硅微機械諧振壓力傳感器技術的發展

葉俊

現階段，硅微機械諧振壓力傳感器應該是穩定性最好及精確度最高的傳感器，在航空航天及工業等領域內廣泛應用。按照硅微機械諧振壓力傳感器目前研究成果，對硅微機械諧振壓力傳感器工作原理進行闡述，分析不同類別硅微機械諧振壓力傳感器芯體結構，對硅微機械諧振壓力傳感器未來發展方向進行分析，希望能夠增加對硅微機械諧振壓力傳感器技術的了解。

【關鍵詞】微機械 諧振 壓力傳感器 諧振器 激勵 檢測

硅微機械諧振壓力傳感器是現階段航空航天領域及這工業控制領域等主要應用的壓力傳感器，主要對物體壓力間接性檢測，得出精確檢測數據，特別適合遠距離傳輸應用，信息采集與處理更加便捷。硅微機械諧振壓力傳感器在運行過程中處于機械諧振狀態，所以抗干擾性能較高，精確度較高。與此同時，與傳統壓力傳感器相比較，設備體積更小、沖擊力吸收效果更好等優勢。

1 硅微機械諧振壓力傳感器工作原理

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

在對硅微機械諧振壓力傳感器分析研究過程中，都是在上世紀80年代開始研究，振動膜結構與諧振器結構在制作上十分簡單，由于受到同振質量的影響，振動膜結構在壓力檢測過程中，需要受到自身結構穩定性影響。伴隨著MEMS技術逐漸完善，硅微機械諧振壓力傳感器已經成為壓力傳感器研究的主要內容，同時發達國家在對硅微機械諧振壓力傳感器研究上已經取得了十分顯著成果，同時廣泛應用。

2 壓力敏感膜片與諧振器復合結構

2.1 靜電激烈與電容檢測方式

英國研究人員在對硅微機械諧振壓力傳感器研究過程中，在上世紀80年代就已經研究出了第一臺硅微機械諧振壓力傳感器原型，同時壓力敏感薄片在制作上已經應用濃硼進行雕刻，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，通過玻璃漿料進行連接，應用玻璃管將諧振器處于真空狀態。在1995年該型號壓力傳感器正在大批量生產，同時諧振器結構進一步完善。壓力敏感膜片形狀在發生改變之后，諧振器極了與電容器之間的間隙發生顯著變化，這樣造成閉環控制難度顯著提高。同時由于諧振器與壓力敏感膜片之間呈現垂直結構，這樣造成壓力敏感期與外部環境在發生耦合變化之后，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械諧振壓力傳感器上應用，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，同時諧振器屬于雙端固梁結構。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。硅微機械諧振壓力傳感器不同結構之間呈現垂直結構，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 硅微機械諧振壓力傳感器技術發展趨勢

3.1 提高硅微機械諧振壓力傳感器精確度

硅微機械諧振壓力傳感器芯體結構相對而言較為簡單，但是硅微機械諧振壓力傳感器振動膜在運行過程中，并不會受到待測壓力影響，同時硅微機械諧振壓力傳感器振動精確度還需要進一步影響。硅微機械諧振壓力傳感器要是為諧振器復合結構，這樣造成芯體結構十分繁瑣，諧振器處于密封狀態下振動穩定性顯著提高，已經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垂直結構之后，振動器與壓力敏感膜片之間的頻率顯著下降，同時能量耦合降低；諧振器與壓力敏感膜片在曾線水平結構之后，振動器與壓力敏感膜片之間的頻率顯著提高，同時耦合能量增加。

3.2 降低能耗，簡化結構

靜電激烈與電容檢測方式、靜電激烈與壓阻檢測方式在實際運行過程中，所需要的能耗較高，同時還需要與電路集成，芯體結構十分繁瑣，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量，對芯體結構進一步簡化，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構相對而言較為簡單，檢測工作容易受到外部環境的影響，能耗較高，溫度對檢測精確度造冊很難過嚴重影響。

3.3 完善加工及檢測手段

MEMS技術在不斷完善過程中，需要對加工及檢測手段進一步完善，這樣能夠有效減低硅微機械諧振壓力傳感器技術難度，對硅微機械諧振壓力傳感器產品推出具有重要意義。硅微機械諧振壓力傳感器芯體結構與生產工藝還需要進一步完善，除了傳統真空封裝硅微機械諧振壓力傳感器產品之外，對壓力傳感器制作工藝需要進一步完善創新，逐漸推動硅微機械諧振壓力傳感器技術向常壓封裝方向發展。

4 結論

硅微機械諧振壓力傳感器技術經過30多年發展歷程，硅微機械諧振壓力傳感器取得了十分顯著研究成果，同時有關技術所推出的產品在航空航天及工業制造等領域廣泛應用，現階段硅微機械諧振壓力傳感器主要應用諧振器復合結構與壓力敏感膜片。不同類別硅微機械諧振壓力傳感器產品檢測對象不同，但是還需要進一步完善，逐漸對硅微機械諧振壓力傳感器技術進行推廣。

參考文獻

[1]李麗萍，孔德仁，蘇建軍.毀傷工況條件下沖擊波壓力電測法綜述[J].爆破，2015（02）：39-46.

[2]張馳.諧振式壓力傳感器驅動仿真研究[J].軟件，2013（03）：118-121.

[3]李玉欣，陳德勇，王軍波，焦海龍，羅振宇.基于自停止腐蝕技術的H型諧振式微機械壓力傳感器[J].光學精密工程，2011（12）：2927-2934.

[4]沈觀林.應變電測與傳感器技術的新發展及應用[J].中國測試，2011（02）：87-91+96.

作者單位

1.武漢職業技術學院 湖北省武漢市 430074

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