一種微機(jī)械壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種硅微壓力傳感器，特別是一種微機(jī)械壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
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[0002]基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的娃微機(jī)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，這種傳感器的特征尺寸一般為微米或亞微米量級，采用硅微機(jī)械加工工藝制造，通過檢測硅微機(jī)械敏感諧振器或振動膜的固有頻率間接測量壓力，為準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，適用于遠(yuǎn)距離傳輸，信號采集和處理方便。由于工作于機(jī)械諧振狀態(tài)，其精度主要受傳感器機(jī)械特性的影響，因此其信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定。在過去的數(shù)十年內(nèi)，隨著MEMS制造工藝的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)設(shè)計以及配套電路的改進(jìn)，諧振式壓力傳感器在綜合性能上得到了進(jìn)一步提高。
[0003]大多數(shù)諧振式壓力傳感器芯體由壓力敏感膜片和一個包含活動質(zhì)量塊的微機(jī)電結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0004]當(dāng)外界壓力作用在敏感膜片上時，敏感膜片發(fā)生變形，變形傳遞到微機(jī)電結(jié)構(gòu)上使結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生變化，通過檢測該微機(jī)電結(jié)構(gòu)的頻率便可以檢測壓力。
[0005]為了檢測微機(jī)電結(jié)構(gòu)的頻率，需要一定的壓力傳感器來使微機(jī)電結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，通過測試微機(jī)電結(jié)構(gòu)的振動情況可以測試其固有頻率。
[0006]文獻(xiàn)“湯章陽，樊尚春，蔡晨光.一種新型的硅諧振式微傳感器頻率特性測試系統(tǒng)，儀表技術(shù)與傳感器，2009，增刊，pp.239-240”中，提出一種開環(huán)測試系統(tǒng)，利用微處理器產(chǎn)生變化頻率的驅(qū)動信號，并記錄每一個頻率點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)，通過分析檢測數(shù)據(jù)便可得到傳感器的固有頻率和品質(zhì)因數(shù)等重要參數(shù)。這種實(shí)現(xiàn)方法比較簡單，但單次測試時間較長，無法實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時測量。
[0007]文獻(xiàn)“李海娟，周浩敏.硅諧振式壓力微傳感器閉環(huán)系統(tǒng)，北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，Vol.31，n0.3，pp.332-335”中，針對電阻熱激勵、壓敏電阻拾振的傳感器結(jié)構(gòu)，提出了一種采用鎖相環(huán)和分頻技術(shù)的壓力傳感器，利用鎖相環(huán)輸出作為傳感器的驅(qū)動信號。采用這種方法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且會引入鎖相環(huán)的噪聲，影響傳感器的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單可靠的微機(jī)械壓力傳感器。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0010]—種微機(jī)械壓力傳感器，包括固定結(jié)構(gòu)以及能夠相對于該固定結(jié)構(gòu)運(yùn)動的質(zhì)量塊，用于檢測質(zhì)量塊相對于固定結(jié)構(gòu)位移的檢測裝置，用于驅(qū)動質(zhì)量塊產(chǎn)生相對于固定結(jié)構(gòu)位移的驅(qū)動裝置，用于控制檢測裝置輸出信號并給驅(qū)動裝置提供輸入信號的控制裝置。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，檢測裝置包括電荷放大器或跨阻放大器。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，檢測裝置包括電荷放大器時，該電荷放大器包括運(yùn)算放大器和反饋電容器，反饋電容器配置在運(yùn)算放大器輸入和輸出之間；檢測裝置包括跨阻放大器時，該跨阻放大器包括運(yùn)算放大器和反饋電阻器，反饋電阻器配置在運(yùn)算放大器輸入和輸出之間。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，當(dāng)檢測裝置中包括電荷放大器時，控制裝置中還包括移相器。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，檢測裝置通過其檢測端與質(zhì)量塊電容性地耦合連接；驅(qū)動裝置其通過驅(qū)動端與質(zhì)量塊電容性地耦合連接。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，控制裝置用于控制檢測裝置輸出信號的幅值，包括依次連接的整流器、低通濾波器以及可變增益放大器，其中，檢測裝置輸出連接整流器輸入端和可變增益放大器輸入端，可變增益放大器輸出端連接驅(qū)動裝置輸入端。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括讀取裝置，該讀取裝置的輸入端與檢測裝置的輸出連接，或者與驅(qū)動裝置的輸出連接，或者與控制裝置的輸出連接。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，該讀取裝置中包括比較器，用于將讀取裝置的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲妷盒盘枴?br>[0018]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，檢測裝置、控制裝置和驅(qū)動裝置的輸入信號和輸出信號分別為單端信號，或者為差分式的雙端信號。
[0019]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0020]本發(fā)明提供的微機(jī)械壓力傳感器工作時，驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動交流信號加載在其驅(qū)動端上，驅(qū)動端與質(zhì)量塊之間電容性的耦合連接，加載在驅(qū)動端上的驅(qū)動交流信號將驅(qū)動質(zhì)量塊產(chǎn)生水平方向的振動，該振動將使其檢測端與質(zhì)量塊之間的耦合電容發(fā)生交流變化，檢測裝置用于檢測該變化的耦合電容并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髯兓碾妷?；檢測裝置輸出的電壓輸入到控制裝置中進(jìn)行幅值和相位的處理，經(jīng)過處理的交流電壓作為控制裝置的輸出并輸入到驅(qū)動裝置中，驅(qū)動裝置可以對交流電壓進(jìn)行進(jìn)一步的放大處理，之后該交流電壓便作為驅(qū)動裝置的輸出加載在驅(qū)動端上。
[0021]進(jìn)一步的，控制裝置包括的整流器、低通濾波器和可變增益放大器用于處理交流電壓的幅值，移相器用于處理交流電壓的相位。
[0022]由此可以看出本發(fā)明提供的微機(jī)械壓力傳感器形成一個閉合環(huán)路，而該閉合環(huán)路在工作時可以形成一個自激振蕩的系統(tǒng)，該自激振蕩系統(tǒng)的振蕩幅值可以由控制裝置控制，頻率由包含活動質(zhì)量塊的微機(jī)電結(jié)構(gòu)控制。
[0023]當(dāng)傳感器用來測試壓力時，壓力會引起微機(jī)電結(jié)構(gòu)的固有頻率發(fā)生變化，而該自激振蕩系統(tǒng)的振蕩頻率由微機(jī)電結(jié)構(gòu)的固有頻率決定，因此系統(tǒng)的振動頻率將自動跟隨其頻率，實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時測量。
[0024]綜上所述，本發(fā)明提供的一種微機(jī)械壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)傳感器對壓力的實(shí)時跟蹤測量。并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)較為簡單，實(shí)現(xiàn)比較方便，功耗較低，易于實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計。
【附圖說明】
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[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)框圖。
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0027]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]圖1所示為本發(fā)明微機(jī)械壓力傳感器的第一個實(shí)施實(shí)例，包括固定結(jié)構(gòu)I以及能夠相對于固定結(jié)構(gòu)I運(yùn)動的質(zhì)量塊2，用于檢測質(zhì)量塊2相對于固定結(jié)構(gòu)I位移的檢測裝置3，用于驅(qū)動質(zhì)量塊2產(chǎn)生相對于固定結(jié)構(gòu)I位移的驅(qū)動裝置8，用于控制檢測裝置3輸出信號并給驅(qū)動裝置8提供輸入信號的控制裝置4 ;其中，驅(qū)動裝置8通過驅(qū)動端12與固定結(jié)構(gòu)I相連，檢測裝置3通過檢測端9與固定結(jié)構(gòu)I相連，質(zhì)量塊2分別與驅(qū)動端12和檢測端9形成單端可變電容11和可變電容10?？刂蒲b置4包含整流器5、低通濾波器6和可變增益放大器7。在該實(shí)例中，檢測裝置3由跨阻放大器構(gòu)成，控制裝置4中不含移相器。讀取裝置13的輸入與控制裝置4的輸出相連。讀取裝置13的輸出為方波電壓信號。
[0030]實(shí)施例2
[0031]圖2所示為本發(fā)明微機(jī)械壓力傳感器的第二個實(shí)施實(shí)例，包括固定結(jié)構(gòu)I以及可以相對于固定結(jié)構(gòu)I運(yùn)動的質(zhì)量塊2，用于檢測質(zhì)量塊2相對于固定結(jié)構(gòu)I位移的檢測裝置3，用于驅(qū)動質(zhì)量塊2產(chǎn)生相對于固定結(jié)構(gòu)I位移的驅(qū)動裝置8，用于控制檢測裝置3輸出信號并給驅(qū)動裝置8提供輸入信號的控制裝置4 ;其中，驅(qū)動裝置8通過兩個驅(qū)動端12a和驅(qū)動端12b與固定結(jié)構(gòu)I相連，檢測裝置通過兩個檢測端9a和檢測端9b與固定結(jié)構(gòu)I相連，質(zhì)量塊2分別與驅(qū)動端12a和驅(qū)動端12b形成差分式的可變電容Ila和可變電容11b，即可變電容Ila和可變電容Ilb變化方向相反。質(zhì)量塊2分別與檢測端9a和檢測端9b形成差分式的可變電容1a和可變電容10b，即可變電容1a和可變電容1b變化方向相反。
[0032]控制裝置4包含整流器5、低通濾波器6和可變增益放大器7和移相器14。在該實(shí)例中，檢測裝置3由電荷放大器構(gòu)成，控制裝置4中還包括移相器。讀取裝置13的輸入與控制裝置4的輸出相連。讀取裝置13的輸出為方波電壓信號。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，包括固定結(jié)構(gòu)(I)以及能夠相對于該固定結(jié)構(gòu)⑴運(yùn)動的質(zhì)量塊(2)，用于檢測質(zhì)量塊⑵相對于固定結(jié)構(gòu)⑴位移的檢測裝置(3)，用于驅(qū)動質(zhì)量塊(2)產(chǎn)生相對于固定結(jié)構(gòu)(I)位移的驅(qū)動裝置(8)，用于控制檢測裝置(3)輸出信號并給驅(qū)動裝置(8)提供輸入信號的控制裝置(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，檢測裝置(3)包括電荷放大器或跨阻放大器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，檢測裝置(3)包括電荷放大器時，該電荷放大器包括運(yùn)算放大器和反饋電容器，反饋電容器配置在運(yùn)算放大器輸入和輸出之間；檢測裝置(3)包括跨阻放大器時，該跨阻放大器包括運(yùn)算放大器和反饋電阻器，反饋電阻器配置在運(yùn)算放大器輸入和輸出之間。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，當(dāng)檢測裝置(3)中包括電荷放大器時，控制裝置⑷中還包括移相器(14)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，檢測裝置(3)通過其檢測端(9)與質(zhì)量塊(2)電容性地耦合連接；驅(qū)動裝置⑶其通過驅(qū)動端(12)與質(zhì)量塊(2)電容性地耦合連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，控制裝置(4)用于控制檢測裝置(3)輸出信號的幅值，包括依次連接的整流器(5)、低通濾波器￠)以及可變增益放大器(7)，其中，檢測裝置(3)輸出連接整流器(5)輸入端和可變增益放大器(7)輸入端，可變增益放大器(7)輸出端連接驅(qū)動裝置(8)輸入端。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，還包括讀取裝置(10)，該讀取裝置(10)的輸入端與檢測裝置(3)的輸出連接，或者與驅(qū)動裝置⑶的輸出連接，或者與控制裝置(4)的輸出連接。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，該讀取裝置(10)中包括比較器，用于將讀取裝置(10)的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲妷盒盘枴?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械壓力傳感器，其特征在于，檢測裝置(3)、控制裝置(4)和驅(qū)動裝置(8)的輸入信號和輸出信號分別為單端信號，或者為差分式的雙端信號。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微機(jī)械壓力傳感器，包括固定結(jié)構(gòu)(1)以及能夠相對于該固定結(jié)構(gòu)(1)運(yùn)動的質(zhì)量塊(2)，用于檢測質(zhì)量塊(2)相對于固定結(jié)構(gòu)(1)位移的檢測裝置(3)，用于驅(qū)動質(zhì)量塊(2)產(chǎn)生相對于固定結(jié)構(gòu)(1)位移的驅(qū)動裝置(8)，用于控制檢測裝置(3)輸出信號并給驅(qū)動裝置(8)提供輸入信號的控制裝置(4)。本發(fā)明提供的一種微機(jī)械壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)傳感器對壓力的實(shí)時跟蹤測量。并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)較為簡單，實(shí)現(xiàn)比較方便，功耗較低，易于實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計。
【IPC分類】G01L1/10
【公開號】CN105021324
【申請?zhí)枴緾N201510419147
【發(fā)明人】孫明
【申請人】西安勵德微系統(tǒng)科技有限公司
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月16日