专利名称：一种全对称硅微谐振式压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于侧向驱动的全对称硅微谐振式压力传感器。
背景技术：
基于微机械(MEMQ技术的硅微谐振式压力传感器是目前精度最高的硅微压力传感器。它通过检测物体的固有频率来间接测量压力，为准数字信号输出，既能与计算机直接接口，也容易组成直接显示数字的仪表。其精度主要受结构机械特性的影响，因此其抗干扰能力很强，性能稳定。除此之外，硅微谐振式压力传感器还具有响应快、频带宽、结构紧凑、 功耗低、体积小、重量轻、可批量生产等众多优点，在航空、航天、工业测控及军事领域得到了广泛的应用，一直是各国研究和开发的重点。在硅微谐振式压力传感器方面，英国的Greenwood等(J. C. Greenwood, D. W. Satchell. Miniature silicon resonant pressure sensor. IEEE, 1998 :369-372) 发明的硅微谐振式传感器主要是采用静电激励/电容拾振的工作方式，其敏感部分包括谐振结构、矩形硅岛、矩形压力敏感膜片和真空封装4部分，其两个对称分布的矩形硅岛悬置在矩形压力敏感膜片的表面，该矩形硅岛的长边与矩形压力敏感膜片的长边平行，但是由于其硅岛形状布置位置的问题，在压力敏感膜片变形过程中易在硅岛根部引起应力集中，并且谐振结构尺寸受到了限制，增大了后期检测的困难。因此我国西北工业大学的苑伟政教授等人(苑伟政，任森，邓进军.硅微谐振式压力传感器及其制作办法，专利号 200610104609. 9)在Greenwood的基础之上发明了一种新的硅微谐振式压力传感器，其发明采用了 4个对称布置在正方形压力敏感膜片对角线上的正方形硅岛，避免了压力敏感膜片变形过程中硅岛根部的应力集中，减小了对谐振结构的形状尺寸限制，降低了后期检测的难度。但是该硅微谐振式压力传感器仍然采用上下平板的垂直驱动结构设计，由于静电驱动的方向与压力敏感膜片的方向一致，因而静电驱动很容易耦合到压力敏感膜上。另外， 由于驱动电极与谐振结构之间的间距较为微小，导致压力敏感膜片的变形范围较小，从而限制了传感器的操作量程，并且增大了工艺难度和检测难度。

发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术中存在的激励电极和检测电极布置困难，提供可解决上下平板驱动结构中驱动力的非线性问题，以及驱动力与压力敏感膜片间的耦合问题，基于侧向驱动的一种全对称硅微谐振式压力传感器。本发明设有谐振结构、棱台形硅岛、正方形硅压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃； 硅边框内部与正方形压力敏感膜片连为一体，在正方形硅压力敏感膜片的对角线上对称设置有4个棱台形硅岛，所述4个棱台形硅岛的四边与所述正方形硅压力敏感膜片的四边平行，4个棱台形硅岛分别通过与之相连的4根支撑梁将谐振结构平行悬置于正方形硅压力敏感膜片上方；设置于硅边框上表面的4根对角线上的4个引线电极分别通过4根柔性梁与谐振结构连接，实现 谐振结构与外界的电气连接。所述柔性梁可采用S形柔性梁。所述谐振结构设有4根支撑梁、4片振动叶片、2个可动梳齿驱动电极、2个可动梳齿检测电极和1个中心连接端，4根支撑梁和4片振动叶片对称分布于中心连接端的四周， 在4片处于悬置的振动叶片末端设置2个梳齿驱动电极和2个梳齿检测电极。所述4根支撑梁和4片振动叶片可采用成45°夹角间隔对称分布于中心连接端的四周。所述支撑梁可为直梁或弯梁，所述支撑梁的截面可为矩形等。所述振动叶片可为扇形振动叶片，为了降低阻尼或在工艺上实现结构的释放，振动叶片上可以设有孔或孔阵列； 为了实现谐振结构的对称分布，所述中心连接端为圆形中心连接端。谐振结构、硅边框和下层玻璃可通过键合工艺粘接在一起，下层玻璃中心设有玻璃导压孔，所述导压孔与正方形硅压力敏感膜片中心正对。与现有的压力传感器相比，本发明具有以下突出优点由于采用4个对称布置在正方形硅压力敏感膜片对角线上的棱台形硅岛，因此避免了压力敏感膜片变形过程中硅岛根部的应力集中。由于采用梳齿电容驱动，因此保证驱动力的线性特性，可以简化驱动和检测电路。由于谐振结构采用侧向驱动，其本身的空气阻尼为滑膜阻尼，因此可以取得较高的品质因子，且对封装腔体真空度的变化也相对不敏感， 可以获得较好的长期稳定性。另外，由于采用全对称的谐振结构，因此在保证谐振结构紧凑的同时，可以方便地构造出差分电容结构，进一步提高器件的检测灵敏度。


图1是本发明实施例的结构示意图。图2是本发明实施例的分解结构示意图。在图1和2中，各标记为谐振结构1、棱台形硅岛2、正方形硅压力敏感膜片3、硅边框4、中心连接端5、扇形振动叶片6、支撑梁7、可动梳齿驱动电极8、可动梳齿检测电极 9、固定梳齿驱动电极10、固定梳齿检测电极11、S型柔性梁12、引线电极13、下层玻璃14、 导压孔15。
具体实施例方式参见图1和2，本发明实施例设有谐振结构1、棱台形硅岛2、正方形硅压力敏感膜片3、硅边框4和下层玻璃14 ；硅边框4内部与正方形压力敏感膜片3连为一体，在正方形硅压力敏感膜片3的对角线上对称设置有4个棱台形硅岛2，所述4个棱台形硅岛2的四边与所述正方形硅压力敏感膜片3的四边平行，4个棱台形硅岛2分别通过与之相连的4根支撑梁7将谐振结构1平行悬置于正方形硅压力敏感膜片3上方；设置于硅边框4上表面的4根对角线上的4个引线电极13分别通过4根S形柔性梁12与谐振结构1连接，实现谐振结构1与外界的电气连接。所述谐振结构1设有4根支撑梁7、4片扇形振动叶片6、2个可动梳齿驱动电极8、 2个可动梳齿检测电极9和1个中心连接端5，所述4根支撑梁7和4片扇形振动叶片6可采用成45°夹角间隔对称分布于中心连接端5的四周，在4片处于悬置的扇形振动叶片6 末端设置2个梳齿驱动电极8和2个梳齿检测电极9。所述支撑梁7可为直梁或弯梁，所述支撑梁的截面可为矩形。所述振动叶片6采用扇形振动叶片是为了降低阻尼或在工艺上实现结构的释放，扇形振动叶片6上可以设有孔或孔阵列；为了实现谐振结构1的对称分布， 所述中心连接端5为圆形中心连接端。谐振结构1、硅边框4和下层玻璃14可通过键合工艺粘接在一起，下层玻璃14中心设有玻璃导压孔15，所述导压孔15与正方形硅压力敏感膜片3中心正对。所述谐振结构1可采用硅材料制作。本发明的工作过程为当外界压力通过导压孔15作用于正方形硅压力敏感膜片 3时，其膜片在压力作用下发生变形，使得4个棱台形硅岛2偏离正方形硅压力敏感膜片3 的中心，该偏移在支撑梁7内部产生内应力，导致支撑梁7的转动刚度发生改变，最终引起谐振结构1的固有频率发生变化。在电气连接上，固定梳齿驱动电极10、固定梳齿检测电极11、引线电极13分别与外部三路电信号连接，其中一路驱动信号作用于固定梳齿驱动电极10，第二路检测信号作用于固定梳齿检测电极11，第三路通过引线电极13，将S形柔性梁 12、支撑梁7、振动叶片6、可动梳齿驱动电极8和可动梳齿检测电极9连为电一体，作为公共电信号。当压力传感器工作时，谐振结构1在驱动信号的作用下，绕结构中心在圆周方向上作谐振运动，使得可动梳齿检测电极9与固定梳齿检测电极11之间的电容产生正弦规律变化，通过测试该正弦规律变化的频率，即可获得谐振结构1的固有频率，由此获得外界压力的大小，从而实现对压力的测试。
权利要求
1.一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于设有谐振结构、棱台形硅岛、正方形硅压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃；硅边框内部与正方形压力敏感膜片连为一体，在正方形硅压力敏感膜片的对角线上对称设置有4个棱台形硅岛，所述4个棱台形硅岛的四边与所述正方形硅压力敏感膜片的四边平行，4个棱台形硅岛分别通过与之相连的4根支撑梁将谐振结构平行悬置于正方形硅压力敏感膜片上方；设置于硅边框上表面的4根对角线上的4个引线电极分别通过4根柔性梁与谐振结构连接，实现谐振结构与外界的电气连接。
2.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述柔性梁为 S形柔性梁。
3.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述谐振结构设有4根支撑梁、4片振动叶片、2个可动梳齿驱动电极、2个可动梳齿检测电极和1个中心连接端，4根支撑梁和4片振动叶片对称分布于中心连接端的四周，在4片处于悬置的振动叶片末端设置2个梳齿驱动电极和2个梳齿检测电极。
4.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述4根支撑梁和4片振动叶片采用成45°夹角间隔对称分布于中心连接端的四周。
5.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述支撑梁为直梁或弯梁。
6.如权利要求1或5所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述支撑梁的截面为矩形。
7.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述振动叶片为扇形振动叶片。
8.如权利要求1或7所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于振动叶片上设有孔或孔阵列。
9.如权利要求1所述的一种全对称硅微谐振式压力传感器，其特征在于所述中心连接端为圆形中心连接端。
全文摘要
一种全对称硅微谐振式压力传感器，涉及一种压力传感器。提供可解决上下平板驱动结构中驱动力的非线性问题，以及驱动力与压力敏感膜片间的耦合问题，基于侧向驱动的一种全对称硅微谐振式压力传感器。设有谐振结构、棱台形硅岛、正方形硅压力敏感膜片、硅边框和下层玻璃；硅边框内部与正方形压力敏感膜片连为一体，在正方形硅压力敏感膜片的对角线上对称设有4个棱台形硅岛，所述4个棱台形硅岛的四边与所述正方形硅压力敏感膜片的四边平行，4个棱台形硅岛通过与之相连的4根支撑梁将谐振结构平行悬置于正方形硅压力敏感膜片上方；设于硅边框上表面的4根对角线上的4个引线电极通过4根柔性梁与谐振结构连接，实现谐振结构与外界的电气连接。
文档编号G01L1/16GK102162756SQ201010611298
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者吕文龙, 孙道恒, 张弛, 杜江, 江毅文, 王凌云, 邹建男 申请人:厦门大学