硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展

葉俊

現(xiàn)階段，硅微機(jī)械諧振壓力傳感器應(yīng)該是穩(wěn)定性最好及精確度最高的傳感器，在航空航天及工業(yè)等領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。按照硅微機(jī)械諧振壓力傳感器目前研究成果，對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器工作原理進(jìn)行闡述，分析不同類別硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體結(jié)構(gòu)，對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器未來發(fā)展方向進(jìn)行分析，希望能夠增加對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)的了解。

【關(guān)鍵詞】微機(jī)械 諧振 壓力傳感器 諧振器 激勵 檢測

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器是現(xiàn)階段航空航天領(lǐng)域及這工業(yè)控制領(lǐng)域等主要應(yīng)用的壓力傳感器，主要對物體壓力間接性檢測，得出精確檢測數(shù)據(jù)，特別適合遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用，信息采集與處理更加便捷。硅微機(jī)械諧振壓力傳感器在運(yùn)行過程中處于機(jī)械諧振狀態(tài)，所以抗干擾性能較高，精確度較高。與此同時(shí)，與傳統(tǒng)壓力傳感器相比較，設(shè)備體積更小、沖擊力吸收效果更好等優(yōu)勢。

1 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器工作原理

按照硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體結(jié)構(gòu)的差異，可以將硅微機(jī)械諧振壓力傳感器分別兩種，分別為諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)與諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)。就諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)來說，諧振器主要安裝在壓力敏感膜片表面，同時(shí)需要對壓力環(huán)境進(jìn)行密封處理。壓力在發(fā)生變化之后，壓力敏感膜片就會產(chǎn)生變化，諧振器剛度就會發(fā)生變化，壓力測量上主要利用諧振器頻率變化；就諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)來說，壓力在發(fā)生變化情況下，振動膜形狀的改變之后，對固有頻率變化進(jìn)行了解之后，能夠起到對壓力檢測的目的。

在對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器分析研究過程中，都是在上世紀(jì)80年代開始研究，振動膜結(jié)構(gòu)與諧振器結(jié)構(gòu)在制作上十分簡單，由于受到同振質(zhì)量的影響，振動膜結(jié)構(gòu)在壓力檢測過程中，需要受到自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。伴隨著MEMS技術(shù)逐漸完善，硅微機(jī)械諧振壓力傳感器已經(jīng)成為壓力傳感器研究的主要內(nèi)容，同時(shí)發(fā)達(dá)國家在對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器研究上已經(jīng)取得了十分顯著成果，同時(shí)廣泛應(yīng)用。

2 壓力敏感膜片與諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)

2.1 靜電激烈與電容檢測方式

英國研究人員在對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器研究過程中，在上世紀(jì)80年代就已經(jīng)研究出了第一臺硅微機(jī)械諧振壓力傳感器原型，同時(shí)壓力敏感薄片在制作上已經(jīng)應(yīng)用濃硼進(jìn)行雕刻，通過靜電激烈與電容檢測方式。

研究人員在對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器原型樣件分析研究之后，推出了一種全新氣壓計(jì)，通過玻璃漿料進(jìn)行連接，應(yīng)用玻璃管將諧振器處于真空狀態(tài)。在1995年該型號壓力傳感器正在大批量生產(chǎn)，同時(shí)諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善。壓力敏感膜片形狀在發(fā)生改變之后，諧振器極了與電容器之間的間隙發(fā)生顯著變化，這樣造成閉環(huán)控制難度顯著提高。同時(shí)由于諧振器與壓力敏感膜片之間呈現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，這樣造成壓力敏感期與外部環(huán)境在發(fā)生耦合變化之后，傳感器檢測精確度就會受到顯著影響。

2.2 靜電激烈與壓阻檢測方式

靜電激烈與壓阻檢測方式在硅微機(jī)械諧振壓力傳感器上應(yīng)用，是由美國研究人員提出，在壓力傳感器表面上具有溫度傳感器，同時(shí)諧振器屬于雙端固梁結(jié)構(gòu)。研究人員在不斷分析研究之后，開始逐漸在各種新型表面加工工藝在靜電激烈與壓阻檢測方式上。硅微機(jī)械諧振壓力傳感器不同結(jié)構(gòu)之間呈現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)，這樣就造成諧振器與壓力敏感期頻率較低，二者之間耦合程度顯著降低。在這種情況下，傳感器精確度會受到振動器的影響。

3 硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 提高硅微機(jī)械諧振壓力傳感器精確度

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體結(jié)構(gòu)相對而言較為簡單，但是硅微機(jī)械諧振壓力傳感器振動膜在運(yùn)行過程中，并不會受到待測壓力影響，同時(shí)硅微機(jī)械諧振壓力傳感器振動精確度還需要進(jìn)一步影響。硅微機(jī)械諧振壓力傳感器要是為諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣造成芯體結(jié)構(gòu)十分繁瑣，諧振器處于密封狀態(tài)下振動穩(wěn)定性顯著提高，已經(jīng)成為研究人員的主要研究趨勢。諧振器與壓力敏感膜片在呈現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)之后，振動器與壓力敏感膜片之間的頻率顯著下降，同時(shí)能量耦合降低；諧振器與壓力敏感膜片在曾線水平結(jié)構(gòu)之后，振動器與壓力敏感膜片之間的頻率顯著提高，同時(shí)耦合能量增加。

3.2 降低能耗，簡化結(jié)構(gòu)

靜電激烈與電容檢測方式、靜電激烈與壓阻檢測方式在實(shí)際運(yùn)行過程中，所需要的能耗較高，同時(shí)還需要與電路集成，芯體結(jié)構(gòu)十分繁瑣，這就需要不斷降低靜電激烈與電容檢測方式、靜電激烈與壓阻檢測方式能耗數(shù)量，對芯體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化，有效提高檢測便捷性，但是需要受到外部磁場的顯著。電熱激烈與壓阻檢測方式所具有的芯體結(jié)構(gòu)相對而言較為簡單，檢測工作容易受到外部環(huán)境的影響，能耗較高，溫度對檢測精確度造冊很難過嚴(yán)重影響。

3.3 完善加工及檢測手段

MEMS技術(shù)在不斷完善過程中，需要對加工及檢測手段進(jìn)一步完善，這樣能夠有效減低硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)難度，對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器產(chǎn)品推出具有重要意義。硅微機(jī)械諧振壓力傳感器芯體結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工藝還需要進(jìn)一步完善，除了傳統(tǒng)真空封裝硅微機(jī)械諧振壓力傳感器產(chǎn)品之外，對壓力傳感器制作工藝需要進(jìn)一步完善創(chuàng)新，逐漸推動硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)向常壓封裝方向發(fā)展。

4 結(jié)論

硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)經(jīng)過30多年發(fā)展歷程，硅微機(jī)械諧振壓力傳感器取得了十分顯著研究成果，同時(shí)有關(guān)技術(shù)所推出的產(chǎn)品在航空航天及工業(yè)制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段硅微機(jī)械諧振壓力傳感器主要應(yīng)用諧振器復(fù)合結(jié)構(gòu)與壓力敏感膜片。不同類別硅微機(jī)械諧振壓力傳感器產(chǎn)品檢測對象不同，但是還需要進(jìn)一步完善，逐漸對硅微機(jī)械諧振壓力傳感器技術(shù)進(jìn)行推廣。

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作者單位

1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北省武漢市 430074

2.國網(wǎng)浙江省電力公司麗水供電公司 浙江省麗水市 323000