生电荷积累，形成与应力成正比的电场。

此电场与晶体的机械振动相互耦合，使得谐振频率随外界应力变化，进而实现对压力、加速度等物理量的高精度测量。

又如在光学谐振传感领域，利用光学微腔中的whispering gallery mode（回音壁模式）。

光在微腔内壁不断全反射传播，形成稳定的谐振模式。

当外界环境参数如温度、折射率改变时，微腔的光学路径长度或有效折射率变化，致使谐振波长或频率偏移。

通过监测此偏移量，可精确检测环境中的温度波动、微量物质浓度变化等，在生物医学检测及环境监测方面极具应用潜力。

（二）结构设计要点1. 机械结构优化为确保谐振传感器的高灵敏度与稳定性，机械结构设计需精密考量。

采用微机电系统（MEMS）技术制造的传感器，其悬臂梁结构的尺寸、形状及材料特性对性能影响深远。

如设计纳米级厚度、特定长宽比的悬臂梁，可有效提升其对微弱力的感知能力。

同时，在梁结构中引入柔性铰链或弹簧元件，优化应力分布，降低非线性误差，增强谐振稳定性，减少外界振动干扰，提升传感器在复杂工况下的可靠性，拓展其在航空航天设备健康监测、精密工业制造等领域的应用范畴。

2. 材料选型策略材料是决定传感器性能的关键因素。

于电学谐振传感器而言，选用高磁导率、低损耗的磁性材料制作电感元件，可提升谐振电路品质因数，增强信号传输效率与灵敏度。

在高温环境应用时，陶瓷基复合材料因具备卓越的耐高温、抗氧化及机械稳定性脱颖而出。

如氮化铝陶瓷用于制作传感器基底，既能保障高温下结构稳定，又因其良好的热导率利于热量散发，防止温度过高影响传感器电学性能，确保在能源电力系统高温部件监测中稳定运行、精准测量。

微机电系统中的压力传感器设计与实现

微机电系统中的压力传感器设计与实现一、压力传感器的概述压力传感器是一种用于检测压力的传感器。

它被广泛应用于工业生产中的流量、液位、重力、成分等测量和控制领域。

微机电系统（MEMS）中的压力传感器是一种基于压电效应的传感器。

MEMS压力传感器具有体积小、灵敏度高、响应速度快、稳定性好等优点，已经成为数字压力计、气体质量流量计、流量控制装置等制造中不可或缺的传感器。

二、微机电系统中压力传感器的设计与实现MEMS压力传感器需要寻找合适的压电材料、优化传感器的结构设计、选择合适的制造工艺、重复测试等一系列工作方可实现。

下面将就这些方面进行详细的阐述。

2.1 压电材料的选择MEMS压力传感器的关键材料是压电材料。

常见的压电材料有铅锆酸钛（PZT）、氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）等。

其中，PZT是最常用的材料，因为它具有较高的压电效率和良好的线性度。

同时，PZT也具有很高的压电劈裂强度，可以承受很高的壁压。

2.2 传感器结构的设计传感器的结构设计对于MEMS压力传感器的性能有着至关重要的作用。

一种典型的MEMS压力传感器结构是基于微加工技术制造的晶圆。

晶圆中心是一个精密加工的圆形薄膜，压电薄膜被夹在薄膜的中间。

外层是三个或四个绕在圆薄膜上的电极，用来测量外部施加的压力。

在传感器的结构设计中还需要考虑到防止过载的问题。

在传感器外部施加过量的压力时，传感器可能会出现破裂和损坏。

因此，传感器需要设计一个防止过载的保护层。

2.3 制造工艺的选择MEMS压力传感器采用典型的半导体工艺制造。

制造工艺主要包括：①压电材料的薄膜制备；②薄膜的选择性腐蚀；③薄膜剥离（例如，悬臂梁结构的膜片）；④金属薄膜制备和蚀刻形成电极。

其中，选择合适的制造工艺对于传感器性能的影响非常重要。

2.4 重复测试测试是检验MEMS压力传感器性能的关键步骤。

传感器应被测试多次，以确定其性能表现的稳定性和可重复性。

测试的内容包括灵敏度、线性度、响应时间和抗过载性能等。

一种新型微机械谐振式压力传感器研究

EI = 1. 028 A∀ 1+ ! !c
E ∀
h 2 l
( 2)
当!
0 时, f 1 ( !) = f 1 ( 0 ) ( 3)
其中 , ! c =
2 # E 3
h l
2
是临界应力。
( a) 谐振频率与谐振梁长度平方倒数的关系曲线
由于梁位于压力膜 ( 膜为 2 a ! 2a 的矩形) 中央 ,
792
2 f 1 ( 0 ) = 4. 73 2 2# l j
1
t
, 边界条
图 3( a) 曲线说明谐振频率 f ∃ 1/ l2 , ( b) 则表示谐振频率 f 与谐振梁宽度成很好的线性关系, ( c) 表明谐振频率基本不随谐振梁厚度的变化而变化。
| x= 0, L = 0 和
= 0。经解微分方程
Abstract: A no vel resonant pressure sensor st ruct ure is proposed. Elect rom ag net ic excitat ion and diff erent i al det ect io n ar e adopt ed. 30 m diff used ( 100) silicon is used f or t he resonato r, t hus t he resonat or and the pressure diaphrag m can be fabr icated on the same silico n subst rat e w it hout bonding , w hich can avoid the st ress f rom t he bo nding process. T he t heor et ical analysis, FEA ansys sim ulat ion, f abricat ion process, and the t est ing ex periments are descr ibed. In the f ull scale 0~ 100 kP a, t he ex periments result s show t hat the qualit y facto r( Q) is bet t er than 10 000 in low vacuum , t he reso lut ion is 1/ 10 000, t he nonlinearit y is 0. 62% , and the diff er ent ial sensit iv ity is 200 H z / kPa. Key words: resonant pressur e sensor; M EMS; elect romag net ic ex cit ed; dif ferent ial det ect ion; F EA AN SYS EEACC: 7230; 7320E

硅微谐振式压力传感器芯体设计与制作工艺研究

本文在系统研究了国内外各种硅微谐振式压力传感器的基础上，选择静电激励／电容拾振的硅微谐振式压力传感器进行了芯体方案及结构设计，并对其芯体性能参数进行了理论分析和仿真计算，得到了其激励电压与检测电容大小、压力一频率关系曲线以及温度一频率关系曲线，完成了强度校验、干扰因素及整体仿真分析。
提出了全新的硅岛布置方案和谐振子结构，在保证可加工性的同时，避免了压力敏感膜片变形过程中硅岛根部的应力集中，减少了对谐振子的形状尺寸限制，增大了谐振子的有效面积，降低了后期信号检测的难度。
1体积大磁体集成困难信号微弱接触激励与检测对湿度光和热处理逆压电激励与压电拾振体积小结构与工艺简单过程敏感与集成电路工艺不兼容温度灵敏度较高非接触激励与检测适用体积大结构复杂制作精度要求高于恶劣环境介质材料要求严格信号非常微弱难介质激励与介质拾振体积小结构简单于检测由表21可以发现静电激励电容拾振电热激励压阻拾振和静电激励压阻拾振这三种工作方式更加适合本文的研究目的
ｐｒｅｓｅｎｔ，ａｎｄ岫ｕｇｌｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓｆｏｒａｎｏｄｉｃｂｏｎｄｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎ
ｈｏｌｅｓａｒｒａｙｈａｓ
ａｌｓｏｂｅｅｎａｃｈｉｅｖｅｄ．ＢｅｓｉｄｅｓＳＣＲＥＡＭｐｒｏｃｅｓｓｈ鹊ｂｅｅｎｃｈｏｓｅＩｌｆｏｒｒｅｓｏｎａｔｏｒ
ｕｎｄｅｒｃｕｔｔｉｎｇａ１１ｄｉｓｌａｌｌｄｓｆｂ姗ｉｎｇｔｏａｖｏｉｄｅｄｅｅｐ—ｓｔｅｐｃｏａｔｉｎｇｏｆｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ，ａｌｌｄｔｈｃ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｍｏｆｓｉｌｉｃｏｎｉｓＩａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｈ嬲ａｌｓｏｂｅｅｎａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ．
ＫｅｙＷｂｒｄｓ：ＭＥＭＳ，Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙｅｘｃｉｔｅｄ，Ｃ印ａｃｉｔｉｖｅｌｙｄｅｔｅｃｔｅｄ，Ｒｅｓｏｎａｎｔ，

硅谐振式压力传感器敏感结构设计与仿真

硅谐振式压力传感器敏感结构设计与仿真平文;孔德义;单建华【摘要】根据双端固支梁的谐振频率求解,以及方形膜片在压力下形变和应力的理论分析,设计了一个基于梁-膜结构硅谐振式压力传感器敏感结构的模型.对该模型进行ANSYS仿真,得到它在1个大气压下的总形变和应力分布,以及前六阶的振动模态.比较方形膜片和长方形膜片下敏感结构的仿真结果,得出相同面积下长方形膜片的灵敏度更高,检测时非线性误差更小.通过对不同厚度硅梁与硅膜下敏感结构的仿真,最终设定硅膜与硅梁的厚度分别为50 μm和10 μm.该传感器主要用于航空仪器仪表中对大气压的高精度检测.%According to the theoretical analysis of the double-clamped beam's resonance frequency and the square diaphragm's deformation and stress under pressure,the sensing structure model of a silicon resonant pressure sensor based on beam-membrane structure was designed.With the ANSYS simulation of this model,its deformation and stress distribution under atmospheric pressure and the vibration mode in the former six orders were paring the simulation results of sensing structures with square diaphragm and rectangular diaphragm,the sensitivity of the rectangular diaphragm was higher in the same area,which had a lower nonlinear error as well.With the simulation of the sensing structure which have silicon beam and film in different thickness,the thickness of the silicon film and beam was finally as 50 μm and 10 μm.The sensor is mainly used in aeronautic instrument for high precision detection of atmospheric pressure.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)003【总页数】5页(P1-4,8)【关键词】谐振式压力传感器;敏感结构;谐振梁;硅膜;模态仿真;灵敏度【作者】平文;孔德义;单建华【作者单位】合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230011;中国科学院合肥智能机械研究所, 传感技术国家重点实验室,安徽合肥 230031;中国科学院合肥智能机械研究所, 传感技术国家重点实验室,安徽合肥 230031;安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山 243000【正文语种】中文【中图分类】TP212硅压力传感器是应用广泛的MEMS传感器，从信号检测方式划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等。

硅谐振式压力传感器的制作工艺流程

硅谐振式压力传感器的制作工艺流程下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用

一种静电驱动微机械谐振传感器的接口电路及应用孟瑞丽;刘恒;张宏群【摘要】In order to measurement dynamic capacitor of interface for micro mechanical resonant sensor with electrostatic driv-ing,this paper presented a read interface circuit,which used a high frequency square wave to modulate the vibration signal and de-modulated the output signal with an analog switch. Taking the micro mechanical vibration double frame gyroscope with vacuum package and electrostatic driven as an example,experimental waveform agreed well with the expected design from interface circuit. By using the interface circuit and frequency scanning method we successfully measured that the driving mode resonant frequency was 13.552 kHzand the quality factor was 1863.%针对静电驱动微机械谐振传感器接口动态电容的测量,文中介绍了一种读取接口电路,采用了高频方波对振动信号进行调制,模拟开关进行解调。

以静电驱动的某真空封装微机械振动双框架陀螺为例,接口电路实验测试得到的波形与设计预期一致,并利用接口电路和频率扫描方法成功测得微机械振动陀螺驱动模态谐振频率为13．552 kHz,品质因数为1863。

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ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏａｎｄＮａｎｏＥｌｅｃｔｒｏ・ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，
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ｐｏｓｉｔｉｏｎｓｈｉｔｆｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｔｏｒｗｈｅｎｔｈｅｄｉａｐｈｒａｇｍｄｅｆｌｅｃｔｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｉｎｒｇｗｅａｋｓｉｇｎａｌａｎｄｓａｍｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ＲＥＮＳｅｎ，一，ＹＵＡＮＷｅｉｚｈｅｎｇ，一。ＤＥＮＧＪｉｎ－ｊｕｎ，ＳＵＮＸｉａｏ — ｄｏｎｇ，
（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｅｒｏ／ＮａｎｏＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，
ｐｒｏｃｅｓｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｉｌｉｃｏｎ — ｏｎ — ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｗａｆｅｒ．Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｔｅｓｒｓｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ
关键词：谐振；压力传感器；静电激励；电容检测；绝缘体上硅
中图分类号：ＴＰ２１２
＇一 ● ｌ・
文献标识码：Ａ
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文章编号：１０００－９７８７（２０１４）０１－００６４－－０４
叉谐振器，利用基于绝缘体上硅的加工工艺制作。为了抑制压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度变化，
在谐振器固定端设计了全新的桁架结构。针对传感器检测信号微弱和同频干扰严重的特点，在芯体和接口电路设计中采取添加屏蔽电极、降低交流驱动电压幅值、差动电容检测和高频载波调制解调方案等多项
６ பைடு நூலகம்
传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｏｓｒｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１４年第３３卷第１期
静电激励硅微机械谐振压力传感器设计
任森，苑伟政，邓进军，孙小东，
（１．西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，陕西西安７１００７２２．西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室，陕西西安７１００７２）
摘
要：设计了一种静电激励／电容检测的硅微机械谐振压力传感器，采用改进的侧向动平衡双端固支音
措施。同时基于该接ｉ＝ｌ电路设计了开环测试系统，并在常压封装条件下对传感器进行了初步性能测试。
实验结果表明：其基础谐振频率为３３．８８６ｋＨｚ，振动品质因数为１２２２；测量范围为表压０－２８０ｋＰａ，非线性为０．０１８％ＦＳ，迟滞为０．１７６％ＦＳ，重复性为０．２１３％ＦＳ；在－２０－６０℃的温度范围内，谐振器的平均温度漂移为－０．０３７％／ ℃。