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文檔簡介
1、基于 MEMS技術(shù)的硅微機械諧振壓力傳感器是目前精度最高、長期穩(wěn)定性最好的壓力傳感器之一,具有體積小、重量輕、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、準數(shù)字信號輸出、溫度響應快、抗沖擊、抗干擾能力強、易于集成化和利于批量生產(chǎn)等眾多優(yōu)點。硅微機械諧振壓力傳感器非常適合于對精度和長期穩(wěn)定性有著嚴格要求的航空航天、工業(yè)過程控制和其它精密測量場合,在軍事和民用領域有著十分廣泛的應用和巨大的市場。
本文提出了一種常壓封裝的硅微機械諧振壓力傳感器,系統(tǒng)研究了硅
2、微機械諧振壓力傳感器的基礎理論、結(jié)構(gòu)設計以及加工工藝等關鍵技術(shù),并對制作的傳感器樣件進行了性能測試。論文的主要研究工作可概括如下:
對諧振器受到的各種阻尼進行了深入研究,給出了Q值的預測公式,并優(yōu)化了釋放孔設計。推導了諧振器的固有頻率和靈敏度,分析了軸向應力與諧振器滿量程頻率變化量、二次多項式擬合非線性的對應關系,同時確定了諧振梁非線性變形和靜電力非線性成分對諧振器固有頻率的影響。對諧振器二階系統(tǒng)進行了動力學分析,對比了其振動
3、位移、速度和加速度的頻率特性曲線。研究了壓力敏感膜片的力學行為,進而得到了支撐柱的最佳布置位置。
設計了一種雙端固支梳齒與中間耦合梁結(jié)合的力敏諧振器結(jié)構(gòu),采用靜電激勵/電容檢測的工作方式,面內(nèi)動平衡的振動模式,保證應力靈敏度和驅(qū)動能力的同時大幅提高了諧振器的Q值。其工作模態(tài)與壓力敏感膜片的受壓變形方向互相垂直且具有足夠大的頻率間隔,可以有效減小諧振器向壓力敏感膜片的能量傳遞,諧振器振動更加穩(wěn)定可靠。試驗結(jié)果表明,常溫常壓下其Q
4、值大于1200,5 Pa真空下Q值大于50000。而在溫度為-20℃~60℃、外界待測壓力為絕壓1 kPa~300 kPa的范圍內(nèi),常壓封裝硅微機械諧振壓力傳感器的諧振器Q值為999~1679,并且傳感器基本不受同振質(zhì)量的影響,介質(zhì)敏感度非常低。
為了抑制壓力敏感膜片受壓變形時諧振器的高度變化,提出了一種基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)。仿真與試驗結(jié)果表明,壓力敏感膜片受壓變形時,與懸置扭轉(zhuǎn)梁相連的諧振器最大高度變化僅為常規(guī)諧
5、振器固定端結(jié)構(gòu)的7.3%,保證了傳感器驅(qū)動與檢測的穩(wěn)定性,降低了閉環(huán)控制的難度。同時基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)采用4個對稱布置的支撐柱,機械強度更高,壓力敏感膜片受壓變形時力的傳遞也更加穩(wěn)定可靠。并且在基于懸置扭轉(zhuǎn)梁的諧振器固定端結(jié)構(gòu)中,支撐柱布置于諧振梁之間的空隙,傳感器的芯片結(jié)構(gòu)更加緊湊,版圖面積利用率更高,體積更小。
針對傳感器檢測信號微弱和同頻干擾嚴重的特點,在芯體及接口電路設計中采用了提高諧振器Q值、添加屏蔽電
6、極、降低交流驅(qū)動電壓幅值、差動電容檢測和高頻載波調(diào)制解調(diào)方案等多項措施,有效抑制了同頻干擾和漏電流,減小了基礎檢測電容和各種共模干擾信號的影響,提高了傳感器微弱電容檢測信號的信噪比。
開發(fā)了基于SOI的硅微機械諧振壓力傳感器加工工藝,對材料選擇、各向異性濕法腐蝕、SOI的DRIE、圖形化SOI的劃片、SOI結(jié)構(gòu)的濕法釋放、基于SOI的陽極鍵合和芯體器件級常壓封裝等關鍵工藝技術(shù)進行了詳細研究,并進行了芯體版圖設計和工藝誤差分析。
7、該加工工藝僅需要兩層掩膜版,簡單可靠,所需設備少,制作周期短,成品率高,一致性好,可以滿足一般硅微機械諧振壓力傳感器快速芯體原型的制作需要。
對制作的常壓封裝硅微機械諧振壓力傳感器樣件進行了開環(huán)測試和閉環(huán)集成測試。測試結(jié)果表明,其基礎諧振頻率在34.5 kHz至35.5 kHz之間。在絕壓3.5 kPa~280 kPa的壓力范圍內(nèi),其壓力靈敏度為10.86 Hz/kPa,滿量程頻率變化量為8.27%。當采用二次多項式進行數(shù)據(jù)擬
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