硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感

2022/01/21 13:52 · 傳感器知識資訊 ·  · 硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感已關閉評論
摘要:

硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感目前精度最高、穩定性最好的壓力傳感器是水晶諧振式壓力傳感器。其精度已超過0.01%fs,溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來,隨著傳感器技術的發展,分析研究的結果表明,硅和水晶都是具有優良彈性的材料,它們的溫度系數也大體相同,因此,研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器,并已有產品問世。由

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硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感

目前精度最高、穩定性最好的壓力傳感器是水晶諧振式壓力傳感器。其精度已超過0.01%fs,溫度穩定性優于10-6/時間穩定性高于10-6/年。近年來,隨著傳感器技術的發展,分析研究的結果表明,硅和水晶都是具有優良彈性的材料,它們的溫度系數也大體相同,因此,研究人員已經利用硅來研制諧振式壓力感器,并已有產品問世。 由于硅不具有壓電性,因此,不如水晶那樣容易實現諧 振的激勵接收,只有解決硅諧 振激勵和接收方法,才可以研制出硅諧 振式壓力傳感器。目前解決的方法有兩種,其一是靜電激勵法,即利用電磁激勵或熱電激勵;其二是壓電激勵法,即利用壓電薄膜、鐵電薄膜和壓電陶瓷片激勵。 硅諧振式壓力傳感器具有如下特點: 1、把膜片(起應力集中作用)和諧 振器制作在同一塊單晶硅上,因此,不會在它的連接處產生遲滯、蠕變、漂移,可以獲得穩定性好、重復性佳的壓力傳感器; 2、它的體積小、重量輕、動態特性好、熱容量小,可以實現大批量生產和降低成本; 3、由于硅諧振器置于真空室內,所以不受被測流體密度的影響,機械q值非常高(高達5萬),從而使傳感器的分辨率很高。其工作原理是利用硅諧 振器與選頻放大器構成一個正反饋振蕩系統,當此系統受到壓力作用時,其固有的振蕩頻率發生變化,因此,根據其頻率的變化就可以測量出壓力的大小。 硅諧振式壓力傳感器的結構基本有兩種,即一是平面型硅諧 振式壓力傳感器。它是利用各向異性腐蝕技術在硅片上加工一諧振膜片,然后在膜上制作激勵器(擴散電阻器)。當交變的電流在激勵器中流過時,產生熱應變,激勵諧振膜片,利用另一個擴散電阻器檢測其諧 振頻率的變化。還有一種諧 振阻器檢測其諧振頻率的變化。還有一種諧 振膜片式壓力傳感器,只不過是利用壓電反饋系統維持膜片振動,代替電磁激勵器而已,其它的部分基本相同。二是立體型諧 振式膜片壓力傳感器。它是在單晶硅膜上設置固定電極,而在其上方再加工可動電極和諧 振器,硅膜和諧振器分別利用各向異性腐蝕技術和外延技術制作。當壓力作用到膜片上時,膜片發生彎曲形變,通過支柱給諧振器施加了軸向力,從而使其諧振頻率發生變化。在這種情況下,激勵諧振器的方法有兩種,一是在電極間施加靜電方法;二是利用激光產生熱應變方法。 硅諧振式壓力傳感器是一種新型的結構型壓力傳感器,它比擴散硅式之類的物性型壓力傳感器具有更高的分辨率、靈活度和重復性。今后,隨著硅微機械加工技術和外延技術的發展,將會使硅諧振式壓力傳感器的性能得到更大的提高,其應用領域也將會更加拓寬。 硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感  第2張

硅諧振式壓力傳感器:硅諧振式壓力傳感器的研究

諧振式傳感器具有穩定性好,精度高、與微機接口方便等特點而倍受重視。我們采用微機械加工技術研制了微諧振器和諧振式壓力傳感器。其特點是用單晶硅梁做諧振器、梁厚僅數微米,用靜電激勵。其振動頻率取決于器件設計、材料性能和梁的軸向應力,并受外界壓力調制。研究工作包括器件設計;激振與拾振技術;關鍵工藝包括硅健合,薄梁制備技術和封裝技術,并對樣品進行了分析測試 。研究表明,用兩端固支梁理論分析微諧振梁作為一階近似是可行的。單晶梁的工藝難度大,但工藝上仍可行。傳感器固有頻率穩定;一般在一百千赫以上,空氣中品質因數達數百;靈敏度高,當壓力電O升到O·1MPa時,頻移達十幾千赫,是一種有前途的新型傳感器。
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硅諧振式壓力傳感器:諧振式壓力傳感器的應用有什么

  傳感器專家網中了解到諧振式壓力傳感器是一種典型的利用外界壓力作用時結構頻率的改變來實現壓力測量的MEMS器件。該類傳感器一般使用單晶硅制作感受外界壓力的壓力膜以及間接敏感元件諧振梁,實現了二次敏感模式,它可以直接輸出頻率信號,其傳輸與測量都可直接應用數字技術,具有廣闊的應用前景。本文諧振器采用靜電驅動/電容檢測原理,當封裝層施加電壓U后,封裝層與諧振梁之間產生電容,進而產生作用于諧振梁的靜電力。在諧振器的設計過程,電容一般采用理想電容公式,而忽略了邊緣效應產生的影響,從而使得設計結果與實際應用存在誤差。本文除了考慮邊緣效應對諧振器電容的影響外,還考慮了邊緣效應對機電耦合時諧振梁變形、臨界電壓、靜電剛度的影響;同時對諧振器進行建模,分析系統參數以及電壓、邊緣效應對系統頻率、靈敏度等系統性能的影響。
  
  諧振式壓力傳感器的應用
  利用諧振元件把被測壓力轉換成頻率信號的壓力傳感器。它是諧振式傳感器的重要應用方面,主要有振弦式壓力傳感器(見振弦式傳感器)、振筒式壓力傳感器(見振筒式傳感器)、振膜式壓力傳感器(見振膜式傳感器)和石英晶體諧振式壓力傳感器(見石英晶體諧振式傳感器)。
  諧振式壓力傳感器由其精度高,穩定性好,以及半數字輸出、抗干擾性強等優勢,廣泛運用在氣象,宇航等領域。諧振式壓力傳感器由通常壓力敏感膜和諧振子構成。由于諧振子是可動部件,為了實現其低阻尼振動的工作環境,同時保護其免受外界灰塵,濕度,腐蝕等的破壞,諧振器往往需要被密封在真空環境之中。另外,對于壓力傳感器而言,真空是一個理想的壓力參考,不隨外界環境(比如溫度、濕度、流速等)的變化而變化。因此,諧振器的真空封裝是諧振壓力傳感器的一個必然要求。
  通過傳感器專家網可知用于圓片級真空封裝的技術主要包括:硅硅鍵合,硅玻璃陽極鍵合,金硅共晶鍵合,金屬中間層鍵合,以及玻璃焊料鍵合等。其中硅玻璃陽極鍵合對表面平整度要求不太高,無需中間層且強度高,因此廣泛用于壓力傳感器、加速度計、陀螺等的封裝過程。但該種方式在諧振式壓力傳感器的制作與封裝過程中仍存在一定的問題:一方面,陽極鍵合需要提供高電壓,容易造成可動部件的靜電吸合,導致器件失效;另一方面,采用玻璃進行真空封裝,往往需要在玻璃上加工引線通孔,用于與外部的電氣連接,然而玻璃的加工相對困難。雖然可以采用噴砂和超聲等方式制作通孔,但其加工尺寸受限,并與MEMS工藝不兼容,通用性差。另外,由于使用機械的加工方式,通孔邊緣容易產生微裂紋,影響密封的可靠性。
  
  諧振式壓力傳感器的應用
  另一方面,在微機電系統(MEMS)領域,常用于加工諧振子的材料主要是石英和單晶硅。石英具有低的溫度系數,因而制作傳感器的精度相對較高,但其加工困難,制作的成本高。相對而言,硅的加工工藝相對成熟與完善,刻蝕可以采用干法和濕法兩種方式進行,刻蝕速率快,適用于多種形貌的圖形加工;特別的,SOI片尤其適合加工可動部件,便于制作諧振子。因此,采用硅片加工具有更高的靈活性,更低的制作成本。雖然硅的溫度系數相對較大,但通??梢詫鞲衅鬟M行溫度補償,使其在較寬的溫度范圍內也有較高的精度。
  綜上所述就是關于諧振式壓力傳感器的應用有什么的詳細介紹,希望能夠為大家帶來幫助,諧振式壓力傳感器在日常生活中運用非常廣泛,科技把我們的生活變的非常美好。
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硅諧振式壓力傳感器:高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃

高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目入選2018年度國家重點研發計劃

9月20日,航空工業xx公司組織申報的《高精度硅諧振壓力傳感器工程化與產業化項目》通過科技部國家重點研發計劃重大科學儀器設備開發專項評審。 該項目以軍民融合為導向,“產、學、研、用”相結合,匯聚了中國科學院xxx研究所、江蘇xxx科學研究所等上等企業在MEMS技術研究、傳感器工程應用方面多年積累的經驗。
高精度硅諧振壓力傳感器工程化是xx公司繼諧振式振動筒壓力傳感器之后又一項重大突破,標志著xx公司在大氣數據傳感與測量、氣象數據感知等領域躋身國際先進水平。該傳感器的產業化應用將改寫高精度硅諧振壓力傳感器由國外壟斷的局面,為航空航天、氣象探測、工業控制等領域實現自主可控提供堅實基礎。
目前,xx公司以傳感器產業聯盟為載體推進傳感器市場領域軍民融合發展,以傳感器聯合**中心為基礎開展客戶需求導向傳感器聯合研發。高精度硅諧振壓力傳感器項目獲得國家支持將推動公司傳感器技術不斷實現新突破。

重大科學儀器設備開發重點專項“高精度微型硅諧振壓力傳感器工程化與產業化”項目啟動實施

日期:2019年04月29日 08:37
來源:科技部

近日,國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”重點專項2018年度立項項目“高精度微型硅諧振壓力傳感器工程化與產業化”在太原啟動實施,該項目由太原xx公司牽頭承擔,將圍繞航空機載設備、氣象測量儀器、工業控制領域對于高精度壓力傳感器的需求,重點解決傳感器溫度、壓力、多參數協同敏感結構設計與實時原位溫度自補償,芯片低應力組裝,航空、氣象等復雜環境下可靠性等關鍵技術,實現核心器件自主可控,以及在航空大氣數據采集系統、大氣壓力傳感器及國產化壓力控制器等儀器設備上的產業化應用。
項目啟動會上,項目牽頭單位為完成好項目任務的實施工作正式成立了“兩組一委”:項目總體組、技術專家組、用戶委員會,與會專家對項目實施方案進行了可行性論證會,并對項目研發過程中易出現的風險和解決措施進行了深入討論。會上,高技術中心專項辦管理人員對重點研發計劃項目管理工作、落實項目和課題單位法人責任、加強科研誠信、經費管理和落實“放管服”科技管理改革措施等政策進行了宣貫,山西省科技廳有關負責人員就深入理解和把握相關管理方針和政策提出了具體要求。

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