本發(fā)明涉及壓力傳感器，尤其涉及一種采用雙膜三梁結(jié)構(gòu)的壓電諧振式壓力傳感器及壓力測量方法。

背景技術(shù)：

1、壓力傳感器是用于測量液體或氣體壓強的檢測裝置，而高精度壓力傳感器是精確壓力表征的核心組件。隨著科學技術(shù)的發(fā)展與進步，系統(tǒng)的自動化程度和復雜性越來越高，導致系統(tǒng)對壓力傳感器精度要求高的同時對靈敏度的指標也提出了高要求。在許多應用中，都需要精確、快速的壓力測量以確保安全性、性能評估、設計驗證和工藝優(yōu)化等。例如，在軍事領(lǐng)域，高精度高靈敏度的壓力傳感器用于準確、快速測量飛機飛行的高度、速度、攻角等參數(shù)，以提高相應飛行的準確性與安全性；目前壓力傳感器可分為諧振式、電容式、壓阻式。諧振式壓力傳感輸出為準數(shù)字信號、抗干擾能力強、高的信噪比等優(yōu)點，是目前精度最高的壓力傳感器，因此被廣泛地應用。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，諧振式壓力傳感器的精度和靈敏度是其主要工作指標。其主要受溫度和封裝的影響，單諧振器的結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)溫度的自補償，容易受到溫度和封裝應力的影響；而集成溫度傳感器的壓力傳感器由于溫度場的不確定性和傳輸?shù)倪t滯性，無法精確感知片上溫度；基于靜電激勵電容檢測/壓阻檢測的諧振式壓力傳感器結(jié)構(gòu)復雜、工藝依賴性大，熱激勵會受到熱噪聲的影響。同時都需要高真空封裝保證精度；單個敏感膜片的諧振式壓力傳感器壓力靈敏度有限，無法在保證高精度輸出的同時實現(xiàn)高靈敏度的壓力表征，從而限制了諧振式壓力傳感器性能的提升。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種壓電諧振式壓力傳感器及壓力測量方法，其通過提高傳感器靈敏度的同時實現(xiàn)溫度的自補償，完成壓力和溫度的同步測量，同時采用逆壓電激勵壓電檢測的方式，簡化器件結(jié)構(gòu)并提高可靠性，實現(xiàn)小電壓輸入大電壓輸出的激勵檢測方式，為寬溫域條件下滿量程壓力的高精度測量提供一種新的技術(shù)手段。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：所述的一種壓電諧振式壓力傳感器，其特點在于包括應力隔離層、雙膜基底層和壓電諧振層，所述的應力隔離層上設置有第一導壓孔和第二導壓孔；所述的雙膜基底層包括第一壓力敏感薄膜、第二壓力敏感薄膜和支撐邊框，第一凸臺和第二凸臺設置在第一壓力敏感薄膜上，第三凸臺和第四凸臺設置在第二壓力敏感薄膜上；所述的壓電諧振層包括通過電極依次相連的第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁和第三壓電諧振梁。

3、所述的應力隔離層、雙膜基底層和壓電諧振層自下而上依次采用微機電系統(tǒng)(micro?electro?mechanical?system?mems)工藝中鍵合工藝連接，所述的第一壓力敏感薄膜與第一導壓孔同幾何中心對應設置，所述的第二壓力敏感薄膜與第二導壓孔同幾何中心對應設置。

4、所述的第一壓電諧振梁一端設置有第一上電極和第二下電極，第一壓電諧振梁另一端和第二壓電諧振梁之間對應設置有第一下電極、第二上電極、第三上電極和第四下電極；第二壓電諧振梁與第三壓電諧振梁一端之間設置有第三下電極、第四上電極、第五上電極和第六下電極；所述的第三壓電諧振梁另一端還設置有第五下電極和第六上電極，第一上電極、第一下電極、第三上電極、第三下電極、第五上電極和第五下電極為第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁和第三壓電諧振梁實現(xiàn)逆壓電激勵的激勵電極；第二上電極、第二下電極、第四上電極、第四下電極、第六上電極和第六下電極分別為第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁和第三壓電諧振梁實現(xiàn)壓電檢測的檢測電極。

5、所述的第一上電極和第二下電極設置在第一壓電諧振梁端部并對應設置在第一凸臺上；第一下電極和第二上電極、第三上電極和第四下電極對應設置在第一壓電諧振梁與第二壓電諧振梁相連的端部并設置在第二凸臺上；第三下電極和第四上電極、第五上電極和第六下電極對應設置在第二壓電諧振梁與第三壓電諧振梁相連的端部并設置在第三凸臺上；第五下電極和第六上電極設置在第三壓電諧振梁端部并對應設置在第四凸臺上；帶有第一凸臺和第二凸臺的第一壓力敏感薄膜、帶有第三凸臺、第四凸臺的第二壓力敏感薄膜和第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁、第三壓電諧振梁形成雙膜三梁結(jié)構(gòu)。

6、所述的第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁和第三壓電諧振梁為層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)是采用磁控濺射的工藝在主體材料層上一層一層自下而上依次疊加的上電極金層、壓電材料層、下電極金層，所述的壓電材料層為氧化鋅、氮化鋁或鈦酸鉛構(gòu)成的壓電材料層，所述的主體材料層為硅、氮化硅或碳化硅材料。

7、所述的第一壓電諧振梁和第三壓電諧振梁分別對應懸空設置在第一壓力敏感薄膜和第二壓力敏感薄膜上方，第二壓電諧振梁懸空在第二凸臺和第三凸臺之間；所述的第一壓力敏感薄膜和第二壓力敏感薄膜將薄膜承受的外部壓力轉(zhuǎn)換成膜片的橫向位移，并通過其上相應的凸臺結(jié)構(gòu)將該處受壓時產(chǎn)生的位移進行放大，并傳遞到相應諧振梁上，提高壓力靈敏度。

8、所述的第一壓力敏感薄膜和第二壓力敏感薄膜的形狀為長方形、正方形或圓形。其尺寸設計需結(jié)合靈敏度需求進行設計。

9、所述的第一凸臺、第二凸臺、第三凸臺和第四凸臺設置在第一壓力敏感薄膜和第二壓力敏感薄膜的最小應力、最大橫向位移處，形狀為正方形、長方形或多邊形。其尺寸設計需結(jié)合靈敏度需求進行設計。

10、一種壓電諧振式壓力傳感器的壓力測量方法，其特征在于采用逆壓電激勵壓電檢測的方式，包括如下步驟：

11、第一步：取兩根壓電諧振梁的頻率變化進行待測壓力的表征，根據(jù)不同壓力下諧振梁的固有頻率不同，測出前后的頻率變化得到待測壓力，測試時，三根壓電諧振梁取其中兩根梁作為測試對象，其中第一壓電諧振梁和第三壓電諧振梁取其一為第一根，第二壓電諧振梁為第二根；

12、第二步：當待測壓力作用于壓力敏感膜片上時，基于雙膜三梁結(jié)構(gòu)，第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁基于凸臺的耦合力學原理受拉，間接引起第二壓電諧振梁受壓，從而造成諧振梁軸向應力發(fā)生變化，最終引起諧振梁的固有頻率發(fā)生變化；由于諧振梁的尺寸相同，因此諧振梁受拉和受壓的變形相同，諧振梁的諧振頻率變化相同，第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁和第二壓電諧振梁靈敏度大小相等，方向相反，通過差頻理論實現(xiàn)傳感器壓力靈敏度的提高。

13、進一步，所述的第一步中通過差頻理論實現(xiàn)傳感器靈敏度的提高，其原理如下：

14、根據(jù)雙端固支梁諧振頻率和軸向應力的關(guān)系，當?shù)谝粔弘娭C振梁、第三壓電諧振梁受拉時：

15、

16、

17、式中，f1p是當待測壓力為p時第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁受拉時的諧振頻率；f01是當待測壓力為p0＝0pa時第一壓電諧振梁的固有頻率，σp是當待測壓力為p時第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁、第三壓電諧振梁的軸向應力；σc是第一壓電諧振梁、第二壓電諧振梁、第三壓電諧振梁的臨界應力；s拉是第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁的靈敏度；δf是諧振頻率變化；δp是壓力變化；

18、當?shù)诙弘娭C振梁梁受壓時：

19、

20、

21、式中，f2p是當待測壓力為p時第二壓電諧振梁受壓的諧振頻率；f02是當待測壓力為p0＝0pa時第二壓電諧振梁的固有頻率；s壓是第二壓電諧振梁的靈敏度；

22、因一個壓電諧振梁受壓、一個壓電諧振梁受拉，其靈敏度方向相反，大小相等，通過差頻理論，傳感器的靈敏度為：

23、

24、式中：f0是當待測壓力為p0＝0pa時第三壓電諧振梁的固有頻率；πf是由于mems加工工藝引起的誤差，屬于小量；

25、上述過程實現(xiàn)靈敏度的進一步的提高，進行高分辨率的測壓；同時利用雙膜三梁結(jié)構(gòu)，通過和頻理論，所述的傳感器在輸出壓力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)溫度的測量，進而對傳感器進行溫度自補償，實現(xiàn)寬溫域條件下滿量程壓力的高精度測量；

26、所述的傳感器在輸出壓力的基礎(chǔ)上實現(xiàn)溫度的測量，其原理如下：

27、第一壓電諧振梁或第三壓電諧振梁取其一和第二壓電諧振梁通過和頻理論實現(xiàn)溫度的測量，具體原理為：

28、

29、其中f01≈f02＝f0,πf是由于mems加工工藝引起的誤差，屬于小量，f0是諧振梁的固有屬性，與溫度有關(guān)，根據(jù)其值實現(xiàn)溫度的測量；

30、所述的傳感器在輸出壓力和溫度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)溫度自補償，從而提高傳感器的精度，其原理為：

31、首先標定不同t和p下第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁和第二壓電諧振梁的諧振頻率f1和f2，做和差頻處理，同時輸出溫度和壓力信號即：

32、

33、式中，fh是和頻理論下的頻率；fc是差頻理論下的頻率；f1是不同t和p下受拉時的諧振頻率；f2是不同t和p下第二壓電諧振梁受壓時的諧振頻率；

34、然后對第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁和第二壓電諧振梁的諧振頻率f1和f2進行算法補償?shù)玫綔囟茸匝a償函數(shù)即：

35、p補＝b1(f1,f2)?????(8)，

36、式中，p補是溫度補償后的待測壓力；

37、最后，在之后的壓力測試中，將第一壓電諧振梁、第三壓電諧振梁受拉時的諧振頻率f1和第二壓電諧振梁受壓時的諧振頻率f2帶入自補償函數(shù)中即可得自補償結(jié)構(gòu)后的壓力，實現(xiàn)高精度的壓力測量。

38、本發(fā)明的有益效果是：一種壓電諧振式壓力傳感器及壓力測量方法，利用凸臺結(jié)構(gòu)的敏感薄膜可以將所測壓力引起敏感膜片的橫向位移在壓電諧振梁上進行放大，利用凸臺放大橫向位移實現(xiàn)壓力的高靈敏測量，采用雙膜三梁結(jié)構(gòu)，差頻輸出表征壓力，和頻輸出表征溫度，進一步提高靈敏度的同時實現(xiàn)溫度自補償，完成壓力和溫度的同步測量。同時采用逆壓電激勵壓電檢測的方式，簡化器件結(jié)構(gòu)和工藝并提高可靠性，完成小電壓輸入激勵大電壓輸出檢測，實現(xiàn)寬溫域條件下滿量程壓力的高精度測量。